基于時相遙感數據艾里克湖土地利用變化研究

田英杰，李 虎

（1.新疆農業大學，烏魯木齊830052；2.新疆衛星應用工程中心，烏魯木齊830000）

1 引言

土地為人類生存不可或缺之要素［1］，是國家發展之基，是人民安身立命之本，是經濟社會可持續發展的根本保障［2］。近百年來，人類的土地利用活動引發了“大土地系統”生物、物理、化學、大氣、水等方面運動與條件的變化，變化方向優劣而不等，如何進一步認識、掌握土地利用變化及其可能的結果成為人類當前的主要問題之一。1995年國際科學聯合會的國際地圈生物圈計劃（IGBP）和國際社會科學聯合會的全球環境變化的人文因素計劃（IHDP）聯合將土地利用／土地覆蓋變化（Land Use／Cover Change，LUCC）列為全球變化研究的核心問題之一［3，4］。我國幅員遼闊，各地自然和社會條件千差萬別，土地利用問題在具體的時空下所展現的現象和規律也可能不盡相同，按輕重緩急逐步摸清區域的土地利用情況服務于當地的社會發展就成為目前最優的選擇［5］。

艾里克湖為新疆典型濕地分布區域之一，艾里克湖是白楊河的歸宿地和準噶爾盆地典型的內陸尾閭湖之一。艾里克湖是支撐克拉瑪依市未來發展的重要生態功能區和生物多樣性基地；是克拉瑪依市重要的生態與人文保護地和風景景觀和生態旅游區；也是干旱區濕地恢復演變的典型試驗場，具有多種對克拉瑪依市可持續發展的重要作用。近年來由于人類的活動該區生態環境發生了顯著變化，引起了當地及有關部門的高度重視。基于上述背景，本文鑒于遙感手段的客觀性、時效性等優點，將遙感技術應用到艾里克湖區域的土地信息提取與制圖當中，從遙感圖像上獲取土地利用變化的時間與空間信息，為本研究提供更好地支持。

2 研究區概況

研究區艾里克湖位于烏爾禾區，地處克拉瑪依市最北部，距離克拉瑪依市區約100km，地理位置在E85°12′～86°02′，N45°42′～46°15′，南北約67km，東西約61km，全區面積約2590km2（圖1）。

圖1 研究區范圍示意圖

烏爾禾區地處準葛爾盆地西部，屬于典型的溫帶干旱區大陸性荒漠氣候，年平均氣溫8.7℃，全年≥10℃積溫為3968.1℃，無霜期210d，年平均降水量102mm，年蒸發量3500mm，全年平均日照時數為2600h以上，年平均大風日數71.3d。該區土壤類型主要包括：淡棕鈣土、灰棕鈣土、新積土、河谷沙土、草甸土、林灌草甸土、沼澤化草甸、鹽化林灌草甸土、鹽化草甸土、草甸鹽土、灌耕土等。該區主要包括：梭梭柴群系、琵琶柴群系、無葉假木賊群系、直立豬毛菜群系、鹽穗木群系、苦楊群系、剛毛檉柳群叢、蘆葦群系、香蒲群系等分別代表了小半喬木荒漠、半灌木荒漠、小半灌木荒漠、多枝木本鹽柴類荒漠、河谷楊樹林、杜加依灌叢、低地河漫灘鹽化草甸、沼澤等植被類型［6］。

3 研究方法

3.1 研究技術路線

根據研究內容和目標，結合實際情況，針對艾里克湖所處區域（烏爾禾）生態環境的特點，結合烏爾禾區2008年土地利用現狀圖，以及實地考察的結果，建立2009年Landsat TM遙感影像的解譯標志，通過遙感解譯和野外調繪，更新土地利用數據到2009年；參照2009年遙感解譯成果，對1976年、1989年、2000年其他三期遙感數據進行解譯判讀，并編制土地利用專題草圖；通過現地驗證核查解譯成果，排除疑難區、修正誤判區、修編解譯草圖，編制土地利用專題圖。采用的遙感解譯工作流程圖如圖2所示。

