基于MODIS数据的新疆土地利用/覆被时空变化及驱动因素分析

米尔扎提江·木艾塔尔江，古丽米热·艾尔肯，阿依吐尔逊·沙木西

（新疆农业大学管理学院，乌鲁木齐 830052）

土地利用/覆被变化（Land use/land cover）是人地关系的外在表现，对研究全球气候变化特点和影响生态系统演变产生主导性的作用。土地利用方式及时空格局变化影响生物多样性，生态系统功能和土地资源承载功能，进一步对地球各大圈层之间的能量物质交换以及信息交流产生作用，对于区域土地可持续利用具有重大研究意义。国外对土地利用/覆被的研究主要集中在信息获取、分类与制图、时空演变、驱动力与驱动机制等领域，以定性和定量的影响因素分析尤为突出［1-4］。国内研究学者在土地利用变化的研究主要以选择生态脆弱区域［5］与经济发达区［6］等热点区域进行研究。土地利用覆被变化常用土地利用动态度、土地利用程度综合指数及土地利用转移矩阵等方法揭示土地利用数量和程度的变化、土地利用变化类型的来源和去向以及土地利用的空间变化［7］。影响城市的土地利用动态变化主要包括自然因素和社会因素［8］。目前通过GIS和RS空间分析技术建立的驱动力模型和土地利用变化对环境的影响等方面取得阶段性成果［9］，并充分剖析LUCC的各驱动力间的关系在时空尺度上的动态变化，考虑将自然与社会驱动力变量同时列入到不同地域、不同社会群体的文化因素或微观意识变量［10］，在研究土地利用变化中由于难以分离部分地类，因此不能只依靠同一个时期的土地利用或覆被的类型数据［11］。由于MODIS数据与其他遥感数据相比，图像分辨率高，成像面积大，波谱分辨率相对较高，更适合做宏观土地利用现状的调查研究，有利于获取大范围自然资源的动态检测和调查数据［12］。当前对新疆的研究方面，主要围绕某个县市或者流域的土地利用变化进行相关研究。本研究基于前人的区域化分析，对新疆总体宏观的土地利用变化进行研究，以期为未来空间发展规划和土地利用规划的合理调控提供科学依据。张靓等［13］对内蒙古21世纪以来的土地利用/覆被特征及成因进行研究，得出土地利用变化的区域表现出结构变化复杂和空间分异明显的特点。陈铸等［14］利用遥感影像分析了福州市近20年的土地利用变化的景观格局变化，研究表明原有林地、农地以及未利用土地面积呈减少趋势，而建设用地和水体面积持续上升，自然景观聚集度下降，破碎化程度日益严重。骆成凤等［15］以新疆石河子为试验区进行了土地利用分类研究，提出250 m MODIS数据对新疆地区的土地利用类型信息获得比较实用；BP算法对中分辨率的MODIS数据能够取得较高的分类精度。陈书林等［16］以长三角地区为研究区域，探讨了从1985—2015近30年的土地利用变化特征及其驱动力，得出耕地面积减幅最大，而城镇用地面积增幅最大。段红腾等［17］对巴音河流域近10年的土地利用变化开展研究，分析土地利用时空演变规律，得出巴音河流域土地利用格局的转变主要受人口增长、地区产业结构及政府政策强制性实施等因素的影响，土地利用变化是一个交替扩张的动态过程，但土地均处于合理开发利用状态，社会经济活动作为主要驱动力极大地影响着土地利用的演变过程。

本研究选取新疆近18年的MODIS数据为数据源，对2001、2010、2018年（MCD12Q1）土地利用/覆被变化类型进行分类，通过应用土地利用程度和动态度来分析土地利用/覆被逐年变化特征及驱动因素，为研究区土地利用结构调整优化、生态环境与经济建设、资源合理开发保护与可持续发展提供一定的参考依据。

