基于GIS／RS的榆林市土地利用時空格局動態分析

卓 靜，郭 偉，鄧鳳東，劉安麟，李旭祥

（1．陜西省農業遙感信息中心，陜西 西安710014；2．西安交通大學 環境科學與技術學系，陜西 西安710049）

地球表層系統最突出的景觀標志就是土地利用與土地覆蓋［1］。目前，土地利用與覆蓋格局在全球和區域尺度上發生了顯著的變化，對區域生態環境產生了巨大的影響［2－3］。基于此，“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）和“國際全球變化人文因素計劃”（IHDP）自1990年起，積極籌劃全球性綜合研究計劃，于1995年共同擬定了《土地利用／土地覆被變化科學研究計劃》，提出了“土地利用和土地覆蓋變化”（land use and land cover change，LUCC）研究計劃，將其列為全球環境變化的核心項目，成為目前全球變化研究的前沿和熱點領域［4－6］。當前，土地利用時空過程研究主要手段是依托衛星遙感和GIS集成技術，通過過程探測、驅動機制分析等反映區域生態環境變化與評價［7］。

榆林市地處陜西省最北部，黃土高原北端，毛烏素沙漠南部邊緣，風蝕沙化和水土流失嚴重。地勢西北高、東南低。地貌以長城為界，北部為風沙草灘區，占總面積的42%，南部為黃土丘陵溝壑區，占總面積的58%。在社會經濟發展方面，榆林市是一個以農牧業為主體的土地利用交錯區，歷史上一直是我國著名的農牧交錯帶，尤其在20世紀90年代末，榆林成為國家首個大型能源化工基地，一批大型重點工程，例如神府煤礦、西氣東輸等工程的建設對地表景觀的擾動效應日益顯著，土地利用景觀格局已經并正在發生較大變化［8－11］。所以加強GIS和RS集成技術的應用，動態監測土地利用與覆被變化，對該地區制定正確的土地利用政策、調整土地利用結構及確保區域生態安全都有十分重要的意義。

1 研究數據與方法

1．1 遙感數據處理

研究數據選取1997年和2010年2期，空間分辨率為30m的美國LANDSAT TM影像數據。遙感數據前期處理主要工作是對圖像進行幾何精校正，具體方法是以1∶5萬數字高程模型為基礎，利用二次多項式擬合方程和雙線性內插方法對1997年TM影像進行幾何精校正，校正過程中每幅圖像上均勻選取20多個控制點，誤差保持在一個像元以內，然后以校正好的1997年影像為基礎，對2010年圖像進行幾何精校正，誤差控制在1／2像元以內確保2個時相的遙感圖像具有同樣的地圖投影方式。

1．2 土地利用類型解譯標志GIS數據庫

對野外調查的典型景觀樣點和目視判別中遇到的疑問點的GPS坐標值、采樣點地物類型、采樣點照片號等詳細的屬性信息進行錄入，然后在地理信息系統軟件ArcGIS 9．3中將其轉換成和遙感數據具有相同的地圖投影的矢量文件，以SHAPE格式進行輸出，以備TM數據進行監督分類選取訓練樣區時使用。

1．3 遙感監督分類方法

本研究采用基于知識的監督分類方法。開始分類之前進行野外調查工作，采取典型的樣本點用于監督分類的模板定義依據。定義分類模板的原則是：首先依據顏色和紋理特征判別地物類型建立若干模板，對于目視解譯不清楚的地物，需要利用野外調查采取的大量GPS采樣點作為定義模板的依據。分類模板定義完畢后，依據光譜特征、直方圖分布等信息對分類進行合并，刪除，優化分類模板，對優化后的分類模板進行評價，評價通過后方可執行分類（圖1）。

本文的分類原則是將國家土地利用分類標準和榆林市實際情況相結合，制定適合榆林市的遙感分類原則，將榆林市的遙感圖像解譯為水體、林地、草地、未利用地、耕地、居民地及工礦用地和果園這7個地物類型。

圖1 土地利用分類流程圖

2 結果與討論

2．1 土地利用結構動態變化特征

根據上述土地利用分類原則得出榆林市自1997—2010年土地利用總體格局如下：榆林市林地、草地、果園面積大幅增加，耕地及未利用地面積顯著減少，其中果園增幅達1 578．8%，草地增幅108%，林地增幅84．6%，耕地減幅57．1%，未利用地減幅59．3%（如表1所示）。

表1 榆林市1997－2010年土地利用格局變化

2．2 土地利用變化速度分析

土地利用變化速度可以用動態度來衡量，它可以定量描述區域一定時間內某種土地利用類型變化的速度，可用于比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢。本文利用動態度來反映榆林市土地利用類型的年變化率，計算公式如下：

式中：K——研究時段內某一土地類型的動態度；Ua——研究期初某一土地類型的面積；Ub——研究期末某一土地類型的面積；T——研究時段長。當T的時段為年時，K的值就是該研究區的某一土地類型年變化率。

