基于RS與GIS的土地利用動態變化分析
——以準格爾旗為例

張曉玲，徐艷紅，姚喜軍，魯麗波

(內蒙古自治區土地調查規劃院，內蒙古呼和浩特 010010)

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基于RS與GIS的土地利用動態變化分析
——以準格爾旗為例

張曉玲，徐艷紅，姚喜軍，魯麗波

(內蒙古自治區土地調查規劃院，內蒙古呼和浩特 010010)

利用2008、2010、2013年的3期遙感數據，基于RS與GSI技術，研究準格爾旗土地利用變化規律，使用分層分類的方法對各土地利用類型進行土地專題信息提取，獲得準格爾旗2008～2010年、2010～2013年2個時段的土地利用變化轉移矩陣。據此全面分析了準格爾旗的土地利用時空變化特征。在利用傳統土地利用變化模型的基礎上，構建了土地利用動態分析模型，從總動態度、地類活躍度的層面結合3期遙感數據分析了5年來準格爾旗土地利用總動態變化度、土地利用類型轉換活躍度。

動態變化；總動態度；地類活躍度；準格爾旗

區域環境變化的直接原因與響應是土地系統動態變化，土地系統動態變化不僅是研究全球變化的重要領域一種[1-2]，也是全球土地利用變化研究的核心主題之一[3]。通過利用遙感技術對地觀測，揭示土地利用空間變化規律，建立區域土地利用變化動態分析模型，分析引起變化的驅動力，有助于解決那些廣泛存在于全球生態系統的可持續性中的眾多不確定性問題，同時，也是一個國家或地區得以動態、有效地管理其資源與環境問題的重要保障[4]。目前關于土地利用變化研究的方法主要集中在：通過獲取遙感數據，利用區域土地利用變化動態分析模型對過去一定時期土地利用時空變化進行監測[5-6]；引入“土地利用動態度”等指標對過去和當前土地利用狀況進行分析，進而對未來土地利用情況進行數量上的預測[7-8]；建立時空動態模型，對未來的土地利用格局及其效應進行研究評價[9-10]。為了研究準格爾旗土地利用變化規律，筆者以TM和SPOT衛星影像為數據源，以GSI為技術手段，對準格爾旗2008～2010年、2010～2013年2個時段的土地利用變化狀況進行了研究和分析。

1 研究區概況、數據來源與研究方法

1 研究區概況

1.1.1自然條件。準格爾(蒙語，漢意為“左翼”)旗地處內蒙古西南部、鄂爾多斯市東部，黃河沿北、東、南流經197 km，隔河與山西、陜西毗鄰，有“雞鳴三省”之稱。 地理坐標為110°05′～117°27′ E、39°16′～40°20′ N。準格爾旗地貌以丘陵溝壑為主 。全旗轄9個蘇木鄉鎮、159個行政村。項目區屬于大陸性溫帶干旱氣候，春季多風，以西北風為主，風速一般為16～20 m/s，年最大風速40 m/s，夏季溫熱而短暫，寒暑變化劇烈，晝夜溫差較大，年平均氣溫5.3～7.6 ℃，最高氣溫39.5 ℃，最低氣溫-36.3 ℃，一般結冰期為每年10月至翌年4月，最大凍土深度1.50 m，降雨最多集中于7～9月，占總降水量的60%～70%，年總降水量為231～459 mm，年總蒸發量為1 875～2 657.4 mm，是降雨量的5～8倍，常發生春旱，全年無霜期為150 d，初霜日在每年9月30日左右，積雪厚度20～150 mm。

2013年末全旗戶籍總人口31.47萬，常住人口36.9萬，城鄉居民收入水平穩步提升，城鎮居民人均可支配收入37 586元，較往年增長8.6%，農民人均純收入12 828元，較往年增長12%，城鄉居民生活水平顯著提高，社會保障覆蓋面進一步擴大。近年來，準格爾旗依托豐富的資源優勢，形成以煤炭為主導，化工、林沙、交通運輸、商飲服務等為輔助的幾大產業，綜合經濟實力不斷壯大，人民生活水平顯著提高，成為全國縣域經濟提升速度最快的百強縣之一，是鄂爾多斯經濟快速發展的重要增長極。

