基于遥感的纸坊沟流域土地利用时空变化分析

李生永，李 昂，王 磊，张永安，宁立波

(1.甘肃有色工程勘察设计研究院 中国 兰州 730000；2.自然资源部高寒干旱区矿山地质环境修复工程技术创新中心, 中国 兰州 730000；3.中国地质大学(武汉)环境学院，中国 武汉 430074)

近年来，随着我国工农业建设和城市化进程的大力推进，土地资源短缺、生态环境恶化等问题日益突出。土地利用变化作为人地关系研究的重要组成与核心内容[1]，己成为国内外地球科学领域研究的前沿与热点[2]。土地利用是指人类通过一定的生产生活行为，利用土地的属性以满足自身发展需要的过程[3]，直观地反映了生态过程和生态系统服务对环境变化的响应[4]，记录了人类对土地资源利用与改造的动态过程，是评价区域发展变化的重要指标[5]。加强对区域土地利用时空变化、结构动态和驱动因素等方面的研究，对于科学管理土地资源、有效保护和改善生态环境具有重要意义。遥感作为信息科学技术的重要支撑，具有实时性、可靠性、高效性[6]等特点，能够客观快捷地反映不同地物要素的空间分布特征，在土地利用变化监测、土地资源管理与规划等方面具有广阔的应用前景[7]。本文以甘肃省平凉市纸坊沟流域为例，选取1987，2001和2016年3期遥感影像，结合RS和GIS技术，揭示了29 a内流域土地利用状况的时空变化，为实现区域土地资源与经济社会的协调发展提供科学依据。

1 研究区概况

纸坊沟流域位于甘肃省平凉市城南，是泾河的一级支沟，隶属于崆峒区，包括崆峒、峡门、柳湖3个乡镇8个行政村，流域内有居民2 655人。地理坐标为东经106°37′～106°42′北纬35°26′～35°33′，呈狭长柳叶形(图1)。流域为典型的陇东黄土高原丘陵沟壑区，地貌类型自上游至下游依次为土石山梁区、黄土丘陵沟壑区、黄土高原残塬沟壑区[8]，总面积1 914.75 hm2，有大小沟壑121条，主沟长15.77 km，海拔最低处1 365.0 m，最高处为2 104.8 m，相对高差739.8 m，地势由南向北逐渐降低。气候类型为北温带半干旱、半湿润大陆性气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年均气温8.8 ℃，年均降水量536.9 mm，年均蒸发量1 499.2 mm，年均日照时数2 381 h，无霜期171 d，多年平均风速2.0 m·s-1。

图1 研究区交通位置图Fig. 1 Traffic location map of the studied area

纸坊沟流域历史上曾多次发生水土流失灾害，是黄河流域最早确立的重点治理小流域之一[8]。1954年起，流域持续开展了荒坡治理、梯田改造、筑坝治沟等防治工作，1999年开始进行第一批“退耕还林还草”试点，2001年正式启动“退耕还林还草”工程，现已取得良好的水土保持和生态恢复效果。由平凉市水土保持研究所2010年调查统计结果显示[9]：纸坊沟流域土地利用总面积为1 898.00 hm2，其中耕地为175.42 hm2，园地113.74 hm2，林地590.39 hm2，草地771.43 hm2，其他用地类型247.02 hm2。

2 研究数据与研究方法

2.1 数据来源与处理

研究选取3期时间跨度为29 a的遥感影像(由地理空间数据云提供)作为本次研究的基础数据，具体为1987年8月28日分辨率为30 m的Landsat 5-TM影像，2001年6月30日分辨率为15 m的Landsat 7-ETM影像和2016年8月28日分辨率为16 m的高分1号影像，投影坐标系为WGS 1984 UTM Zone 48N，地理坐标系为WGS 1984。所选影像均摄于夏季无云或少云时段，纹理清晰、色彩明亮、成像效果较好，影响质量满足研究需要。并在ENVI 5.3的支持下，结合纸坊沟流域DEM高程数据，对遥感影像进行辐射定标、几何校正、波段融合、图像融合、裁剪以及增强等预处理操作。

