基于GIS与遥感的环境地学要素时空变化研究①——以松涛水库流域为例

朱丽蓉 崔乙斌 叶长青③

（1 海南大学旅游学院 海南海口5702282；2 海南大学生态与环境学院 海南海口57022）

土地是环境地学中的基本要素。19 世纪初，人们就开始了土地利用变化的研究［1］。1970 年之后，随着GIS和遥感的应用，开始出现多学科交叉研究。20 世纪80 年代，人们逐步重视地球系统变化与持续健康发展的问题，相继开展了生物多样性（DIVERSIΤAS） 和世界气候研究等计划（WCRP）［2］。20 世纪90 年代，认识到土地利用变化在全球变化研究中的重要作用，将土地利用变化研究集中在“何时何地发生变化、发生哪种变化和变化机理”等方面。随着“国际地圈—生物圈计划”（IGBP）“国际全球环境变化人类行为计划”（IHGP）等计划的实施，关于土地利用的研究无论在理论、还是方法和实践方面都取得了长足进步，土地利用变化科学（Land Change Science，LCS）相应诞生。近年来，土地利用/覆被变化已成为研究热点［3‐4］。而GIS 具有强大的信息空间管理和分析功能，已成为环境地学研究全球变化的一个重要工具。随着人类对自然改造能力的不断加强，土地利用变化动力机制发生了“从自然到人类”的明显改变［5‐6］，其影响机理也更加复杂，而研究土地利用变化可以更好地规划全局，达到合理使用土地资源的目的。

松涛水库位于海南省儋州市南部，流域总面积达1 496 km2，地理位置为东经109°10′～109°45′，北纬18°56′～19°30′，跨儋州市的南丰镇以及白沙县的阜龙乡、牙叉镇、细水乡、元门镇、南开乡和青松乡共7个乡镇。流域内地形属于低山丘陵地形，由于构造断裂及褶皱作用，山地比较高陡，沟谷数量众多而深切，较为破碎，水系发达。流域年平均降雨量为1 896.1 mm，全年降雨量中5～10 月，其降雨量占全年的80%以上，干、湿季节明显［7］。沿河流水系的地带大都被改造为耕地，种植粮食以及其它农作物，自然条件较好的丘陵台地已被开垦，种植了橡胶和其它热带作物，植被覆盖较好。松涛水库作为海南省第一大水库，流域范围广阔，担负着给水和灌溉任务。近年来，松涛水库流域的土地利用格局伴随人类活动发生了明显变化，利用GIS和遥感技术分析探讨流域土地利用变化及驱动力机制，可政府政策制定提供科学依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究数据

基础数据来源于地理空间数据云网站2002 年10月的Landsat7 EΤΜ 卫星遥感影像及Google Earth上2016 年高分辨率影像。社会经济数据源于海南省儋州市和白沙县历年统计年鉴。

1.2 方法

1.2.1 监督分类

在ENVI5.3 中利用已知参数对2002 年10 月的Landsat7 EΤΜ 卫星遥感影像进行辐射定标和大气校正预处理工作，利用预先裁剪好的流域边界提取研究区；然后依照监督分类具体步骤［7］，根据松涛水库流域的实际土地利用特点将研究区分为水域、道路、居民点、林地、园地、耕地和未利用地，制作土地利用分类图。再将分类图进行处理和结果验证。

1.2.2 目视解译

目视解译是一种较为简便的遥感解译方法，对遥感影像直接进行识别和判断，将各目标区域进行分类。Google Earth 具备最新年份的高分辨率遥感影像，通过人工目视解译判读，应用Google Earth 中线条勾画工具，将研究区的地块类型进行分类和标记；再转到ArcGIS10.2 中利用线切割面以及融合、转换、叠加等功能，得到土地利用分类矢量图。

1.2.3 数据处理

在ArcGIS 中将2 期土地利用分类图属性表中各个地块类型的面积进行计算汇总。将属性表导出并计算：（1）计算各类型土地利用变化幅度；（2）计算单一土地利用动态度；（3）计算综合土地利用动态度；（4）做出土地利用类型转移矩阵。最后分析土地利用变化的驱动因素。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化幅度

图1为松涛水库流域2002、2016年的土地利用情况。根据2002、2016年的土地利用变化幅度可以看出：居民点和园地趋向于增长，水域、林地、耕地与未利用地趋向于减少。水域从2002年的154.71 km2下降到2016年的126.18 km2；道路由2002年4.73 km2上升到2016年5.47 km2；居民点从2002年的8.55 km2上升至2016 年15.20 km2；林地由2002 年的1 105.86 km2下降到2016 年的1 015.23 km2，减 少了90.62 km2。园地、耕地和未利用地变化最为明显，园地从2002 年的111.74 km2上升至2016 年的429.16 km2，增加了317.42 km2；耕地从2002年的235.99 km2减少到2016 年的95.92 km2；未利用地由2002 年的65.57 km2减少到2016 年几乎为零。流域的土地利用变化幅度可以明显体现出土地利用类型的变化。