1.2 數據來源選取了2008、2010、2013年3個時相的三景衛星影像數據作為基礎數據。第一步要獲得本次研究范圍，將獲得影像數據進行鑲嵌，用準格爾旗二調行政區邊界對鑲嵌后的數據進行裁剪；第二步建立解譯標志，根據遙感數據源的形狀、紋理等特征來建立解譯標志；第三步進行監督分類，利用最大似然估計等方法并結合野外實測資料，對遙感影像進行監督分類；第四步對分類的結果做進一步處理，使用聚合和過濾等分類后處理操作，使分類后的結果更加準確；最后，修改混分和錯分結果并劃分土地利用類型，在此過程中要結合野外考察、并輔以相關參考資料，根據研究區的特點以及土地利用動態監測的目的，把研究區土地利用類型分為6大類，即耕地、林地、草地、水域、建設用地、其他地類。

1.3 研究方法該研究利用3期遙感數據(2008、2010、2013年)，在遙感圖像處理系統ENVI4.7的支持下先進行影像數據的幾何校正以及圖像增強等處理以便提高解譯精度。并采用AcrGIS工具，在對遙感柵格數據進行空間疊加處理的基礎上，從總動態度、地類活躍度2個層面描述土地利用變化的方向和數量關系，從而揭示土地利用動態變化規律。

1.3.1總動態度。土地利用總動態度從整體角度分析不同時間間隔內土地利用轉移的數量和速率問題，其中，U為研究區整個研究時段內的綜合土地利用平均變化率，St為某個時間間隔內的整體土地利用變化度。若StU，則在這一時間間隔內整體土地利用變化速率較快[11]。計算公式如下：

U=所有時間間隔內土地利用變化總量/研究區面積/整個時間間隔×100%

(1)

St=[Yt，Yt+1]時間間隔內土地利用變化總量/研究區面積/[Yt，Yt+1]時間間隔×100%

(2)

1.3.2地類活躍度。地類活躍度是在總動態度分析的基礎上針對具體的土地利用類型展開的分析。地類活躍度分析計算公式如下：

Gtj=[Yt，Yt+1]時間間隔內用地類型j的轉入/[Yt，Yt+1]時間間隔/用地類型j在Yt時刻的面積×100%

(3)

Ltj=[Yt，Yt+1]時間間隔內用地類型j的轉出/[Yt，Yt+1]時間間隔/用地類型j在Yt時刻的面積×100%

(4)

在土地利用變化過程中，每種土地利用類型都對應著轉入和轉出2種變化。結合式(3)、式(4)模型對每種地類進行轉入Gtj和轉出Ltj分析，并與總動態度進行對比分析。若是轉入轉出比總動態度大，則說明該種地類變化比較活躍；若是轉入轉出比總動態度小，該種地類則比較穩定[11]。

2 結果與分析

該研究以2008、2010和2013年土地利用數據為基礎，在ArcGIS中統一地類分類體系、統一空間分辨率、統一投影和坐標系統等處理基礎上，經圖層疊加后分別得到2008～2013年土地利用變化統計(表1)，2008～2010年、2010～2013年、2008～2013年土地利用轉移矩陣(表2～4)。在此基礎上，對準格爾旗5年來的土地利用動態變化進行分析。

表1 2008～2013年土地利用變化統計

表2 2008～2013年土地利用轉移矩陣 hm2

表3 2008～2010年土地利用轉移矩陣 hm2

表4 2010～2013年土地利用轉移矩陣 hm2

2.1 數量變化與空間變化分析

2.1.1數量變化。從表1可以看出，2008～2013年準格爾旗林地、耕地面積減少較大，建設用地、草地面積顯著增加。其中林地面積減少了3 689.93 hm2，耕地面積減少了2 265.26 hm2；建設用地面積增加了3 976.34 hm2，草地面積增加了2 265.26 hm2。從年均變化率來看，建設用地年均增幅最大，為3.39%。

2.1.2空間變化。從表2～4土地利用變化類型的轉移矩陣中可以看出，在空間上建設用地的轉化最為顯著，主要由耕地、林地、草地其他地類向建設用地的轉化。建設用地迅速增加，主要因為準格爾旗憑借資源優勢建成亞洲最大的黑岱溝露天煤礦、地企合建的典范項目黃河萬家寨水利樞紐工程、火電項目國華準格爾發電廠等大項目，加之煤電能源戰略大力實施和地方煤炭企業蓬勃崛起的驅動，經濟得到了較快的發展，同時也占用了大量的耕地、林地、草地。

2.2 總動態度分析利用式(1)，得出2008～2010年、2010～2013年、2008～2013年土地利用變化平均速率分別為0.225%、0.372%和0.307%。其計算過程可分解為計算不同時期的土地變化絕對量(動態)、相對于總研究區面積的相對量(動態比)和在相對量計算基礎上的單位時間內用地變化的速率(動態度)(表5)。

