基于地形梯度的三峽庫區萬州區土地利用時空變化分析

幸瑞燊, 周啟剛,2,, 李 輝， 陳 倩， 陳 丹

(1.重慶工商大學 環境與資源學院, 重慶 400067; 2.重慶工商大學 旅游與國土資源學院, 重慶 400067;3.重慶工商大學 融智學院, 重慶 400067;4.重慶房地產職業學院，重慶 401331)

土地是人類生存最重要的資源之一[1]。自20世紀90年代起，土地利用/土地覆被(LUCC)變化逐步開始成為人們進行土地與環境研究的核心領域[2]。自改革開放以來，隨著我國經濟的高速發展，人口、資源和環境之間的問題日益突出，對于土地利用的研究變得越來越受重視。因為根據土地利用的研究，人們可以定性和定量評價人類活動對全球環境變化的影響,從而為資源環境的可持續開發利用提供依據[3]。

土地利用方式的布局和人類活動的難易程度都直接或間接受地形因子的影響[4]。且在三峽庫區的水土保持措施及土地利用方式布局都與地形密切相關[5]。與此同時，植被的生長和分布情況都與地形因子有著密切的關系[6]。不同土地利用類型在不同地形梯度下的分布情況也有著較大的差異；土地利用的轉換類型與轉移面積在不同地形梯度內也有著明顯的差異[7]。由此可見，對土地利用變化和地形梯度關系進行分析，可以較為準確地揭示土地利用在地形因子作用下的變化規律[8]。

本文利用RS和GIS技術，提取萬州區2000—2007年和2007—2014年的土地利用變化數據以及萬州區的高程、坡度和地形位指數數據，對萬州區土地利用在地形梯度下的變化進行研究，為萬州區、三峽庫區乃至與三峽庫區相似地區的土地可持續開發利用以及土地利用規劃提供更科學、合理的參考依據。

1 研究區概況

萬州區地處四川盆地東緣，重慶市東北邊緣，瀕臨長江三峽，扼川江咽喉，位于東經107°55′22″—108°53′25″，北緯30°24′25″—31°14′58″，東與云陽，南與石柱和湖北利川，西與忠縣和梁平，北與開江和開縣接壤，直線距離重慶228 km，全區幅員面積3 457 km2。萬州區作為重慶市主城區之外，發展最快、最好的區縣，其具有一定的典型性。其典型性在于萬州區不僅是因為萬州區是重慶市最重要的城市之一，其經濟發展十分迅速，而且其境內河流、溪澗切割深，落差大，呈枝狀分布，均屬長江水系，為三峽庫區典型示范區。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據源

本文采用萬州區2000年、2007年、2014年3期Landsat TM遙感影像數據作為萬州區影像數據源，軌道號為126038，126039，127039。所有影像數據采用Albers投影，中央經線為東經110°，雙標準緯線分別為北緯25°和47°。Landsat TM 影像數據1，2，3，4，5，7波段的空間分辨率均為30 m，6波段分辨率為120 m。并在此基礎上收集30 m分辨率的DEM數據。

2.2 數據處理

首先對遙感影像數據進行輻射校正、幾何校正和鑲嵌處理的預處理。而后使用ERDAS 9.1軟件對萬州區2000年、2007年和2014年的Landsat TM遙感影像進行4，3，2波段組合，然后使用計算機并結合人機交互的解譯方法獲取研究區2000年、2007年、2014年3期Landsat TM 遙感影像的土地利用數據，并對遙感影像土地進行精度驗證，確定正確率在95%以上。通過DEM數據獲得高程數據，并使用ARCMAP的空間分析計算獲取坡度數據，使用高程數據和坡度數據進行疊加計算而獲取地形位指數數據(圖1)。

