基于TM／ETM＋綠洲城市土地利用時空演變分析——以新疆奎屯市為例

余慧容，蒲春玲，劉志有，李 玉

（1.中國農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，北京100193；2.新疆農(nóng)業(yè)大學 管理學院，烏魯木齊830052）

區(qū)域尺度的土地利用／覆被變化研究是LUCC研究的重點和全球環(huán)境變化研究的重要組成部分［1－3］，其能夠在時間和空間上較好地反映出研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化，為區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論依據(jù)［4－5］。綠洲城市作為一種位于干旱區(qū)特殊自然條件下的城市類型，是干旱區(qū)內(nèi)部人類生產(chǎn)、生活的集聚中心，也是人地關系最為敏感的區(qū)域。但迄今為止針對綠洲城市的研究仍相對薄弱［6］，對綠洲城市的土地利用／覆被變化進行系統(tǒng)研究的更為少見。鑒于此，本研究以新疆典型的綠洲城市——奎屯市為例，借助“3S”技術，從數(shù)量、空間遷移等角度對綠洲城市的土地利用時空演變狀況進行全面地分析探討，以期為綠洲城市的土地利用變化研究和土地可持續(xù)發(fā)展政策制定提供有益的參考。

1 研究區(qū)概況

奎屯市位于天山北麓山前凹陷地帶，準噶爾盆地西南邊緣，轄1鄉(xiāng)（開干齊鄉(xiāng)）和5個街道辦事處，是新疆北部地區(qū)主要的交通樞紐和天山北坡的重要經(jīng)濟增長極。地理位置為東經(jīng)84°47′—85°15′，北緯44°20′—44°49′；屬沖洪積傾斜平原地貌，地勢西高東低，南高北低；地表多為戈壁或亞砂土，其土種質(zhì)地多屬砂壤土，沒有明顯的腐殖質(zhì)層，有機質(zhì)含量少；氣候?qū)俦睖貛Т箨懶詺夂颍臒岫募据^分明，氣溫日（年）差較大，降水量少，年均潛在蒸發(fā)量約是年均降水量的9倍；地表水主要來自奎屯河水和市區(qū)北部的泉水、溝湖；地下水主要靠河床滲漏補給。2009年奎屯市總?cè)丝?5.29萬人，非農(nóng)業(yè)人口14.68萬人；有29個民族，其中少數(shù)民族人口1.10萬人，占總?cè)丝诘?.2%。奎屯市總面積406km2，耕地、草地和城鄉(xiāng)居民工礦用地是奎屯市的優(yōu)勢地類，三者之和占土地總面積的92.88%，而林地、水域和未利用地分別僅占土地總面積的3.06%，2.51%，1.54%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文主要基于研究區(qū)3期遙感影像，分別是：1993年（時相9月4日，分辨率30m）、2009年（時相6月5日，分辨率30m）的TM影像及2001年（時相6月5日，分辨率30m）的ETM＋影像。此外，為提高解譯精度，本文還借助奎屯市1996年（一調(diào)數(shù)據(jù)，比例尺1∶50 000）、2003年（變更數(shù)據(jù)，比例尺1∶50 000）及2009年的土地利用現(xiàn)狀圖（二調(diào)數(shù)據(jù)，比例尺1∶10 000），奎屯市行政轄區(qū)圖及地形圖來輔助解譯。

考慮到與ArcGIS軟件的融合度，本文采用ENVI 4.8軟件對遙感影像進行預處理（輻射校正、幾何校正、波段組合、影像裁剪）及土地利用信息的提取（監(jiān)督分類），得到研究區(qū)三個時期的土地利用圖。最后借助實地勘測調(diào)查、第一、二次全國土地大調(diào)查數(shù)據(jù)及變更數(shù)據(jù)建立隨機樣點集，在ENVI 4.8平臺下運用混淆矩陣法（Error Matrix）將奎屯市3期遙感圖像的處理結(jié)果與隨機樣本點集對比，進行精度評價，得到1993年、2001年和2009年的總體分類精度分別為88.57%，86.53%，89.69%，符合誤差矩陣的精度要求。土地利用分類主要參照1992年中國科學院“八五”重大應用項目“國家資源與環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究”中的土地資源分類系統(tǒng)，并結(jié)合研究區(qū)的影像特征，分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地6大類。