遥感影像采用基于最大似然法的监督分类与目视解译相结合的方法对流域土地利用类型进行解译，同时借助于GoogleEarth和91卫图对解译后的土地利用数据进行检查校正，以减少影像混合光谱信息对分类的影响，在此基础上通过野外实地调查对分类结果进行人工局部验证，从而进一步提高分类精度。综合3期遥感影像的实际解译效果和国土资源部组织修订的《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)国家标准，对纸坊沟流域的部分土地利用类型作出了3点调整：一是将园地划归入林地；二是将林地与草地合并统称为林地/草地；三是将住宅用地、交通运输用地和工矿仓储用地合并统称为建设用地。最终将纸坊沟流域土地利用类型分为以下4类：林地/草地、耕地、建设用地和未利用地。

2.2 研究方法

土地利用结构是一定时期一定范围内的不同土地利用类型之间的比例关系或组成情况，直接反映了土地利用状况[10]。对土地利用结构及其时空变化的分析主要体现在对区域土地利用类型、程度及数量变化等方面。

2.2.1 土地利用变化率 土地利用变化率指在时间尺度上研究区某种土地利用类型面积的变化率，反映的是某一区域土地利用状况的总体变化情况与变化趋势[11]，是反映区域土地利用变化强烈程度的重要指标。其表达式为

(1)

式(1)中：R为土地利用变化率，正值表示面积增加，负值表示面积减少，数值(土地利用变化率的绝对值)越大则表示变化越大；Ua和Ub分别表示研究时段初期和末期土地利用类型的面积。

2.2.2 单一土地利用类型动态度 单一土地利用类型动态度是用于表征在一定时间一定范围内某种土地利用类型数量变化的指标[12]，其公式为

(2)

式(2)中：K为单一土地利用类型动态度，表示某种土地利用类型的年均变化率，正值表示面积增加，负值表示面积减少，其绝对值越大则变化越大；Ua、Ub依次表示研究时段初期与末期某种土地利用类型的面积；T为研究持续时间，单位为年。

2.2.3 综合土地利用动态度 综合土地利用动态度指数模型用于从总体上表征研究区土地利用的变化速度[13]，其表达式为

(3)

式(3)中：Lc为Lc为综合土地利用动态度，表示全部土地利用类型的年综合变化率，Uai，Ubi依次表示研究时段初期和末期某种土地利用类型的面积；T为研究持续时间，单位为年；n为不同土地利用类型的个数。

2.2.4 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵源自于于系统科学中对系统状态与状态转移特征的定量描述，是Markov模型在土地利用变化研究方面的应用。可以全面反映研究时段内的土地利用结构特征和不同土地利用类型之间的变化情况，是分析研究时段初期不同土地利用类型变化趋势和末期不同土地利用类型的构成的重要手段[14-15]。其表达式如下：

(4)

式(4)中：S代表面积；n代表土地利用的类型的数量；i，j分别代表研究时段初期与研究时段末期的土地利用类型。在实际应用中，土地利用转移矩阵通常以表格的形式表示。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化

综合1987，2001和2016年3期纸坊沟流域土地利用结构变化解译结果(表1、表2和图2)可得如下结论。

图2 1987—2016年土地利用解译图Fig. 2 Interpretation map of land use from 1987 to 2016

受地理位置和地形地貌等自然条件的限制，纸坊沟流域的主要土地利用类型为耕地与林地/草地，二者在流域内分布广泛，面积之和超过流域总面积的90%，其中林地/草地主要集中于流域上游与中游，流域下游分布相对较少，耕地主要集中于流域中游与下游，流域上游分布较少；流域下游特别是沟口处临近城区，故建设用地主要集中于此；未利用地主要分布于流域上游沟谷两侧的陡坡上，故投影面积最小。

1987—2016年期间，纸坊沟流域各土地利用类型变化程度不尽相同，变化率由大到小依次为林地/草地>耕地>建设用地>未利用地，其中前14 a中变化率由大到小依次为建设用地>未利用地>林地/草地>耕地，后15 a中变化率由大到小依次为林地/草地>耕地>建设用地>未利用地。耕地、建设用地、林地/草地、未利用地的面积占比先由1987年的55.9∶4.08∶39.85∶0.17变为2001年的50.02∶5.45∶44.39∶0.14再变为2016年的25.92∶6.22∶67.75∶0.11。3期不同土地利用类型的面积及占比由大到小依次为：耕地>林地/草地>建设用地>未利用地、耕地>林地/草地>建设用地>未利用地、林地/草地>耕地>建设用地>未利用地。

