基于GIS的土地利用變化及地形梯度分析

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(許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000)

土地利用是人類有目的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，是多種因素互相影響的結(jié)果，能夠集中體現(xiàn)出來人地關(guān)系的屬性、特性和作用機(jī)制[1].自二十世紀(jì)以來，土地利用/覆蓋變化已經(jīng)成為全球環(huán)境變化研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，而且也是遙感信息科學(xué)、地理學(xué)等多個(gè)學(xué)科的研究熱點(diǎn)[2].目前,國內(nèi)土地利用研究已經(jīng)從比較常用的土地資源調(diào)查、評價(jià)、開發(fā)，逐步轉(zhuǎn)向利用遙感與GIS技術(shù)對典型區(qū)域土地利用變化、特點(diǎn)、過程等方面的研究.在土地利用變化研究中，地形因子是一個(gè)非常重要的因素[3]，它對地表能量的轉(zhuǎn)換以及物質(zhì)的轉(zhuǎn)移有極大的影響，在某種程度上決定著土地利用方向與方式的變化[4].遙感影像技術(shù)的發(fā)展為土地利用變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供了技術(shù)支持，進(jìn)一步的促進(jìn)了土地利用變化更深層次的研究[5].

土地利用變化的原因不僅受自然因素的影響，也深受人類活動(dòng)的影響[6].本研究從地形梯度的角度出發(fā)，探討土地利用過程中高程、坡度兩種地形因子與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的關(guān)系，為土地資源可持續(xù)利用以及人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)概況

宜陽縣位于洛陽市西部，北緯34°16′～34°42′，東經(jīng)111°45′～112°26′，距離省會(huì)鄭州188 km，與洛陽市相距25 km.全縣東西長約57.5 km，南北寬約50 km，西部高東部低，最高海拔為1 768 m,最低海拔為107 m，高差為1 661 m，南部為山地，北部為丘陵區(qū).宜陽縣水資源儲(chǔ)量較多，但是年際變化大，主要分布在南部的丘陵地區(qū)以及中部的河谷地區(qū).

2 研究方法

以宜陽縣不同時(shí)期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取出土地利用類型數(shù)據(jù)，比較不同時(shí)期土地利用變化.與宜陽縣的DEM數(shù)據(jù)疊加，從高程、坡度兩個(gè)方面分析土地利用變化，揭示土地利用類型的分布規(guī)律.

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)研究區(qū)的狀況，考慮時(shí)間、天氣等諸多方面的因素，選用美國發(fā)射的陸地資源衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)，分別是1995年6月26日Landsat5 TM影像數(shù)據(jù)，2002年6月13日Landsat5 TM影像數(shù)據(jù)，以及2014年5月29日Landsat8 OLI 影像數(shù)據(jù).

2.2 研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)的獲取與處理

在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載宜陽縣DEM數(shù)據(jù)，把研究區(qū)的DEM高程分為五級：107～200 m、200～500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m和1 500～1 768 m.根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取坡度，把坡度分為五級：0～5°、5～10°、10～20°、20～25°、25～90°,如圖1.

圖1 宜陽縣DEM高程

2.3 土地類型分類

利用ENVI軟件的投影轉(zhuǎn)換功能，將1995和2002年的TM遙感影像以及2014年的OLI遙感影像的投影坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為通用橫軸墨卡托投影，基準(zhǔn)面為WGS84坐標(biāo)系.利用Arcgis軟件，制作出研究區(qū)的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)shape格式的文件，研究區(qū)域的坐標(biāo)系與遙感影像的坐標(biāo)系保持一致，利用ENVI軟件的剪裁功能加載研究區(qū)的shape文件分別裁剪三個(gè)時(shí)期的遙感影像合成圖，裁剪出研究區(qū)三個(gè)時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù).

