西遼河平原土地利用/覆被變化特征分析

何俊仕，王志新，付玉娟，高振東(沈陽農業大學水利學院，沈陽 110161)

0 引 言

土地利用/覆被變化(LUCC)是環境變化的主要原因之一，其主要驅動力是自然條件的改變以及人為活動的影響[1]。目前國內外對于土地利用/覆被變化的研究主要集中在土地利用變化特征及趨勢[2,3]、驅動機制以及生態環境效應[4,5]等方面。本研究基于Landsat衛星TM/ETM+的1995年、2005年和2014年3期遙感影像為基礎，分析19年來西遼河平原區土地利用/覆被的演變特征，為預測未來土地利用變化的方向提供依據，并為西遼河流域土地資源合理利用和可持續發展提供決策支持。

1 研究區概況

西遼河平原地處中國北方農牧交錯帶的東段三北交界區，位于北緯41°05′～45°13′和東經116°32′～124°30′之間，大部分在通遼境內，局部位于赤峰境內，小部分屬于遼寧省和吉林省，總面積為52 563 km2。地形總體趨勢為自西、西南、西北方向向東、東南、東北方向緩傾斜，主要地貌單元為沖積平原。西遼河平原屬于干旱和半干旱大陸性氣候區，大部分地區多年平均氣溫5～6 ℃，多年平均降雨量在380 mm，主要集中在6-8月份。多年平均蒸發量在1 800～2 100 mm(蒸發皿為20 cm口徑)，以4-6月份蒸發量最大。西遼河平原土壤主要是鈣栗土，質地為黏土、壤土和沙土。河流多為過境河流，主要河流有西遼河及支流老哈河、西拉木倫河、新開河、烏力吉木仁河和教來河。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究以地形圖和Landsat衛星遙感影像為基礎數據。運用1995年、2005年、2014年3期7景時相均為7-9月，云量低于10%，影像質量較好的TM/ETM+遙感影像，結合通遼市1∶50 000地形圖以及實地調研資料對西遼河平原區土地利用變化時空演變特征進行分析。

2.2 數據處理

2.2.1圖像預處理

本研究對研究區3期7景遙感影像在ENVI遙感處理軟件的支持下，進行了幾何校正、輻射定標、大氣校正、影像裁剪及圖像增強等處理[6]，首先在三期遙感影像范圍內均勻選取15個地物特征位置，如主要的交通道路交叉口、規則建筑物的棱角及特殊點位等作為地面控制點(GCP)進行幾何糾正，對控制點平差后的影像幾何均方差(RMS)控制在一個像元內。對裁剪后的流域影像圖使用基于概率統計的濾波法(Occurrence measures)進行圖像增強處理，以突出影像中的線狀地物及局部細部特征等紋理特征，使得圖像中的色調在空間上的變化明顯化，從而提高影像解譯的精度。

2.2.2監督分類

土地利用分類參考中國科學院資源環境科學數據中心的土地資源分類系統，結合西遼河平原的自然條件，將研究區劃分為耕地、草地、林地、水域、建設用地和未利用地6大類型。

土地利用類型的解譯采用ENVI軟件人機交互的人工目視解譯法對各時期的圖像進行解譯，選擇最大似然法進行監督分類。該方法是根據已知訓練區提供的典型樣本，通過選擇特征參數，求出特征參數作為決策規則，建立判別函數以對各個待分類影像進行的圖像分類。分類精度能夠滿足研究要求，同時該分類器分類效果好，且適用性強。

2.2.3分類后處理

分類后處理主要包括：主/次要分析(Majority/Minority Analysis)、聚類分析(clump)、過濾處理(Sieve)等。本研究主要進行了聚類分析以及過濾處理。通過上述處理，通過濾波功能消除被隔離的分類像元，并將臨近的類似分類區域結合在一起，最終獲得研究區土地利用分類結果。通過ArcGIS數據處理平臺制作土地利用分類圖，并通過計算統計出不同時期各土地利用類型的面積、動態度和轉移矩陣。

