基于RS與GIS的土地利用動態(tài)變化分析
——以準(zhǔn)格爾旗為例

張曉玲，徐艷紅，姚喜軍，魯麗波

(內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

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基于RS與GIS的土地利用動態(tài)變化分析
——以準(zhǔn)格爾旗為例

張曉玲，徐艷紅，姚喜軍，魯麗波

(內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

利用2008、2010、2013年的3期遙感數(shù)據(jù)，基于RS與GSI技術(shù)，研究準(zhǔn)格爾旗土地利用變化規(guī)律，使用分層分類的方法對各土地利用類型進行土地專題信息提取，獲得準(zhǔn)格爾旗2008～2010年、2010～2013年2個時段的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣。據(jù)此全面分析了準(zhǔn)格爾旗的土地利用時空變化特征。在利用傳統(tǒng)土地利用變化模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了土地利用動態(tài)分析模型，從總動態(tài)度、地類活躍度的層面結(jié)合3期遙感數(shù)據(jù)分析了5年來準(zhǔn)格爾旗土地利用總動態(tài)變化度、土地利用類型轉(zhuǎn)換活躍度。

動態(tài)變化；總動態(tài)度；地類活躍度；準(zhǔn)格爾旗

區(qū)域環(huán)境變化的直接原因與響應(yīng)是土地系統(tǒng)動態(tài)變化，土地系統(tǒng)動態(tài)變化不僅是研究全球變化的重要領(lǐng)域一種[1-2]，也是全球土地利用變化研究的核心主題之一[3]。通過利用遙感技術(shù)對地觀測，揭示土地利用空間變化規(guī)律，建立區(qū)域土地利用變化動態(tài)分析模型，分析引起變化的驅(qū)動力，有助于解決那些廣泛存在于全球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性中的眾多不確定性問題，同時，也是一個國家或地區(qū)得以動態(tài)、有效地管理其資源與環(huán)境問題的重要保障[4]。目前關(guān)于土地利用變化研究的方法主要集中在：通過獲取遙感數(shù)據(jù)，利用區(qū)域土地利用變化動態(tài)分析模型對過去一定時期土地利用時空變化進行監(jiān)測[5-6]；引入“土地利用動態(tài)度”等指標(biāo)對過去和當(dāng)前土地利用狀況進行分析，進而對未來土地利用情況進行數(shù)量上的預(yù)測[7-8]；建立時空動態(tài)模型，對未來的土地利用格局及其效應(yīng)進行研究評價[9-10]。為了研究準(zhǔn)格爾旗土地利用變化規(guī)律，筆者以TM和SPOT衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，以GSI為技術(shù)手段，對準(zhǔn)格爾旗2008～2010年、2010～2013年2個時段的土地利用變化狀況進行了研究和分析。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1 研究區(qū)概況

1.1.1自然條件。準(zhǔn)格爾(蒙語，漢意為“左翼”)旗地處內(nèi)蒙古西南部、鄂爾多斯市東部，黃河沿北、東、南流經(jīng)197 km，隔河與山西、陜西毗鄰，有“雞鳴三省”之稱。 地理坐標(biāo)為110°05′～117°27′ E、39°16′～40°20′ N。準(zhǔn)格爾旗地貌以丘陵溝壑為主 。全旗轄9個蘇木鄉(xiāng)鎮(zhèn)、159個行政村。項目區(qū)屬于大陸性溫帶干旱氣候，春季多風(fēng)，以西北風(fēng)為主，風(fēng)速一般為16～20 m/s，年最大風(fēng)速40 m/s，夏季溫?zé)岫虝海钭兓瘎×遥瑫円箿夭钶^大，年平均氣溫5.3～7.6 ℃，最高氣溫39.5 ℃，最低氣溫-36.3 ℃，一般結(jié)冰期為每年10月至翌年4月，最大凍土深度1.50 m，降雨最多集中于7～9月，占總降水量的60%～70%，年總降水量為231～459 mm，年總蒸發(fā)量為1 875～2 657.4 mm，是降雨量的5～8倍，常發(fā)生春旱，全年無霜期為150 d，初霜日在每年9月30日左右，積雪厚度20～150 mm。

