近30年來渭河關中地區土地利用時空格局的遙感分析

宋維念，占車生，李景玉，徐宗學，王會肖

（1.深圳市水務規劃設計院，廣東深圳518036；2.中國科學院地理科學與資源研究所,北京100101；3.中國土地勘測規劃院，北京100035；4.北京師范大學水科學研究院，北京100875）

1 引言

土地利用/覆被變化對區域生態、水文過程有著極其顯著的影響，可引起土壤狀況、地表產水量、土壤侵蝕量及生物多樣性等許多自然和生態過程的變化[1]。土地利用正在改變地球表面土地覆被格局，不僅改變了陸地生態系統的結構，而且改變其功能[2]，能直接反映當今全球環境變化的主導因子——人類活動對區域生態環境的影響。

渭河是黃河的最大支流，也是陜西省的第一大河，聚集了陜西省64%的人口、56%的耕地、72%的灌溉面積、82%的工業總產值和81%的國民生產總值，是關中地區的“母親河”。渭河流經的關中盆地，東西長約360 km，南北寬30—80 km，總面積約2—3萬km2。平原區由于悠久的農墾歷史，自然植被已被人工種植代替，農業種植多以小麥、棉花、玉米等為主。南部秦嶺氣候溫濕，地勢崎嶇，由于數千年的人類活動，原生的天然植被已被破壞，栽植有大面積的林果樹，表現出稀疏低矮、植物種類單一、結構簡單的特征。近年來，渭河流域的土地利用變化及其引起的生態環境效應受到越來越多學者的重視。張海龍等[3]基于1988年和2003年兩期渭河土地利用類型圖，研究了渭河盆地景觀動態變化特征以及由此所引起的一系列生態環境效應。李景宜等[4]基于1989年和2000年兩期渭河土地利用類型圖，研究渭河下游洪泛區土地景觀格局變化及其驅動力。胡宏昌等[5]基于1986年和2000年兩期渭河土地利用類型圖，研究了渭河流域土地利用及覆被變化對徑流量變化的貢獻程度。程磊等[6]基于1980年、1990年和2000年3期渭河流域土地利用類型圖，研究了渭河流域1980—2000年間土地利用變化規律。

為了探討2000年以后研究區土地利用的新變化，本文采用1980、1990、2000、2005和2007年5個時相的Landsat MSSTMETM影像數據，結合歷史資料和野外定點采樣驗證，對渭河關中地區土地利用變化進行遙感動態監測，從土地利用/覆被變化幅度、變化速度和變化趨勢等方面，分析渭河關中地區近30年來的土地利用/覆被變化格局的時空變化。

2 研究方法

2.1 數據處理

選用的遙感影像資料為美國陸地衛星數據，5期數據包括20世紀80年代初（1977年、1978年、1979年）和90年代初（1988年、1990年）、2000年、2005年、2007年5個典型時期數據，成像時間均為每年的生長季。

以2000年Landsat TM圖像為控制影像，選取20—25個大地控制點，應用雙線性插值法對圖像進行幾何糾正，重采樣后，誤差在半個像元內，再進行拼接裁減等數據預處理。經過輻射校正和幾何校正的影像，攜帶有豐富的地物信息，為了能全面的利用這些信息，對影像進行波段組合、圖像融合、直方圖拉伸等處理。MSS選用3、2、1波段，TM選擇4、3、2波段，ETM選擇4、3、2波段并與PAN波段進行融合，合成假彩色影像。

2.2 圖像解譯

根據Landsat影像的實際可解譯力，充分考慮研究區域土地利用的基本特點和歷史土地調查資料情況，參考中國土地資源分類系統，把渭河關中地區的土地利用/覆被類型化分為6個一級類型：耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地；各大類又進一步劃分為有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆被草地、中覆被草地、低覆被草地、河渠、湖泊、水庫和坑塘、灘地、城鎮用地、農村居民點用地、公交建設用地、沙地、鹽堿地、沼澤地、裸土、裸巖石礫地、山區水田、丘陵區水田、平原區水田、山區旱地、丘陵區旱地、平原區旱地、＞25°旱地共計26個二級類型。然后在地理信息系統平臺支持下，用線性拉伸和直方圖均衡化對影像進行處理，提高可識別性，建立解譯標志，進行目視解譯，利用專家經驗和輔助資料驗證，得到不同時期土地利用/覆被變化數據，并從中提取相關土地利用類型數據建立轉移矩陣。

