基于3S技術的土地利用時空變化分析——以迪那河綠洲為例

阿迪力·吐爾干，吐爾孫·哈斯木，郝永娟，阿不力 提甫·吾甫爾，楊家軍

（新疆大學 資源與環境科學學院，烏魯木齊830046）

土地利用是自然和人為活動的綜合反映，土地利用變化可以引起自然和生態過程的變化。因此土地利用變化研究已成為全球土地利用研究的核心領域之一［1］。土地利用變化研究需要綜合考慮自然和社會經濟多種因素，并且涉及多個學科［2］。目前我國土地利用變化研究主要集中在“脆弱區”和“熱點地區”，且基于大、中尺度的研究較多［3］。我們所指的脆弱地區一般是生態環境和自然條件較為敏感的區域，因而人類活動對土地利用的影響表現得更為明顯，例如我國西部農牧交錯帶［4］、干旱半干旱的過渡帶［5－6］、以及土地資源本身較為匱乏的地區［7］。研究小尺度土地利用變化涉及該地區的資源開發利用、食物安全、生物多樣性、社會經濟的穩定性、環境質量、生態環境脆弱性等社會和經濟問題，對人類生存與發展至關重要。同時，土地利用變化模型同遙感解譯和GIS的空間分析有機結合，是我國當前土地利用變化研究的一個重要技術特征，這在眾多的研究中都有反映［8－10］。在干旱區，土地利用主要集中在以流域為單元的綠洲內，有其特殊性。而本文研究對象同樣地處干旱區綠洲，其土地利用變化的獨特性符合干旱區土地利用的特殊性。針對目前干旱區土地利用變化小流域尺度研究相對薄弱的情況，本研究利用3S技術，進行定性、定量分析，深入探討迪那河綠洲土地利用變化類型、時空變化特點和演變規律，以期該地區的土地資源可持續利用、生態恢復與重建提供科學依據。

1 研究區概況

迪那河綠洲位于天山南麓（41°05′—42°32′N，83°38′—85°25′E）塔里木河干流西北緣，巴州西部，北起秋里塔格山，南接塔河干流北岸，東邊庫爾勒市、尉犁縣，西邊庫車縣接壤，是一個沿河延伸的沖洪積平原綠洲。綠洲范圍包括阿克薩來鄉、哈爾巴克鄉、輪臺鎮和群巴克鎮、塔爾拉克鄉和園藝場。土地總面積為141.58萬hm2，占全疆國土總面積的0.84%；綠洲面積為30.13萬hm2，占全疆綠洲總面積的2.04%，占本縣土地總面積的21.21%。土地類型主要包括：耕地，林地，草地，水域地，建筑用地，未利用地6種類型。迪那河綠洲日照充足，年日照時數2 670～2 780h，熱量資源豐富，平均氣溫為10.6℃，積溫4 040～4 210℃，無霜期188d，年均氣溫日較差14.7℃。研究區2011年總人口為8.05萬人，其中非農業人口為2.47萬人，占總人口的30.68%，維吾爾族為6.07萬人，占總人口的75.40%，占少數民族人口的99.31%，漢族為1.93萬人，占總人口的23.97%。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

迪那河綠洲數據源包括：1992年9月26日、2006年9月17日、2011年8月14日TM影像、2000年8月7日ETM影像，輪臺縣國土局提供的1∶50 000土地利用現狀圖，以及當地的實地考察資料。各時期影像的軌道號為144／31，分辨率為30m，共包括6個波段。原始影像覆蓋范圍遠遠大于研究區范圍，所以對影像進行裁剪以獲取研究區影像資料。獲取的研究區內影像無云層覆蓋，質量良好。

借助3S技術，對迪那河流綠洲四期的影像進行配準、幾何校正、圖像增強等處理，基于預處理后的遙感影像數據，用人工目視判讀的方法解譯獲取各時期的土地利用現狀數據，并結合研究區土地利用數據、輪臺縣統計年鑒和野外調查建立解譯標志，對解譯結果進行驗證，得到4期土地利用現狀。