2013年末全旗戶籍總?cè)丝?1.47萬，常住人口36.9萬，城鄉(xiāng)居民收入水平穩(wěn)步提升，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入37 586元，較往年增長8.6%，農(nóng)民人均純收入12 828元，較往年增長12%，城鄉(xiāng)居民生活水平顯著提高，社會保障覆蓋面進一步擴大。近年來，準(zhǔn)格爾旗依托豐富的資源優(yōu)勢，形成以煤炭為主導(dǎo)，化工、林沙、交通運輸、商飲服務(wù)等為輔助的幾大產(chǎn)業(yè)，綜合經(jīng)濟實力不斷壯大，人民生活水平顯著提高，成為全國縣域經(jīng)濟提升速度最快的百強縣之一，是鄂爾多斯經(jīng)濟快速發(fā)展的重要增長極。

1.2 數(shù)據(jù)來源選取了2008、2010、2013年3個時相的三景衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第一步要獲得本次研究范圍，將獲得影像數(shù)據(jù)進行鑲嵌，用準(zhǔn)格爾旗二調(diào)行政區(qū)邊界對鑲嵌后的數(shù)據(jù)進行裁剪；第二步建立解譯標(biāo)志，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)源的形狀、紋理等特征來建立解譯標(biāo)志；第三步進行監(jiān)督分類，利用最大似然估計等方法并結(jié)合野外實測資料，對遙感影像進行監(jiān)督分類；第四步對分類的結(jié)果做進一步處理，使用聚合和過濾等分類后處理操作，使分類后的結(jié)果更加準(zhǔn)確；最后，修改混分和錯分結(jié)果并劃分土地利用類型，在此過程中要結(jié)合野外考察、并輔以相關(guān)參考資料，根據(jù)研究區(qū)的特點以及土地利用動態(tài)監(jiān)測的目的，把研究區(qū)土地利用類型分為6大類，即耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他地類。

1.3 研究方法該研究利用3期遙感數(shù)據(jù)(2008、2010、2013年)，在遙感圖像處理系統(tǒng)ENVI4.7的支持下先進行影像數(shù)據(jù)的幾何校正以及圖像增強等處理以便提高解譯精度。并采用AcrGIS工具，在對遙感柵格數(shù)據(jù)進行空間疊加處理的基礎(chǔ)上，從總動態(tài)度、地類活躍度2個層面描述土地利用變化的方向和數(shù)量關(guān)系，從而揭示土地利用動態(tài)變化規(guī)律。

1.3.1總動態(tài)度。土地利用總動態(tài)度從整體角度分析不同時間間隔內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移的數(shù)量和速率問題，其中，U為研究區(qū)整個研究時段內(nèi)的綜合土地利用平均變化率，St為某個時間間隔內(nèi)的整體土地利用變化度。若StU，則在這一時間間隔內(nèi)整體土地利用變化速率較快[11]。計算公式如下：

U=所有時間間隔內(nèi)土地利用變化總量/研究區(qū)面積/整個時間間隔×100%

(1)

St=[Yt，Yt+1]時間間隔內(nèi)土地利用變化總量/研究區(qū)面積/[Yt，Yt+1]時間間隔×100%

(2)

1.3.2地類活躍度。地類活躍度是在總動態(tài)度分析的基礎(chǔ)上針對具體的土地利用類型展開的分析。地類活躍度分析計算公式如下：

Gtj=[Yt，Yt+1]時間間隔內(nèi)用地類型j的轉(zhuǎn)入/[Yt，Yt+1]時間間隔/用地類型j在Yt時刻的面積×100%

(3)

Ltj=[Yt，Yt+1]時間間隔內(nèi)用地類型j的轉(zhuǎn)出/[Yt，Yt+1]時間間隔/用地類型j在Yt時刻的面積×100%

(4)

