甘肅祁連山保護區石羊河流域上游土地利用/覆蓋變化監測研究

丁國民，李進軍，邸 華，李貴琴

（甘肅祁連山國家級自然保護區管理局，甘肅 張掖 734000）

甘肅祁連山保護區石羊河流域上游土地利用/覆蓋變化監測研究

丁國民，李進軍，邸 華，李貴琴

（甘肅祁連山國家級自然保護區管理局，甘肅 張掖 734000）

以甘肅祁連山保護區石羊河上游為研究區，利用2001年、2011年landsat-5 TM影像解譯監督分類結果，獲取了石羊河流域上游兩期土地利用/覆蓋分類圖，并基于土地利用動態度、土地利用轉移矩陣分析方法對石羊河流域上游2001-2011年土地利用/覆蓋作定量分析研究，分析了各土地利用類型的變化速率和土地利用類型間的相互轉化關系。

祁連山；石羊河；土地利用；監測研究

土地利用/土地覆被(LUCC或LC/LU)包含了土地利用與土地覆被兩層不同卻又密切相關的含義。土地利用/土地覆被變化是導致地球表層系統景觀變化的主要原因之一,顯著的反應了短期內人類活動對自然環境施加的影響［1，2］。土地利用/覆蓋分類是隨遙感技術發展而出現的新的土地利用分類方法［3］。對土地利用/覆蓋進行遙感影像分類具有其獨特的宏觀、綜合、快速、動態和準確優勢，充分體現了監測的及時性、精度高、范圍廣的特點，在土地利用/覆蓋監測中得到廣泛應用。

本文應用遙感影像及 GIS技術，對 2001、2011年研究TM衛星遙感影像進行解譯和監督分類，分析了石羊河上游土地利用/覆蓋狀況及變化，測算了研究區土地利用變化動態度，以及土地利用變化轉移矩陣，分析了研究區土地利用變化特點和趨勢，以期為該區域生態監測與保護提供科學依據。

1 研究區概況

石羊河是發源于祁連山區的三大內陸河之一，石羊河流域上游的祁連山區屬高寒半干旱濕潤區：海拔2000～5000m，年降水量300～600mm，年蒸發量700～1200mm，干旱指數1～4。其上游全部分布在祁連山保護區轄區內的東大河、祁連、西營河、哈溪、烏鞘嶺、上方寺、華隆、夏瑪、古城、以及馬場保護站的部分區域內。保護區內石羊河上游面積約8851.5km2。主要有森林、草原、草甸、荒漠、農田、濕地等自然生態系統構成，是石羊河上游重要水源涵養區，應用遙感技術開展石羊河上游土地利用覆蓋監測研究，具有重要科研價值和現實意義。

2 材料與方法

2.1 數據源及其軟件工具

本研究應用兩期LandsatTM5作為信息源（影像來源于中科院計算機應用研究所）。軌道號131/ 034,132/034，獲取時間分別為，2001-07和2011-06，平均云量小于5.5%，空間分辨率30m的4景影像。以及保護區邊界、石羊河上游邊界矢量圖。應用envi4.8、arcgis10.2軟件作為影像處理與分析工具。

2.2 數據預處理

為提高兩期遙感影像的可比性，首先將4景影像分別進行輻射定標、大氣校正，再將同年獲得的2景影像鑲嵌，消除成像時間等差異造成的影像差異。其次，對拼接的遙感影像進行幾何校正。雖然原影像已進行過幾何校正，但經過影像鑲嵌，兩期影像疊合仍有一定的位移誤差，為避免誤差，要對兩期影像進行精確的幾何校正。在校正后利用envi4.8軟件將兩幅影像、石羊河上游矢量邊界矢量數據的投影和坐標系統一為 transverse mercator，D-Beijing-1954。最后應用石羊河上游矢量邊界對影像進行裁剪，得到研究區的影像數據。

