岷江上游土地利用变化遥感动态监测

邱姝月, 曹礼刚, 杨武年

(成都理工大学 a.地球科学学院，b.地球物理学院，成都 610059)

0 引言

土地是人类赖以生存的根本，社会发展的物质基石。土地利用/覆被变化是人文和自然综合作用结果，对人类发展和全球变化产生重要影响。在LUCC驱动机制以及生态环境效应研究中，首先需要明确区域土地利用程度内部结构和变化特征，其可以反映人类活动和自然因素对区域的干扰程度和发展趋势。因此，区域土地利用程度的研究得到广泛重视。首先庄大方[1]提出中国土地利用程度"极地"模式，后学者将其与数学模型、遥感与GIS相结合，分别利用半变异函数分析法[2]、土地利用率模型[3]、因子分析法[4]、土地利用变化指数模型[5-6]等，对土地利用程度进行空间分析和探讨。其中土地利用变化指数模型很好反映了一个地区自然条件、自然资源和社会经济发展区域结构，广泛应用于人文经济活跃区[7-9]和生态脆弱区[10-11]。同时土地利用变化具有明显的地域性和综合性，但国内大多研究主要分析土地利用程度总体特征，对区域内部空间分布的依赖性和异质性的探讨相对不足，分析各县区域差异程度，有利于按区调整土地利用方式。

岷江上游作为西南山地农牧交错生态脆弱区，国内学者对其土地利用进行不同程度研究[12-14]。多数研究从该区域土地利用/覆被的数量结构变化进行研究，较少进行土地利用程度探讨或区域差异对比分析。2008年汶川地震后，政府采取相关政策积极开展灾后重建和植被恢复工作。1994年至2014年，由于建设长江上游生态屏障的需要，阿坝州开启第一轮的退耕还林还草工程。同时受自然灾害和国家政策影响，岷江上游土地利用/覆被在该时段发生明显变化。本研究利用遥感技术、GIS对该区20 a的土地利用/覆被变化进行长期动态监测，探索人文因素和自然因素对岷江上游土地利用程度和区域差异的影响，有利于客观了解当地土地利用内部结构，为解决我国西南地区土地利用资源中所存在的普遍问题提出建设性意见。

1 数据获取与研究方法

1.1 研究区概况

岷江是长江上游的重要分支，发源于岷山南麗松潘县郎架岭，其上游区域地处横断山脉和高山峡谷之间的过渡带，位于北纬 31°26′～ 33°16′，东经 102°59′～104°14′，流域面积约为 24 650 km2，东西宽为 125 km，南北长为 341 km，其行政区域包括四川省阿坝藏族羌族自治州的黑水县、松潘县、茂县、理县和汶川县(图1)。该区地形地貌总体呈现由西北向东南倾斜的分布趋势，受其影响，气候、土壤、植被等都具有显著的水平和垂直分异特征。降雨主要集中在5月—10月，年均降水量为700 mm～900 mm，植被覆盖度高且差异大，如草甸、高山灌草、灌木、乔木等。土壤类型主要由褐土、石质土、棕壤等。

1.2 基础数据与预处理

笔者采用的遥感数据有：1994年6月26日、2008年7月18日的Landsat TM 和2014年6月1日Landsat OLI三期数据，其数据来源:http://www.gscloud.cn/。其他辅助数据包括：四川省各地市、区县矢量边界数据，2015年岷江上游的谷歌影像数据，地形数据。将所有基础数据统一投影至WGS_1984_UTM_Zone_48N坐标系下，对三期Landsat遥感影像分别进行辐射定标、大气校正和影像镶嵌等预处理。基于遥感影像选取样本数据，将其分为70%分类子集和30%检验子集，分别采用监督分类方法提取土地利用信息，并结合谷歌影像进行精度评价。利用混淆矩阵得到1994年、2008年、2014年土地利用分类精度分别为78.42%、80.16%、76.15%。

1.3 土地利用转移矩阵

转移矩阵作为土地利用变化分析指标，它可以对土地利用的结构和方向进行定量描述，其数学表达式为：

(1)

其中：n代表某种土地利用类型；i、j分别代表研究期初和期末的土地利用类型；Sij表示由i用地转移到j类用地的面积，即对角线Snn表示研究期间第i类未变化的面积。矩阵行元素之和表示转移前该类土地的面积，某一列元素之和表示转移后该类用地面积。

