丹江口核心水源區土地利用變化研究

何 雄， 劉 海 ， 陳曉玲

(1.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430079； 2.湖北大學 資源環境學院， 武漢 430062)

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何 雄1， 劉 海2*， 陳曉玲1

(1.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430079； 2.湖北大學 資源環境學院， 武漢 430062)

南水北調工程是緩解北方缺水問題的重大戰略工程與基礎設施，中線工程已向北方輸水，研究丹江口核心水源區土地利用變化特征，對水源區生態環境的保護有重要意義.論文確定了丹江口核心水源區的范圍，基于1990年、2000年和2013年3期的Landsat遙感影像，提取了其土地利用信息；采用土地利用類型面積變化模型、土地利用動態度模型、土地利用程度變化等模型，分析了核心水源區土地利用變化特征：林地、城鎮用地面積呈持續增加，耕地、草地面積呈持續減少，其它變化較小；土地利用變化速度逐漸加快，土地利用程度呈持續下降趨勢.

核心水源區; 丹江口; 土地利用; 變化特征

我國水資源分布呈現的南多北少的特點，造成了北方嚴重缺水的形勢.南水北調工程是緩解北方缺水問題的重大戰略工程與基礎設施[1].2014年，南水北調中線工程已經開始向北方輸水，確保一庫清水北調，保證水源區有良好的生態環境是關鍵.土地利用反映了人與自然相互影響與交叉作用，逐漸成為事關生態環境和諧的最重要因素[2-5].研究水源區土地利用變化對水源區生態環境的保護有重要意義.

有關丹江口水庫的土地利用/土地覆被的研究，一些學者已經開展了研究，主要包括以下幾個方面：一是土地利用信息提取與分析;二是土地利用景觀分析；三是土地利用變化預測；四是土地利用對生態環境等的影響分析[6-9].當前各方面研究已較為廣泛，但是各個研究大多只是從某方面展開，而將多個方面的分析結合一起綜合考慮分析的研究則較少.本研究將從多個方面綜合考慮分析，能挖掘出單一方面分析所不能得到的綜合信息，從而更易發現土地利用存在的問題.

1 水源區確定與信息提取

1.1 水源區確定

根據南水北調中線工程水源區所涉及到搬遷的區域，即庫區加高后可能被淹沒的區域，本文將其定義為丹江口核心水源區，據此，確定水源區包括陜西省境內的白河縣，河南省境內的淅川縣和鄧州市，以及湖北省境內的鄖西縣、鄖縣、十堰市區、丹江口市、竹山縣、竹溪縣和房縣(即湖北省十堰市全域)，共10 個縣(市).

圖1 丹江口核心水源區行政區劃圖 Fig.1 The administrative zoning map of central water source area of Danjiangkou

1.2 土地利用信息提取

1.2.1 數據源介紹與數據預處理 土地利用信息提取，數據源采用美國陸地衛星(Landsat)數據，分別下載1990年、2000年和2013年3期及相近時期Landsat遙感影像，其中1990年和2000年的影像均為Landsat 5 TM遙感影像，2013年為Landsat 8遙感影像，分辨率均為30 m.

由于Landsat 8幾何精度較高，以2013年丹江口遙感影像為控制影像，對1990年和2000年兩期的影像進行幾何校正.使用三次多項式幾何糾正模型，分別與2013年的影像進行配準，并刪除誤差較大的點，使精度控制在1個像素以內.分別對3期影像進行拼接裁切，得到丹江口核心水源區3期的遙感影像.

1.2.2 土地利用信息提取 參照美國地質調查局(USGS)土壤覆被分類系統和研究區的實際情況，將丹江口核心水源區土地利用類型分為林地、草地、水體、濕地、城鎮用地、耕地和未利用地7大類.基于最大似然的監督分類以及目視解譯相結合的方法，獲得丹江口1990年、2000年和2013年7期土地利用/覆蓋數據(如圖2).利用隨機生成的300個點對分類結果進行精度評價，3時期精度分別為83.33%，84.67%和83.67%，Kappa系數分別為0.768 7，0.787 3，0.760 4，滿足研究要求.