1 研究区域概况

新疆地处欧亚大陆腹地，位于中国西北部，是中国距离海洋较远的省份之一，位置介于东经73°40′—96°18′，北纬34°25′—48°10′（图1）。地形特征是山脉与盆地相间排列，可概括为“三山夹两盆”，地处高海拔，其被山脉环绕［18］。新疆位于中国西部干旱区，属于典型的温带大陆性气候，春季低温风沙天气较多，降雨主要集中在夏季，秋季天气变化大，冬季时间长低温多雪。降水量少，蒸发强，年平均降水量163.3 mm，蒸发量可达2 000 mm以上。全区拥有行政区域面积166.48×104km2，分为4个地级市、5个地区、5个自治州、11个自治区直辖县级市，合计107个县级区划，1 128个乡级区划。截至2018年底，新疆拥有2 486.76万人，城镇人口占50.91%，农村人口占49.09%。

图1 研究区位置

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究使用的数据来源：2001、2010、2018年3期的MOD12Q1数据由美国国家航空航天局（NASA）发射的地球观测系统环境遥感卫星获得，运用ArcGIS10.2软件进行投影变换、剪裁、重分类及矢量化等处理的土地利用/覆被变化数据，其分辨率为500 m，土地覆盖类型分为6大类，包括15个2级类别；2001—2018年统计数据包括气象数据（气温及降水量）和社会经济数据（人口、城镇化、GDP、人均GDP等），来自2001—2018年《新疆统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用幅度变化LUCC的变化幅度是指反映不同地类在总量上的变化程度，通过分析各地类面积的变化情况，可以了解土地利用变化的总体趋势和结构的变化。其公式如下：

式中，R表示特定研究时间内土地利用类型的变化幅度，Ua、Ub表示研究初期a和末期b的土地利用类型的单位面积（km2）。

2.2.2 土地利用/覆被转换方向与幅度转换方向主要以转移矩阵来描述，它不仅包含特定研究区域在特定时间内的各土地类型面积信息，还包括各土地类型在初期和后期的转出以及转入的面积信息。利用转移矩阵能够反映出各土地类型在某个时间段内初期和末期跟其他土地类型面积之间相互转变的动态过程信息。其计算公示如下：

式中，Cij表示土地利用/覆被类型i转换为j的幅度；i、j分别表示矩阵的行、列的土地利用/覆被类型。ΔSij表示2期土地利用/覆被中类型i转变为类型j的面积；Si表示前一期i类土地类型的面积。

2.2.3 土地利用/覆被状况指数结合研究区的分类系统，某一类土地利用/覆被类型的面积占总面积的比例。用来衡量该地区生态系统综合功能状况，其数值越高表明功能越好。其公式如下：

式中，S表示土地利用/覆被状况指数，Ci表示耕地、林地、草地、水体、建设用地、未利用地的面积（km2），A表示研究区总面积。

土地利用/覆被状况变化率，用来描述研究区生态系统状况的转变，其计算公式如下：

式中，Sration表示初期与末期间状况指数的变化率（%）；S1、S2表示前期和后期的状况指数。

3 结果与分析

3.1 土地利用/覆被面积及幅度变化分析

依据土地利用/覆被MOD12Q1遥感数据分析整理和计算，得出新疆各用地类型的变化幅度。由数据源识别耕地、林地（常绿针叶林、低盖度灌木林、高盖度灌木林、落叶阔叶林、人工林地、针阔混交林），草地（低盖度草地、中高盖度草地）、水体（冰川雪地、水域）、建设用地、未利用地（裸地、湿地）6种土地利用类型（表1）。由表1可知，近18年研究期内，每年研究区内未利用土地占土地总面积的占比最大，是新疆最主要的土地利用类型，由于特殊的地理位置，周围由高山环绕，又有盆地和沙漠地段，远离海洋降水量稀少，使得新疆的未利用土地占比居高不下。2018年研究区各类型面积按占比由高到低依次为未利用地、草地、耕地、水体、林地、建设用地。在研究期内未利用地面积由2001年的73.00%到2018年的70.24%，呈下降趋势并减少了45 038.02 km2。2001—2010年时间段内林地的面积减少了483.41 km2，但随着当地开展植树造林和退耕还林等政策的有效实施，在2010—2018年内林地面积增加了481.44 km2，2018年 为2 723.50 km2，其占研 究区土地总面积的0.17%。耕地、草地、水体、建设用地面积在研究期内持续增加，从2001年到2018年分别增加了25 149.68、11 280.98、8 508.37、45.73 km2，研究末期分别占土地总面积的4.32%、23.48%、1.63%、0.16%。草地是新疆继未利用地后第二大土地利用类型，至2018年研究区草地面积与研究初期相比共增加了11 280.98 km2。耕地在研究期内从2001年的45 465.15 km2增加2010年的58 095.33 km2，再到2018年的70 614.83 km2，保持明显的增长趋势，是与国家资源部出台的号召保护国家耕地红线和地方耕地红线政策保持一致性。水体面积从2001年的18 020.83 km2增加到2018年的26 529.20 km2，增加了8 508.37 km2，是随着特殊的地理环境雪山的融化和近18年的年均降水量保持相对增加引起的。研究区建设用地面积从2001年到2018年共增加了45.73 km2，变化程度较小。总体而言，增加的土地量是从未利用地的面积减少以及各土地类型的相互转换而获得的增量土地类型，由此可知新疆的整体生态经济建设水平呈平稳上升状态。近18年来新疆其他土地利用类型面积逐渐扩张，未利用地面积逐渐减少。