利用監(jiān)督分類法對遙感影像進(jìn)行處理，然后進(jìn)行分類精度評價(jià)，解譯的結(jié)果與實(shí)地的類型符合度較高，滿足研究的要求.經(jīng)過整個(gè)流程之后提取出三個(gè)時(shí)期的土地利用類型，圖2、圖3、圖4為研究區(qū)三個(gè)時(shí)期的土地利用類型圖.

圖2 1995年宜陽縣土地利用類型圖 圖3 2002年宜陽縣土地利用類型圖 圖4 2014年宜陽縣土利用類型圖地

3 宜陽縣土地利用變化分析

3.1 各時(shí)期土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

利用Arcgis軟件，提取宜陽縣1995、2002、2014年三個(gè)時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀圖的面積，得到三個(gè)時(shí)期的土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)表，如表1所示：

表1 宜陽縣1995，2002，2014年土地利用類型面積/(hm2)

由表1可知，1995至2014年，宜陽縣耕地面積在不斷減少，共減少了12 147.84 hm2；建設(shè)用地面積在不斷增加,共增加了3 609.09 hm2，林地與草地面積有所增加，林地增加了4 692.6 hm2，草地增加了4 450.32 hm2.1995至2002年水體面積增加，而2002至2014年水體面積減少，總體上減少了332.91 hm2.1995至2002年未利用土地面積減少，而2002至2014年未利用土地面積有所增加，總體上未利用土地面積減少了271.26 hm2.

3.2 各時(shí)期土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣

將1995、2002和2014年的土地類型現(xiàn)狀圖分別疊加在一起，利用Arcgis軟件，分別求出1995至2002年和2002至2014年的轉(zhuǎn)移矩陣，分析各土地利用類型的變化,見表2和表3.

表2 1995和2002年各土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣/(hm2)

由表2可知，1995至2002年間草地主要向林地和耕地轉(zhuǎn)移，草地向林地轉(zhuǎn)移了14.3%，草地向耕地轉(zhuǎn)移了13.6%；耕地主要向草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，耕地向草地轉(zhuǎn)移了6.7%，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了3.1%；而其它類型的轉(zhuǎn)移變化不大.

表3 2002和2014年各土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣/(hm2)

由表3可知，2002至2014年間草地主要向耕地、林地轉(zhuǎn)移，草地向耕地轉(zhuǎn)移了17.8%，草地向林地轉(zhuǎn)移了13.9%；耕地主要向草地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，耕地向草地轉(zhuǎn)移了13.0%，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了5.4%；而其它類型的轉(zhuǎn)移變化不明顯.

3.3 不同高程土地利用類型面積的分布

利用Arcgis軟件，將宜陽縣2014年的土地利用現(xiàn)狀圖與宜陽縣的分級后的DEM高程圖進(jìn)行疊加，提取土地利用類型在不同高程段的面積，見表4.

表4 不同時(shí)期不同土地利用類型在各高程段的變化/(hm2)

由表4可知，水體主要分布在200 m至500 m之間,耕地主要分布在200 m至1 000 m之間，海拔在1 000 m以上沒有耕地分布.林地主要分布在海拔200 m至1 500 m之間.草地主要分布在海拔200 m至1 000 m之間.建設(shè)用地主要分布在海拔500 m以下，海拔1 000 m以上幾乎沒有建設(shè)用地分布.未利用土地主要分布在海拔200 m至500 m之間.

3.4 不同坡度上土地利用類型面積的分布

利用Arcgis軟件，將宜陽縣2014年的土地利用現(xiàn)狀圖與宜陽縣的分級后的坡度圖進(jìn)行疊加，提取土地利用類型在不同坡度段的面積，如表5所示：

表5 不同時(shí)期土地利用類型在各坡度段分布/(hm2)

由表5可知，水體、建設(shè)用地、未利用土地與耕地主要分布在5°以下，它們面積隨著坡度的升高而減少.草地主要分布在5-10°之間，在10°以下時(shí)，隨著坡度的升高，草地面積逐漸升高，當(dāng)坡度大于10°時(shí)，隨著坡度的升高，草地面積在逐漸減少.林地主要分布在10-15°之間，其變化與草地相似.