遥感监测兰州盆地1990-2020 年自然资源分布及变化趋势

王 兵，王 军，高亚芳，王玉玺，刘晓煌，李小强，曹 泊，鲁 蕾，胡振波，潘保田

（1.中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心, 山东 烟台 264004；2.兰州文理学院旅游学院, 甘肃 兰州 730000；3.甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院, 甘肃 兰州 730000；4.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心, 北京 100055；5.兰州大学资源环境学院, 甘肃 兰州 730000；6.甘肃省地质调查院, 甘肃 兰州 730000）

国家战略要求黄河流域生态保护和高质量发展的全流域要协调发展[1-5]。在全球气候变化大背景下，冰川资源、水资源、森林资源、土地资源、草地等资源的变化规律及其相互影响机制均为当下较重要的研究课题[6-14]。然而，就现有研究资料来看，自然资源生态变化规律、预判发展趋势的支撑能力和基础数据均较为匮乏[11,15-17]。近年来，自然资源管理体系实行了“多规合一”和“自然资源两统一”的管理模式[18-19]，目的是要掌握我国各地自然资源底数及其变化情况，进而预判自然资源的发展变化趋势，从而有效地支撑自然资源管理工作[8,11,15-16]。黄河流域普遍存在过度开发自然资源的问题，不同景区自然资源禀赋与生态环境问题具有不同程度的复杂性和特殊性[17,20-22]。黄河上游流域目前主要问题是土地沙化和水土流失导致可利用土地面积严重萎缩及人口负载过重[6,7, 12,23-25]。遥感监测被广泛应用于自然资源的观测分析研究，地表自然资源变化的特征与过程可以通过不同时期的遥感数据定量 地 分 析 和 确 定[8-9,14, 20,26]。为 研 究 近30 年 来 黄 河上游干旱盆地自然资源的发展变化过程，本研究以黄河上游的兰州盆地为研究对象，利用遥感监测，对该区自然资源空间分布特征和1990-2020 年的自然资源变化特征统计分析，从而为自然资源的统一管理、理论研究和国土空间生态监测及规划提供数据支撑。

1 研究区概况

本研究选取黄河流域上游的兰州盆地作为研究对象(图1)，具体包含了兰州市主城区及南北两山和兰州以东的榆中盆地，总面积约3 580 km2。黄河在兰州盆地自西向东流经，全长约45 km。受黄河河谷地形限制，兰州盆地呈现近东西狭长状。盆地西南山地为祁连山东段余脉，该地区海拔较高(最高为3 600 m)，山体主要以质地坚硬的石质山为主，同时植被覆盖率也高，例如皋兰山、兴隆山和石佛沟等地森林覆盖度均较高。兰州盆地北侧山地平均海拔较南山略低，在2 500 m 左右，山地地表大部分为黄土或中新生代期间的松散沉积物覆盖。由于受黄河及其支流的切割剥蚀，兰州盆地边缘沟壑纵横，地形较为破碎。

图1 研究区位置及数字高程图Figure 1 Location and digital elevation map of the study area

2 数据与方法

2.1 数据及预处理

本研究利用1990、2000、2010、2020 年4 期Landsat系列遥感数据(分辨率30 m)提取自然资源信息，并分析其变化趋势。从USGS(United States Geological Survey)上收集研究区1990、2000、2010、2020 年的Landsat 遥感影像。考虑到存档数据的可获得性和适用性，前3 个年份为Landsat TM 影像，2020 年为Landsat OLI 影像，数据时相为每年的夏季。为了精确获取研究区自然资源现状及其空间分布，本研究采用已购买的、与2020 年相邻近的2019 年该区域的高分2 号遥感影像作为数据源进行自然资源信息提取。高分2 号影像全色波段分辨率为1 m，多光谱分辨率为4 m。

对Landsat 原始影像进行波段融合、辐射定标、几何纠正、数据镶嵌和裁切等数据处理。对高分2 号原始影像经过以上数据处理后，获得研究区的正射影像。

2.2 自然资源分类

自然资源作为生态和经济可持续发展的物质基础，其结构复杂、种类繁多，且不同类型资源相互交错，这为自然资源类别的划分及统一管理带来极大的难度[27]。当前，关于自然资源的定义、分类及观测监测的内涵和外延等，在学术层面、管理层面、技术层面仍然存在诸多不明确的问题[28-32]。因此，尚未有统一的分类标准用于自然资源分类。党的十八大提出“山水林田湖草是生命共同体”，要统筹各类资源的综合治理[27,33]，且自然资源综合观测监测要素与生态系统观测要素具有部分的相似性或重合度[34]。因此，结合本研究的背景及目标，采用我国生态系统分类体系和分类标准，对遥感影像进行影像分类和自然资源信息提取。该分类系统共有三级分类，其中一级为8 类，二级为26 类，三级为29 类(表1)。需要说明的是，城镇本身并不属于自然资源，但作为影响地表其他显性自然资源的重要类型，其面积消长与其他自然资源面积变化具有密切关系，因此被纳入本研究自然资源分类及面积的统计分析范畴。