表1 新疆各土地利用类型变化情况

3.2 土地利用类型转移变化分析

土地利用/覆被转移矩阵能详细反映研究区土地类型转变结构以及转换方向的特点。由表2和图2可知，在2001—2010年期间，共有69 585.29 km2的土地利用类型发生转变，占研究区土地总面积的4.26%。新增加的耕地面积在前10年主要由草地转入15 455.87 km2；占耕地转入总量的26.61%；林地的新增面积主要由草地所得，转入了492.57 km2；研究区内草地的新增面积依次由未利用地、耕地、林地、建设用地、水体转入，分别转入了26 225.59、3 256.26、1 002.18、179.23、58.10 km2；水体新增面积主要由未利用地转入了6 864.80 km2；建设用地增加的面积主要由耕地、草地、未利用地转入，分别转入了192.50、206.04、34.64 km2。未利用地新增面积依旧主要是由草地转入，近10年研究期间草地转入11 834.42 km2，其次由水体转入了2 439.63 km2。除了水体外其他所有土地利用类型的转入面积中草地占主导位置。在2010—2018年研究期内，有82 995.56 km2的土地利用类型转变，占新疆土地总面积的5.08%，与研究初期相比呈现增加的趋势。新增耕地的面积与研究初期保持基本一致，近9年主要由草地共转入了16 794.50 km2，林地的新增面积由除建设用地外的其他5类土地利用类型面积转入。草地的新增面积从大到小依次为未利用地、耕地、林地、建设用地、水体，分别转入32 723.33、4 877.66、597.49、319.96、87.66 km2。新增水体面积中未利用地转入面积最大，共转入8 080.82 km2。建设用地新增面积中耕地、草地、未利用地占比较高。未利用地新增面积也与研究初期保持一致，并转入16 336.47 km2，占未利用地总面积的1.42%。在近18年的研究期内，未利用地的转出大于转入，草地转入其他各地类的面积最大（除水体外），水体新增面积由未利用地面积转入比例远高于其他地类。建设用地面积无明显变化。

图2 新疆地区土地利用变化

表2 2001—2018年新疆土地覆被面积转移矩阵 （单位：km2）

3.3 土地利用/覆被状况指数分析

通过计算得出，新疆2001年至2010年、2010年至2018年土地利用/覆被指数的变化率分别为20.00%、19.99%。由此推断出近18年的研究期内新疆的生态功能较为稳定，新疆平均土地利用覆被状态指数为19.99。由表3可知，各土地类型的平均土地利用/覆被状况指数由高到低分别为未利用地（71.69）、草地（23.07）、耕地（3.55）、水体（1.37）、林地（0.16）、建设用地（0.16）。由此可知未利用地和草地是新疆主要的土地利用类型。从土地利用/覆被状态变化率可以看出（图3），2001—2010年林地和未利用地的变化率为负值，呈现转差的趋势，而耕地、草地、水体，建设用地为正值，呈现转好的趋势，其中耕地和水体的变化量较大，增长较为明显。在2010—2018研究期内除了未利用地和建设用地外，其他土地覆被状况变化率均为正值，呈现转好的趋势，其中耕地、林地、水体的变化率都相对而言存在明显的增加趋势。近18年的研究时间段内，主要是未利用地的变化率为负值，一直是呈下降的趋势。林地在研究前期的负值转换为末期的正值，其他耕地、草地、水体、建设用地均处于转好的趋势。