2.3 影像變化監測分類后比較法

2.3.1 分類系統的確立

根據國家土地利用分類標準，結合祁連山保護區石羊河上游土地利用/覆蓋的實際情況，以及TM影像的分辨率和地物光譜特征，確定一級分類4類：林地、草地、水域、未利用土地，二級分類10類：有林地、灌木林、疏林地、特灌林、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠庫塘、冰川雪地、裸土地、裸巖石質地。

2.3.2 分類方法的選擇

在相同訓練樣本下，采用監督分類中的五種分類方法（平行六面體法、最小距離法、馬氏距離法、最大似然法、神經網絡）分別提取土地利用/覆蓋變化信息，采用相同的訓練樣本對兩期遙感影像進行分類。分類后專題圖的正確分類程度（也稱可信度）的檢核是對影像進行分析的重要環節，目前評定分類精度通常使用混淆矩陣，利用混淆矩陣進行定量分析的主要參數有：總分類精度及Kappa系數［4-6］。

（1）式中：Pc為總分類精度，m為分類類別數，N為樣本總數，PKK為第K類的判別樣本數。（2）式中：K為Kappa系數，N為樣本總數，Ppi為某一類所在列總數，Pli為某一類所在行總數。

3 土地利用變化分析

3.1 研究區土地利用速度變化

土地利用/覆蓋變化速度由動態度表示，是指單位時間內某一土地利用類型面積的變化程度，可定量描述區域土地利用變化的速度［7，8］。土地利用動態度其數學表達式為：

（3）式中：Kj為土地利用類型j的土地利用類型動態度，s為j中土地利用類型在某監測時刻的面積，t1、t2表示監測初始、結束的時間。

研究區石羊河流域上游10年間，土地利用動態度大小絕對值一次為：冰川雪地>特灌林地>低覆蓋草地>裸地>庫塘河渠>有林地>中覆蓋草地>裸巖>灌木林地>高覆蓋草地>未識別區。受臨時降雪的影響，冰川雪地變化最大，除此之外，特灌林地、低覆蓋草地、裸地變化速度較其他土地利用類型變化速度快，其中有林地、灌木林地、特灌林地呈現增多的趨勢，而其他類型土地利用動態度呈現減少的趨勢。表明這10年間，通過天然林保護、封山育林，研究區有林地、灌木林地、特灌林地出現了恢復性增長，低覆蓋草地、裸地面積呈現下降趨勢。

3.2 研究區土地利用轉移矩陣及其轉移率分析

轉移矩陣法是基于生態學中馬爾可夫鏈的數學過程，能同時表示土地利用類型的儲存量和流動量，為定量分析土地利用轉變的基礎步驟。土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，它描述了前后兩幅土地分類圖之間的地類發生轉變的位置和類別，列表示T1時點土地利用類型，行表示T2時點土地利用類型［6,9］。本文應用envi4.8軟件change detection statistics工具對兩幅分類影像進行差異分析，分別識別出那些像元發生了變化，并生成土地利用變化轉移矩陣。

在土地利用轉移矩陣表格中，行代表的是變化的方向，列代表發生變化的土地利用/覆蓋類型，當行、列土地利用/覆蓋類型相交，代表未變化的部分。根據研究區土地利用轉移矩陣分析出研究區土地利用/覆蓋類型轉化方向。

2001年到2011年間，土地利用類型凈增面積百分率排序依次為：特灌林地>北川雪地>灌木林地>有林地。

從轉入類型分析，新增特灌林地面積主要由低覆蓋草地和中覆蓋草地轉入而成。新增冰川雪地主要由裸巖、低覆蓋草地被降雪覆蓋所致。新增灌木林地主要由特灌林地、中、低覆蓋草地轉入所致。新增有林地主要由灌木林地、低覆蓋草地轉入所致。

