于田綠洲土地利用/覆蓋變化軌跡分析*

容芳芳,塔西甫拉提?特依拜,田源,張飛

(1.新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊830046;2.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊830046)

由于自然和人類社會經濟活動的劇烈作用,區域乃至全球的土地利用狀況必然發生變化[1-2],如何快速有效地獲取研究區域在某時間段內土地利用/覆蓋的變化信息,研究土地利用/覆蓋變化的過程、機理及其對人類社會經濟與環境所產生的一系列影響[3],為全球、國家或區域的可持續發展戰略提供決策支持,是當前應用遙感技術進行土地利用動態監測的任務之一[4]。變化監測是土地利用動態監測的領域之一[5],遙感變化檢測的實質就是遙感瞬間視場中地表特征隨時間發生變化而引起的兩個時期影像象元的變化[6],它是通過觀測不同時期的目標對象來確定其在狀態上的差異過程,具有利用多時相數據量化分析時間影響的能力。常用的變化檢測方法主要有影像差值法、影像比值法、影像回歸法、植被指數法、主成分分析法、分類后比較法、多數據直接分類法、變化向量分析法、背景差值法等[7-8]。目前,大多數變化檢測的方法均是基于兩個時相的土地覆蓋變化監測方法,即對兩時期的數據進行對比,得到變化信息[9]。一般情況下,這種變化監測方法的目的就是根據兩期影像數據獲取變化或者非變化信息。這種方法基于一些精確的量測方法,例如面積比變化,土地利用變化矩陣,以及由變化矩陣等來分析所引起的空間模式的變化。

本文是基于分類后比較的一種時間軌跡分析的方法,該方法基于一個相對“連續”的時間尺度,通過分析分類影像,不僅僅提取兩期影像之間的變化信息,而且通過多期遙感數據構造土地利用/覆蓋的動態變化軌跡,分析土地利用/覆蓋變化的轉移和流向,從而獲得土地利用/覆蓋變化的過程和趨勢。

1 研究區概況

于田綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣,昆侖山中段北麓,塔里木盆地的克里雅河流域。地處81°09′-82°51′E,35°14′-39°29′N,東西寬 30 ～ 120 km,南北長466 km,

土地面積約4.03×104km2。于田縣深居內陸腹地,有著典型的沙漠和綠洲景觀。年平均降水量47.3 mm,年平均蒸發量2 420.23 mm,年平均相對濕度 42%,年平均氣溫 12.4℃,≥0℃積溫為4 340℃,無霜期為200 d。天然植被以蘆葦、檉柳、胡楊、駱駝刺為主。于田縣位于東北風與西北風的交匯地帶,生態系統脆弱,綠洲外圍地區廣闊無垠,多是礫石戈壁,沙包,鹽堿,沼澤和葦叢,植被覆蓋度只有10%～40%。選擇該地區作為重點,對研究干旱區綠洲的LUCC過程具有典型的意義[10-11]。

2 研究方法

2.1 數據源及處理

選用1989年9月,1991年10月,1999年9月,2002年10月的TM 遙感數字圖像,以及用于幾何精校正及配準的于田地區1∶100 000地形圖及矢量化數據,檢驗分類精度的土地利用圖及矢量化數據,用于土地利用/覆蓋變化軌跡分析的相關時期的氣象,水文、人口、土壤、植被、社會經濟等的統計資料。為了提高分類精度,更加準確的分析變化軌跡,需要對遙感影像進行預處理,包括輻射校正和幾何精校正,參考1∶5萬地形圖對圖像進行幾何精校正,均勻布點,校正精度RMS小于0.5,滿足要求。根據研究需要,對圖像進行裁剪,裁出2 543×1 119大小的像元作為本文的圖像研究區。

2.2 分類系統

參照全國土地利用/覆蓋分類系統,結合研究區自然狀況及本研究目的,將研究區土地利用/覆蓋類型的分類系統定義為水體(包括河渠、水庫坑塘、灘涂),林地(包括有林地、灌木林地),耕地(包括水田、旱地),草地(包括高、中、低覆蓋草地),鹽漬地,未利用地(包括沙地、戈壁、裸巖石礫地)6類。

2.3 建立土地利用/覆蓋變化軌跡模型

土地利用/覆蓋變化軌跡的含義是指,對于一個給定的象元,研究它在一定的時間段內所發生的所有的土地利用/覆蓋類型的轉變過程[12]。為了建立土地覆蓋變化軌跡,把各個時期的遙感影像分類圖通過ARC/INFO軟件以柵格形式集成到GIS中,從而建立基于象元尺度的變化軌跡[13]。根據分類體系,所有可能的土地利用變化軌跡如圖1所示。