圖1 萬州區高程、坡度、地形位指數

根據間隔數據相等的原則以及GIS的Equal Interval等方法，在此對萬州區高程、坡度和地形位數據進行分級。將萬州區的高程根據間隔數據相等的原則劃分為106～427 m，427～748 m，748～1 070 m，1 070～1 391 m，1 391～1 712 m共5個級別，并依次以1，2，3，4，5表示；坡度根據全國第二次全國土地調查標準劃分為0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°和25°以上5個級別，并依次以1，2，3，4，5表示；地形位指數通過使用GIS的Equal Interval的方法將其劃分為0.07～0.29，0.29～0.50，0.50～0.71，0.71～0.93，0.93～1.14這5個級別，并依次以1，2，3，4，5表示。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用圖譜變化模式 在對土地利用變化模式圖譜相關研究進行查閱并結合萬州區的實際情況，將萬州區土地利用變化模式圖譜劃分為5種圖譜變化模式：(1) 穩定型，表示2000—2007年和2007—2014年兩個階段土地利用變化類型未發生變化，如111耕地→耕地→耕地，222林地→林地→林地；(2) 前期變化型，表示2000—2007年土地利用變化類型發生變化而2007—2014年未發生變化的，如122耕地→林地→林地，155耕地→建設用地→建設用地；(3) 后期變化型，表示土地利用變化類型在2000—2007年未發生變化而2007—2014年發生變化，如112耕地→耕地→林地，113耕地→耕地→草地；(4) 反復變化型，表示土地利用變化類型在2000—2007年發生變化而2007—2014年又變化為原來的類型，如161耕地→未利用地→耕地，232林地→草地→林地；(5) 連續變化型，土地利用變化類型在2000—2007年和2007—2014年發生不同的變化，如435水域→草地→建設用地。具體合成操作公式為[9]：

Y=G1×10n-1+G2×10n-2+…+Gn×10n-n

(1)

式中：Y為土地利用代碼計算合成的n位數字；n為土地利用期數；Gn為第n期土地利用單元。

2.3.2 地形位指數 因為單一地形因子對地形特征的表征不是特別全面，所以本研究以地形位指數對地形特征進行描述，其計算公式如下[10]：

(2)

2.3.3 地形分布指數 分布指數是為了消除地形梯度位分段和土地利用面積差異的影響而引入以描述不同土地利用類型在地形梯度上的分布狀況，其計算公式如下[12]：

(3)

式中：P為分布指數；Sie為e類地形位下第i種土地利用類型的面積(hm2)；Si為第i種地類的總面積；Se為e類地形位的總面積；S為研究區域的總面積。P值越大表示i種圖譜在e類地形上的適宜程度和分布度程度較高[13]。

3 結果與分析

3.1 研究區土地利用數量變化分析

由表1可知，萬州區在2000—2014年土地利用類型有著較大的差異。縱觀萬州區2000年、2007年和2014年3個時期，耕地與林地為其主要的土地利用類型，在2000年、2007年和2014年兩者所占土地面積分別達到了萬州區總土地面積的93.85%，93.15%，92.44%，由此可見，兩者的平衡情況影響著整個萬州區的平衡情況。從總體上來看，在2000—2014年，萬州區土地利用類型耕地、林地、草地以及未利用地的面積呈現減少的趨勢，其中耕地面積減少最大，減少面積3 621.26 hm2，減幅為1.07%；其次為林地面積減少較大，面積減少1 131.97 hm2，占整個研究區總面積的0.33%；草地面積減少量較小量僅有124.45 hm2，減少幅度僅為0.04%；未利用地由于本來基數較小，面積僅減少27.16 hm2。除此之外，在2000—2014年水域和建設用地面積呈現增加的趨勢，其中建設用地面積增長較快，增加了面積2 735.5 hm2，所占土地總面積比例從2000年的1.67%增加至2014年的2.48%，其增長幅度為0.81%；水域的增長面積對于建設用地而言相對較小，增加面積2 169.26 hm2，面積占比增加了0.64%。