圖2 烏爾禾土地利用遙感解譯流程圖

3.2 數據來源

本次遙感調查采用美國Landsat衛星1976年的MSS數據（空間分辨率60m）、1989年的TM數據（空間分辨率30m）、2000年的ETM＋數據以及2009年的TM數據（空間分辨率30m）。所用遙感數據的時相選擇介于6～9月，即植被情況反映較好的季相。圖像在研究區域內沒有云層覆蓋，質量較好。

3.3 數據預處理

對遙感數據進行了輻射精校正，采用影像對地形圖二元二次式糾正法，對遙感數據進行影像到影像的配準，圖像中心星下點校正誤差小于0.1個象元，邊緣小于0.3個象元，可以滿足分析精度要求。結合烏爾禾區2008年土地利用現狀圖，以及項目組成員于2010年4月現地考察的結果，建立了土地利用分類體系、遙感影像的解譯標志（表1），通過遙感解譯和野外調繪，更新土地利用數據到2009年；參照2009年遙感解譯成果，對其他三期遙感數據進行解譯判讀，并編制土地利用專題圖。

表1 研究區圖像解譯標志

3.4 土地利用轉移矩陣計算

為了進一步說明土地利用變化的具體情況，運用GIS技術，在ArcGIS軟件中對解譯獲得的各個年份的土地利用現狀圖進行疊加分析，構建了1976～1989年、1989～2000年和2000～2009年3個時間段的土地利用轉移矩陣獲得各種類型之間的轉化面積、轉化率。

土地利用轉移矩陣可詳細反映研究區土地利用類型變化的結構特征與土地利用類型的變化方向。轉移矩陣的數學形式為：

式中，A代表面積，n代表土地利用類型數，i，j分別代表研究初期與研究末期的土地利用類型。

4 結果分析

4.1 土地利用現狀結構特征

烏爾禾區總面積為2210.733km2，從圖3烏爾禾區1976～2009年土地利用現狀組成比例分配圖可以看出，分布面積最大的是其他用地，占到整個區面積的37%～40%，主要包括裸地、鹽堿地、沼澤地等。其次是林地和草地，分別占到整個區總面積的28%～30%和22%～23%，其中林地主要分布于白楊河河谷、達爾布特河－木哈塔依河下游沿岸以及艾里克湖湖濱，草地則主要分布于水域周圍、河流兩側、水庫和湖泊三角洲地區。該分布反映了該地區為典型的內陸干旱地區土地利用／覆被狀況，即植被的分布取決于水的分布。而該區范圍內的水域面積不大，包括河流、溝渠、湖泊、水庫、坑塘等在內，只占到總面積的1%～2%。該區域屬于內陸干旱區域，其主要的水域為艾里克湖以及白楊河，是整個烏爾禾區乃至克拉瑪依市生態環境賴以依存的主要屏障。該區地處著名的石油城，工礦用地到2009年已經占到整個區總面積的8%，工礦用地代表了這個地區人類活動對自然環境的影響。石油工業的興起，繁榮了當地的經濟、提高了當地人民的生活水平，卻同時破壞了生態環境。居民地和道路在該區只占很小的比例，不足整個區總面積的1%，該區地廣人稀從中可見一斑。

4.2 土地利用變化時空特征

如表2所示，從20世紀70年代至今，烏爾禾區林地、草地和其他用地所占的比例逐漸減少，耕地和工礦用地所占的比例逐漸增多，居民地和道路用地的增加量很小，水域的面積變化規律不明顯。