未利用地的面积在研究时段内持续减少，由1987年的3.33 hm2减少到了2016年的2.12 hm2，29 a中一共减少了1.21 hm2，变化率为-36.34%，其中前14 a减少了0.7 hm2，变化率为-21.02%，后15 a减少了0.51 hm2，变化率为-19.39%。

建设用地的面积在研究时段内持续增加，由1987年的78.03 hm2增加到了2016年的119.07 hm2，29 a中一共增加了41.04 hm2，变化率为52.6%，其中前14 a增加了26.37 hm2，变化率为33.79%，后15 a增加了14.67 hm2，变化率14.05%。

耕地的面积在研究时段内持续减少，由1987年的1 070.46 hm2减少到了2016年的496.31 hm2，29 a中一共减少了574.15 hm2，变化率为-53.64%，其中前14 a减少了112.7 hm2，变化率为-10.53%，后15 a减少了461.45 hm2，变化率-48.18%。

林地/草地面积在研究时段内持续增加，由1987年的762.93 hm2增加到了2016年的1 297.25 hm2，29 a中一共增加了534.32 hm2，变化率为70.04%，其中前14 a增加了87.03 hm2，变化率为11.41%，后15 a增加了447.29 hm2，变化率52.62%。

3.2 土地利用动态度变化

依据公式(2)与公式(3)，计算得出1987—2001年和2001—2016年纸坊沟流域土地利用动态变化结果如表3所示。

表1 纸坊沟流域1987—2016年土地利用结构变化统计表

表2 纸坊沟流域1987—2016年土地利用变化率统计表 单位：%

(1)总体而言，1987—2016年耕地、建设用地、林地/草地、未利用地的单一土地利用类型动态度依次为-1.85%，1.81%，2.42%和-1.25%；不同土地利用类型在29 a中的变化速度由大到小依次为：林地/草地>耕地>建设用地>未利用地。具体来说，1987—2001年耕地、建设用地、林地/草地、未利用地的单一土地利用类型动态度依次为-0.75%，2.41%，0.81%和-1.5%，不同土地利用类型在14 a中的变化速度由大到小依次为：建设用地>未利用地>林地/草地>耕地；2001—2016年耕地、建设用地、林地/草地、未利用地的单一土地利用类型动态度依次为-3.21%，0.94%，3.51%和-1.29%，不同土地利用类型在15 a中的变化速度由大到小依次为：林地/草地>耕地>未利用地>建设用地。从变化速度上来看，未利用地总体呈平稳减少的趋势，前14 a与后15 a的年变化率差别不大；建设用地后15 a的年变化率较前14 a大幅减小，表示经历了前期快速增加后期缓慢增加两个阶段；耕地后15 a的年变化率较前14 a大幅增加，表示经历了前期缓慢减少后期快速减少两个阶段；林地/草地后15 a的年变化率较前14 a大幅增加，表示经历了前期缓慢增加后期快速增加两个阶段。

(2)1987—2016年纸坊沟流域的综合土地利用动态度为1.04%，表明29 a中土地利用类型变化较为缓慢，其中1987—2001年2001—2016年的综合土地利用动态度分别为0.42%和1.61%，表明流域土地利用类型前14 a变化缓慢而后15 a变化较快的两个阶段。

表3 纸坊沟流域1987—2016年土地利用动态度统计表 单位：%

3.3 土地利用转移特征

在ENVI classic 5.3的支持下，对1987年、2001年和2016年3期解译结果进行多时相影像动态检测，得到流域内3个特征年的各土地利用类型面积的转移矩阵(表4、表5)，进而探究土地利用类型的变化及成因。

