不同矢量—栅格转换尺度下黄泛平原风沙区县域土地利用面积损失特征

袁利 王晖 张芷温 高睿瑜 张荣华 明成霞

［关键词］ 土地利用；矢量—栅格转换；面积损失；水土流失；动态监测；兰考县黄泛平原风沙区

［摘 要］ 土地利用是区域水土流失动态监测重要的基础数据，是进行土壤侵蚀模数计算、水土保持功能评价和深度分析的前提，以矢量格式为主。为进一步分析土地利用空间分布特征及其与其他水土流失影响因子的关系，需将矢量格式转换成栅格格式。以黄泛平原风沙区河南省兰考县为例，基于ArcGIS 10.2平台，分析2种转换原则、5种栅格尺度下不同土地利用类型的转换特征及差异，探索县域土地利用栅格化最优原则和尺度。结果表明：综合考虑土地利用类型等因素，黄泛平原风沙区县域尺度土地利用矢量数据栅格化时，宜选择RCC原则、10 m尺度。

［中图分类号］ S157  ［文献标识码］ A  DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.015

随着《全国水土流失动态监测实施方案（2023—2027年）》的印发实施，水土流失动态监测内容由水土流失状况监测扩展到水土保持功能评价和深度分析，而土地利用是水土流失动态监测重要的基础数据，迫切需要进一步提高土地利用和水土流失空间叠加分析的效率。水土流失动态监测中土地利用数据以矢量格式为主，为进一步分析其空间分布特征及与其他水土流失影响因子的关系，需将矢量格式转换成栅格格式[1]。进行矢量—栅格数据转换时，需明确栅格单元的大小，确定合适的栅格化方法，从而尽量保持地表的真实性及信息容量的最大化。不同栅格化方法的原理、过程存在差异，导致矢量—栅格数据轉换的结果存在损失面积和精度损失差异。目前，已有的矢量—栅格数据转换研究多针对山地丘陵区，尺度涵盖各级行政区域，涉及各类型数据和转换方法与尺度[2-3]，但关于平原地区矢量—栅格数据转换的损失面积、精度损失的相关研究较少。笔者以黄泛平原风沙区河南省兰考县为研究区域，基于常用的两种矢量—栅格数据转换原则，将区域土地利用矢量数据分别按2、5、10、30、90 m 5种尺度进行栅格转换分析对比后，获取不同矢量—栅格数据转换原则下不同土地利用类型的损失特征。研究成果可确定黄泛平原风沙区县域土地利用数据栅格化的适宜尺度和转换原则，为黄泛平原风沙区水土保持功能评价和深度分析提供参考和科学依据，有效支撑水土保持高质量发展和生态保护修复。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

兰考县位于豫东平原西北部，地理位置为114°41′～115°15′E、34°44′～35°01′N，土地总面积1 116 km2，是我国重要的粮棉油产区。研究区属暖温带季风性气候区，多风季节与干旱季节基本同步，为区域风蚀发生、发展提供了条件；年均降水量678.2 mm，主要集中在7—8月；多东北风和西南风，冬春季平均风速4.0～5.0 m/s，最大风速可达28.4 m/s，起沙风日数年平均43.9 d，主要集中在冬春季节。主要土壤类型为潮土和风沙土，质地多为砂壤土。植被以落叶阔叶林为主，有杨树、泡桐等。历史上黄河曾多次泛滥、决口和改道，区域内河道呈S形，引黄总灌渠横贯全县。耕作制度为一年两熟、一年一熟，主要农作物为小麦、玉米等，冬春季部分耕地闲置。

1.2 研究方法

本研究采用的主要数据来源为2017年GF-1、GF-2和ZY-3卫星遥感影像，分辨率2 m。借助ArcGIS 10.2进行人机交互解译，经过建立解译标志、野外调查复核验证，完成土地利用矢量数据解译。依据《区域水土流失动态监测技术规定（试行）》，兰考县土地利用类型共分为7个一级类和14个二级类（见表1）。由表1可以看出，兰考县土地利用类型丰富，以耕地为主，其次为建设用地、林地，水域及水利设施用地、交通运输用地、园地和草地占比较小。