為提高解譯土地覆被類型的精度，咨詢了當地的居民和流域管理人員，對當地土地利用現狀及歷史作了比較全面的了解，并對渭河流域土地利用現狀進行了現場考察和驗證，修定原分類圖。

2.3 數據分析

土地利用與土地覆被變化，可以通過土地覆被類型的變化幅度、土地覆被類型的動態速度和土地覆被類型的變化趨勢來反映。土地覆被類型變化還包括不同類型間的相互轉移過程，可用土地覆被轉移矩陣描述。利用GIS軟件，將不同時期的土地覆被圖兩兩分別進行疊加，獲得1980—2007年5個時段的土地覆被類型轉移信息。

（1）土地利用與土地覆被變化幅度。土地利用與土地覆被變化的幅度是指土地利用與覆被類型在面積方面的變化幅度，表達區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況。通過分析土地利用與覆被類型的總量變化，可了解土地利用與覆被變化總的態勢和土地利用結構的變化，計算公式為：

式 1 中，Ud 表示第 i類土地覆被類型在 t1—t2過程中的變化幅度，U（i，t1）、U（i，t2）表示研究初期 t1和末期 t2某一土地覆被類型i的面積。

（2）土地利用/覆被變化速度。區域一定時間內某一土地利用與覆被類型變化的速度，用單一土地利用/覆被類型動態度表達，包括轉出速度和轉入速度。計算公式為：

式2中，Vout、Vint分別代表第i類土地覆被類型在t1—t2過程中的轉出和轉入速度；△out、△int分別代表第i類土地覆被類型在t1—t2過程中的轉出和轉入面積。

（3）土地利用/覆被變化的趨勢。土地利用/覆被變化的趨勢用狀態指數來表達，計算公式為：

式3中，P代表第i類土地覆被類型在t1—t2過程期間的狀態指數；Vint、Vout分別代表第i類土地覆被類型在t1—t2過程中的轉出和轉入速度。

對于P，一般認為，當0＜P＜1時，則該土地利用與覆被類型朝著規模增大的方向發展，該類型處于“漲勢”狀態。P越接近0，表明該土地利用與覆被類型的規模增長緩慢，且雙向轉換頻繁，呈現平衡勢，但轉換為其他類型的面積略小于其他類型轉為該類型的面積；P越接近于1說明土地類型的轉換方向主要為其他類型轉換為該類型，呈現極端非平衡趨勢，致使該類面積穩定增加。當-1＜P＜0時，則土地利用與覆被類型朝著規模減小的方向發展，該類型處于“落勢”狀態。越接近0表明該土地利用與覆被類型的規模處于緩慢減少的態勢，呈現雙向轉換均衡趨勢，但轉換為其他類型的面積略大于其他類型轉換為該類型的面積；P越接近于-1，說明土地類型的轉換方向主要為該類型轉換為其他類型，呈現極端非平衡趨勢，致使該類型規模逐步萎縮。

（4）土地利用/覆被變化的方向。土地覆被轉移矩陣可以有效地描述土地利用/覆被變化的方向及在不同方向上的分量。利用GIS軟件，將不同時期的土地覆被類型圖兩兩分別進行疊加運算，可獲得1980—2007年5個時段的土地覆被類型轉移信息。

3 結果分析

3.1 土地利用/覆被特征

通過遙感解譯，得出不同時期渭河關中地區土地利用/土地覆被類型圖（圖1，封二）。渭河關中地區主要土地覆被類型是耕地，占地面積接近50%，其次是林地和草地，建設用地、水域、未利用地土地面積比重不大。不同年份不同土地覆被類型面積有一定變化。從1980—2007年間，建設用地面積持續增長，這是城市化發展的表現。1980—1990年時期，林地、草地、水域有所增加，耕地面積減小。1990—2000年時期，林地、草地、水域面積大幅度減小，耕地面積增加，土地利用程度提高。2000—2005年、2005—2007年兩個時期，林地、草地面積增加，水域面積仍保持較低的狀態，耕地面積減小。

圖1 不同時期渭河關中地區土地利用/土地覆被類型圖Fig.1 LUCC maps in different periods in Guanzhong plain of Weihe river basin

3.2 土地利用變化幅度分析

如表1所示，不同土地利用/覆被類型比較，耕地、草地、建設用地變化幅度均是在1980—1990年期間、1990—2000年期間大于2000—2005年期間、2005—2007年期間，體現了不同時期，人類活動對土地利用變化影響強度的差異。