圖1 所有可能的土地利用/覆蓋變化軌跡

3 結果與分析

3.1 圖像分類結果

根據本文的研究需求以及結合研究區的實際情況,對預處理好的影像,在統一的土地利用/覆蓋分類體系的基礎上,根據實地的考察GPS定點觀測資料,訪問當地居民,進行圖像解譯,選擇訓練樣區,利用監督分類方法分別對各期影像進行最大似然分類。將初次的分類影像進行分類后處理,將二級分類類別合并,形成統一的類別,最終確定類別為水體,耕地、林地、草地、鹽漬地、未利用地6類。這樣可以減少誤分和混分的誤差,而且便于對分類結果進行對比分析。研究區四期遙感影像的分類精度見表1,分類結果如圖2所示。

表1 影像分類精度統計

圖2 研究區各時期分類圖

3.2 面積統計分析

研究區15 a間土地利用覆蓋變化的面積統計如表2所示。總體來看,在研究時段內,各個類型的面積變化均有增有降。其中,水體的變化是平穩中稍有增長,1989年水體面積占全區的3.762%,1991年增長到5.043%,而到了1999年其又下降到了3.489%,2002年又增長到4.194%。期間1991年達到一個最大值,為5.043%。水體面積較1989年增加了3 291 hm2,這與此階段人工綠洲的大面積開發而引起的水庫水壩建設導致總蓄水量增加關系密切。隨后有所減少,其主要轉化為林地和草地。2002年水體又有新增,該時期降水豐富,使得部分草地轉化為水體。林地的變化幅度比較大,通過實地考察發現,在綠洲內部,該區林地以農田防護林,居民點周圍的防護林以及道路兩旁的林帶為主,受人為干擾的因素比較大。隨著農田的增長,林帶也相應的增加。1989年林地占全區面積的12.433%,1991年迅速減少到6.430%,1999年繼續減少到最小值4.163%,之后林地的面積有所上升,到了2002年達到10.917%。其中,1991-1999年間,該時段為毀林開荒、沿水源地大力開發土地的時期,原始自然的林地都受到大面積的破壞,而人工農田防護林以及道路兩旁的林帶還沒有成規模的林地。到了2002年,林地的面積有了突飛的增長,主要與當地政府重視治沙、防沙,在綠洲和沙漠的交接處大力植樹造林、提高植被覆蓋度、進行生態改造有密切關系[14]。在研究時段內,草地的變化相對平穩。1989年草地面積占全區的20.190%,1991年下降到13.275%,1999年又上升到16.441%,到了2002年草地又有所下降達到11.550%。2002年面積達到最小,主要是該時段的草地轉向了耕地和鹽漬地。鹽漬地的變化非常明顯,1989年只占全區的7.570%,之后就迅速增長,1991年達到12.762%,到了2002年占整個區域的17.288%,變化率達到了130%。總面積增加了24 734 hm2。原因在于由于該時段,當地毀林開荒、沿水源地大力開發土地,導致了生態平衡受到破壞,從而使得很多新開墾地無水灌溉而棄耕,造成沙地植被大面積破壞,一部分耕地和草地轉化為鹽漬地。耕地的變化相當顯著,1989年耕地面積只占總面積的5.596%,1991年達到13.203%,之后持續增長,到了2002年已經達到了17.063%。在該時段內,耕地的面積增加了9 368.53 hm2。耕地的變化在所有的土地利用/覆蓋類型的變化中最大,其變化率達到了205%。自從90年代開始,隨著區域人口的增長,對耕地的數量要求也持續增長,該區開始了大面積的開荒開墾種植。其中,大量的草地以及未利用地都被不同程度地開墾為耕地。未利用地(包括沙地,戈壁等)在研究時段內是逐步減少的,從50.449%減少到39.067%,主要轉化為耕地林地以及草地。這也是當地政府重視治沙、防沙,在綠洲和沙漠的交接處大力植樹造林、提高植被覆蓋度、進行生態改造的結果。