分階段來看，耕地、林地、草地和未利用地在兩個時段都呈現減少的狀態，而建設用地和水域正好相反，其在兩個時段都呈現增加的狀態。在2000—2007年期間，耕地、林地、草地和未利用地面積分別減少了1 839.83，514.52，79.27，25.09 hm2，其減少面積占整個研究區總面積的比例分別為0.54%，0.15%，0.02%，0.01%；建設用地和水域面積分別增加了1 783.44，675.28 hm2，其增加面積占整個研究區總面積的比例分別為0.53%，0.20%。在2007—2014年期間，耕地、林地、草地和未利用地面積分別減少了1 781.43，617.44，45.18，2.07 hm2，耕地、林地和草地減少面積占整個研究區總面積比例分別為0.53%，0.18%，0.01%，未利用地基數過小，因此忽略不計；建設用地和水域增加面積分別為952.14，1 493.98 hm2，所占面積比分別為0.28%，0.44%。通過對兩個時段進行對比，在2007—2014年期間耕地、林地、草地和未利用地的變化量較2000—2007年期間變化不大，而建設用地和水域在兩個時期有著較大的變化。其主要原因在于1997年重慶市直轄以來，萬州區得到了較大的發展，導致建設用地的不斷增加，進而使耕地、林地、草地和未利用地面積減少。同時由于三峽庫區蓄水的原因導致耕地、林地、草地和未利用地被淹沒，因而耕地、林地、草地和未利用地面積減少。由于三峽庫區蓄水的原因，淹沒了一部分建設用地，因而在2007—2014年期間建設用地的變化量遠小于2000—2007年期間的增加量。

表1 2000-2014年萬州區土地利用變化

3.2 研究區土地利用變化在地形梯度上的分布情況分析

使用萬州區2000—2014年的土地利用變化數據與萬州區DEM高程、坡度和地形位指數數據通過ARCMAP形成鏈接數據，并根據分布指數數據計算出不同地類在高程梯度、坡度梯度和地形位梯度的分布指數。

如圖2所示，研究區不同高程級別區的分布指數有著明顯的差異。在2000年，第1級高程梯度范圍之中，耕地、水域、建設用地和未利用地分布指數均大于1，處于優勢地位，說明在該區域內，人類活動對土地利用方式影響非常大，土地利用強度大；第2級高程梯度范圍之內，耕地分布指數大于1，林地、草地、水域、和建設用地分布指數均小于1，因此萬州區在該高程梯度內耕地占據優勢地位，可以看出在該高程范圍內人類活動對土地利用方式的影響同樣較大，土地利用強度較大；在第3級和第4級高程梯度范圍之中，林地和草地分布指數大于1，而耕地、水域和建設用地的分布指數均小于1，所以在第3級和第4級高程梯度內林地和草地占據優勢地位，由此可見，在這兩個高程區域內，人類活動對土地利用方式的影響較低，土地利用強度較小；在第5級高程梯度中，僅有林地分布指數大于1，其余地類分布指數均小于1，因此在該高程梯度內林地占據絕對的優勢，在該高程區域內，人類活動對土地利用方式的影響微弱，土地利用強度小，生態環境保護非常好。對于2007年以及2014年不同土地利用類型在不同高程梯度上的分布情況與2000年大致相同，由此可見，耕地主要分布于106～427 m以及427～748 m高程范圍內，林地主要分布于748～1 070 m，1 070～1 391 m，1 391～1 712 m高程范圍之內；草地主要分布于748～1 070 m，1 070～1 391 m高程范圍之內，其最具優勢的高程為748～1 070 m；水域和建設用地主要分布于106～427 m高程范圍之內，在106～427 m高程范圍類，水域和建設用地均最具優勢。然而對于在第1級高程梯度內在2007年以及2014年，耕地的優勢有所下降，這是由于這兩年內水域以及建設用地面積的增加，從而導致水域和建設用地在該高程內的優勢越來越大，因而使耕地的優勢變小。未利用地無論在空間，還是時間上波動較大，并無明顯規律,這是由于人類對林地的濫砍濫伐，而后三峽庫區蓄水、退耕還林、復墾以及扶貧等一系列政策所造成的結果。隨著高程的不斷增高，人類活動對土地利用方式的影響越來越微弱，生態環境的保護越來越好。