常用的矢量—栅格数据转换原则包括中心属性值（Rule of Cell Center，RCC，由像元中心重叠的面要素决定）和最大面积值（Rule of Maximum Area，RMA，由像元中具有最大面积的单个要素决定）两种。本研究依据RCC、RMA原则，借助ArcGIS 10.2，结合土壤侵蚀模型计算要求的栅格尺度、各类型数据精度，将土地利用矢量数据分别转换为尺度为2、5、10、30、90 m的栅格数据，并统计RCC、RMA原则下5种栅格尺度的各土地利用类型面积。

以矢量数据中的面积为基准，对比、分析不同矢量—栅格数据转换原则和栅格尺度下各土地利用类型的损失面积及精度损失特征。

损失面积计算公式为

E=Ag－Ab（1）

式中：Ag为栅格化后的面积，单位hm2；Ab为矢量数据的面积，单位hm2；E为损失面积，单位hm2。

精度损失计算公式为

L=E/Ab×100%（2）

式中：L为精度损失，单位%，小于0表示栅格化后面积减少，大于0表示栅格化后面积增加。

2 结果与分析

2.1 土地利用总面积损失分析

表2为兰考县RMA和RCC原则下不同栅格尺度的土地利用损失面积及精度损失统计。随着栅格尺度的变大，兰考县土地利用的损失面积、精度损失同样变大，但是RCC、RMA原则下的变化趋势存在差异。

RMA原则下，损失面积、精度损失随栅格尺度增大而减小，证明其表示的土地利用面积收缩且逐渐减小；而RCC原则下，收缩扩张趋势较为随机。当栅格尺度为2、5及10 m时，采用RMA和RCC原则进行矢量—栅格数据转换时，面积均未出现明显损失；但是在30 m和90 m栅格尺度下，损失面积与精度损失变化幅度明显增大，且RMA、RCC两种原则下的栅格化结果差异较明显。

2.2 不同土地利用类型损失分析

2.2.1 耕地

表3为不同耕地RMA和RCC两种原则下损失面积及精度损失。随着栅格尺度的增大，RMA原则下耕地损失面积的绝对值基本呈增加趋势，尤以栅格尺度大于等于10 m时增加明显。其中：水浇地面积损失明显，栅格尺度小于10 m时损失面积为负值，栅格面积小于矢量面积，大于等于10 m时损失面积为正值，即栅格面积大于矢量面积，30 m时面积增加1 615.45 hm2，90 m时面积增加3 396.55 hm2；水田面积损失较小，栅格面积均大于矢量面积，栅格尺度小于10 m时仅损失0.02 hm2，大于等于10 m时损失面积增加明显，30 m时面积增加9.31 hm2，90 m时面积增加量略有减少，基本与30 m栅格尺度持平，为8.59 hm2。导致上述变化的主要原因是兰考县水浇地及水田的分布均较为集中。伴随栅格尺度增大，水浇地、水田在栅格单元内占比增大，使面积呈明显增大趋势。

RCC原则下，耕地面积在实际值上下波动，其中水田在30 m栅格尺度面积增加1.48 hm2，水浇地面积稍有减少，精度损失为-0.023%。栅格尺度增大时，占据栅格单元中心的随机性较大，导致耕地面积在实际值上下波动。

2.2.2 园地

表4为园地RMA和RCC兩种原则下损失面积及精度损失。除2 m栅格尺度外，在其余尺度下，随着栅格尺度的增大，RMA原则下园地栅格面积均大于矢量数据的面积。从5 m开始，园地栅格面积增大，精度损失为正值且逐渐增大；栅格尺度为30 m时，园地面积增加38.23 hm2；90 m时，面积增加95.74 hm2。兰考县园地分布集中，且具有一定规模，矢量—栅格数据转换过程中占据单元内面积比例较大，园地面积随栅格尺度增大而增加。

