基于RS和GIS的LUCC研究——以重慶市萬州區為例

周 楊，周廷剛，馮 沖

(西南大學地理科學學院，重慶 400715)

1 研究背景

土地利用和土地覆蓋(被)變化(Land Use/Cover Change，簡稱LUCC)是可持續發展的重要核心問題之一，也是全球環境變化研究的前沿和熱點問題，被列入“國際地圈與生物圈計劃(IGBP)”的核心項目，成為管理決策的依據［1－4］?；贚UCC 的研究無論從生態環境還是從社會經濟的角度均具有重要的意義。將遙感(RS)和地理信息系統(GIS)技術引入LUCC研究領域，可以快速、準確、及時地獲取大面積的土地利用/土地覆蓋方面的實時信息，對土地利用變化進行動態監測［5］，為解決復雜的空間問題提供條件，為可持續發展研究提供技術支撐。

目前，我國的LUCC研究主要集中在熱點地區和脆弱區，前者即人文和自然驅動力極為活躍的地區，后者指隨著人口的增長、經濟的發展和資源的消耗，產生的各種各樣的“脆弱區”［6］。本文研究區域是重慶市“一圈兩翼”發展戰略中渝東北翼:三峽庫區城鎮群的中心城，經濟發展速度增長快，但生態環境復雜，即屬于“熱點區”同時也是“脆弱區”，特別是由于重慶市建設城鄉統籌試驗區發展的需要，土地在經濟發展的過程中起著越來越重要的作用。因此，在GIS技術支持下，以衛星遙感影像為主要數據源，研究重慶市萬州區LUCC問題具有重要意義。

2 萬州區概況

重慶市萬州區地處四川盆地東緣，重慶市東北邊緣。面積3 457km2(耕地面積66 667 hm2，其中田地38 993 hm2;大于25°坡地 33 427 hm2，其中旱地21 660 hm2)，城市面積21 667 hm2。區內山丘起伏，低山、丘陵面積約占四分之一，低中山和山間平地面積約占四分之一，極少平壩和臺地，且零星散布。

境內河流縱橫，河流、溪澗切割深，落差大，高低懸殊，呈枝狀分布，均屬長江水系;屬亞熱帶季風濕潤帶，氣候四季分明，天氣溫和，無霜期長，霜雪稀少;境內多年平均氣溫17.7℃，多年平均年日照時數1 484.4 h，多年平均降水 1 243mm。

3 數據整理與模型簡介

3.1 數據源概況

以萬州區2000年TM和2004年的ETM遙感影像，1∶50 000紙質地形圖用于遙感影像的幾何校正，并完成圖像增強、轉換等，得到2年的土地覆蓋特征圖件，作為LUCC研究的基本資料。

3.2 數據的處理

本研究利用2000年TM和2004年的ETM衛星影像數據，在遙感圖像處理軟件ENVI 4.6.1平臺下用地形圖(1∶50 000)進行幾何精糾正處理，目標解譯圖像采用標準的假彩色RGB－432合成，并進行相應圖像增強處理。通過野外考查建立遙感解譯標志庫，采用人機交互的判讀方式，根據實際情況提取出林地(有林地、灌木林、疏林地)、草地、耕地(旱地、水田)、園地、建設用地和水域等數據。

3.3 研究模型

基于GIS空間信息分析技術的測算模型，包括單一動態度、開發度、耗減度、綜合動態度4個指數，分別用于對LUCC速度、新開發速度和被耗損的速度的度量，且互為補充。其中，單一動態度能夠揭示土地單一利用/覆蓋類型的凈變化速度;開發度、耗損度有力地支撐單一動態度，分別揭示各類型實際新開發和實際耗減的速率;而綜合動態度則可以測算和比較區域土地利用/覆蓋的總體或者綜合活躍程度［7－8］。

單一土地利用/覆蓋類型動態度，是研究區內一定時間范圍某單個土地利用/覆蓋類型的數量變化情況，這是一種最傳統和最簡單的分析模型，其公式為［9］

式中:K為研究時段內某土地利用/覆蓋類型動態度;Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某種土地利用/覆蓋類型的數量;T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區某種土地利用/覆蓋類型年變化率。

單一土地利用/覆蓋類型開發度。其表達的是單位時間內某類型土地利用/覆蓋類型實際增加的速度，以單位時期內新開發面積占初期該類型面積比例來表示。公式為［10］

式中:Dab為從a時刻到b時刻新開發某類型土地利用的面積，即由其它類型土地利用轉變為該類型土地利用面積的總和;Ua表示a時刻該土地利用類型的面積;T為a時刻到b時刻的研究時段長，以年為單位。

單一土地利用/覆蓋類型耗損度。其表達的是單位時間內某種類型土地利用/覆蓋類型實際減少的速度，以單位時期內新耗損年紀占初期面積的比例來表示。公式為［9］

式中:Cab為從a時刻到b時刻某種土地利用類型的面積，即該類型土地利用轉變為其它類型土地利用的土地面積的總和;Ua表示a時刻該土地利用類型的面積;T為a時刻到b時刻的研究時段長，以年為單位。