表3 2001—2018年新疆土地利用/覆被状况指数

图3 2001—2018年新疆土地利用/覆被状况变化率

3.4 土地利用变化驱动因素分析

3.4.1 自然因素土地利用覆盖变化一定程度上受自然气候变化的影响，通常情况下自然因素的影响是长期累积的效应。从2001—2018年新疆的气温（图4）和降水量来看（图5），年平均气温上升的同时降水量也存在上升的趋势，但是增长变化幅度并不大，过程呈先上升后下降再到上升的态势。研究区年均气温为10.3℃。年平均降水量为166.6 mm，最高降水量为219.6 mm，最低降水量为108.6 mm。总体而言随着气候的逐步上升，根据土地利用类型的状况指数得出水体面积增加，对各农用地的面积类型变化有一定的作用。

图4 2001—2018年新疆年平均气温

图5 2001—2018年新疆年平均降水量

3.4.2 社会经济因素大量研究表明，社会经济因素是土地利用/覆被变化的主导因素，其中社会人口是影响土地利用/覆被的主要因素［19］。随着新疆社会经济的发展，研究区人口与城乡居民收入逐渐增加（表4），人口数量从2001年的1 849.41万人到2018年的2 444.67万人，其增长率为30.30%。城镇化水平由2001年的33.75%到2018年的49.38%。2001年新疆国内生产总值为1 491.00亿元到2018年的10 882.96亿元，2001年的人均生产总值为7 945元，2018人均生产总值为44 941元。研究时间段内人口、城镇化率、GDP、人均GDP的增长明显。加快土地开发和城镇化的速度，由此导致建设用地面积的增加，随着对粮食的需求使得耕地面积增加，间接影响着水体等其他土地类型面积的变化。

表4 2001—2018年新疆社会经济数据

4 小结与讨论

基于2001，2010和2018年3期的MOD12Q1遥感数据，以土地面积变化、利用类型转移、状况指数等方面的数据，分析出新疆近18年的土地利用/覆被变化的过程。

1）在2001—2018年期间土地利用类型发生了明显的变化，耕地、草地、水体及建设用地以继续增加为主，相比于2001年、2018年的耕地面积增加了25 149.68 km2，草地面积增加了11 280.98 km2，水体面积增加了8 508.37 km2，建设用地增加了45.73 km2，其中新增面积主要来自未利用地，其次是由草地和耕地的转换转入，建设用地面积变化幅度最小。研究区林地和未利用地面积总体减少，林地减少1.97 km2，其中未利用为新疆土地面积中最大的土地利用类型，18年共减少了45 038.02 km2，减少面积最大，占研究区土地总面积的2.75%。各土地利用/覆被类型之间存在不同程度的转换。

2）研究区近18年的气候呈现为年平均温度变化幅度较明显，年平均降水量变化幅度不大，二者总体呈先上升后下降再上升的趋势。年均降水量在研究期内从2001年的127.1 mm到2018年的163.3 mm/年，上升了36.2 mm；年均气温从2001年的10.4℃到2018年的10.6℃，上升了0.2℃。自然气候对土地利用类型的作用表现为研究区内水体，耕地和草地的增加。社会经济数据的上升也同样使耕地和建设用地增加。

新疆未利用地逐年减少，后备土地资源较为丰富，但是由于地理位置特殊，生态环境比较脆弱，造成开发利用难度较大。社会经济和城镇化发展的同时，建设用地面积的变化幅度较小，因此在今后的发展过程中更要在保障经济建设的同时，严格控制建设用地占用耕地，充分发掘非农建设用地。重视土地利用相关政策，保护农用地为主的各土地利用类型的协调发展。