表2 研究區15年間土地利用/覆蓋變化的面積統計

3.3 土地利用/覆蓋變化時間軌跡分析

為了定量化分析隨時間變化人類活動對環境所產生的影響,將這些變化軌跡劃分為3類[15-16],即:未變化類、人為因素引導的變化類和自然因素引導的變化類。例如在變化軌跡中:G-G-G-G或W-W-W-W還有一些不是很明確的變化或者是由于分類精度上出現的誤差軌跡諸如S-S-GS,G-C-G-G等都劃分為未變化類,它們表明了在15年間該象元的土地覆蓋類型相同,沒有發生變化。由自然因素所引起的變化包括由于自然過程或者輕微的人類活動(例如:輕度放牧)所引起的變化。例如,夏天的洪水可能淹沒草地,而隨后的短時期的旱季,由于強烈的蒸發,草地就會變化為鹽漬地。例如:G-W-B-G,或者G-W-W-G等這種軌跡就被劃分為由自然因素所引起的變化。人為因素所導致的變化包括由于人類活動所引起的決定性的變化,諸如修建水庫水壩渠系和開墾的新耕地。這些變化通常是不可逆轉的,所以他們代表了人類活動對環境的主要影響,此類變化的代表性的軌跡包括有:G-G-C-C,S-S-S-C,G-G-W-W等。

表3 研究區土地利用/覆蓋變化軌跡分類

由表3統計數據可以看出,研究區近15 a來未發生變化的區域占總區域面積的54.9%,由自然因素影響的變化有22.5%,由人為因素驅動的占總面積的22%。對于未變化的類型中,未利用地的數值最大,占到了 64.5%,其次是草地,占到了 13.8%。其他類型之間都有頻繁的相互轉化的過程。在自然因素引導的變化中,鹽漬地、未利用地和草地的相互轉換比較頻繁,這與區域的氣候條件、降水情況密切相關。在人為因素變化中,耕地的變化最明顯,達到了46.8%,其次是林地的變化,達到了46.4%,這是因為隨著農田的增加,農田防護林也出現了相應增長的局面。而且隨著人口的增加,居民點周圍散布者大量的林地。其次,隨著經濟的發展,當地政府開始重視治沙、防沙,在綠洲和沙漠的交接處大力植樹造林、提高植被覆蓋度、進行生態改造有密切關系。在人為因素中,由于人工綠洲的大面積開發,水庫水壩以及渠系的建造使得水體的面積有所變化。然而,由于本文的研究區域選在塔里木盆地南緣的于田縣,地理位置比較偏僻,因此,人類活動對該地的環境影響還非常有限。但是,根據分析可以看出,自從20世紀90年代開始,人類已經在改變著區域的生態環境,隨著人口和經濟的增長,這種改變開始起著越來越重要的角色了。

3.4 土地利用/覆蓋變化軌跡空間分布

從圖3中可以看出,人為因素所導致的變化主要分布在綠洲內部。表現為新開墾的耕地,綠洲內的林帶和農田防護林帶。除此之外,還有新建的水庫水壩,河網渠系等。人類活動對環境的影響逐漸從綠洲內部向外圍擴散,沿著河流水系開始進行改造。由于研究區域地處塔里木盆地南緣,該區風沙活動頻繁,沙漠化現象比較嚴重,受到季節氣候環境的影響,自然因素的變化主要是在綠洲外圍的交錯帶。表現為草地和鹽漬地之間的轉化,草地和未利用地之間的轉化以及未利用地和鹽漬地之間的轉化。

圖3 1989-2002土地利用/覆蓋變化軌跡類型

4 結論

近15 a期間,受自然條件的影響,研究區域變化了57 220 hm2,占全區域的22.5%,其中主要為未利用地、草地之間的轉化,受季節氣候影響,在夏秋季河流水量充沛期,河灘草地生長旺盛,而到了春冬季節,由于河流枯竭、斷流等的影響,草地又重新轉化為未利用地。人為因素導致的變化占總面積的22%,并且隨著綠洲的發展,人為因素已經在區域環境變化中開始占主導因素,其中,耕地的增長以及水庫水壩的建立都直接影響著區域土地利用/覆蓋格局的變化。

本文通過多時相多尺度遙感數據的融合,建立了分析干旱區環境變化因素的有效實用的方法。在研究中,拓展了干旱區環境變化軌跡的概念和方法,把由于人為因素對環境造成不可逆轉的變化從由自然因素所引起的變化中提取出來,從而有利于從人為因素角度針對實施管理和決策,達到有效管理土地以及可持續發展的目標。由于所選影像的時間間隔較大,對于區域土地利用/覆蓋變化的軌跡分析存在著一定的誤差,研究時相的不嚴格匹配使得研究精度有待進一步提高。

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