2.2 土地利用变化速度

土地利用动态度是用来表示一定时间内区域的土地利用变化速率。区域一定时间内某种土地利用类型的数量变化情况可用单一土地利用动态度来表达［7］。

式1 中K—变化率；Ua—研究初期某种土地类型的数量；Ub—研究期末某种土地类型的数量；T—研究时段。

整个区域的土地利用变化的速度可用综合土地利用动态度来描述。

式2 中Lc—土地利用动态度；LUi—监测起始时间第i类土地利用类型面积；△LUi-j—监测时段第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型的绝对值；T—监测时段长度。

根据以上公式计算得到松涛水库流域14 年来综合土地动态度年变化率为19.24%（表1）。园地的单一土地利用动态度为20.29%，园地的年变化率最大；其次为居民点、耕地和未利用地，分别为5.49%、4.24%、7.14%；再次为水域、道路，分别为1.30%、1.12%；林地最小，仅为0.59%。

表1 2002～2016年土地利用年变化率

2.3 土地利用的转化过程

土地利用类型面积转化矩阵可细致反映各地类间的相互转化关系，为了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各类型土地的来源与构成提供参考。采用ArcGIS对2002年和2016年土地利用图进行叠置分析，从而获得土地利用转移矩阵见表2。

由表2可知，2002～2016年间土地利用类型转化特点：（1）园地大量增加，水域、林地以及耕地主要向园地变化发展；（2）人口迁入，居民点和道路增加，地块类型变化来源主要为林地和未利用地；（3）林地和园地彼此转化。

表2 2002～2016年土地利用类型转化矩阵 单位：km2

2.4 土地利用结构及其变化

松涛水库流域14年间土地利用变化程度较大，以林地和园地为主，水域和耕地次之，居民点和道路较少。由图2 可知，相比2002 年，2016 年水域占流域总面积的比例减少了1.67%，道路增加了0.04%，居民点增加了0.39%，林地减少了5.37%，园地增加了18.81%，耕地减少了8.30%，未利用地减少了3.89%。

3 驱动因素

3.1 自然条件

松涛水库流域内多为低山丘陵地形，地形起伏较大，属热带季风气候，温和多雨，流域内水系网络发达，水资源丰富［8］。在这种自然条件下，流域土地利用结构呈现出相应的分布格局，集中山区的林地及山腰的水果、橡胶、槟榔等热带经济作物面积占比超过70%，水域占9%左右，沿水域地带主要分布耕地、园地及一些为种植而聚集的居民点，居民点主要分布于平坦的区域，且较为分散。说明松涛水库流域的自然地理条件对流域的土地利用格局具有重要的影响。

3.2 人口增长驱动

人口变化对土地利用变化具有直接影响的作用，是土地利用变化的根本驱动力。图2 显示，2016 年居民点所占面积比2002 年增加了0.39%，这可能是人口增长增加了人类活动所需空间给土地利用带来了压力，一定程度上破坏或减少流域内的土地；而人类会作为土地利用主体，根据自身的需要，对土地进行改造，通过毁林开荒方式，将土地适当改造成园地、耕地等，也会导致林地面积的减少。

由图3可知，2002～2011年，松涛水库流域内各个乡镇人口呈现增长趋势，说明流域内总人口在持续稳定增加。人口增长使城市居住用地面积不断增加，2002～2016 年人类居民点用地总面积增加了4.3%。

3.3 政府政策的驱动

政府实施的政策是驱动土地利用变化的一个重要因素。20 世纪80 年代开始，国家在农村实施生产责任制，集体经营的土地承包给农户，这一政策的实施极大激发了农民们的生产积极性和劳动效率，土地资源得到了充分利用。由图4可以看出，流域内儋州市和白沙县近年来橡胶的种植面积变化呈增长趋势，这可能是由于政府出台对热带经济作物和橡胶种植的补贴政策，如《海南民营天然橡胶补贴政策》［9］，经济效益的驱使下，松涛水库附近的农民尽可能地种植热带经济作物，新种植的经济作物主要分布在流域内新改造的山地、台地和丘陵等地形，从而导致林地面积减小，林地大量转化为园地；加之有些耕地由于原经济效益不理想，也被改造成种植园地，耕地面积也在减小。

4 结论

通过对松涛水库流域卫星遥感影像解译得到土地利用数据，研究流域的土地利用变化并分析其驱动因素，结果表明：

（1）2002～2016 年，松涛水库流域内的土地利用格局具有明显变化，综合土地利用年变化率为19.24%。

（2）2002～2016 年林地以及园地都占明显优势，两种用地类型总和占流域总面积超过70%，园地面积出现明显增长趋势；水域相对较有优势，占流域总面积的7%～9%。居民点和耕地相当；未利用地2016年基本转化完毕。

（3）水域和林地逐渐减少并向园地以及居民点转变；水域、林地、园地、居民点的年变化率分别为‐1.30%、‐0.59%、20.29%、5.19%。耕地和未利用地减少，年变化率分别为‐4.24%、‐7.14%，主要向园地变化。

（4）随着人口增长和经济发展，再加上政府政策的干预，农户趋向于将地块改造为园地，所以园地显著增加。