區域綜合土地利用/覆蓋動態度?？擅枋鰹閰^域土地利用變化的速度。用公式表示為［11］

在這寒風漸緊的冬天，親友重逢，或是佳人相會，舉一杯雙桶陳釀的美酒，品味威士忌陳年酒桶的特別風味，把最獨特的馥郁香醇送給最珍惜的人，何其樂哉！或者夜深人靜時，一個人在靜靜獨酌，品味時間的味道，感受那一刻的歲月靜好。

式中:LUi為監測起始時間第i類土地利用類型面積;ΔLUi－j為監測時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值;T為監測時段長度。當T的時段設定為年時，LC的值就是該研究區土地利用年變化率。

4 動態度指數分析

4.1 總體格局與數量變化

利用軟件ARCGIS9.2對經過處理后的數據進行分析，得到研究區2000年和2004年土地覆蓋圖見圖1和圖2，LUCC結果見表1。

圖1 2000年萬州區土地覆蓋圖Fig.1 Land covers in wanzhou in 2000

通過對圖1、圖2和表1的分析，可以看出關于萬州區土地利用/覆蓋結構整體上的以下特點:

(1)林地分布廣闊、面積比重大。以疏林地為主，占到總體16.79%;有林地和灌木林不及5%。面積在2000年和2004年都分別達到83 056 hm2和82 589 hm2占總體的24%左右，在此期間林地面積下降，但不明顯，影響林地面積的因素來自于灌木林和疏林地，分別減少了354 hm2和122 hm2，變化最大的兩塊地分別位于南部和中部。

圖2 2004年萬州區土地覆蓋圖Fig.2 Land covers in wanzhou in 2004

表1 2000—2004年萬州區主要土地利用/覆蓋類型面積變化情況Table 1 Changes of land use/land cover areas in Wanzhou district from 2000 to 2004

(2)耕地主要分布在萬州區的西部和西北部，面積較少。在河流兩岸和西北角均較密集?？偯娣e2000年為51 795 hm2，2004年為49 798 hm2，耕地和水田面積占整體比重為別為12.05%和2.35%，4年間耕地面積變化顯著，減少了1 998 hm2。

(3)草地主要分布于萬州區的東部和東南部?？偯娣e2000年為66 915 hm2，到2004年增長了138 hm2，達到67 053 hm2占總體的19.39%，整體變化不大。

(4)園地占總體面積最大地域最廣，是萬州區最主要的土地利用類型。總面積達136 653 hm2，占總體39.52%，包括桑園、果園等。2000年到2004年減少的絕對值為1 195 hm2，變化率達到1.3%。

(5)建設用地成倍增長，變化幅度最大。從2000年1 365 hm2到2004年的4 146 hm2，盡管絕對增加值為2 781 hm2在整體中并不算大，但是由于其總量基數較小，增長率達到了203.8%。增加區域主要沿著原有建設用地向四周蔓延以及在除區域中心以外的其它地方則零星分布。

4.2 土地利用動態度分析

根據所選的模型，對遙感解譯得出的數據進行分類，分別提取了林地、草地、耕地、園地、建設用地、水域等2000年和2004年2期空間分布的柵格數據(其中，林地細分到了疏林地、灌木林、有林地，而耕地則細分到了旱地和水田)利用ARCGIS9.2中的柵格計算工具對其進行數據分析，在2期數據表里添加新字段，將需要分析的土地利用類型賦值為1，其他各類型為0，柵格大小為30m×30m，將2期數據進行減法運算，得到新數據層，數值1表示期間新開發的區域，數值0則是沒有變化的區域，而數值－1則是新耗損的區域，再統計其面積進行進一步的計算，即得到了需要的動態度指數。

4.2.2 動態度分析

土地利用變化速度指數以土地利用類型的面積為基礎，關注研究時段內類型面積變化的結果。其意義在于可以直觀地反映類型變化的速度，也易于通過類型間的比較反映變化的差異［12］。本文選用的動態度指數包含上文提及的單一動態度、單一開發度、單一耗損度和綜合動態度，經過上述模型計算和統計，得到各個指數如表2。

表2 2000—2004年萬州區主要土地利用/覆蓋類型動態度Table 2 Dynamic degrees of land use/land cover in Wanzhou district from 2000 to 2004 %

通過表2，可以看到，單一耗損度和單一開發度有效地彌補了單一動態度對于各類型土地相互轉化描述中的遺漏。最為顯著的是草地和園地2類，由于開發度和耗損度的抵消，使得單一動態度反映出的情況低于2類用地實際的變化。同時，綜合動態度也得到了土地類型整體的變遷，站在更全面的視角對萬州區的土地類型變化速率進行分析，整體而言，大部分的土地在期間保持了原有的利用類型，變化并不明顯。這樣的結果也印證了模型中4個指數的相輔相成。