1.4 土地利用变化指数模型

1.4.1 土地利用动态度

基于土地利用转移矩阵对土地利用数量结构进行研究，将土地利用动态度[15]作为评价指标，可分为两种类型：①单一土地利用动态度；②综合土地利用动态度。

单一土地利用动态度表达式为式(2)。

(2)

其中：Ua为某种土地利用类型研究初期面积；Ub为同类土地利用类型研究期面积；T为变化的时间间隔定为年；K为面积年变化率。

综合土地利用动态度表达式为式(3)。

(3)

其中：ΔLUij表示一定研究时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型的面积绝对值；T单位为年；LU为土地利用年变化率。

1.4.2 土地利用程度综合指数

通过土地利用程度综合指数以及土地利用程度变化量和变化率，定量地表达该研究区土地利用的综合情况和变化趋势。土地自然复合体在自然社会人文等因素的影响下，可按其保持的状态分为4级(表1)[16]。

以土地利用程度分级指数和岷江上游各类型地物面积为基础，利用计算地理模型可计算出岷江上游各年份的土地利用综合指数(Li)以及变化量(ΔLb-a)[17]，计算公式为式(4)至式(5)。

(4)

(5)

式中：n为土地利用程度分级数；Ai为研究区第i级土地利用程度分级指数；Ci为第i级土地利用面积百分比；Lb和La分别是b和a时间的区域土地利用程度综合指数；Cib和Cia分别为某区域b和a时间第i级土地利用程度面积百分比。当ΔLb-a>0，则该区域土地利用处于发展期，若当ΔLb-a<0，则该区域土地利用处于调整期或衰退期。

表1 土地利用程度分级赋值Tab.1 Land use degree classification assignment

2 结果与分析

2.1 土地利用数量结构分析

研究区土地利用1994年、2008年、2014年土地利用现状如图2所示。岷江上游地区主要土地利用类型为林地和草地。其中，林地主要分布于东北部，草地分布于西南部。岷江上游西南地区耕地明显多于东北地区，建筑用地几乎与耕地保持一致。根据图2可知，1994年-2014年西部地区变化明显，耕地增多，林地减少，建筑用地分布不均。低海拔地区建筑用地和耕地面积明显增加。水域几乎保持不变。根据表2可知，1994年-2008年，林地、草地、水域年均变化率分别为-0.21%、-0.36%、-0.35%。而耕地、建筑用地和未利用地面积增加，其中建筑用地年均变化率(5.4%)最大，新增 346.28 km2。；2008年-2014年，林地、耕地、未利用地年均变化率分别为-3.19%、-1.6%、-16.19%，而草地和建筑用地面积增加，其年均变化率分别为4.51%、3.54%；20年间，耕地、草地、建筑用地面积增加，建筑用地年变化率(4.84%)最大，新增 500.33 km2。而林地、水域、未利用地面积减少，年变化率分别为-1.12%、-0.07%、-2.05%。

2.2 土地利用程度分析

由表3可知，1994年-2014年岷江上游综合土地利用动态度较小，该期间研究区土地类型变化平稳。2008年-2014年较1994年-2008年阶段土地利用类型转化颇为剧烈，城镇化发展和政府决策加速推动2008年-2014年当地土地利用状况。未利用地的动态度在2008年-2014年这个时期最高，是由于2008年强震引发大量滑坡，使得山体裸露，在政府决策下，当地积极开展地震受损区的植被恢复。其次，建筑用地的20 a间土地利用动态度较高，达到1.91%，2008年-2014年(6.21%)明显高于1994年-2008年(2.20%)阶段，主要受经济的快速发展影响。水域动态度变化较大，但总量基本保持不变，说明在地质构造运动和人类活动作用下，水系变化比较活跃。1994年-2014年草地和林地的动态度较低，耕地较高，但2008年-2014年三者土地利用动态度均高于1994年-2008年。该时段其他用地转化为耕地，而耕地转化为林地或草地，同时耕地面积远小于林地和草地，因此其土地利用动态度较大。主要原因阿坝州自1999年率先启动退耕还林工程以来，加强补植补造和后续产业发展导致该时段耕地、林地、草地的相互转化。