表1 不同土地利用/覆被類型的變化幅度 單位：%Tab.1 The land use/cover change amplitude from 1976 to 1990 unit:%

3.3 土地利用/覆被變化速度和趨勢分析

如表2所示，1990—2000年之間水體狀態指數為-0.43，水域轉入速度小于轉出速度，在該段時間大幅轉移為其他類型。而后兩個時期，水域面積基本保持不變。建設用地近30年間面積逐漸增大，并且增長的速度越來越快，處于增長趨勢。耕地在1990—2000年之間規模增大，而后呈現減小的趨勢。近30年間，林地、草地狀態指數有正有負，在1990—2000年呈現減小的趨勢，隨后規模增大。

3.4 土地利用類型轉移矩陣分析

如表3所示，不同時期，同一土地覆被類型變化的方向大致相同。林地主要向草地和耕地轉移，草地、水域、居民地轉移的主要方向都是耕地。1980—1990年間，林地、草地、水域、居民地轉移的主要方向都是耕地，其中說明這段時間農業發展，砍伐森林、開墾草地，使得農田規模變大。耕地轉移的主要方向是草地和居民地，其中平原區旱地向高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地分別轉移了24.47 km2、79.87 km2、406.377 km2。這可能是汛期蓄洪滯洪作用以及渭河游蕩型河床特征的綜合作用的結果。而耕地向農村居民點、城市用地、公交建設用地分別轉移了80.90 km2、344.16 km2、8.77 km2，其中城市用地占了大部分，說明該時期城市擴張迅速。1990—2000年，林地、草地、水域轉移的主要方向仍然是耕地，并且轉移的幅度有所增加，說明農業化程度加大。其中水域轉移的主要方向是平原區旱地32.35 km2，灘地14.37 km2，表現了游蕩型河流河邊耕地與水域之間明顯相互轉化，體現了渭河水量在此期間的銳減。在此期間，建設用地持續擴大，是以耕地的減少為代價，有458.26 km2的耕地轉移為居民地及建設用地。其中有344.16 km2是由旱地農田向農村居民用地轉移的。說明此時期，農村發展迅速，大量開挖建設，不透水用地面積增大，不利于地表水與地下水質之間的交流。2000—2005年，林地、草地向耕地轉移的程度減小很多。2005—2007年，主要是林地和草地之間的轉移。耕地向林地轉移309.67 km2、向草地轉移223.28 km2。

4 結論和討論

渭河關中地區主要的土地覆被類型是耕地，占地面積接近50%，耕地規模在1990—2000年之間大幅增加，而后呈現減小的趨勢，并在2005—2007年之間趨于平衡。建設用地面積持續增大，并且增大得越來越快，在2005—2007年仍表現為增大的趨勢。水域面積在1990—2000年出現了大幅減小，其中以河渠面積減小最為強烈。林地與草地規模處于波動中，變化趨勢在不同時期表現不同，在1990—2000年呈現減小的趨勢，隨后規模增大。

表2 不同土地覆被類型的動態趨勢和狀態指數Tab.2 The change indexes of the single land-use/cover type

土地利用/覆被變化的幅度、方向表現了區域生態系統演變的強度和方向。1980—1990年，河流水量豐富，河谷、河漫灘及附近地帶，由農田生態系統向草地生態系統轉變。同時城市向其邊緣的耕地迅速擴張，農田生態系統向城市生態系統轉變，影響局地氣候、水文狀況、以及景觀格局。1990—2000年，河流水量銳減，河流附近林地、草地被開墾，向物種單一的農田生態系統轉化，物種多樣性減少。在此期間，農村發展迅速，建設用地繼續向耕地擴張，耕地向林地、草地擴張，林地、草地規模大量減小。2000—2005年，建設用地仍在擴張，由于良好的生態環境建設政策，林地、草地保持相對穩定狀態。2005—2007年，建筑面積仍在擴張中，人為不透水面仍在出現，隔斷了地上水和地下水的交流，對流域水文狀況不利。河流水量減小，耕地、林地、草地三者處于互相轉變中，體現了人類活動的活躍性[7]。

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表3 1980—2007年土地利用/覆被類型轉移矩陣 單位：km2Tab.3 The land-use/cover change matrix from 1980 to 2007unit:km2

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