土地利用類型凈減面積百分率排序依次為低覆蓋草地>裸地>裸巖>中覆蓋草地>高覆蓋草地>庫塘河渠。

從轉出類型分析，低覆蓋草地轉出的類型主要有特灌林地、中覆蓋草地、灌木林地、以及裸巖等；裸地轉出的類型主要有低覆蓋草地和特灌林地；裸巖主要轉出的類型有北川雪地、特灌林地等；中覆蓋草地轉出的類型主要有特灌林地、灌木林地等；高覆蓋草地轉出的主要類型有特灌林地、灌木林地等；庫塘河渠轉出的主要類型有北川雪地、裸巖等。2011年與2001年相比，這10年中有林地、灌木林地、特灌林地出現能力恢復性增長，尤其是特灌林地增長最明顯，增長率達到16.123%；而高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋草地、裸土地出現了減少趨勢，低覆蓋草地減少最多，達到13.795%，裸土地減少6.46%。冰川雪地也出現了增加，增長了6.767%，這主要是從遙感影像無法將冰川和雪地區分，積雪面積增加，導致冰川積雪增長的結果。其原因是10年來，保護區相繼實施了天然林保護工程和生態公益林建設項目，加強了保護區生態保護，保護區植被出現了恢復性增長的態勢。

4 結果與討論

1）由動態度表示的土地利用變化速率看，除高山區冰川雪地受臨時降雪的影響變化最大外，特灌林地、低覆蓋草地、裸地變化速度較其它土地利用類型變化速度快，其中有林地、灌木林地、特灌林地呈現增多的趨勢，而其它類型土地利用動態度呈現減少的趨勢。

2）從田地利用轉移矩陣和轉移方向看，土地利用類型凈增面積百分率排序依次為：特灌林地＞北川雪地＞灌木林地＞有林地;土地利用類型凈減面積百分率排序依次為低覆蓋草地＞裸地＞裸巖＞中覆蓋草地＞高覆蓋草地＞庫塘河渠。從實地調查對比，與實際情況相符。

3）應用遙感影像進行土地利用覆蓋變化監測研究，為宏觀開展土地利用變化監測提供了一條便捷的途徑，但也存在諸多的不足。一是數據方面。雖然選擇了云量小于5%的遙感影像，但在部分地區仍然出現了云遮蓋地物的現象。為增加兩期影像的可比性，選擇了成像時間接近的影像，并進行了輻射校正、幾何校正，但Landsat TM5分辨率較低，存在誤差在所難免。二是受遙感影像分辨率的影響，分類精度任由一定的誤差，應用遙感影像開展土地利用覆蓋監測中，要通過幾何校正、輻射校正、光譜和紋理判讀，以及實地驗證等多種方法提高分類的精度，從而提高監測的準確率。

［1］ 張靖，同麗嘎，董建軍，等.土地利用/覆蓋變化研究方法［J］.內蒙古大學學報（自然科學版），2013,44（3）：329～333.

［2］ 陳改英，郭達志.北京市昌平區土地利用/覆蓋變化的遙感監測與熱環境響應分析［J］.測繪通報，2011（11）37～40.

［3］ 王豐，劉書明，盧文虎，等.基于遙感的天津濱海新區土地利用/覆蓋變化分析［J］.海洋通報，2014，33（6）：683～689.

［4］ 白洪偉，吳滿意，葛艷.蕪湖市土地利用/覆蓋變化的遙感分析［J］.西昌學院學報（自然科學版），2015，29（4）：74～77.

［5］ 何春陽，陳晉，陳云浩，等.土地利用/覆蓋變化混合動態監測方法研究［J］.自然資源學報，2001，16（3），255～262.

［6］ 鄧書斌.ENVI遙感圖像處理方法［M］.科學出版社，2010. 6，北京.128～164.

［7］ 謝余初，鞏杰，趙彩霞，等.干旱區綠洲土地利用變化的生態系統服務價值響應：以甘肅省金塔縣為例［J］.水土保持研究，2012，19(2)：165－170.

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