表1 兰州盆地自然资源系统分类表Table 1 Classification of natural resources in the Lanzhou Basin

由于高分二号遥感影像空间分辨率高，结合兰州地区的实际情况，将该区域生态系统划分到二级类，作为自然资源类型进行统计分析。为了保证最终的生态系统分类精度，将处理后的高分二号影像重采样为5 m 分辨率，在分类过程中参照地理国情分类结果对生态系统分类进行修正。对于Landsat影像，综合考虑遥感影像的空间分辨率(30 m)及其对自然资源类型的实际可分辨能力、研究区的自然资源特征等因素，将研究区的统计资源分为耕地、林地、灌丛、草地、裸地、湿地、城镇7 大类。

采用人机交互的方法进行影像分类。根据卫星影像的光谱特征、颜色、纹理和粗糙度，结合先验知识，分别在卫星影像上人工手动勾绘出一定数量的各类自然资源图斑作为样本图斑，并且要求图斑分

布较为均匀，数量满足监督分类的样本数要求。然后，以手工勾绘图斑为分类的标准样本图斑，利用ENVI 软件，采用监督分类方法，对影像进行自然资源类型自动分类。自动分类完成后，在研究区选取一定数量的检查区域，利用卫星影像进行目视解译，将解译结果与自动分类结果进行比对，统计分类的准确性，若自动分类结果不满足精度要求，修改分类样本，调整分类参数设置，直到分类结果符合精度要求。此外，对居住地、森林、草地、灌丛、耕地等重点区域进行目视检查，特别是对裸岩、裸地、盐碱地的识别。

鉴于2019、2020 年两个相邻年份自然资源类型变化很小及高分影像分类结果的精确度，本研究利用2019 年高分2 号影像的自然资源分类结果对2020 年Landsat 影像的自然资源分类结果进行精度评价。由于两个数据源所采用的分类系统相同，在评价时，先将2019 年的分类结果中部分二级类转换为一级类，使得转换后的自然资源类型与2020 年Landsat 影像分类结果中的类型一致。评价结果显示，Landsat 影像的自然资源分类总体精度为88.25%，Kappa 系数为0.829 7。

3 结果与分析

3.1 自然资源分布现状

兰州地区2019 年自然资源类型及城镇用地的空间分布表明该区域主要自然资源类型包括耕地、园地、草地、森林、灌丛、城市绿地、河流、湖泊、裸岩、裸土、盐碱地(图2)。其中，草地主要分布在研究区北部黄土丘陵地区，耕地集中分布在兰州以南郊区、榆中盆地。区域内有石佛沟国家森林公园、官滩沟风景区、兴隆山自然保护区，森林集中分布在该区域。兰州盆地草地面积最大，占区域面积的45.36%；耕地91 043 hm2，占区域面积的24.29%；森林、灌丛面积分别为25 617、23 660 hm2，分别占6.84%、6.31%。城镇工矿用地(包括居住地、城市绿地、工矿交通)占区域面积的8.54%，湖泊面积为0.22 hm2(图3)。

图2 兰州地区2019 年自然资源分布状况Figure 2 Distribution map of natural resources in the Lanzhou Basin, 2019

图3 兰州地区2019 年自然资源分布现状面积统计Figure 3 Area statistics of natural resources in the Lanzhou Basin, 2019

3.2 兰州盆地1990-2020 年自然资源时空分布

通过数据分析处理获得兰州地区1990、2000、2010、2020 年的自然资源空间分布(图4)和不同类型自然资源分布面积(图5)。结果表明：1990 年区域总面积为373 447 hm2，该区域裸地面积占比达45.15%，草地面积占14.5%，耕地占25.99%。至2000年，区域耕地、草地面积有所增长，分别占区域总面积(373 206 hm2)的27.87%和22.95%，裸地面积占比下降至32.08%。2010 年，区域耕地面积较2000年略有减少，占区域总面积(373 361 hm2)比例为21.23%，草地面积则进一步增长为35.54%，裸地面积下降至25.62%。2020 年区域面积为372 739 hm2，草地面积比例增至44.84%，耕地面积比例为25.71%，裸地面积占比仅为5.24%；总体来看，区域内森林面积覆盖较少，约占总面积的6%。1990-2020 年间，森林面积略有减少；城镇面积呈持续增长的态势，其占区域总面积的比例由1990 年的4.77%上升至2020 年的10.39%；灌丛面积也呈现持续增长的趋势，其面积比例由1990 年的2.08%增长至2020 年的7.23%；湿地面积略有增加。

图4 兰州盆地1990、2000、2010 和2020 年自然资源及城镇分布状况遥感解译图Figure 4 Distribution map of natural resources and urban zones in the Lanzhou Basin, 1990, 2000, 2010, and 2020

