基于TM影像的漳河流域土地利用時空演變分析

張玉杰，劉新俠，張安兵，王賀封

(1.河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭資源綜合開發與利用協同創新中心，河北 邯鄲 056038)

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基于TM影像的漳河流域土地利用時空演變分析

張玉杰1，2，劉新俠1，張安兵1，2，王賀封1，2

(1.河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭資源綜合開發與利用協同創新中心，河北 邯鄲 056038)

摘要：為獲取和進一步探討漳河流域土地利用時空演變規律，基于1993、2006及2010年3期Landsat TM 遙感影像數據和2011年SPOT5高分影像數據，利用ArcGIS空間分析功能與ENVI動態監測功能對流域土地利用時空演變特征進行研究。分析結果顯示：1993-2010年，漳河上游區域下墊面土地利用發生了巨大改變；耕地和裸地呈減少趨勢，各減少411.23、341.11 km2；林地、城鎮與建設用地和水域用地分別增加了656.8、72.01、23.53 km2；耕地與裸地主要轉入林地，部分耕地轉入城鎮與建設用地。

關鍵詞：TM影像；土地利用/覆被變化；漳河流域

土地利用/覆被變化可引起許多自然現象和生態環境的變化。它反應了不同時期人類出于各種目的對土地利用方式的改變。這種變化既包括土地資源數量、質量隨時間的變化，也包括土地利用空間格局的變化及土地利用類型組合方式的變化[1-2]。近年來對土地利用變化的研究成果較多，如朱運海等[3]探討了土地利用/覆被變化(LUCC)自動檢測方法，得出綜合應用上述方法能夠高效、準確的自動監測出LUCC信息；HAO Hui mei等[4]對中國北部農牧交錯帶地區的土地利用/覆被變化及引起的生態環境效應進行研究；黃寶榮等[5]分析了北京市城鄉結合部11年的土地利用/覆被變化情況，總結了造成該地區景觀格局演變的主要驅動因子；陳松林[6]、鄒亞榮[7]等研究了土地利用類型與土壤侵蝕的分布相關關系；陳龍泉[8]等分析了基于Markov-CA的土地利用/土地覆蓋變化動態模型并進行了驗證；李忠鋒[9]等利用RS與GIS分析榆林地區土地利用變化情況，得出該地區土地利用類型發生了顯著變化；Xiaohe Gu 等[10]基于遙感圖像對北京地區近30年土地利用/覆被變化進行動態監測并結合驅動因子進行了針對性分析。漳河上游流域地區隨著社會經濟的快速發展，人類活動不斷加劇，以及自然降雨的減少，土地利用/土地覆被變化較大，土地類型間轉換頻繁。為探索分析該區域多年間地表覆被變化狀況，本文利用RS、GIS技術對該流域土地利用類型變化強度進行了分析，得出該區域土地類型基本變化趨勢。

1 研究區概況

漳河位于海河流域西南部，屬漳衛河水系一級支流，由上游的清漳河和濁漳河匯合而成。跨晉、冀、豫三省四個地級市的22個縣(市、區)，流域總面積18 284 km2。漳河上游區域以山區地貌為主，東部為太行山脈，西部為太岳山脈，兩山之間是長治盆地，面積1 169 km2，是流域內主要農耕區。漳河流域四季分明，屬溫帶大陸性氣候。

2 數據與處理

2.1數據獲取

通過USGS(united states Geological Survey)、中國地理空間數據云(Geospatial Data Cloud)獲得美國陸地衛星(Landsat-5)拍攝的1993、2006、2010年的Landsat TM5衛星圖像(見表1)，該研究采用空間分辨率為30 m的1-5、7等六個波段。選取圖像時，為確保數據分析效果，采用了云量低于5%，且直接判讀標志(色調、色彩、紋理、形狀等)較清晰，植被生長良好、植被生長狀況近似月份的圖像。需要指出的是1993年植被長勢較好的7、8、9月份因圖像云量過大，不能滿足信息提取的要求，本實驗選取了相近的6、10兩個月份的圖像予以代替。輔助驗證數據采用由法國發射的spot-5衛星拍攝的2011年5 m分辨率遙感圖像。

表1 獲取LANDSAT-5數據

2.2 數據處理方法

土地利用動態度可定量描述區域土地利用變化的速度，它對描述土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有較好的應用。單一土地利用類型動態度和綜合土地動態度都是土地利用資源數量變化模型，本文采用單一土地利用類型動態度模型來進行研究區土地利用變化研究。單一土地利用類型動態度反映的是某一研究區域一定時期內某種土地利用類型的數量變化情況，其計算公式如下：

式中，K為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一土地利用類型的數量；T為研究時段長，當T的時段設定為年時， K的值就是該研究區內某種土地利用類型的年變化率，當K為正值時，表示該類土地的年增加率，K為負值時表示該類土地的年減少率；K的絕對值越大說明該類土地年變化率越大。轉移矩陣可全面而又具體地分析區域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化的方向。該方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，為國際、國內所常用[11]。ENVI軟件具備該項分析功能模塊，本項目采用該模塊進行應用分析，得出了該區域土地利用類型間的轉換關系。