圖2 丹江口核心水源區土地利用類型圖Fig.2 Landuse map of central water source area of Danjiangkou

2 土地利用變化分析

2.1 土地利用變化模型

土地利用動態變化包括土地資源數量、土地利用空間格局和類型組合方式等的變化.對于土地利用動態變化過程的研究，主要是以建立模型為手段，包括土地資源數量變化模型、土地利用程度變化模型和土地利用變化驅動力模型等[10-12].建立動態變化模型是研究土地利用變化過程和變化程度以及預測未來發展趨勢的主要手段，本研究對土地利用變化的分析，采用土地利用類型變化模型、程度變化模型以及動態度模型，以期既從數量變化與速率變化方面進行分析，又從變化的生態環境影響方面進行分析，使得分析更具實踐指導意義.

2.1.1 土地利用類型面積變化 土地利用類型變化率指研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，用于分析每一類土地利用類型在研究時期內面積變化量，其公式如下：

式中，Ev表示研究時段內某一土地利用類型的變化率；EUa、EUb表示研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量.

根據土地利用類型面積變化率，可以對土地利用的轉換趨勢進行評估分級.評估分為6級，分別為：快速增加、明顯增加、輕微增加、輕微減少、明顯減少、快速減少，具體指標如表1所示.

表1 土地利用轉換趨勢評估分級

2.1.2 土地利用動態度 在自然和人為因素的影響下，區域內各種土地利用類型的數量在不同時段變化的幅度和速度是不同的，且存在空間差異.土地利用動態度模型可以用來定量分析區域土地利用變化的速率，反映不同區域土地利用變化的劇烈程度，對比不同時段土地利用變化差異和預測未來土地利用變化的趨勢[13].

土地利用動態度常分為綜合土地利用動態度和單一土地利用動態度，前者用來反映各土地利用類型的總體變化情況，后者用來反映某種土地利用類型的面積變化情況[8，10].綜合土地利用動態度(C)和單一土地利用動態度(D)的計算公式分別為：

(1) 綜合土地利用動態度

式中，C為綜合土地利用動態度；Ai為研究起始時間第i類土地利用類型的面積；ΔAij為監測時段內第i類土地利用類型轉為j類(非i類)土地利用類型面積的絕對值;T為監測時段長度.當T的時段設定為年時，C的值就是該研究區土地利用年變化率.土地利用動態度為研究方便，將其擴大10倍.

(2) 單一土地利用動態度

單一土地利用動態度又分為反映土地利用類型變化絕對量的動態度K1和反映轉入和轉出變化過程的動態度K2.

式中，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的面積；ΔU1、ΔU2分別為T年內增加、減少的某一土地利用類型面積的絕對值，T為時間間隔年；K1、K2均為研究時段內某一土地利用類型的動態度，其中K1衡量的是某一土地利用類型數量的速度變化，反映了研究時段內從研究期初到研究期末土地利用結構類型面積變化的絕對差值情況，忽略了土地利用空間區位的固定性及相關屬性，掩蓋了某一土地利用類型轉入和轉出的雙向變化過程，不能很好地反映土地利用動態變化的空間轉移過程[14].修正后的動態度K2為轉入與轉出面積變化速率的和，能更為準確地測算單一土地利用類型轉移量的動態變化程度.為研究方便，將K1、K2均擴大10倍.

2.1.3 土地利用程度變化模型 土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，不僅反映了土地利用中土地本身的自然屬性，同時也反映了人類因素與自然環境因素的綜合效應[10].劉紀遠等從生態學角度出發，提出了土地利用程度的綜合分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡保持狀態分為4個級別：未利用土地級、林、草、水體用地級、農業用地級和城鎮聚落用地級，并對4種土地利用級賦予其本身類別的值，得到4種土地利用程度的分級指數，如表2所示，從而給定土地利用程度綜合指數模型及土地利用程度變化模型的定量化表達式[15].

表2 土地利用程度分級賦值表

(1) 土地利用程度綜合指數模型

式中，L為土地利用程度綜合指數；Ai為第i級土地利用程度分級指數；Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比；n是分級的數目.綜合指數的大小即反映了土地利用程度的高低.

(2) 土地利用程度變化模型

ΔLb-a=Lb-La，

式中,ΔLb-a為土地利用程度的變化；Lb、La分別為b時間和a時間區域土地利用綜合指數.ΔLb-a為正值表明該區域土地利用處于發展期，反之則處于調整期或衰退期.

2.2 水源區土地利用變化特征分析

2.2.1 土地利用類型結構變化 基于提取的土地利用信息，統計各時期各類型土地利用類型面積如表3.

