基于時(shí)相遙感數(shù)據(jù)艾里克湖土地利用變化研究

田英杰，李 虎

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊830052；2.新疆衛(wèi)星應(yīng)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(guó)家發(fā)展之基，是人民安身立命之本，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本保障［2］。近百年來(lái)，人類的土地利用活動(dòng)引發(fā)了“大土地系統(tǒng)”生物、物理、化學(xué)、大氣、水等方面運(yùn)動(dòng)與條件的變化，變化方向優(yōu)劣而不等，如何進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、掌握土地利用變化及其可能的結(jié)果成為人類當(dāng)前的主要問(wèn)題之一。1995年國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)的國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）和國(guó)際社會(huì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)的全球環(huán)境變化的人文因素計(jì)劃（IHDP）聯(lián)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(wèn)題之一［3，4］。我國(guó)幅員遼闊，各地自然和社會(huì)條件千差萬(wàn)別，土地利用問(wèn)題在具體的時(shí)空下所展現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律也可能不盡相同，按輕重緩急逐步摸清區(qū)域的土地利用情況服務(wù)于當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)發(fā)展就成為目前最優(yōu)的選擇［5］。

艾里克湖為新疆典型濕地分布區(qū)域之一，艾里克湖是白楊河的歸宿地和準(zhǔn)噶爾盆地典型的內(nèi)陸尾閭湖之一。艾里克湖是支撐克拉瑪依市未來(lái)發(fā)展的重要生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性基地；是克拉瑪依市重要的生態(tài)與人文保護(hù)地和風(fēng)景景觀和生態(tài)旅游區(qū)；也是干旱區(qū)濕地恢復(fù)演變的典型試驗(yàn)場(chǎng)，具有多種對(duì)克拉瑪依市可持續(xù)發(fā)展的重要作用。近年來(lái)由于人類的活動(dòng)該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化，引起了當(dāng)?shù)丶坝嘘P(guān)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(shí)效性等優(yōu)點(diǎn)，將遙感技術(shù)應(yīng)用到艾里克湖區(qū)域的土地信息提取與制圖當(dāng)中，從遙感圖像上獲取土地利用變化的時(shí)間與空間信息，為本研究提供更好地支持。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)艾里克湖位于烏爾禾區(qū)，地處克拉瑪依市最北部，距離克拉瑪依市區(qū)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(qū)面積約2590km2（圖1）。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖

烏爾禾區(qū)地處準(zhǔn)葛爾盆地西部，屬于典型的溫帶干旱區(qū)大陸性荒漠氣候，年平均氣溫8.7℃，全年≥10℃積溫為3968.1℃，無(wú)霜期210d，年平均降水量102mm，年蒸發(fā)量3500mm，全年平均日照時(shí)數(shù)為2600h以上，年平均大風(fēng)日數(shù)71.3d。該區(qū)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(qū)主要包括：梭梭柴群系、琵琶柴群系、無(wú)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(shù)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(shù)路線

根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)艾里克湖所處區(qū)域（烏爾禾）生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，結(jié)合烏爾禾區(qū)2008年土地利用現(xiàn)狀圖，以及實(shí)地考察的結(jié)果，建立2009年Landsat TM遙感影像的解譯標(biāo)志，通過(guò)遙感解譯和野外調(diào)繪，更新土地利用數(shù)據(jù)到2009年；參照2009年遙感解譯成果，對(duì)1976年、1989年、2000年其他三期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯判讀，并編制土地利用專題草圖；通過(guò)現(xiàn)地驗(yàn)證核查解譯成果，排除疑難區(qū)、修正誤判區(qū)、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(shù)據(jù)來(lái)源

本次遙感調(diào)查采用美國(guó)Landsat衛(wèi)星1976年的MSS數(shù)據(jù)（空間分辨率60m）、1989年的TM數(shù)據(jù)（空間分辨率30m）、2000年的ETM＋數(shù)據(jù)以及2009年的TM數(shù)據(jù)（空間分辨率30m）。所用遙感數(shù)據(jù)的時(shí)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(qū)域內(nèi)沒(méi)有云層覆蓋，質(zhì)量較好。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射精校正，采用影像對(duì)地形圖二元二次式糾正法，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行影像到影像的配準(zhǔn)，圖像中心星下點(diǎn)校正誤差小于0.1個(gè)象元，邊緣小于0.3個(gè)象元，可以滿足分析精度要求。結(jié)合烏爾禾區(qū)2008年土地利用現(xiàn)狀圖，以及項(xiàng)目組成員于2010年4月現(xiàn)地考察的結(jié)果，建立了土地利用分類體系、遙感影像的解譯標(biāo)志（表1），通過(guò)遙感解譯和野外調(diào)繪，更新土地利用數(shù)據(jù)到2009年；參照2009年遙感解譯成果，對(duì)其他三期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯判讀，并編制土地利用專題圖。

表1 研究區(qū)圖像解譯標(biāo)志

3.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算

為了進(jìn)一步說(shuō)明土地利用變化的具體情況，運(yùn)用GIS技術(shù)，在ArcGIS軟件中對(duì)解譯獲得的各個(gè)年份的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加分析，構(gòu)建了1976～1989年、1989～2000年和2000～2009年3個(gè)時(shí)間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣獲得各種類型之間的轉(zhuǎn)化面積、轉(zhuǎn)化率。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可詳細(xì)反映研究區(qū)土地利用類型變化的結(jié)構(gòu)特征與土地利用類型的變化方向。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)形式為：