2.2 迪那河土地利用時空變化的指標

采用土地利用動態變化模型，根據土地利用動態度、土地利用程度綜合指數及土地利用程度變化等指標，結合轉移矩陣方法，定量分析迪那河綠洲土地利用類型動態變化、變化速度和程度；土地利用動態變化體現在土地類型面積變化上，利用轉移矩陣分析研究區各種土地利用類型的轉移，不僅能表示土地類型之間的轉移數量，還能揭示土地類型的轉換率；土地利用動態度變化是描述土地利用變化成因、過程，預測未來發展變化趨勢的重要手段［11］。單一土地利用動態度表示的是某研究區在一定時間內某種土地利用類型的數量變化情況［12］。其表達式為：

式中：K——單一土地利用類型動態度；Ua，Ub——研究期初和期末某一種土地利用類型的面積（km2）；T——研究時段長。

土地利用程度不僅反映土地利用中土地本身的自然屬性，也反映了人類因素與自然環境因素的相互作用［13］。反映某一區域土地利用程度的方法主要有土地利用程度綜合指數［14］。土地利用程度根據土地自然綜合體受人數因素影響程度不同分為4級［15］，并賦予分級指（表1），從而給出土地利用程度的定量化表達式［16－17］。

式中：Lc——土地利用程度綜合指數；Bi——第i級土地利用程度分級指數；Ai——第i級土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度分級數。

土地利用程度的變化是該區域內多種土地利用類型變化的結果，土地利用程度及其變化量和變化率可以定量揭示出該研究區域內土地利用的綜合水平和變化趨勢，土地利用程度的變化量和變化率可表達為［18－19］：

式中：ΔL——土地利用程度的變化量；Lb，La——b時期和a時期研究區土地利用程度綜合指數；Cia，Cib——表示某區域b時間和a時間第i級土地利用程度面積百分比。

式中：R——土地利用程度變化率，當其值為正（即R＞0）時，表示該研究區域的土地利用正處于發展時期，若值為負，則表明研究區域的土地利用處于衰退期或是調整期；Ai——第i級土地利用程度分級指數。

表1 土地利用類型及土地利用程度分級表

3 結果與分析

3.1 迪那河綠洲土地利用面積變化分析

通過對迪那河綠洲土地利用面積變化進行分析發現（表2），研究區土地利用變化具有如下特點：（1）耕地面積占土地總面積的比重由13.28%增加到20.99%，總面積增加了134.86km2。耕地面積增加的主要原因是新開墾面積的增加和未利用地、草地、林地面積減小。（2）建設用地面積占土地總面積的比重由3.18%增加至12.70%，總面積增加了81.63km2。（3）未利用地面積迅速減小，減少面積達261.79km2，土地利用變化主要表現為未利用土地向耕地的轉化。

研究土地利用變化除了數量、程度變化外，研究各種類型之間的相互轉化也十分重要［20］。利用轉移矩陣，就能夠較為全面、具體地分析出研究區土地利用變化的結構特征以及變化方向，有效地揭示出土地利用類型的具體轉化細節［21］。如表3—5所示，1992—2000年，耕地面積大幅度增加，大量的草地，林地被開墾為耕地，分別占耕地總轉入面積的37.75%和48.89%，同時有37.45km2的耕地轉為草地等其他用地。期間有19.74km2的林地轉換為草地，而草地轉換為林地的面積約為該值的24.04%，大面積林地被毀而演變為草地，加劇了該地區生態環境的惡化。該時期，草地和林地轉變為水域地，占2000年水域地總面積的35.63%和23.93%。耕地、草地和林地也在向建筑用地轉變，其中草地轉入面積達37.59%。大量的草地、林地和濕地轉變為未利用地，大于未利用地轉出的面積；2000—2006年，草地、林地、未利用地向耕地轉化，使得耕地面積增加，其中林地轉向耕地的面積占26.55%。林地面積持續減少，但水域地面積和建筑用地面積持續增加，主要轉變來源仍是耕地和未利用地，占建筑用地轉入總面積的31.93%，32.37%。該時期未利用地面積減少，其中轉為草地的面積占未利用地總轉出面積的39.41%；2006—2011年，草地和林地繼續向耕地轉變，使得耕地面積持續增加。草地和未利用地面積大幅減小，其中草地轉化為建筑用地和未利用地的面積分別占2006年草地面積的30.92%和17.42%。水域地轉為草地的面積占濕地轉出面積的15%，建筑用地的面積繼續增加，主要轉變類型仍然是耕地和未利用地。因此，未利用地大幅減少，主要轉變類型為草地、建筑用地和耕地，其中草地占總轉入面積最大，占81.96%。