利用上式計算出榆林市土地類型的年變化率（表1），結果顯示，1997—2010年13a間，各種土地利用類型變化速率排序為：果園＞草地＞居民地及工礦用地＞林地＞未利用地＞耕地＞水體，其中果園、草地、居民地及工礦用地年變化率較大，分別為121．44%，8．31%，6．9%。

2．3 土地利用類型動態演化特征分析

區域土地利用類型動態演化是一定時期區域內自然、社會、經濟發展的綜合體現，榆林地處干旱—半干旱農牧交錯帶，各種土地利用類型在自然環境因素的影響下轉化頻繁，同時1997—2010年這13a是榆林市經濟快速發展時期，大型能源化工基地的建設、快速城鎮化加速了不同土地類型之間的轉化。根據遙感和GIS分析，得出榆林市近13a來土地利用類型動態演化特征，其轉移矩陣如表2所示。

表2 1997－2010年土地利用類型轉移矩陣 %

（1）果園面積增長迅速，13a增加了199 014．1hm2，其主要由耕地、林地等轉換而來。

（2）居民地及工礦用地擴展明顯。13a增加了32 429．4hm2，年均增長達6．9% ，增加的面積主要由耕地、草地和沙地轉化而來。

（3）耕地、草地、林地面積變化顯著，其中耕地面積共減少了1 382 241．3hm2，年均減幅達4．39%，而耕地的大幅減少主要轉化為林地和草地這2種類型，這主要源于國家在陜北地區實施的退耕還林還草的政策。草地13a凈增了1 066 844．1hm2，年均增長達8．31%，是榆林市土地利用變化最顯著的類型，但同時在局部區域草地荒漠化，退化為沙地、鹽堿地等未利用地的現象值得關注。

2．4 基于GIS的土地利用／覆蓋時空分異特征

土地利用時空格局變化是自然和人類活動共同影響下的綜合體現。為進一步了解13a榆林市土地利用時空格局分異背后的主導因素，本研究在Arc－GIS 9．3軟件的支持下，應用GIS空間分析、圖形疊加運算功能，結合榆林市數字地形模型、土壤類型圖、行政區劃與社會經濟資料，將土地利用時空分布格局與區域自然地貌因素以及行政區劃單元疊加分析。著重分析了1997—2010年土地利用／覆蓋時空演化在自然、人類活動不同因素下的時空耦合關系，從而揭示出土地利用時空分異背后的主導因素和驅動機制，因地制宜地為不同地貌單元、區域經濟發展不同階段的土地利用格局提供決策參考。

附圖7是榆林市1997—2010年部分土地利用變化示意圖。從附圖7中可以看出，耕地轉化為林地和草地的空間部位主要是在榆林市南部和東南部黃土丘陵山區，該地區是榆林市重點退耕還林還草區，耕地向林地和草地的轉化主要是退耕造成的；耕地、林地、草地發生沙漠化的空間位置主要在古長城沿線、毛烏素沙漠邊緣地帶及無定河、榆林河、禿尾河周圍，同時這些地帶也是沙地經治理轉化為林地、草地的地帶；耕地轉化為未利用地區以定邊和靖邊最明顯，主要是轉化成了未利用地的鹽堿地。

總體看來，南部和東南部黃土丘陵區溝壑交錯，水土流失嚴重，通過水土流失綜合治理，坡度較大的旱耕地實施還林還草，有效地增加了林草的覆蓋。古長城沿線、毛烏素沙漠邊緣地帶是農牧交錯帶生態環境最脆弱的地區，因而也是耕地、林地、草地易于發生沙漠化的地帶，以榆陽、神木、橫山、靖邊、定邊等區縣較為嚴重。盡管這些地區也有較大面積沙地經治理轉化為林地、草地和耕地，但由于面積小、連續性差，受毛烏素沙漠風沙活動的影響，常遭受風力侵蝕而漸漸荒漠化。

3 結 論

榆林市土地利用／覆蓋變化是由自然、人文和社會經濟因素共同影響所導致的。氣候因素是驅動土地利用／覆蓋變化的重要自然因素；政策制度的導向，人口壓力及社會投資的增加，工、農業產業化的發展直接影響了土地利用／覆蓋變化的時空分異，驅動了土地利用覆蓋格局的變化。應用GIS／RS集成技術動態分析榆林市最新的土地利用時空演化特征，得出1997—2010年13a間榆林市土地利用變化顯著，總體上表現為未利用土地、沙地和耕地通過綜合治理及退耕還林等措施，轉化為有利于改善區域生態環境的林地、草地、果園。但與此同時，由于社會經濟的發展和人類不合理的土地利用，林地和草地在一些地貌單元不斷向未利用土地和耕地轉化，尤其是區域快速城鎮化和大型能源化工基地的建設，使居民和建設用地大量占用耕地，且一般為土壤條件好、肥力高的農田。這些表明，榆林市在水土流失綜合治理、未利用土地改良和沙漠化防治等方面采取的植被恢復等措施效益明顯，但區域人類活動的加劇，使土地利用總體格局呈現出“整體好轉，局部惡化”的現象。

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