2.3 研究方法

2.3.1土地利用動態度

土地利用動態度是指某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[7,8]。包括單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度。本研究選用單一土地動態度，其表達式為：

(1)

式中：K表示研究時段內某一種土地類型單一動態度；Ua，Ub分別表示研究期初與研究期末某一種土地類型的數量；T表示研究時段長，當T的單位為年時，K即為研究區內某一種土地利用類型的年變化率。

2.3.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可以顯示從某一年到另外一年間某一土地利用類型的動態變化[9,10]。它反映的是在特定的時間間隔下，某一類型由T1時刻向T2時刻轉化的過程，即某一類型土地有多少發生了轉變，又有多少保持不變。其模型表達如表1。

表1 土地利用轉移矩陣Tab.1 Land use transfer matrix

表1中，行表示T1時點土地利用類型，列表示T2時點土地利用類型。Pij表示T1-T2期間土地類型i轉換為土地類型j的面積占土地總面積的百分比；Pii表示T1-T2期間i種土地利用類型保持不變的面積百分比。Pi+表示T1時點地類i的總面積百分比。P+j表示T2時點j種土地利用類型的總面積百分比。Pi+-Pii為T1-T2期間地類i面積減少的百分比；P+j-Pjj為T1-T2期間地類j面積增加的百分比。

3 結果分析

3.1 土地利用/覆被變化幅度

土地利用/覆被變化主要是指土地面積的變化，即通過各類型土地面積總量的變化來反映土地利用結構的變化形式。通過ENVI對研究區3期TM/ETM+遙感影像進行分類解譯后，得到如圖1所示結果。

通過分類后處理后，對分類結果進行評價，主要采用總體分類精度與Kappa系數來表示。評價結果如下：

其中：1995年總體分類精度=88.895 3%，Kappa系數=0.884 5；2005年總體分類精度=87.792 4%，Kappa系數=0.870 3；2014年總體分類精度=87.890 7%，Kappa系數=0.872 3。

分類統計結果表明：3期影像的分類結果均較好。各類型土地利用的面積統計結果如表2所示。

從表2可以看出，研究區1995年到2014年的土地利用發生了如下變化：

建設用地和耕地面積都發生了大幅增長。其中，建設用地面積19 a間從308.379 km2增加到701.904 km2，增長了一倍；耕地面積由1 4709.064 km2增加到22 389.084 km2，增長了52.2%。隨著經濟的發展，2005-2014年的土地利用面積變化幅度要比1995-2005年的增長幅度大。

圖1 西遼河平原土地利用分類圖Fig.1 Land use classification map of West Liao River Plain

表2 各類型土地利用面積統計表 km2Tab.2 Statistical table of all types of land use

水域、未利用土地、草地的面積都有不同程度的縮減。其中，水域面積由644.290 km2縮減到176.982 km2,縮減了72.53%，這是由于在通遼境內的西遼河近些年出現了嚴重的斷流現象所導致的；草地面積也由原來的26 208.472 km2減少到21 096.652 km2，這是由于近年來畜牧業發展較為迅速，因此草地的退化程度在逐漸惡化。

3.2 土地利用/覆被變化動態度

由上述單一土地利用動態度計算公式計算得到近19年西遼河平原區土地利用的動態度K的值，結果如表3所示。

表3 西遼河平原區土地利用面積變化Tab.3 Changes of land use area in West Liao River Plain

由表3可知，綜合19年的土地利用變化動態度可以發現，西遼河平原區的土地動態變化主要以建設用地的大幅增加以及水域與林地的縮減為主，其動態度分別達到了6.716%、-3.817%和-3.829%。其中：1995-2005年的10 a間，水域面積以-6.106%的年變化率大幅減少，未利用土地與林地也有一定程度的縮減；2005-2014年的9 a間，以建設用地的大幅增加為主，年變化率達到了13.235%，耕地面積也在以3.058%的年變化率增長，但水域與林地面積依然在逐漸縮減。

