湟水谷地土地利用/覆蓋變化分析

劉朝松 肖可可

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 空間信息技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3.湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

0 前言

全球和區(qū)域尺度土地利用/土地覆被變化及其環(huán)境效應(yīng)的研究是環(huán)境變化研究的重要領(lǐng)域之一[1]。目前，土地利用/土地覆被變化及其效應(yīng)的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展熱點(diǎn)區(qū)域，中國(guó)西部地區(qū)自然環(huán)境較為復(fù)雜，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，針對(duì)該區(qū)域自然地理環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)與分析具有重要意義[2]。21 世紀(jì)以來(lái)，為了保證中國(guó)西部地區(qū)的土地資源可持續(xù)利用，開展了大規(guī)模的退耕還林/草，以及一系列生態(tài)保護(hù)建設(shè)工程，土地利用發(fā)生顯著變化。因此，開展中國(guó)西部土地利用/土地覆被變化動(dòng)態(tài)研究具有重要意義。湟水谷地地處青海高原東部，位居青藏高原與黃土高原的過(guò)渡地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，是生態(tài)環(huán)境治理的主要區(qū)域。同時(shí)，該區(qū)域又是青海東部城市群發(fā)展與新型工業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域。然而，針對(duì)近年來(lái)在環(huán)境治理與城鎮(zhèn)化等人為因素驅(qū)動(dòng)下，該區(qū)域土地利用/覆蓋變化時(shí)空特征的分析尚顯不足。為此，本文以位于青海高原東部湟水谷地的平安縣為研究區(qū)，研究人為因素驅(qū)動(dòng)下的區(qū)域土地利用/覆蓋變化時(shí)空特征，以便為青海高原東部土地資源的科學(xué)管理與規(guī)劃提供參考，也為中國(guó)西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)、區(qū)域城鎮(zhèn)化的發(fā)展提供決策參考。

遙感技術(shù)是土地利用/土地覆被變化研究的重要手段之一，遙感影像分類方法倍受關(guān)注。遙感分類方法得到不斷的改善，有最大似然法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類，支持向量機(jī)法等。隨著群體智能理論的快速發(fā)展，許多學(xué)者嘗試將蟻群分類規(guī)則挖掘算法引入遙感影像分類，獲得了比最大似然法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分類算法更好的分類效果[3-4]。本文采用群智能算法，集成粒子群與蟻群算法進(jìn)行區(qū)域土地利用/覆蓋分類研究，以此為干旱半干旱地區(qū)土地利用變化研究提供有效的技術(shù)手段。

表1 研究區(qū)TM 數(shù)據(jù)資料

1 研究區(qū)概況

本文以青海高原東部湟水谷地的平安縣為研究區(qū)，平安縣位于青海省東部，地理位置介于E101°49′～102°10′，N36°15′～36°34′之間，屬于青藏高原與黃土高原的過(guò)渡地帶，土地總面積為735.03km2。該區(qū)平均海拔在2066～4166.7m 之間，地貌以谷地、低中山地為主。研究區(qū)北部河谷地帶，坡度較小，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，人口密度較大，是以西寧市為中心的青海東部城市群及青海省新型工業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域；而研究區(qū)中部、南部區(qū)域，地形較為復(fù)雜，交通欠發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)相對(duì)薄弱，以耕地、林地分布為主。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）采用的遙感數(shù)據(jù)主要為L(zhǎng)andsat TM/ETM+/OLI 影像，主要來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)、USGS 網(wǎng)站，具體的獲取日期、類型、軌道編號(hào)見表1。將各期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正、幾何校正和圖像裁剪等前期遙感圖像處理工作后得到研究區(qū)遙感圖像。

對(duì)TM 影像進(jìn)行K-T 變換，以提升植被、土壤等地物信息的判別效果，突出地物紋理特征。

（2）采用DEM、坡度、坡向數(shù)據(jù)作為分類輔助數(shù)據(jù)。

2.2 遙感影像分類體系與分類方法

本文的土地利用/土地覆蓋分類參考體系主要參考文獻(xiàn)[5]的分類體系，將影像解譯為草地、耕地、林地、水域、建設(shè)用地五類。

由于研究區(qū)自然條件復(fù)雜，區(qū)域海拔高低懸殊，存在明顯的空間異質(zhì)性，傳統(tǒng)的遙感分類方法難以達(dá)到滿意的分類精度；近年來(lái)，群體智能算法在遙感分類中的應(yīng)用為遙感分類提供了一種新的智能化途徑，它無(wú)須統(tǒng)計(jì)分布等先驗(yàn)知識(shí)，且具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、魯棒性、自適應(yīng)性和存在正反饋機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，在海量遙感圖像數(shù)據(jù)的信息提取上表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域的植被區(qū)分，采用粒子群算法[6]尋找最優(yōu)斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)波段的自動(dòng)離散化，再利用蟻群算法挖掘分類規(guī)則實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類。

2.3 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用單一動(dòng)態(tài)度能夠定量描述當(dāng)前區(qū)域土地利用變化的速率，計(jì)算公式為：

式中K 為研究時(shí)段某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub指的是研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T 為研究時(shí)段長(zhǎng)，通常其單位是年。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

通過(guò)遙感圖像分類，獲得研究區(qū)1995—2013年共5 期的土地利用/覆蓋分類圖，分類總體精度達(dá)到85%以上。并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，獲得研究區(qū)1995—2013年間各期土地利用面積、土地利用結(jié)構(gòu)和各土地利用變化（表2、表3）。