由此可知，萬州區不同土地利用類型在高程梯度上具有規律性。其中因為人類活動所引起土地利用方式主要分布于低高程區域，且由人類活動所引起的土地利用方式不斷由中高程區域向低高程區域發展，造成該現象的原因在于三峽庫區的蓄水淹沒了部分低高程區域，以及扶貧等相關政策導致的城鄉建設。萬州區106～427 m高程范圍內為整個萬州區土地利用競爭最大的區域，是三峽庫區的主要區域，同時也是人地矛盾最為突出的區域。

從圖3可以看出，萬州區土地利用類型在不同坡度梯度的分布情況與其在不同坡度梯度的分布情況有著一定的差異。萬州區各土地利用類型在坡度梯度內的分布情況有著較大的差異。在2000—2014年內，萬州區耕地在第2級、第3級、第4級坡度梯度內分布指數大于1，處于優勢地位；林地在第4級和第5級坡度梯度中分布指數大于1，處于優勢地位；草地在第2級、第4級和第5級坡度梯度中分布指數大于1，處于優勢地位；水域在第1級和第2級坡度梯度內分布指數局大于1，處于優勢地位；建設用地在第1級、第2級和第3級坡度梯度中分布指數均大于1，處于優勢地位；未利用地波動較大，無明顯規律，這是由于人類對林地的濫砍濫伐，而后三峽庫區蓄水、退耕還林、復墾以及扶貧等一系列政策所造成的結果。在2014年，因三峽庫區蓄水，導致水域面積增加，但是在2014年，水域在第1級坡度梯度范圍內優勢降低，這是由于在2000—2014年范圍萬州區在第1級坡度梯度范圍內因城鄉建設增加的建設用地面積大于在相同范圍內因三峽庫區蓄水而增加的水域面積。

圖2 萬州區不同高程梯度下土地利用分布指數

圖3 萬州區不同坡度梯度下土地利用分布指數

根據坡度梯度來看，在第1級坡度梯度，水域和建設用地處于優勢地位，人類活動對該區域范圍內土地利用類型影響較大，水域的優勢地位明顯大于建設用地的優勢地位，這是由于在第1級坡度梯度范圍以長江為主；在第2級坡度梯度內，耕地、草地、水域和建設用地處于優勢地位，且水域和建設用地的優勢地位最大，在該坡度梯度內人類活動對土地利用類型的影響最大；在第3級坡度梯度內，耕地和建設用地處于優勢地位，之所以在該坡度梯度內耕地和建設用地處于優勢地位，是因為萬州區屬于山地城市坡度本身較大，平地較小，因三峽庫區蓄水而導致大部分平地區域被淹沒，就人類的糧食以及人類的發展等問題，需要開發坡度較大的區域用于耕種與進行城鄉建設；在第4級坡度梯度中，耕地、林地和草地處于優勢地位，其中耕地的優勢地位最大，由此可見在該坡度梯度內，人類活動對土地利用類型同樣有著一定的影響；在第5級坡度梯度中，林地和草地處于優勢地位；未利用地無論在空間，還是時間上波動較大，并無明顯規律,這是由于人類對林地的濫砍濫伐，而后三峽庫區蓄水、退耕還林、復墾以及扶貧等一系列政策所造成的結果。由此可見，在該區域中，人類活動對土地利用類型的影響較小，自然環境保護得較為完善。

綜上所述，人類活動對土地利用類型的影響在0°～2°，2°～6°最為集中，而對于因人類活動影響較小的土地利用類型主要集中于25°以上，在0°～2°主要以長江和三峽庫區淹沒區為主，城市擴展的中心現在主要在坡度在2°～6°，6°～15°之內，在這兩個區域內是當前萬州區人地矛盾最為突出的區域，各土地利用類型的分布情況比較均勻，該區域為萬州區土地利用最主要的區域。