3.3 土地轉移矩陣

除了通過統計地類面積、計算動態度來反映土地利用在數量上的變化以外，還可以根據土地利用轉移矩陣來定量描述始末狀態土地利用的轉移情況。根據西遼河平原區3期遙感影像的分類結果統計出1995-2005年和2005-2014年兩個時段的土地利用轉移矩陣，分別如表4、表5所示。

表4 1995-2005年土地利用轉移矩陣 %Tab.4 Land use transfer matrix from 1995 to 2005

表5 2005-2014年土地利用轉移矩陣 %Tab.5 Land use transfer matrix from 2005 to 2014

由轉移矩陣可以得出：兩個時段內各土地利用類型均有轉入與轉出。

1995-2005年間：除了耕地與草地的轉化比例較低外，其他類型土地的轉移比例均超過50%。其中：有40.442%的未利用土地轉化為草地，49.491%的林地轉化為耕地，草地與耕地面積的增加與人口的增長以及畜牧業的發展具有很大的關系。此外，有20.864%的水域面積轉化為未利用土地，這是由于1999年開始西遼河因干旱出現連續6年的斷流現象造成的。

2005-2014年間：建設用地與耕地的轉化比例較小，其他類型土地的轉移比例仍然高于40%。其中：草地面積的27.999%與林地面積的38.920%均轉化為耕地，這是由于社會經濟的發展迅速，城鎮化進程加快，導致人口持續增長，造成糧食需求量增大；同時由于干旱斷流造成部分河灘地也被開墾成耕地，因此耕地面積增長迅速。此外，由于西遼河平原降水量較少，干旱影響林草地的生長，同時畜牧業發展迅速，這兩方面原因就導致11.351%的草地與21.536%的林地轉化為未利用地。

3.4 驅動力分析

土地利用/覆被變化受自然與人文因素的影響，其中自然因素在較短的十幾年間的變化較社會經濟因素變化緩慢，影響也相對較小，因此社會經濟因素占據主導地位。

(1)自然因素方面，西遼河平原區主要受氣溫與降水的影響。西遼河平原區降水量較少，且夏季氣溫較高，蒸發量大，干旱導致西遼河常年斷流，致使水域面積在不斷縮減，林、草地有一定程度的退化，而未利用土地有一定程度的增加。

(2)社會經濟方面，主要是人類活動與經濟發展兩方面的影響。人口是影響土地利用/覆被變化的主要驅動力之一。其中人口增長最主要的影響即為建設用地與耕地面積的增加。因為人類通過改變土地利用的類型與結構來滿足對生存環境的需求，因此直接影響了土地利用/覆被的變化。除此之外，社會經濟因素也影響著土地利用/覆被的變化。社會經濟的發展，導致城鎮化進程加快，同時西遼河平原區GDP的增長主要依靠第一產業，其中農業與畜牧業占據很大比重，農業的發展就要求耕地面積需要不斷增長，而畜牧業的發展則導致草地面積逐步縮減。

4 結 語

本研究綜合運用RS與GIS技術，通過對西遼河平原區1995年、2005年和2014年3期遙感影像分類解譯，分析結果得出土地利用/覆被變化的特征如下：水域、林地與未利用土地發生了大面積的流出，這反映出西遼河流域生態的脆弱性；草地的面積波動較小，主要受到自然條件與畜牧業的影響；建設用地與耕地面積在大幅增加，這反映了西遼河平原區人口增長與社會經濟發展迅速，因此，社會經濟因素對該地區的土地利用影響較為強烈。

土地利用/覆被變化的驅動因子較多。其中：經濟發展、人口增長與國家宏觀政策的調控是西遼河平原區建設用地與耕地面積變化的主要影響因素；而氣候的變化與畜牧業的發展則共同驅動著草地面積的變化。因此自然因素與社會經濟因素是影響西遼河平原區土地利用/覆被變化較大的兩種驅動力。

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