在土地利用變化過程中，每種土地利用類型都對應(yīng)著轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出2種變化。結(jié)合式(3)、式(4)模型對每種地類進行轉(zhuǎn)入Gtj和轉(zhuǎn)出Ltj分析，并與總動態(tài)度進行對比分析。若是轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出比總動態(tài)度大，則說明該種地類變化比較活躍；若是轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出比總動態(tài)度小，該種地類則比較穩(wěn)定[11]。

2 結(jié)果與分析

該研究以2008、2010和2013年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS中統(tǒng)一地類分類體系、統(tǒng)一空間分辨率、統(tǒng)一投影和坐標(biāo)系統(tǒng)等處理基礎(chǔ)上，經(jīng)圖層疊加后分別得到2008～2013年土地利用變化統(tǒng)計(表1)，2008～2010年、2010～2013年、2008～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2～4)。在此基礎(chǔ)上，對準(zhǔn)格爾旗5年來的土地利用動態(tài)變化進行分析。

表1 2008～2013年土地利用變化統(tǒng)計

表2 2008～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表3 2008～2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表4 2010～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

2.1 數(shù)量變化與空間變化分析

2.1.1數(shù)量變化。從表1可以看出，2008～2013年準(zhǔn)格爾旗林地、耕地面積減少較大，建設(shè)用地、草地面積顯著增加。其中林地面積減少了3 689.93 hm2，耕地面積減少了2 265.26 hm2；建設(shè)用地面積增加了3 976.34 hm2，草地面積增加了2 265.26 hm2。從年均變化率來看，建設(shè)用地年均增幅最大，為3.39%。

2.1.2空間變化。從表2～4土地利用變化類型的轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出，在空間上建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化最為顯著，主要由耕地、林地、草地其他地類向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。建設(shè)用地迅速增加，主要因為準(zhǔn)格爾旗憑借資源優(yōu)勢建成亞洲最大的黑岱溝露天煤礦、地企合建的典范項目黃河萬家寨水利樞紐工程、火電項目國華準(zhǔn)格爾發(fā)電廠等大項目，加之煤電能源戰(zhàn)略大力實施和地方煤炭企業(yè)蓬勃崛起的驅(qū)動，經(jīng)濟得到了較快的發(fā)展，同時也占用了大量的耕地、林地、草地。

2.2 總動態(tài)度分析利用式(1)，得出2008～2010年、2010～2013年、2008～2013年土地利用變化平均速率分別為0.225%、0.372%和0.307%。其計算過程可分解為計算不同時期的土地變化絕對量(動態(tài))、相對于總研究區(qū)面積的相對量(動態(tài)比)和在相對量計算基礎(chǔ)上的單位時間內(nèi)用地變化的速率(動態(tài)度)(表5)。

表5 2008～2013年土地動態(tài)度

總動態(tài)變化度是內(nèi)部與外部驅(qū)動因素共同作用的結(jié)果。國家啟動了西部大開發(fā)戰(zhàn)略、國家能源戰(zhàn)略等系列政策措施的支持和優(yōu)惠政策的導(dǎo)向，是引起土地利用劇烈變化的外在原因，使得準(zhǔn)格爾旗經(jīng)濟得到了快速發(fā)展。而2010～2013年GDP逐年增加，人口數(shù)量迅速增加，是導(dǎo)致2010～2013年土地利用變化動態(tài)在2個時段中最大，整體土地利用變化最顯著的因素。

2.3 地類活躍度分析活躍度是針對某類用地的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出展開研究的，用來表達該種地類在特定時間內(nèi)的穩(wěn)定程度。同上述方法，計算2008～2013年不同地類轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的絕對量(動態(tài))、相對量(動態(tài)比)和速率(動態(tài)度)(表6～8)。在此基礎(chǔ)上，各地類轉(zhuǎn)移活躍度分別用轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出動態(tài)度的均值離差表示：負(fù)值表示用地轉(zhuǎn)移低于平均狀況，表示不活躍；正值表示用地轉(zhuǎn)移高于平均狀況，表示活躍。