由圖4可知，在整個研究時段內，各種不同土地利用類型在地形位指數的分布有著明顯差異。耕地在第2級和第3級地形梯度的分布指數大于1，第2級和第3級的地形梯度區域為耕地的優勢地形梯度區域；在第3級，第4級和第5級地形梯度內，林地的分布指數均大于1，林地的優勢地形梯度區域為第3級，第4級和第5級地形梯度區域；草地在第3級和第4級地形梯度的分布指數大于1，第3級和第4級地形梯度區域是草地的優勢地形梯度區域；水域在第1級地形梯度的分布指數大于1，水域的優勢地形梯度區域為第1級地形梯度區域；建設用地在第1級和第2級地形梯度的分布指數均大于1，其優勢地形梯度區域為第1級和第2級地形梯度區域；未利用地波動過大，無明顯規律,這是人類對林地的濫砍濫伐，而后三峽庫區蓄水、退耕還林、復墾以及扶貧等一系列政策所造成的結果。在第1級地形梯度區域內，水域和建設用地進行競爭；在第2級地形梯度區域內，耕地與建設用地進行競爭；在第3級地形梯度區域內，耕地、林地和草地進行競爭；在第4地形梯度區域內，林地和草地進行競爭；在第5級地形梯度區域內，林地占據絕對的優勢。由此可知，萬州區土地利用類型在第1級和第2級地形梯度區域內受人類活動影響最大，第3級地形梯度區域內土地利用類型受人類活動活動的影響較大，第4級和第5級地形梯度區域內土地利用類型受人類活動影響較小，自然生態環境保護比較完整。

圖4 萬州區不同地形位梯度下土地利用分布指數

綜上分析，可以發現在萬州區水域和建設用地的分布受地形因子的影響非常強，耕地的分布受地形因子的影響僅次于水域和建設用地，草地次之，林地的分布受地形因子的影響非常薄弱，基本不會因地形的變化而受到限制。由此可見，對土地利用變化的地形梯度分析，可以為萬州區、三峽庫區乃至其余與三峽庫區相似的地區提供科學、合理的土地利用管理及布局的參考依據。

3.3 萬州區土地利用圖譜變化分析

依據各個時序單元的土地利用轉移矩陣數據，剔除各個土地利用類型中未發生變化的圖譜單元，并通過不同年份的土地利用數據建立土地利用變化圖譜對萬州區土地利用變化主要類型圖譜特征進行分析。

由表2可知，2000—2014年期間，萬州區土地利用變化模式主要分為5種模式，即穩定性、前期變化型、后期變化型、反復變化型和連續變化型。其中全區土地利用變化模式以穩定型為主，轉移面積332 670.71 hm2；前期變化型次之，轉移面積2 629.44 hm2；然后為后期變化型，轉移面積2 600.57 hm2；反復變化型和連續變化型轉移面積分別為21.39，3.07 hm2。

表2 2000-2014年萬州區土地利用圖譜

穩定型的主要轉移類型為“耕地→耕地→耕地”和“林地→林地→林地”，其轉移面積分別為146 378.54，165 799.82 hm2；前期變化型的主要轉移類型為“耕地→水域→水域”和“耕地→建設用地→建設用地”，其轉移面積分別為417.56，1 449.52 hm2；后期變化型的主要轉移類型為“耕地→耕地→水域”和“耕地→耕地→建設用地”，其轉移面積分別為1 032.03，764.03 hm2；反復變化型的主要轉移類型為“林地→草地→林地”，其轉移面積分別為13.02 hm2；連續變化型的主要轉移類型為“水域→草地→建設用地”，其轉移面積分別為13.02 hm2。

綜上所述，穩定型未發生變化，反復變化型是“林地→草地→林地”，造成其原因為林地被砍伐后又被還于林地，前期變化型和后期變化主要為耕地向水域和建設用地的轉移，這是由于三峽庫區蓄水淹沒大量耕地導致耕地向水域轉移，而萬州區城鄉建設導致耕地向建設用地轉移。反映了人類發展過程中城鄉建設對耕地的持續侵占，以及人類活動修建的重大工程導致的對耕地的侵占。

3.4 萬州區土地利用變化圖譜的地形位梯度分析

使用萬州區2000—2014年的土地利用圖譜變化模式數據與地形位指數數據進行疊加計算，并根據分布指數數據計算出不同地類在高程梯度、坡度梯度和地形位梯度的分布指數。