表3 丹江庫區土地利用類型統計表

從水源區3期平均土地利用類型數據來看，庫區林地和耕地所占面積最大，分別占水源區總面積的44.31%和39.37%.其次是草地、建筑用地和水體，分別占水源區總面積的9.15%、3.20%和2.70%.濕地和未利用地面積最小，分別占水源區總面積的1.11%和0.15%，兩類面積之和約382.50km2，僅占水源區總面積的1.26%.

表4 丹江口核心水源區土地利用類型構成表

從各時期土地利用類型數據來看，2013年水源區森林覆蓋率最高，林地面積占水源區總面積的比例約為50.43%， 1990年林地覆蓋率最低，約占水源區總面積的39.02%.1990年～2013年，丹江口核心水源區林地覆蓋率呈持續增加的趨勢.耕地分布最多的年份是1990年，約占水源區總面積的43.51%，其次是在2000年，約占水源區總面積的39.82%，2013年旱地分布最少，約占水源區總面積的34.79%，即1990年～2013年，丹江口核心水源區耕地面積呈持續減少的趨勢.1990年～2013年，草地面積占丹江口核心水源區總面積的比例分別為10.76%、9.72%和6.98%，草地覆蓋率逐年遞減.1990年～2013年，城鎮用地面積由867.61km2增加到1 089.64km2，面積持續增加.水體、濕地和未利用地面積變化相比其它用地總量變化不大，其中水體和濕地面積略微增加，未利用地面積略微減少.

分析研究區各時期土地利用類型變化情況，在1990年～2000年，各類型面積變化率相對較低.林地和城鎮用地面積快速增加，變化率分別為11.45%和9.41%；水體面積變化不明顯，呈輕微增加趨勢；草地和耕地面積快速減少，變化率分別為9.67%和8.47%；未利用地面積明顯減少，變化率約3.15%；濕地面積變化不明顯，呈輕微減少趨勢.

表5 丹江口核心水源區土地利用類型面積變化

2000年～2013年間，各土地利用類型面積變化率較大，均高于1990年 ～2000年間土地利用類型變化率.草地、林地、城鎮用地和耕地變化率最大，變化百分比分別為28.18%、15.96%、14.79%和12.63%.林地、城鎮用地、水體和濕地面積快速增加，面積凈增量分別為2 101.01km2、140.42km2、87.71km2和24.31km2.草地、耕地和未利用地面積均快速減少，面積凈減少量分別為828.80km2、1 521.90km2和3.82km2.

1990年 ～2013年間，林地、城鎮用地、水體和濕地面積均快速增加，面積增加率分別為29.24%、25.59%、11.55%和6.78%；草地、耕地和未利用地面積均快速下降，下降率分別為35.13%、20.03%和11.19%；草地、林地、建筑用地和耕地面積變化率最大.

2.2.2 土地利用動態度 根據綜合土地利用動態度和單一土地利用動態度模型，計算丹江口核心水源區各時期土地利用動態度，如表6所示.

表6 丹江口核心水源區不同時段土地利用動態度

從水源區單一土地利用動態度K1來看，1990年～2000年，林地、水體和建筑用地均以11.42%、0.37%和9.41%的年均速率增長，其它用地類型表現為減少的趨勢.在面積減小的用地類型中，草地和耕地的動態度最大，分別為9.67%和8.47%；其次是未利用地，動態度為3.15%；濕地動態度最小，約0.58%.2000年～2013年，水源區各用地類型動態度均較高，草地、耕地和未利用地分別以21.68%、9.71%和6.39%的年均速率減少，其它用地類型表現為增加的趨勢，其中林地和建筑用地動態度最高 ，分別為12.29%和11.38%；其次是水體和濕地，動態度分別為8.57%和5.69%.

在1990年～2000年和2000年～2013年兩個時段內，修正的單一土地利用類型動態度K2明顯大于傳統的單一土地利用類型動態度K1，表明各用地類型均表現出明顯的轉入和轉出雙向變化過程.兩個時段內，水體修正的土地利用動態度K2和傳統的土地利用動態度K1均相同，主要是因為水體基本上均只有轉入沒有轉出.1990年～2000年林地動態度K2和動態度K1無明顯變化，也是因為在該時段內林地有大量轉入現象和幾乎無轉出.而在2000年～2013年，林地動態度K2遠大于動態度K1，是由于該時段有大量林地轉出的現象，主要表現為林地大量轉為耕地(約11.75%).