表6 2008～2013年各用地類型轉(zhuǎn)入動態(tài)度

表7 2008～2013年各用地類型轉(zhuǎn)出動態(tài)度

表8 2008～2013年各用地類型出入活躍度 %

由表6～8可知，2008～2013年研究區(qū)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出總量最大，是最活躍的土地利用類型；而且，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入均大于轉(zhuǎn)出，反映出建設(shè)用地的數(shù)量在逐年增加，草地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出指數(shù)都在基準(zhǔn)線0.307%以下，活躍度為負(fù)值，反映出草地是一種比較穩(wěn)定的土地利用類型。

3 結(jié)論

該研究系統(tǒng)地構(gòu)建了土地利用動態(tài)模型，并以2008、2010、2013年3期遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)由淺入深地揭示準(zhǔn)格爾旗土地利用總體動態(tài)變化速率及類型轉(zhuǎn)換活躍程度。土地利用總動態(tài)度從整體角度分析不同時間間隔內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移的數(shù)量和速率問題。從2008～2010年與2010～2013年2個時段的年均變化動態(tài)來看，研究區(qū)土地利用變化的平均速率是0.307%，其中2010～2013年土地變化動態(tài)大于2008～2010年，為0.372%。2008～2013年準(zhǔn)格爾旗林地、耕地面積減少較大，建設(shè)用地顯著增加且年均增幅最大為3.39%。各用地類型轉(zhuǎn)移活躍度建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入最為頻繁，轉(zhuǎn)出最活躍的是耕地，而草地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出活躍度都為負(fù)值，反映出草地是一種比較穩(wěn)定的土地利用類型。

[1] 史培軍，陳晉，潘耀忠.深圳土地利用變化機制分析仁[J].地理學(xué)報，2000，55(2)：151-160.

[2] 王秀蘭，包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學(xué)進展，1999(1)：81-87.

[3] 鄧祥征.土地系統(tǒng)動態(tài)模擬[M].北京：中國大地出版社，2008：25-28.

[4] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，張增祥，莊大方.20世紀(jì)90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J].地理研究，2003，22(1)：1-12.

[5] 田洪陣，楊太保，劉沁萍，等.基于RS和GIS的內(nèi)蒙古達里諾爾湖1999-2010年動態(tài)監(jiān)測[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26(10)：41-46.

[6] 孫鳳琴，黃昊，陳美連.廈門環(huán)東海域規(guī)劃區(qū)土地覆被變化的遙感分析[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報，2011，19(3)：48-52.

[7] 魯春陽，田永中，楊慶媛.重慶市主城區(qū)土地利用動態(tài)變化時空特征分析[J].西南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，31(5)：186-189.

[8] 王曉嬌，陳英.基于信息熵的張掖市土地利用結(jié)構(gòu)分析及其灰色預(yù)測[J].干旱區(qū)研究，2011，28(1)：92-97.

[9] HAN J，HAYASHI Y，CAO X，et al.Application of an integrated system dynamics and cellular automata modeltor urban growth assessment：A case study of Shanghai，China[J].Landscape And Urban Planning，2009，91：133-141.

[10] 全泉，田光進，沙默泉.基于多智能體與元胞自動機的上海城市擴展動態(tài)模擬[J].生態(tài)學(xué)報，2011，31(10)：2875-2887.

[11] 劉明皓，王耀.興基于“源”“匯”理念的土地利用動態(tài)變化分析[J].地理與地理科學(xué)，2013，29(3)：86-91.

國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目(201211050)。

張曉玲(1985- )，女，內(nèi)蒙古扎蘭屯人，助理工程師，碩士，從事地理信息系統(tǒng)與土地資源管理研究。

2015-02-11

S 28

A

0517-6611(2015)09-295-03