4.2.2.1 單一動態度、開發度與耗減度

(1)林地的開發度、動態度基本依存于耗減度而存在，單一動態度比較準確。其中有林地因開發度和耗減度的抵消而動態度為0;灌木林和疏林地的開發度也低于或者等于0.001%，對于動態度的影響很小，與此相對應的是，其耗減度較大，特別是灌木林的耗減度達到了1.003%。由此可見，正處于砍伐多而栽種少的階段。林地面積的減少對于萬州這類地處三峽庫區的區縣是致命的。值得注意的是，最大的一塊耗減的林地在2004年開發為了草地，是為方便成為耕地做鋪墊，或者是僅僅因為砍伐樹木而荒廢成草地，只能等待進一步的研究。

(2)草地早期的變化也較大，開發度達到0.088%，耗減度達到0.037%，單一動態度為0.052%，這沒真實反映情況。前文中提到了林地轉化為草地，在對草地的分析就不能像林地一樣依托單一動態度來了解變化速率，應當結合開發度和耗減度來表述:草地的更替較為激烈，無論是轉出還是轉入，都具有較大的面積。其激烈更替會直接導致草地質量的下降，新開墾的草地幾乎是耗減草地的1倍，其中75.23%來源于灌木林。

(3)耕地內部的分異較大，但總體卻呈耗減趨勢。旱地和水田的單一動態度分別為－1.071%和－0.4%，開發度均為0。這說明耕地特別是旱地的減少是以不計代價和沒有補償在進行，這與林地的減少有一定的相似之處。旱地的單一耗減度達到1.071%，旱地減少1 866 hm2，這對于一個耕地本身就少的地區是不理智不科學的。水田的單一動態度看似遠遠低于旱地的，但水田基數小，132 hm2的減少面積和0.372%的耗減度仍然是比較大的變動。鑒于萬州區水田的地塊小而散，難以統一耕種和管理，建議應該保有當前甚至開發新水田，以確保耕地的保質保量。

(4)園地的情況和草地很相似，無論是開發度還是耗減度都比較大。兩相抵消，單一動態度無法反映真實的LUCC情況。在開發度達到0.094%、耗減度達到0.176%的情況下，單一動態度僅僅為－0.083%。總體而言，園地的面積改變并不大，但其地域改變劇烈，有逐漸東南移動的趨勢。

(5)建設用地是變化最大的土地利用類型，基數小、耗減少、開發大、變化快。建設用地是除草地外唯一單一動態度為正值的土地利用類型。其開發度遠遠超過其他類型，達到了51.389%，與之對比的是耗損度僅為0.445%，因此單一動態度也超過了50%。整體而言，建設用地的基數和改變量都較小，即使4年翻了幾番，但依舊僅占總體的1%左右，但建設用地如此快速的增長是需要警惕的，若持續保持這樣的增速，勢必對整體格局的平衡產生不利的影響。

4.2.2.2 綜合動態度

綜合動態度為0.422%。土地利用變化速度一般，綜合動態度可以作為調控土地利用類型內部改變不影響萬州區整體土地利用結構系統的一個指標。能控制在0.3%到0.5%之間就能夠保證土地利用類型的變化不會對土地性質、環境產生大的影響。0.422%表示在2000—2004年間，參與變化的土地面積比較適中，其中建設用地和耕地中的旱地是變化絕對數值最大的2個部分，達到總體變化數值的79.591%，在綜合動態度指數的計算中具有舉足輕重的作用。

5 結論與展望

本研究以LUCC理論為基礎，在GIS技術的支持下，對萬州區2000年(TM)和2004年(ETM)影像進行處理，對其LUCC現狀進行分析研究，得出以下結論:

(1)研究區園地占總體土地的比例最大，達到了39.52%，且分布廣泛。林地草地多分布東南而耕地集中西北。其中，林地以疏林地為主;耕地呈現旱地遠遠多于水田的態勢。建議，林地應該進一步的擴大，耕地應注意保持。

(2)研究區各個土地利用類型變化多樣，整體而言，林地、耕地、園地減少而草地、建設用地增加。其中，草地與園地轉入轉出均明顯，其他各類型則屬于開發度與耗減度差額較大的范疇。值得注意的是建設用地增加了2 781 hm2。其單一動態度達到50.95%，十分突出，應予以重視。

(3)研究區綜合動態度正常，對于土地整體格局和生態環境沒形成大的影響。對綜合動態度計算影響較大的土地類型是建設用地和旱地，應注意控制。

在研究過程中，也還有一些問題研究不足，存在的主要問題包括:

(1)本文解譯遙感圖像采用的是人機交互的判讀方式，不能消除誤差，因此在解譯上需要進一步的研究。

(2)由于時間序列不足，還不能很好地反應研究區域LUCC的動態變化。

(3)本文僅對萬州區LUCC的現狀進行分析，還沒有涉及與之緊密結合的驅動力研究以及預警預測研究，還需進一步開展工作。

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