林地和草地的面積總體有減少的趨勢，反映了該區生態環境遭到了破壞，生態環境在不斷退化，原因在于人類活動的影響。

耕地的面積有增多的趨勢，主要反映了人類活動對環境影響范圍、影響程度的不斷增加；從工礦用地面積的變化上同樣可以看出人類活動對生態環境的影響。

水域面積的變化略為復雜：研究區內的主要河流為白楊河和一些季節性河流（如達爾布特河），在1989年7月黃羊泉水庫建成，使得各年份的面積大小不一致；1976年艾里克湖的湖面面積為43.910km2，1989年艾里克湖湖面萎縮，面積為21.444km2，2000年艾里克湖水面干涸，面積為0，同年，風城高庫建成并對白楊河開始補水起，艾里克湖才逐漸恢復蓄水，到2009年，其湖面面積恢復到52.260km2。

表2 烏爾禾區1976－2009土地利用面積匯總 km2

圖3 烏爾禾區土里利用現狀組成比例分配

其他用地的面積在總體變化上有減少的趨勢：裸地的面積有小分量減少的趨勢，30年間減少了16km2，其主要原因在于人類活動的影響。

居民點用地中的城鎮用地在1976年到2009年的30年里有所擴展，從1.451km2擴展到了5.759km2，相比較之下，農村居民點的擴展程度減小，只有2km2左右。

4.3 土地利用變化轉移矩陣

從20世紀90年代至今，草地面積總量減少了15.368km2，主要轉出為其他用地和水域；林地面積總量減少了16.64km2，主要轉出為其他用地和草地；耕地面積略有增加，總量增加了2.668m2，增加的面積主要源于林地和其他用地；居民地面積略有增加，總量增加了0.842km2，增加的面積主要來源于耕地。工礦用地面積總量增加了11.35km2，增加的面積主要來源于其他用地、林地和草地。水域面積有大幅的增加，總量增加了51.097km2，增加的面積主要源于其他用地的轉入。其他用地面積總量減少了33.949km2，減少的面積主要轉出為水域（圖4）。

圖4 烏爾禾區2000～2009年土地利用變化圖譜

5 結語

依托現有烏爾禾區的土地利用現狀圖以及實地考察，通過遙感解譯和野外調繪，從Landsat TM遙感影像中獲取1976年、1989年、2000年、2009年烏爾禾區的土地利用現狀專題圖；借助GIS平臺，從土地利用現狀結構特征、土地利用變化時空特征及土地利用變化轉移矩陣等3個方面進行土地利用覆被變化的時空演變分析，總結得出研究區景觀生態土地利用變化特點如下。

（1）烏爾禾區總面積為2210.733km2。分布面積最大的是其他用地，占到整個區面積的37%～40%，主要包括裸地、鹽堿地、沼澤地等；其次是林地和草地，分別占到整個區總面積的28%～30% 和22%～23%；水域面積不大，只占到總面積的1%～2%；工礦用地增加迅速，到2009年已經占到整個區總面積的8%。

（2）在從20世紀70年代至今的30年間，烏爾禾區林地、草地和其他用地所占的比例逐漸減少，耕地和工礦用地所占的比例逐漸增多，居民地和道路用地的增加量很小，水域的面積變化幅度較大。

［1］ 內政部土地測量局志編委會.內政部土地測量局志［M］.臺中：臺中出版，2007.

［2］ 張昭仁.土地科學與土地管理概論［M］.杭州：浙江大學出版社，2011.

［3］ 熊永珍，陳傳明.土地利用與土地覆被變化研究綜述［J］.廊坊師范學院：自然科學版，2008，8（6）：117～119.

［4］ 唐華俊，吳文斌，楊 鵬，等.土地利用／土地覆被變化（LUCC）模型研究進展［J］.地理學報，2009，64（4）：456～468.

［5］ 北京市規劃委員會.北京城市總體規劃（2004年～2020年）［R］.北京：北京市規劃委員會，2005.

［6］ 中國科學院新疆生態與地理研究所.艾里克湖濕地景觀生態保護與恢復研究科學考察與咨詢報告［R］.烏魯木齊：中國科學院新疆生態與地理研究所，2007：2.