表5 2008～2013年土地動態度

總動態變化度是內部與外部驅動因素共同作用的結果。國家啟動了西部大開發戰略、國家能源戰略等系列政策措施的支持和優惠政策的導向，是引起土地利用劇烈變化的外在原因，使得準格爾旗經濟得到了快速發展。而2010～2013年GDP逐年增加，人口數量迅速增加，是導致2010～2013年土地利用變化動態在2個時段中最大，整體土地利用變化最顯著的因素。

2.3 地類活躍度分析活躍度是針對某類用地的轉入、轉出展開研究的，用來表達該種地類在特定時間內的穩定程度。同上述方法，計算2008～2013年不同地類轉入轉出的絕對量(動態)、相對量(動態比)和速率(動態度)(表6～8)。在此基礎上，各地類轉移活躍度分別用轉入或轉出動態度的均值離差表示：負值表示用地轉移低于平均狀況，表示不活躍；正值表示用地轉移高于平均狀況，表示活躍。

表6 2008～2013年各用地類型轉入動態度

表7 2008～2013年各用地類型轉出動態度

表8 2008～2013年各用地類型出入活躍度 %

由表6～8可知，2008～2013年研究區建設用地的轉入和轉出總量最大，是最活躍的土地利用類型；而且，建設用地的轉入均大于轉出，反映出建設用地的數量在逐年增加，草地轉入轉出指數都在基準線0.307%以下，活躍度為負值，反映出草地是一種比較穩定的土地利用類型。

3 結論

該研究系統地構建了土地利用動態模型，并以2008、2010、2013年3期遙感數據為基礎由淺入深地揭示準格爾旗土地利用總體動態變化速率及類型轉換活躍程度。土地利用總動態度從整體角度分析不同時間間隔內土地利用轉移的數量和速率問題。從2008～2010年與2010～2013年2個時段的年均變化動態來看，研究區土地利用變化的平均速率是0.307%，其中2010～2013年土地變化動態大于2008～2010年，為0.372%。2008～2013年準格爾旗林地、耕地面積減少較大，建設用地顯著增加且年均增幅最大為3.39%。各用地類型轉移活躍度建設用地的轉入最為頻繁，轉出最活躍的是耕地，而草地轉入轉出活躍度都為負值，反映出草地是一種比較穩定的土地利用類型。

[1] 史培軍，陳晉，潘耀忠.深圳土地利用變化機制分析仁[J].地理學報，2000，55(2)：151-160.

[2] 王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[J].地理科學進展，1999(1)：81-87.

[3] 鄧祥征.土地系統動態模擬[M].北京：中國大地出版社，2008：25-28.

[4] 劉紀遠，張增祥，莊大方.20世紀90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J].地理研究，2003，22(1)：1-12.

[5] 田洪陣，楊太保，劉沁萍，等.基于RS和GIS的內蒙古達里諾爾湖1999-2010年動態監測[J].干旱區資源與環境，2012，26(10)：41-46.

[6] 孫鳳琴，黃昊，陳美連.廈門環東海域規劃區土地覆被變化的遙感分析[J].廈門理工學院學報，2011，19(3)：48-52.

[7] 魯春陽，田永中，楊慶媛.重慶市主城區土地利用動態變化時空特征分析[J].西南師范大學學報：自然科學版，2006，31(5)：186-189.

[8] 王曉嬌，陳英.基于信息熵的張掖市土地利用結構分析及其灰色預測[J].干旱區研究，2011，28(1)：92-97.

[9] HAN J，HAYASHI Y，CAO X，et al.Application of an integrated system dynamics and cellular automata modeltor urban growth assessment：A case study of Shanghai，China[J].Landscape And Urban Planning，2009，91：133-141.

[10] 全泉，田光進，沙默泉.基于多智能體與元胞自動機的上海城市擴展動態模擬[J].生態學報，2011，31(10)：2875-2887.

[11] 劉明皓，王耀.興基于“源”“匯”理念的土地利用動態變化分析[J].地理與地理科學，2013，29(3)：86-91.

國土資源部公益性行業科研專項項目(201211050)。

張曉玲(1985- )，女，內蒙古扎蘭屯人，助理工程師，碩士，從事地理信息系統與土地資源管理研究。

2015-02-11

S 28

A

0517-6611(2015)09-295-03