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

4 結(jié)果分析

4.1 土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)特征

烏爾禾區(qū)總面積為2210.733km2，從圖3烏爾禾區(qū)1976～2009年土地利用現(xiàn)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(gè)區(qū)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(gè)區(qū)總面積的28%～30%和22%～23%，其中林地主要分布于白楊河河谷、達(dá)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(cè)、水庫(kù)和湖泊三角洲地區(qū)。該分布反映了該地區(qū)為典型的內(nèi)陸干旱地區(qū)土地利用／覆被狀況，即植被的分布取決于水的分布。而該區(qū)范圍內(nèi)的水域面積不大，包括河流、溝渠、湖泊、水庫(kù)、坑塘等在內(nèi)，只占到總面積的1%～2%。該區(qū)域?qū)儆趦?nèi)陸干旱區(qū)域，其主要的水域?yàn)榘锟撕约鞍讞詈樱钦麄€(gè)烏爾禾區(qū)乃至克拉瑪依市生態(tài)環(huán)境賴以依存的主要屏障。該區(qū)地處著名的石油城，工礦用地到2009年已經(jīng)占到整個(gè)區(qū)總面積的8%，工礦用地代表了這個(gè)地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響。石油工業(yè)的興起，繁榮了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、提高了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏剑瑓s同時(shí)破壞了生態(tài)環(huán)境。居民地和道路在該區(qū)只占很小的比例，不足整個(gè)區(qū)總面積的1%，該區(qū)地廣人稀從中可見(jiàn)一斑。

4.2 土地利用變化時(shí)空特征

如表2所示，從20世紀(jì)70年代至今，烏爾禾區(qū)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(guī)律不明顯。

林地和草地的面積總體有減少的趨勢(shì)，反映了該區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到了破壞，生態(tài)環(huán)境在不斷退化，原因在于人類活動(dòng)的影響。

耕地的面積有增多的趨勢(shì)，主要反映了人類活動(dòng)對(duì)環(huán)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(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

水域面積的變化略為復(fù)雜：研究區(qū)內(nèi)的主要河流為白楊河和一些季節(jié)性河流（如達(dá)爾布特河），在1989年7月黃羊泉水庫(kù)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(fēng)城高庫(kù)建成并對(duì)白楊河開(kāi)始補(bǔ)水起，艾里克湖才逐漸恢復(fù)蓄水，到2009年，其湖面面積恢復(fù)到52.260km2。

表2 烏爾禾區(qū)1976－2009土地利用面積匯總 km2

圖3 烏爾禾區(qū)土里利用現(xiàn)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(shì)：裸地的面積有小分量減少的趨勢(shì)，30年間減少了16km2，其主要原因在于人類活動(dòng)的影響。

居民點(diǎn)用地中的城鎮(zhèn)用地在1976年到2009年的30年里有所擴(kuò)展，從1.451km2擴(kuò)展到了5.759km2，相比較之下，農(nóng)村居民點(diǎn)的擴(kuò)展程度減小，只有2km2左右。

4.3 土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

從20世紀(jì)90年代至今，草地面積總量減少了15.368km2，主要轉(zhuǎn)出為其他用地和水域；林地面積總量減少了16.64km2，主要轉(zhuǎn)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(lái)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(lái)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(zhuǎn)入。其他用地面積總量減少了33.949km2，減少的面積主要轉(zhuǎn)出為水域（圖4）。

圖4 烏爾禾區(qū)2000～2009年土地利用變化圖譜

5 結(jié)語(yǔ)

依托現(xiàn)有烏爾禾區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖以及實(shí)地考察，通過(guò)遙感解譯和野外調(diào)繪，從Landsat TM遙感影像中獲取1976年、1989年、2000年、2009年烏爾禾區(qū)的土地利用現(xiàn)狀專題圖；借助GIS平臺(tái)，從土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)特征、土地利用變化時(shí)空特征及土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣等3個(gè)方面進(jìn)行土地利用覆被變化的時(shí)空演變分析，總結(jié)得出研究區(qū)景觀生態(tài)土地利用變化特點(diǎn)如下。

（1）烏爾禾區(qū)總面積為2210.733km2。分布面積最大的是其他用地，占到整個(gè)區(qū)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(gè)區(qū)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(jīng)占到整個(gè)區(qū)總面積的8%。

（2）在從20世紀(jì)70年代至今的30年間，烏爾禾區(qū)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(nèi)政部土地測(cè)量局志編委會(huì).內(nèi)政部土地測(cè)量局志［M］.臺(tái)中：臺(tái)中出版，2007.

［2］ 張昭仁.土地科學(xué)與土地管理概論［M］.杭州：浙江大學(xué)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(xué)院：自然科學(xué)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(jìn)展［J］.地理學(xué)報(bào)，2009，64（4）：456～468.

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

［6］ 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所.艾里克湖濕地景觀生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)研究科學(xué)考察與咨詢報(bào)告［R］.烏魯木齊：中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，2007：2.