1990年～2000年，雖然林地和耕地轉移變化量均遠高于草地和城鎮用地，但動態度K2均低于草地，主要是由于林地和耕地基數較大.未利用地和濕地雖然轉移變化量很小，但是基數較小，所以動態度相對較高.2000年～2013年，耕地和林地動態度K2最高，且遠高于其動態度K1，主要是由于這兩大生態系統之間存在大量的轉入轉出現象.

比較兩個不同時段內動態度，2000年～2013年各生態類型動態度K2均高于1990年～2000年各生態類型動態度K2，說明在2000年以后各生態類型變化均為明顯.水源區綜合土地利用動態度在1990年～2000年遠低于2000年～2013年，說明在2000年～2013年，土地利用總體來講更加活躍，土地利用變化速度逐漸加快.

2.2.3 流域土地利用程度變化 根據土地利用程度模型，計算丹江口水源區土地利用程度綜合指數及其變化，如表7所示.

表7 丹江口1990年～2013年土地利用程度綜合指數及其變化

1990年～2013年丹江口核心水源區土地利用程度呈持續下降的趨勢，即水源區土地利用程度逐漸降低，土地利用屬于衰退期，說明隨著“南水北調工程”以及“退耕還林”政策的實施，丹江口重視生態的發展，減弱了土地利用的開發.而1990年～2000年水源區土地利用程度的變化低于2000年～2013年土地利用程度的變化，主要是由于部分政策是在2001年后開始落實.

3 結論

本文基于丹江口核心水源區3個時期的遙感數據，提取了20多年來的土地利用信息，并基于多種土地利用變化模型，分析了其變化特征，主要成果如下.

在3個時期中，庫區所占面積最大的土地利用類型為林地和耕地，其次是草地、建筑用地和水體，濕地和未利用地面積最小.林地、城鎮用地面積呈持續增加的趨勢.耕地、草地面積呈持續減少的趨勢.水體、濕地和未利用地面積變化相比其它用地總量變化不大，其中水體和濕地面積略微增加，未利用地面積略微減少.

在兩個時段內，反映轉入和轉出變化過程的動態度在2000年～2013年各類型均高于1990年～2000年各類型， 2000年以后各類型變化均較明顯.水源區綜合土地利用動態度在1990年～2000年遠低于2000年～2013年，在2000年～2013年，土地利用總體來講更加活躍，土地利用變化速度逐漸加快.

1990年～2013年丹江口核心水源區土地利用程度呈持續下降的趨勢，1990年～2000年水源區土地利用程度的變化低于2000年～2013年土地利用程度的變化，隨著“南水北調工程”以及“退耕還林”政策的實施，丹江口重視生態的發展，減弱了土地利用的開發.

本文主要研究了近20年來丹江口核心水源區的土地利用變化信息，研究周期若能更長，土地利用類型若能更細，土地利用模型若能更全面，則研究將更有參考價值，這也是以后需要繼續深入研究的方向.

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Land use change in central water source area of Danjiangkou

HE Xiong1， LIU Hai2， CHEN Xiaoling1

(1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying， Mapping and Remote Sensing， Wuhan University， Wuhan 430079; 2.Faculty of Resources and Environmental， Hubei University， Wuhan 430062)

The south-north water diversion project is a major strategic project and infrastructure for relieve the shortage of water in the north. The middle route project has begun to diverse water to the north. Research on the land use change characteristics of Dangjiangkou central water source area is important for protecting the ecological environment of the water source area. The Paper determined the scope of danjiangkou central water source area. The land use information was extracted， based on the three period Landsat remote sensing images of the year 1990， 2000 and 2013. Through the area of land use type change model， land use dynamic degree model， the degree of land use change model， the land use change characteristics of central water source area were analyzed. Area of forest land and urban land continue to increase， while cultivated land continues to reduce and other changes were smaller. Speed of land use change gradually increases， and land use degree continues to decline．

central water source area; Dangjiangkou; land use; change

2015-01-26.

2015測繪地理信息公益性行業科研專項項目(201512026).

1000-1190(2015)03-0440-07

TV697.4+4;TU991.11

A

*通訊聯系人. E-mail: liuhai11191@163.com.