由表4可以看出，1987—2001年中建设用地有26.92 hm2未发生转移，转入77.48 hm2，转出51.11 hm2，其中有37.25 hm2转出为耕地，13.86 hm2转出为林地/草地；耕地有770.2 hm2未发生转移，转入187.56 hm2，转出300.26 hm2，其中有51.35 hm2转出为建设用地，247.95 hm2转出为林地/草地，0.96 hm2转出为未利用地；林地/草地有586.89 hm2未发生转移，转入263.07 hm2，转出176.04 hm2，其中有26.13 hm2转出为建设用地，148.51 hm2转出为耕地，1.4 hm2转出为未利用地；未利用地有0.27 hm2未发生转移，转入2.36 hm2，转出3.06 hm2，其中有1.8 hm2转出为耕地，1.26 hm2转出为林地/草地。

表4 纸坊沟流域1987—2001年土地利用转移矩阵 单位：hm2

由表5可以看出，2001—2016年中建设用地有43.47 hm2未发生转移，转入75.6 hm2，转出60.93 hm2，其中21.47 hm2转出为耕地，39.41 hm2转出为林地/草地，0.05 hm2转出为未利用地；耕地有395.2 hm2未发生转移，转入101.11 hm2，转出562.56 hm2，其中有47.46 hm2转出为建设用地，515.03 hm2转出为林地/草地，0.07 hm2转出为未利用地；林地/草地有740.36 hm2未发生转移，转入556.89 hm2，转出109.6 hm2，其中有28.14 hm2转出为建设用地，79.53 hm2转出为耕地，1.93 hm2转出为未利用地；未利用地有0.07 hm2未发生转移，转入2.05 hm2，转出2.56 hm2，其中有0.11 hm2转出为耕地，2.45 hm2转出为林地/草地。

表5 纸坊沟流域2001—2016年土地利用转移矩阵 单位：hm2

3.4 分析

土地利用变化受自然地理环境、经济社会政策等多重因素的影响和制约，其中自然因素在较长时空尺度上塑造了土地利用的宏观格局，但在短期内对土地利用的变化影响有限[16]，故应着重讨论以经济社会因素为主的人为作用。

1987—2001年，随着纸坊沟流域城镇化进程的持续推进和经济社会的快速发展，流域内居民对土地资源需求与日俱增，其结果表现为建设用地面积的持续快速增加。新增的建设用地主要集中于流域中游、下游和沟口处，多为居民住宅用地及道路，主要来源于林地/草地和耕地。林地/草地与耕地之间的转化较为活跃，耕地净转入林地/草地99.44 hm2，这主要因为自1985年以来，纸坊沟流域持续开展林业和梯田建设等水土保持工作，具体内容包括建设梁峁防护林、坡面防护林、地梗防护林沟头、沟头防护林、沟底防护林和水平梯田等，涵盖了流域的上中下游。这一系列措施改变了流域的径流过程和输沙量，从而使得未利用地的面积随之减少[16]，未利用地净转入耕地0.84 hm2。

2001—2016年，纸坊沟流域不同土地利用类型之间的转化较前一阶段更为活跃，表现为林地/草地面积大幅上升而耕地面积大幅下降，未利用地面积依旧持续下降，耕地净转入林地/草地435.5 hm2，未利用地净转入林地/草地0.52 hm2。这是因为流域2001年以来正式启动“退耕还林还草”工程，这一变化反映了因地制宜和市场导向的原则。减少的耕地集中分布于纸坊沟流域中下游地区，多为坡度>25°的坡耕地，部门村庄>15°的坡耕地一次性全部退耕，在此期间还开展了以生态博览为主题的综合开发。具体措施包括将部分原种植小麦、荞麦等传统作物的坡耕地改种为葡萄、核桃、李树、苹果、枣树和花椒等经济树种以大力发展林果、经济用林、畜牧业等特色产业，将陡坡耕地和严重沙化耕地中的非基本农田恢复为林地、草地等。在该研究时段内地方政府仍持续推动流域城镇化进程并着力提升居民生活水平，包括针对居住于部分交通不便的偏远地区的居民进行异地安置并推进流域内交通用地、工业用地、居民住宅用地建设工作，尤其是下游地区沿流域东西两侧建设一批建材厂、畜禽养殖场等，大力发展棚栽业、养殖业并使其成为主导产业。流域现已形成上游地区发展以玉米、蔬菜等传统作物为主的农业经济，中游地区发展以苹果、葡萄等经济种为主的果业经济，下游地区发展以轻工业、养殖业为主的工业经济的新发展格局。