RCC原则下，园地损失面积、精度损失在0 hm2附近波动。栅格尺度为30 m时，面积减少4.61 hm2；栅格尺度为90 m时，面积增加15.55 hm2。在以不同尺度进行栅格转换时，占据栅格单元中心的随机性大，园地面积在实际值上下波动。

2.2.3 林地

表5为不同林地RMA和RCC两种原则下损失面积及精度损失。RMA原则下，有林地面积在栅格尺度为30 m时大于矢量面积，而在其余4种栅格尺度下，面积均小于矢量面积，且栅格尺度为90 m时损失面积最大，减少607.84 hm2。其他林地在栅格尺度5 m和10 m时小于矢量面积，在其余尺度下大于矢量面积，原因是其他林地分布较集中，而有林地主要在河道、道路、村庄周围呈线状分布。当选择较大尺度进行矢量—栅格数据转换时，有林地周围的地块更易在栅格单元中占据主导地位，导致了有林地的面积损失。

RCC原则下，林地损失面积随栅格尺度增大在0 hm2上下浮动，当栅格尺度为90 m时，其他林地面积增加10.52 hm2，有林地面积减少18.97 hm2，但变幅均较小，精度损失绝对值均不超过0.50%。因林地分布分散且面积较少，栅格化过程中占据单元中心的随机性较大，故损失面积在0 hm2上下波动。

2.2.4 草地

表6为不同草地RMA和RCC两种原则下损失面积及精度损失。RMA原则下，人工牧草地面积在5 m栅格尺度较矢量面积减少，在其余尺度下随栅格尺度变大均呈增大趋势；当栅格尺度为30 m时，较矢量面积增加2.28 hm2；尺度为90 m时，增幅略减小。其他草地在5 m和30 m栅格尺度较矢量面积增加，在其余尺度下较矢量面积减少，在90 m时较矢量面积减少29.35 hm2。上述变化的主要原因是人工牧草地分布集中且有一定规模，在矢量—栅格数据转换时，占据单元大部分面积；而其他草地分布较分散、形状不规则，故转为90 m栅格时面积损失明显。

RCC原则下，损失面积在0  hm2上下波动。尺度为30 m时，其他草地栅格面积为173.52 hm2，较矢量面积减少1.63 hm2；当尺度大于30 m时，其损失面积和精度损失变化趋于平稳，90 m时其面积较矢量面积减少1.81 hm2。当尺度为90 m时，人工牧草地损失面积和精度损失绝对值最大，精度损失为-3.607%，面积较矢量面积减少2.94 hm2。主要原因为兰考县其他草地分布较分散，当尺度不同时，栅格单元中心的概率不确定，使损失面积在0 hm2上下波动。

2.2.5 建设用地

表7为不同建设用地RMA和RCC两种原则下损失面积及精度损失。RMA原则下，随栅格变大，各建设用地二级类面积在栅格尺度超过10 m后呈现不同变化趋势，城镇建设用地、农村建设用地面积呈增加趋势，且前者增幅更明显；当尺度为90 m时，城镇建设用地面积增加289.76 hm2，增幅为4.077%。采矿用地、其他建设用地面积减少，尺度为30 m时减幅逐渐明显；90 m时面积减至最小，当尺度为90 m时其他建设用地面积减少量最大，较矢量面积减少30.91 hm2。主要原因是：城镇建设用地多聚集分布，农村建设用地面积大、分布广、斑块多，矢量—栅格数据转换后，城镇建设用地、农村建设用地在单元内占一定优势，面积扩张；相对而言，采矿用地、其他建设用地面积小且分布零散、斑块小。