表2 迪那河綠洲不同年份土地利用面積變化 %

表3 迪那河綠洲1992－2000年土地利用類型轉換矩陣 km2

表4 迪那河綠洲2000－2006年土地利用類型轉換矩陣 km2

表5 迪那河綠洲2006－2011年土地利用類型轉換矩陣 km2

3.2 迪那河綠洲土地利用變化速度分析

1992—2011年20a間迪那河土地利用變化強度如下：（1）耕地和建筑用地面積總體增加，但林地、草地、水域地、未利用地都減少—增加—減少。（2）1992—2000年耕地、建筑用地呈增加態勢，增加速度為4.40%，11.05%，但草地、林地呈減少趨勢，減少速度為5.45%，5.31%。（3）2000—2006年耕地和建筑用地面積在增加，未利用地、林地面積在減少。（4）2006—2011年未利用地、草地、水域地減少，而建筑用地呈現增加趨勢（圖1）。

可見隨著該地區經濟發展和人口增加，需要大量耕地來滿足人們日益增長的糧食和其他農產品需求，從而導致林地、草地轉變為耕地。耕地面積的持續增加反映出農業生產仍然是迪那河綠洲重要的經濟活動。

3.3 土地利用程度的變化

通過表6可以看出，迪那河綠洲1992年、2000年、2006年和2011年土地利用綜合指數分別為174.82，176.77，203.69，225.31。該研究區的土地利用程度變化量為1.95，26.92，21.62，呈現先急速增加，后較緩慢變化的過程。從土地利用程度指數理論最極限（400）來分析，迪那河綠洲的土地開發程度已達中等水平狀態。ΔL＝50.49＞0，表示迪那河綠洲20a間土地利用綜合指數上升了50.49，反映土地利用正處于中等發展期。這與該研究區的自然地理和經濟社會發展狀況相吻合。

圖1 迪那河綠洲土地利用動態度

表6 迪那河土地利用程度綜合指數和變化量

4 結 論

（1）在自然和人類活動共同作用下，迪那河綠洲未利用地呈現先增加后減小的趨勢，這些變化反映了迪那河綠洲區提高經濟效益過程中，對未利用地進行改造和利用，但同時也對林、草植被造成了很大的破壞，對研究區生態環境構成了新的威脅。在以后的土地開發利用過程中應重視生態環境的保護與恢復。

（2）近20a迪那河綠洲土地利用發生了不同程度的變化。耕地和建筑用地面積總體呈增加趨勢，但林地、草地、水域地、未利用地都呈減少—增加—減少趨勢；該地區土地利用變化速度可以看出：隨著經濟發展和人口增加，需要大量耕地來滿足人們日益增長的糧食和其他農產品需求，從而導致林地、草地轉變為耕地。這一點在耕地的變化數量和速度上都有明顯體現。

（3）迪那河綠洲1992年、2000年、2006年和2011年土地利用綜合指數分別為174.82，176.77，203.69，225.31。這表明迪那河綠洲土地利用程度正處于中等發展階段，該結論與當地自然環境與社會經濟發展水平相吻合。

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