2.2 研究方法

在ArcGIS 9.0平臺下，對1993年、2001年和2009年3個不同時期的土地利用圖進行疊加、代數(shù)運算、統(tǒng)計，得到不同時期土地利用變化數(shù)據(jù)和各地類的空間遷移狀況，以及研究區(qū)1993—2001年、2001—2009年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并借用Markov模型對土地利用變化趨勢進行預測，從多角度得到研究區(qū)土地利用時空演變特征。

2.2.1 土地利用變化率 土地利用變化率（Ri）是某一時段土地利用類型面積的變化程度，反映不同土地利用類型在數(shù)量上的變化，有利于了解土地利用變化總態(tài)勢和土地利用結(jié)構(gòu)變化。其計算公式如下［7－8］：

土地利用變化率：

式中：Ua，Ub——研究期初和研究期末第i種土地利用類型的面積。

2.2.2 土地利用動態(tài)度 土地利用變化動態(tài)度分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度，單一土地利用動態(tài)度（Ki）是用于描述一定時間和空間范圍內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化的幅度與速度；綜合土地利用動態(tài)度（D）反映的是某個地區(qū)土地利用類型整體的穩(wěn)定性。數(shù)學表達式如下［9］：

單一土地利用動態(tài)度：

綜合土地利用動態(tài)度：

式中：Ua，Ub——研究期初和研究期末第i種土地利用類型的面積；n——土地利用類型的個數(shù)；T——研究時段長（時間間隔），單位為年。

2.2.3 馬爾科夫（Markov）模型 馬爾科夫（Markov）模型是基于馬爾科夫鏈（Markov Chain），通過對系統(tǒng)不同狀態(tài)的初始概率以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率來確定各狀態(tài)將來各個時刻的變化趨勢，具有“無后效性”，即某隨機過程在t＋1時刻的狀態(tài)只與t時刻的狀態(tài)有關，與以前的狀態(tài)無關，而這一性質(zhì)對于研究土地利用動態(tài)變化較為適宜［10－11］。其一級轉(zhuǎn)移概率矩陣為：

具有以下性質(zhì)：

其中∏1為一級轉(zhuǎn)移后的狀態(tài)向量。

根據(jù)齊次馬爾科夫鏈的性質(zhì)可計算出n級轉(zhuǎn)移矩陣為Pn＝Pnn（n≥2，3，…），且n級狀態(tài)向量為∏1＝∏0Pn0，以此為依據(jù)進行預測。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

奎屯市1993—2009年土地利用類型面積及其變化見表1。由表1可知，研究區(qū)的土地利用類型以草地、耕地和城鄉(xiāng)居民工礦用地為主，三者之和在3個時期均占研究區(qū)總面積的90%以上。近16a來，奎屯市土地利用發(fā)生了顯著變化。1993—2009年間，奎屯市耕地、林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地增加，而草地、水域和未利用地減少，耕地變化幅度最大，林地與草地次之。

從分時段看，1993—2001年間耕地、林地、城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加，草地、水域、未利用地面積減少，耕地的變化程度（變化率的絕對值）最大，未利用地次之，城鄉(xiāng)居民工礦用地變化最小；2001—2009年間除草地減少外，其他地類增加，變化程度以耕地增加最為顯著，未利用地和水域變化較小。

在土地利用動態(tài)度方面，奎屯市1993—2009年間的綜合土地利用動態(tài)度為29.22%，其中2001—2009年間每年的綜合土地利用動態(tài)度為34.25%，明顯大于1993—2001年間的19.75%，說明1993—2009年這16a間奎屯市土地利用類型發(fā)生了較大的替代和變更，其中以2001—2009年間的變化尤為顯著。從單一土地利用動態(tài)度看，1993—2009年耕地、林地、草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地動態(tài)度較大，說明這4類用地變化程度較大，而水域和未利用地則相對較為穩(wěn)定。

表1 1993－2009年奎屯市土地利用類型面積及其變化

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)換

3.2.1 轉(zhuǎn)移矩陣分析 轉(zhuǎn)移矩陣可以用來全面具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)、特征及各用地類型變化方向，其方法基于馬爾科夫模型。在GIS技術支持下，將3期土地利用圖進行疊加分析，得到不同時期土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換矩陣（表2—3）。

表2 1993－2001年奎屯市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

表3 2001－2009年奎屯市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

由表2—3可知，1993—2009年研究區(qū)地類間發(fā)生了較大程度的轉(zhuǎn)移：耕地新增主要來源于草地和水域；林地流向主要是城鄉(xiāng)工礦居民用地；草地流向以耕地為主，其次是城鄉(xiāng)工礦居民用地；水域主要轉(zhuǎn)化為草地或耕地；城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加來源于草地、林地和耕地；未利用地主要流向為草地和城鄉(xiāng)居民工礦用地。