图5 兰州地区1990-2020 年自然资源及城镇分布面积统计Figure 5 Statistics illustrating the distribution areas of natural resources and urban zones in the Lanzhou Basin from 1990 to 2020

3.3 兰州盆地1990-2020 年自然资源变化特征

使用ENVI 软件的动态监测工具对1990-2020 年兰州盆地的自然资源变化进行分析统计(表2，表3，表4)。结果表明，兰州盆地每10 年自然资源类型变化的面积转移矩阵，其中1990-2000 年间，大量裸地被开垦为耕地，另有草地及少量灌丛、林地区域开垦为耕地，使耕地面积增长近7%；此外，裸地成为该时段草地增长的主要贡献，另有部分林地、灌丛转变为草地。2000-2010 年，约19.31%的耕地转变为草地，另有3.93%的耕地转变为城镇；有11.84%、20.77%的林地分别转变为灌丛、草地，亦有少量灌丛和草地转变为林地，总体来看，在该时期内，森林面积呈减少的态势。2010-2020 年间，有25.69%的耕地转变为草地，即便如此，耕地面积总体增长16 566.5 hm2，其中大部分由草地、裸地转变而来；该时期内，草地面积增长34 470.84 hm2，有36.9%的草地由裸地转变而来，亦有20.38%的草地转变为耕地，8.97%的草地转变为灌丛。总体来看，1990-2020 年间，兰州盆地草地、灌丛及湿地等自然资源面积呈增长趋势，裸地面积大幅减少，而城镇使生态环境脆弱性的要素面积持续增长。

表2 1990-2000 年兰州盆地土地转移矩阵Table 2 Land area transfer matrix in the Lanzhou Basin from 1990 to 2000 hm2

表3 2000-2010 年兰州盆地土地转移矩阵Table 3 Land area transfer matrix in the Lanzhou Basin from 2000 to 2010 hm2

表4 2010-2020 年兰州盆地土地转移矩阵Table 4 Land area transfer matrix in the Lanzhou Basin from 2010 to 2020 hm2

为了更为直观地显示自然资源类型的变化，分析了1990-2000、2000-2010、2010-2020 年兰州地区面积增加及面积减少的自然资源类型空间分布(图6)。在1990-2000 年间，兰州地区中部城区南、北两山区域的大面积裸地被开垦为耕地，体现出该时期兰州城市向西扩张的态势。此外，在兴隆山区域部分森林转变为草地。2000-2010 年间，研究区的自然资源变化体现了兰州城区继续向西、以及向南北扩张的态势，主要占用了耕地和草地资源。整个区域北部的大部分裸地转变为草地。在兴隆山区域，有部分林地转变为草地及灌丛。与1990-2000、2000-2010 年两个时期自然资源类型的变化相比，2010-2020 年区域内自然资源类型的转变在空间分布上呈现出更为复杂的形势。在该时间段内，兰州市主要城区的扩张有所减缓，而榆中盆地的城市建设强度加剧；区域北部大片的裸地转变为草地；灌丛的面积显著增加，主要分布在北部部分区域及兴隆山区域，且主要由林地、草地转变而来。

图6 兰州地区1990-2000 年自然资源类型变化空间分布图Figure 6 Spatial distribution of changes in natural resource types in the Lanzhou Basin from 1990 to 2000

4 讨论与结论

本研究基于高分辨率遥感影像和Landsat 遥感影像的监测分析数据得到黄河上游兰州盆地2019 年主要自然资源类型包括耕地、园地、草地、森林、灌丛、城市绿地、河流、湖泊、裸岩、裸土和盐碱地，其中草地面积最大，占区域面积的45.36%；耕地占区域面积的24.29%；森林、灌丛面积分别占6.84%、6.31%；湖泊面积为0.22 hm2。

1990-2000 年间，兰州盆地中部城区南、北两山区域的大面积裸地被开垦为耕地，该时期兰州城市呈现向西扩张的态势。此外，在兴隆山区域部分森林转变为草地。2000-2010 年间，兰州城区继续向西、以及南北向扩张，占用了耕地和草地资源。盆地北部的大部分裸地转变为草地；兴隆山一带部分林地转变为草地和灌丛。2010-2020 年间，兰州市城区的扩张有所减缓，榆中盆地的城市建设强度加剧；兰州盆地北部大片的裸地转变为草地；该时期兰州北部山区以及南部的兴隆山地区的的灌丛面积显著增加，且表现为主要由林地和草地等转变而来。

兰州盆地近30 年自然资源分布变化情况显示，黄河沿岸及榆中盆地是城镇及耕地的主要分布区域，自然环境基础较好，社会经济水平较高，人类活动对生态环境的建设和保护力度较大，该区域应该作为重点监督监测区域，在社会经济不断发展的同时，协调可持续发展的人地关系，预防人类活动对生态环境的恶化。南部山区森林覆盖度较高，应该将该区域作为重点预防保护区，控制土壤侵蚀，加强生态环境的保护力度。