表2 1995—2013年土地利用結(jié)構(gòu)及比例

表3 1995—2013年土地利用類型變化量

研究區(qū)土地利用/覆蓋以林地、草地、耕地為主（表2、表3），各期林地、草地、耕地面積占總面積分別為97.72%、97.37%、96.79%、96.47%、95.43%，三類生態(tài)用地所占的比重逐年下降。由于退耕還林和生態(tài)防護(hù)林建設(shè)，耕地和草地面積分別減少74.66km2和54.3km2，年均減少4.15km2和3.02km2。而林地增加112.1km2，占總面積的比重由1995年40.58%增加為2013年54.14%，生態(tài)環(huán)境的建設(shè)導(dǎo)致耕地的減少與林地的顯著增加。

與此同時(shí)，建設(shè)用地面積逐年增加，從1995年的9.98km2增加至2013年的26.7km2，西部大開發(fā)與城鎮(zhèn)化的發(fā)展在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)對(duì)區(qū)域土地利用/覆蓋變化產(chǎn)生較大的影響，也導(dǎo)致耕地的減少。

1995—2001年研究區(qū)各類土地利用/覆蓋面積比例變化大小依次為：林地＞耕地＞草地＞建設(shè)用地＞水域，其中以林地的增幅最大，共增加了39.11km2，耕地、草地面積急劇減少，分別減少了24km2和17.77km2。這主要是由于2000年開始實(shí)施退耕還林、生態(tài)防護(hù)林建設(shè)工作，耕地、草地等大量轉(zhuǎn)換為林地；2001—2006年草地、耕地進(jìn)一步減少，分別減少了26.18km2和19.7km2，林地面積增加41.70km2，呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)；2006—2013年林地、耕地、草地變化幅度明顯小于1995―2006年的變化幅度，說(shuō)明隨著大規(guī)模生態(tài)退耕工程的結(jié)束，以及嚴(yán)格耕地保護(hù)制度的推行，耕地減少得到控制。總體上來(lái)說(shuō)，1995—2006年各類土地利用變化幅度大于2006—2013年。

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度分析

1995—2013年研究區(qū)土地利用發(fā)生了明顯的改變，18年間共有約261km2的土地利用/覆蓋類型發(fā)生了變化，占總面積的35.55%（表2、表3、表4）。

1）草地

1995—2013年，草地面積減少了54.3km2。2001—2006年期間減幅最大，面積減少26.18km2，年變化率為-2.84%；在2006—2009年間變化幅度最小，年變化率為-0.46%。區(qū)域生態(tài)保護(hù)建設(shè)工程的實(shí)施，生態(tài)林的建設(shè)導(dǎo)致草地的減少。

2）耕地

1995—2013年，耕地面積逐年減少，其變化速率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。2006―2009年達(dá)到最大值，年均減少3.65%，2009―2013年減幅速率明顯放緩，為1.91%。耕地減少的主要原因是2000年后退耕地還林政策的實(shí)施，致使大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍Ａ硗猓S著西部大開發(fā)的進(jìn)程加速，城鎮(zhèn)化、城市化過(guò)程中侵占了大量耕地。

3）林地

由于國(guó)家實(shí)施了退耕還林政策，林地面積一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在2001―2006年間變化速率最快，年變化率達(dá)2.47%，隨著三江源自然生態(tài)保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境的治理與建設(shè)，具有重要生態(tài)功能的林地得到了有效的保護(hù)與建設(shè)。

4）建設(shè)用地

1995―2013年研究區(qū)土地利用/覆蓋變化速率最快的是建設(shè)用地，年均增加9.31%。從變化速率上看，2001―2013年大于1995―2001年。在西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推動(dòng)下，2000年以來(lái)研究區(qū)城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化得到快速發(fā)展。

表4 1995—2013年土地利用類型單一動(dòng)態(tài)度變化

4 結(jié)論

1995—2013年，在生態(tài)環(huán)境治理與快速城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化的驅(qū)動(dòng)下，青海高原東部湟水谷地土地利用/覆蓋時(shí)空變化顯著，并呈現(xiàn)顯著的階段性。

1）1995—2013年，在退耕還林和生態(tài)保護(hù)建設(shè)工程的推動(dòng)下，具有重要生態(tài)功能的林地面積增加并得到有效保護(hù)；快速城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化的發(fā)展，以及基礎(chǔ)設(shè)施的改善導(dǎo)致建設(shè)用地逐年增加；與此同時(shí)該區(qū)域有限的耕地面積的持續(xù)減少，耕地保護(hù)與質(zhì)量提高任務(wù)逐步加重。

2）1995—2001 林地增加39.11km2，增幅最大，耕地和草地分別減少24km2和17.77km2，這都得益于2000年開始實(shí)施的退耕還林工程；2001—2006年耕地面積也減少約19.7km2，林地增加41.70km2，表明退耕還林、生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程成效顯著效；2006—2013年各類土地變化量小于1995―2006年，隨著大規(guī)模生態(tài)工程告一段落，人為因素驅(qū)動(dòng)的土地利用/覆蓋變化區(qū)域緩和。

3）1995―2013年研究區(qū)建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度最大，說(shuō)明在西部開發(fā)、區(qū)域城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化快速推進(jìn)下，18年間建設(shè)用地迅速增加。2001―2009年期間，由于退耕還林和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，土地利用動(dòng)態(tài)度最大。

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