图2 岷江上游土地利用Fig.2 Land use in the upper reaches of the Minjiang river(a)1994年；(b)2008年；(c)2014年

表2 1994年-2014年岷江上游土地利用类型年变化率Tab.2 Annual change rate of land class in the upper reaches of the Minjiang river from 1994 to 2014

图3 土地利用程度综合指数Fig.3 Comprehensive index of land use degree

由图3、表4可知，1994年、2008年和2014年的土地利用综合指数分别为206.7、210.17、211.56。各阶段土地利用变化量和变化率均为正值，说明研究区土地利用程度普遍不高，但整体处于速率有所减缓的发展期。林地和耕地面积总量较大，由于汶川强震后，森林破坏，建筑物受损，存在较多潜在自然灾害隐患，但随灾后重建工作积极开展和经济迅速发展，岷江上游总体土地利用程度呈缓慢上升。

表3 1994年-2014年岷江上游土地利用动态度Tab.3 Dynamic degree of land use in the upper reaches of Minjiang river from 1994 to 2014

表4 岷江上游土地利用程度变化量和变化率Tab.4 The amount and rate of land use change in the upper reaches of the Minjiang river

表5 岷江上游各区县土地利用程度变化量Tab.5 Changes in the degree of land use in the upper reaches of the Minjiang river

图4 岷江上游各区县土地利用程度综合指数Fig.4 Comprehensive index of land use degree of districts and counties in the upper Minjiang river

2.3 土地利用区县差异

由表5可知，1994年-2008 年、2008年-2014年以及1994年-2014年，松潘县和汶川县的变化量均为正值，其中汶川县的变化量和变化率均相对较高，分别达到9.28、2.68。黑水县、理县、茂县土地利用程度变化量均有负值的出现。因此，黑水县、理县、茂县处于调整期或衰退期，而汶川县和松潘县处于发展期。由图4可知，各县土地利用程度都有所提高，主要由于2008年地震后，政府出台相关政策，大力改善当地生态环境，优化空间结构。但理县2008年-2014年土地利用综合指数有所下降，由于该县属高山峡谷地带，地形切割强烈，地震后，区域地质环境问题突出，地质灾害及不良地质现象十分发育。

3 结论与讨论

通过GIS、土地利用程度指数模型和区域差异模型，利用1994年、2008年、2014年Landsat遥感影像对岷江上游20a土地利用现状及变化进行定量分析，揭示了岷江上游土地利用内部结构和利用程度。结果表明：

1)至2014年，岷江上游土地利用类型以林地和草地为主。耕地、建筑用地、草地在20 a间呈现增长趋势，建筑用地增加幅度最大，林地是呈现减少趋势；1994年-2014年全区土地类型间转化相对平稳，耕地、建筑用地、林地、水域2008年-2014年转化较1994年-2008年更为剧烈；黑水县、理县、茂县处于调整期或衰退期，而汶川县和松潘县处于发展期。

2)1994年-2008年岷江上游土地利用主要受地质构造活动影响，2008年-2014年政府决策明显改善当地土地利用程度。前一时期由于岷江上游地处青藏高原的高山峡谷地带，地质构造活动强大，森林砍伐和过渡放牧等人类活动加剧了林草地减少，自阿坝州1999年率先启动退耕还林工程以来，当地积极响应退耕还林还草工程，耕地和林草地之间剧烈转化，林草地减少有所控制。2008年地震后，研究区大量山体裸露，植被减少，房屋受损。在政府政策积极引导下，岷江上游整体土地利用程度呈缓慢增长。

3)岷江上游不同区县土地利用程度存在明显差异。汶川县在国家政策支持，大力推进城镇化发展；理县属于典型中高山峡谷地貌，区域地质环境问题突出，泥石流滑坡现象频发。

4)2014年国家在岷江上游启动新一轮退耕还林还草计划，在未来土地利用研究中可延长监测周期，优化该区土地可持续发展，可从以下三个方面进行改善和监管：①坚持政府决策，积极引导全区经济发展，合理调整空间布局；②完善法律法规，提高人口素质，减少森林砍伐，过渡放牧；③加强自然灾害防御工作，避免经济损失。