3 漳河上游地區土地覆蓋變化特征

3.1 土地覆蓋類型圖

利用ENVI軟件進行數據預處理，以現場采集和SPOT5目視解譯結果為訓練和驗證樣本，針對該研究區域選取了600個樣本，并按照2:1的比例進行分配，其中訓練樣本、驗證樣本分別為400、200個。采用監督分類方法中的最大似然法(Maximum Likelihood method)進行圖像分類，通過該分類方法分別提取出1993、2006、2010年各類土地覆蓋類型的空間分布信息，如圖1。

表2 漳河上游地區土地覆蓋類型面積狀況

3.2 土地覆蓋空間格局與動態變化

(1) 土地覆蓋類型統計分析

由表2可得該地區土地覆蓋類型的具體變化情況，林地、耕地、裸地是漳河上游流域主要土地利用類型，城鎮與建設用地、水域占地面積較小，兩者占地面積不足2%。1993-2010年，林地、城鎮與建設用地及水域占地面積均呈增加趨勢，但耕地、裸地情況相反；1993-2006年，耕地減少面積最大，減少了356.89 km2，占總面積的比例下降2%；林地、城鎮與建設用地、水域3種類別占地面積均增加，其中林地面積增加量最大，增加了515.25 km2，城鎮與建設用地和水域增加面積分別為39.38、8.32 km2；2006-2010年之間，裸地面積減少量最大，減少135.05 km2；耕地面積減少幅度相對于前14年有所減緩，耕地面積減少54.34 km2。林地、城鎮與建設用地和水域仍保持增加趨勢，分別增加141.58、32.6、15.21 km2。

(2)土地覆蓋類型變化分析

由表3和圖1可知，1993-2006年間漳河上游流域土地覆蓋類型變化情況：林地、城鎮與建設用地、水域占地面積呈增加趨勢，其中林地面積增加515.25 km2，增加面積占林地現狀面積的4.93%，林地面積變化速度36.80 km2/y；城鎮與建設用地面積增加39.38 km2，增加面積占城鎮與建設用地現狀面積的14.52%；年變化速度為2.81 km2/y；水域面積增加8.32 km2，增加面積占水域現狀面積的14.52%，年變化速度達0.594 km2/y；耕地、裸地占地面積呈減少趨勢，其中耕地面積減少356.89 km2，減少面積占耕地現狀面積的8.1%，年變化速度為-25.49 km2/y；裸地面積減少206.06 km2，減少面積占裸地現狀面積的9.03%，年變化速度為-14.72 km2/y。

2006～2010年間，漳河上游流域土地利用變化情況：該時間段內各土地類型變化趨勢未變，但變化幅度發生一定改變：林地面積增加141.58 km2，增加面積占林地現狀面積的1.34%，林地面積變化速度達28.316 km2/y；城鎮與建設用地面積增加32.6 km2，增加面積占城鎮與建設用地現狀面積的10.73%，年變化速度為6.52 km2/y；水域面積增加15.21 km2，增加面積占水域現狀面積的8.86%，年變化速度達3.042 km2/y；耕地面積減少54.34 km2，減少面積占耕地現狀面積的1.25%，年變化速度為-10.868 km2/y；裸地面積減少135.05 km2，減少面積占裸地現狀面積的1.34%，年變化速度為-27.01 km2/y。

表3 1993、2006、2010年漳河上游流域土地覆蓋類型轉移速度

由本文2.2中公式求得漳河上游流域單一土地利用類型年變化率，見圖2。由該圖可知：1993-2006年，城鎮與建設用地的變化率最大，城鎮與建設用地的年增加率為1.213 %，其次為裸地，該地類年減少率為-0.592%；2006-2010年間，耕地、林地年變化率較低，其中耕地年變化率最小為-0.246%；林地年增加率為0.271%；水域年變化率呈上升趨勢，由0.401% 變為1.944 %；城鎮與建設用地的年變化率仍為最大，并且有上增趨勢，為2.404%；裸地的年減少率由1993-2006年的-0.592%變為2006-2010年間的-1.184%；表明漳河上游流域土地類型變化幅度較大，城鎮與建設用地尤為突出。

3.3 土地覆蓋類型的時空變化

單純從面積的變化來看，很難揭示土地利用的內部結構變化，為更好地揭示各種土地利用類型的內部變化特征，采用土地利用轉移矩陣定量說明土地利用類型之間的相互轉化狀況，分析區域土地利用變化特征[12]。

利用ENVI的動態監測功能中的分類比較法工具—Change Detection Statistics和流程化動態監測工具—Thematic Change Workflow ，對1993、2010年兩期土地覆蓋分類結果進行動態監測：獲得該地區土地利用的變化類型、面積、百分比等變化矩陣信息(表4)，該矩陣可以反映出漳河上游地區不同時期土地覆蓋類型的轉變過程；并得到1993-2010年間，漳河上游地區土地覆蓋類型空間轉換情況(圖3)。由表4和圖3得出，該流域土地覆蓋的時空變化特點如下：