從圖5可以看出，不同變化類型的圖譜在不同地形梯度內差異明顯。穩定型在不同地形梯度區域內分布較為均勻，其分布指數均接近于1，而隨著地形梯度的增加，其分布指數有著小幅度的增加，因而穩定型圖譜變化的分布優勢隨地形梯度增加而呈增加的趨勢；前期變化型在第1級和第2級地形梯度區域大于1，處于優勢地位，并隨著地形梯度的增加而呈現減少的趨勢；后期變化型與前期變化型相似，在第1級和第2級地形梯度區域大于1，處于優勢地位，并隨著地形梯度的增加而呈現減少的趨勢；連續變化型僅在第1級和第2級地形梯度范圍內發生變化，在其余地形梯度范圍內未發生該變化，其在第1級和第2級地形梯度范圍內的分布指數均大于1，處于分布優勢地位；反復變化型在第3級地形梯度區域內的分布指數大于1，處于優勢地位，在其余地形梯度區域內的分布指數均小于1；連續變化型在第1級和第2級地形梯度區域大于1，處于優勢地位在其余地形梯度區域內的分布指數均小于1。在第1級地形內，以連續變化型、后期變化型和前期變化型為主，在第2級地形梯度同樣以連續變化型、后期變化型和前期變化型為主，在第3級地形梯度以反復變化型和穩定型為主，而在第4級和第5級地形梯度以穩定型為主。

在對萬州區各圖譜變化類型的地形梯度分布指數進行分析的同時，對萬州區各圖譜變化類型主要變化地類的地形位梯度分布指數進行分析，在人類活動的地形因素影響下對土地利用的影響程度的研究有較大的幫助(圖6)。

圖5 萬州區各圖譜變化類型的地形位梯度分布指數

在穩定型下，耕地→耕地→耕地主要分布于第1級、第2級和第3級地形梯度區域，由此可見，耕地在較低地形梯度上具有優勢地位；林地→林地→林地主要分布于第3級、第4級和第5級地形梯度區域，所以林地在高地形梯度上具有優勢地位。在前期變化型下，耕地→水域→水域和耕地→建設用地→建設用地主要分布于第1、第2級和第3級地形梯度區域，說明水域和建設用地在低地形梯度上占有優勢地位。在后期變化型下，耕地→耕地→水域和耕地→耕地→建設用地與前期變化型相似，主要分布于第1、第2級和第3級地形梯度區域，說明水域和建設用地在低地形梯度上占有優勢地位。

圖6 萬州區各圖譜變化類型主要變化地類的地形位梯度分布指數

4 結 論

(1) 在2000—2014年，萬州區土地利用類型以林地和耕地為主，耕地、林地、草地和未利用地呈現減少的趨勢，水域和建設用地呈現增加的趨勢。

(2) 在2000—2014年，萬州土地利用類型在不同的高程梯度之內的分布情況有著顯著的差異，耕地、水域和草地主要分布于低高程區域，草地主要分布于中高程區域，林地主要分布于高高程區域；萬州土地利用類型在不同的坡度梯度之內的分布情況同樣有著顯著的差異，耕地、水域和建設用地主要分布于平緩區域，草地除平坦區以外的區域分布比較均勻，林地主要分布于坡度較大的區域；萬州土地利用類型在地形的分布情況有著明顯的差異，耕地、水域和建設用地主要分布于較低的地形梯度區域，草地主要分布于中高地形梯度區域，林地主要分布于高地形梯度區域。

(3) 在2000—2014年，萬州區土地利用圖譜變化類型主要以穩定型為主，其次最主要的土地利用圖譜變化類型為前期變化型和后期變化型，反復變化型和連續變化型所發生的變化非常微小。穩定型在不同地形梯度區域內分布均勻，前期變化型和后期變化型主要分布于低地形梯度區域內。

(4) 三峽庫區蓄水淹沒耕地以及建設用地占用耕地問題比較嚴重，由于三峽庫區蓄水以及萬州區的地形特性，使得萬州區在低地形梯度區域內對萬州的城鄉建設占據更多的耕地，因而對萬州區城鎮土地利用規劃需要更科學、更合理地進行布局。在坡度25°以上仍然存在較多的耕地，因此萬州區需要進一步加強退耕還林。