RCC原则下，各建设用地二级类面积随栅格尺度增大，呈不同的变化趋势，且建设用地面积总体趋势为减少。城镇建设用地、农村建设用地面积精度损失变化趋势较为相近。栅格尺度为30 m时，采矿用地面积最小，面积减少3.36 hm2，精度损失1.351%；之后面积呈增加趋势，尺度为90 m时，较矢量面积增加0.78 hm2。主要原因是：采矿用地分布分散且面积小，矢量—栅格数据转换后占据单元中心的概率不确定，故其损失面积在0 hm2上下波动。其他建设用地在尺度大于等于5 m后面积减小，精度损失绝对值增大；尺度为30 m时，面积损失逐渐明显；90 m时，面积减少量最大，为4.99 hm2，这主要是因为其他建设用地分布相对独立，矢量—栅格数据转换后单元中心易被周围大面积其他土地利用类型占据，导致面积减少。

2.2.6 交通运输用地

表8为不同交通运输用地RMA和RCC两种原则下损失面积及精度损失。RMA原则下，栅格尺度超过10 m时，交通运输用地面积随栅格变大逐渐减小，其中农村道路减少幅度更明显。当栅格尺度为30 m时，趋近于100%损失；90 m时，损失全部面积。原因是：道路多呈线性分布，且北方农村道路路宽多为4～6 m，当矢量—栅格数据转换选择的尺度超过5 m时，其栅格易被水浇地或农村建设用地栅格覆盖，导致损失过多。

RCC原则下，当栅格尺度为10 m时，农村道路面积损失0.91 hm2；30 m时，比矢量面积减少0.02 hm2。其他交通用地变幅不大，精度损失绝对值均小于0.30%。原因是：区域交通道路交错，矢量—栅格数据转换时占据单元中心的概率不确定，精度损失在0上下波动，且幅度较小。

2.2.7 水域及水利设施用地

表9为水域及水利设施用地RMA和RCC两种原则下损失面积及精度损失。RMA原则下，当栅格尺度超过10 m时，水域面积逐渐减小，精度损失、损失面积绝对值持续增大；当尺度为90 m时，精度损失30.729%，面积较矢量面积减少1 518.15 hm2。河流、水系多为条带状，除主要干渠、河流外，宽度均小于30 m，故以较大尺度进行矢量—栅格数据转换时，河流、水系在栅格单元内所占面积易丢失，导致栅格化后面积减小。

RCC原则下，栅格尺度小于30 m时， 精度损失为负值；大于等于30 m后，栅格面积增加；当尺度为90 m时，精度损失最大（0.652%），栅格面积较矢量面积增加32.19 hm2。兰考县内除黄河外，支流、干渠多为南北向均匀分布，河道弯曲，矢量—栅格数据转换时占据单元中心的概率不确定，导致精度损失在0上下波动。

3 结论

本研究通过对RMA和RCC两种原则下不同土地利用类型栅格化损失面积和精度损失特征分析，可以看出随着栅格尺度的增加，大部分土地利用类型损失面积绝对值呈增加趋势，但RCC原则下，5种栅格尺度下土地利用总面积损失均不超过4.75 hm2，精度损失均不超过4.00%，总体损失小于RMA原则；在同一栅格尺度下，RMA原则条带状地类栅格化面积负向损失明显，集中分布的块状地类栅格化面积正向损失明显。综合考虑不同地类在不同矢量—栅格转换原则、不同栅格尺度下的面积损失特征，兰考县土地利用栅格化宜选择RCC原则下转换成10 m栅格，能有效提升水土流失动态监测深度分析的效率，为黄泛平原风沙区水土保持功能评价和深度分析提供参考和科学依据。

[参考文献]

[1] 范俊甫，孔维华，马廷，等.RaPC：一种基于栅格化思想的多边形裁剪算法及其误差分析[J].测绘学报，2015，44（3）：338-345.

[2] 张定祥，汪秀莲，刘顺喜，等.第三次全国国土调查土地利用矢量数据栅格化方法[J].测绘通报，2022（4）：138-144.

[3] 王媛媛.矢量数据栅格化过程中的尺度效应研究[J].西部大开发（土地开发工程研究），2018，3（7）：6-12.