(1)總面積情況：1993年，漳河上游地區五種地型的占地面積分別為水域148.2 km2，城鎮與建設用地231.83 km2，森林占地面積為9 928.07 km2，耕地4 768.8 km2，裸地 2 488.13 km2；2010年，各地類占地面積分別為，水域171.73 km2，城鎮與建設用地303.81 km2，森林占地面積為10 584.9 km2，耕地4 357.57 km2，裸地 2 147.02 km2。

(2)不同時期同種地型的差別：從1993～2010年，水域面積增加23.53 km2，城鎮與建設用地增加71.98 km2，森林占地面積變化量最大，相比2010年，增加656.83 km2；耕地占地面積和裸地面積均呈減少趨勢，其中裸地減少量最大，減少面積為411.23 km2，耕地面積減少341.11 km2。

(3)土地類別轉移情況：1993-2010年間，耕地面積轉移量最大，面積為2 114.19 km2，其中耕地面積主要轉變為林地，轉移面積量為1 537.34 km2，其次為裸地400.13 km2，少量轉變為城鎮與建設用地和水域，分別為128.57 、48.15 km2；水域面積轉出75.19 km2，主要轉變為林地和耕地，面積分別為35.87、28.56 km2，少量轉變為城鎮與建設用地和裸地；林地面積轉出2 106.81 km2，其面積轉移量僅次于耕地，林地主要轉變為裸地，面積為1 183.92 km2，868.09 km2的林地轉入耕地，少量林地面積轉入水域和城鎮與建設用地；139.81 km2的城鎮與建設用地轉入其他土地類別，主要轉變為耕地，面積為83.88 km2，另外31.56 km2轉入林地，少量轉入水域和裸地；裸地轉出1 938.72 km2，主要轉入林地和耕地，面積分別為1 166.18、715.12 km2，少量轉移到水域11.25 km2、城鎮與建設用地46.17 km2。

表 4 1993～2010年漳河上游流域土地利用類型轉移矩陣(km2)

4 結論

1) 耕地、林地為漳河上游流域土地利用的主要類型。1993-2010年，林地、水域、城鎮與建設用地均呈遞增趨勢，但耕地和裸地呈遞減趨勢。

2) 近18年，漳河上游地區不同地類轉移頻繁且復雜，土地利用變化強度較大，其中耕地面積大幅度降低，且主要轉化為林地，少部分轉變為水體；同時1 695.65 km2其他土地類別轉入耕地，主要來自林地與裸地。表明該時期漳河上游流域耕地轉化較活躍，生態環境得到一定改善，土地利用強度增大，實施墾荒種田。

3)1993-2010年，漳河上游區域林地面積呈增加趨勢，耕地與裸地為主要補充來源，說明該地區實施退耕還林政策，大力倡導植樹造林、發展林業；同時城鎮與建設用地、水域用地呈不同程度增加，說明人類活動加劇，城市化進程加快，人口壓力增大，對該地區的生態環境產生一定壓力；大量水渠、水庫的修建改變該地區的土

地利用類型，對生物及周圍環境產生一定影響。在未來建設中可繼續鼓勵正確的植樹造林、植草，加強該地區蓄水能力，減緩地下水開采；減緩城市化進程，保護道路及水渠、水庫附近的植被。

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(責任編輯王利君)

Analysis on the temporal and spatial process of dynamic change of land use and land cover in upstream of zhanghe river basin using Landsat TM

ZHANG Yu-jie1,2, LIU Xin-xia1, ZHANG An-bing1,2, WANG He-feng1,2

(1. College of Resources, Hebei University of Engineering,Hebei Handan 056038,China;2. Collaborative Innovation Center of the Comprehensive Development and Utilization of Coal Resource, Hebei Handan 056038,China)

Abstract：Land use/land cover change in upstream of Zhanghe river basin was affected by natural and human factors. During the past decades, reduced natural rainfall and frequent human activities has an influence on this region, so this research is important. Through analyzing the spatio-temporal characteristics of dynamic change of land use /land cover change in basin, Land use/land cover change for many years will be extracted in zhanghe river basin ,using the method of ENVI change detection and ArcGIS Spatial analyst, based on 1993,2006,2010 images derived from Thematic Mapper (TM) imagery .Moreover,Spot-5 image derived from 2011,will be used for precision evaluation. These results provide an important statistic reference for land use planning and sustainable development in this region. Finally, results indicate that forest, buildings and water was respectively increased by 656.8km2、72.01km2、23.53km2,rather cultivated and barren was decreased by 411.23 km2、341.11 km2,from 1993 to 2010.The input forest area was mainly originated from farmland and barren. Part of the farmland was transformed into urban land.

Key words：landsat TM; land use and land cover; upstream of Zhanghe

中圖分類號：X171

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0076-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.017

作者簡介：張玉杰(1988-)，女，山東濰坊人，碩士，研究方向為遙感應用。

基金項目：河北省自然科學基金資助項目(D2015402134)；河北省教育廳自然科學研究項目(QN2014184，YQ2013012)

收稿日期：2015-09-26