分時間段上看，2001—2009年奎屯市地類轉(zhuǎn)移程度遠大于1993—2001年。1993—2001年間，以林地、水域變化較為顯著；耕地變化較小，自身的繼承比例較大；林地流向主要是耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地；草地以流向耕地為主；水域主要轉(zhuǎn)化為草地或耕地；城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加來源于草地和耕地；未利用地流向有耕地、草地、城鄉(xiāng)工礦居民用地和林地。而2001—2009年間奎屯市草地變化幅度最大，主要流向為耕地；部分耕地被轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地；林地增加主要來源于耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地；水域流向主要為耕地和草地；城鄉(xiāng)工礦居民用地增加主要由耕地、林地和草地轉(zhuǎn)化而來；未利用地的流向以草地為主。

3.2.2 空間遷移特征分析 利用ArcGIS平臺中空間分析工具的柵格計算模塊得出奎屯市1993—2009年間各類用地的空間遷移狀況（圖1）。

圖1 1993－2009年奎屯市各地類空間遷移狀況

從各類用地空間轉(zhuǎn)換狀況（圖1）可知，耕地面積呈增長趨勢，增長的空間布局主要在東部的奎屯市開干齊鄉(xiāng)；林地轉(zhuǎn)換主要集中在西部的市區(qū)，增加面積遠大于減少面積，可見近16a來奎屯市加強了市區(qū)的綠化力度；草地減少幅度十分明顯，主要集中在東部的開干齊鄉(xiāng)、市區(qū)的西部和南部開發(fā)區(qū)；水域的變化主要體現(xiàn)在東部開干齊鄉(xiāng)的沖洪積扇中下部和扇緣區(qū)；城鄉(xiāng)工礦居民用地整體增加，增加面積主要集中在奎屯市南部（城區(qū)和開干齊鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地）；未利用地轉(zhuǎn)變幅度較小，以減少為主，零星分布于東部工礦開采區(qū)及北部的開發(fā)區(qū)北二區(qū)。

3.3 土地利用變化趨勢預測

借助馬爾科夫模型的具體運算程序，以1993—2009年為基準，預測出二級轉(zhuǎn)移矩陣概率（n＝2），然后將轉(zhuǎn)移概率和前一年各土地利用類型的面積相乘，對后一年份（預測年份）的土地利用類型面積進行匯總求和，得到未來16a（即2025年）的土地利用格局（表4）。

表4 奎屯市土地利用動態(tài)變化的Markov預測值

由表4的預測可以看出，在未來近20a中，按照當前的發(fā)展速度，奎屯的耕地與草地的面積將持續(xù)發(fā)生顯著性的變化。其中，耕地面積將由2009年的19 123hm2上升到2025年的25 608hm2；與耕地面積相反，草地面積則將減少，由2009年的13 400hm2減少到2025年的6 000hm2；林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積會有所增加，分別上升到2025年的2 369 hm2、5 791hm2；而水域和未利用地則呈減少的趨勢，分別下降到2025年的539hm2（1.34%）、334hm2（0.82%）。

4 結(jié)論

本文以新疆奎屯市作為案例，從數(shù)量、空間等角度較系統(tǒng)地研究了近16a來干旱區(qū)綠洲城市的土地利用時空演變的過程與特征，主要結(jié)論如下：

（1）近16a來，研究區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)、空間發(fā)生了顯著變化。后8a（2001—2009年）的土地利用變化速率和變化程度遠大于前8a（1993—2001年），呈現(xiàn)出土地利用變化時空不均衡的特性。

（2）土地利用結(jié)構(gòu)變化方面，耕地、林地、草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地變化幅度顯著，其中耕地、林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地增加，草地減少，但草地、耕地和城鄉(xiāng)居民工礦用地仍是奎屯市的優(yōu)勢地類；從土地利用類型轉(zhuǎn)換，各地類間更替轉(zhuǎn)換程度大、城鄉(xiāng)差異明顯，東部市區(qū)以城鄉(xiāng)工礦居民用地和林地增加為主要特征，而西部開干齊鄉(xiāng)則主要體現(xiàn)在耕地和草地之間的更替；從變化趨勢，耕地與草地的面積將持續(xù)發(fā)生顯著性的變化，耕地增加，草地減少，林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積會有所增加，而水域和未利用地則呈減少的趨勢。

該區(qū)域的土地利用變化驅(qū)動力和土地利用優(yōu)化配置是后續(xù)研究的主要方向。

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