基于IRS-P6遙感影像的高原區土地利用動態變化監測

張 兵, 秦元萍, 韋 銳, 趙 晴

(1.石家莊學院 資源與環境科學學院, 河北 石家莊 050035; 2.北京通拓工程科技有限公司, 北京 100044)

水保監測與應用技術

基于IRS-P6遙感影像的高原區土地利用動態變化監測

張 兵1, 秦元萍2, 韋 銳1, 趙 晴1

(1.石家莊學院 資源與環境科學學院, 河北 石家莊 050035; 2.北京通拓工程科技有限公司, 北京 100044)

[目的] 對青海省天峻縣重點區域2005—2014年的土地利用變化情況進行監測，為生態環境保護和土地利用政策制定提供依據。[方法] 利用2005—2014兩期IRS-P6衛星影像數據，研究了針對該區域土地利用變化遙感監測的技術方法和操作流程。實踐表明，該方法用于對土地利用變化的監測與制圖能夠有效地提高土地利用信息提取的精度和效率。[結果] 2009年，土地利用仍以草地為主，雖比2005年略微減少，但基本保持平衡；內陸灘涂和未利用地總面積則略微增加，面積占比最小的依然是建設用地，雖然年均增長速度較快，但占比僅為0.29%。從年均變化上看，10 a間，水域面積減少近66.2%，年均減少速度達到了6.62%；建設用地增長過快，10 a間增長了59.98%，年均增長達到了6.00%。[結論] 當地經濟在這10 a間有了較快的發展，城鎮化水平得到一定程度的提高，但占總面積比例不足。監測區土地利用總體變化不大，年均變化率僅為0.13%。

IRS-P6衛星; 高原地區; 土地利用; 遙感監測; 青海省天峻縣

文獻參數： 張兵, 秦元萍, 韋銳, 等.基于IRS-P6遙感影像的高原區土地利用動態變化監測[J].水土保持通報，2017,37(1)：118-122.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.021； Zhang Bing, Qin Yuanping, Wei Rui, et al. Land-use dynamic changes in plateau area based on image of IRS-P6 satellite[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：118-122.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.021

土地利用是指人類在生產活動中為了達到一定的經濟效益和社會效益對土地自然屬性的使用方式，是為了獲得物質產品和某種服務的經濟活動。隨著社會經濟的快速發展以及人口的過度增長，為了獲取更大的經濟效益，滿足人們日益增長的物質生活需求，人類對土地資源的利用已經逐漸超過了大自然所能承受的程度，由此帶來了一系列嚴重的社會問題，如：生態失衡，環境污染加劇，資源枯竭等[1]。因此，為了加強對土地資源的有效管理，必須要加強對土地利用現狀的調查和土地利用變化趨勢的研究，為合理利用土地、控制非法用地，保護生態環境提供科學的基礎數據。遙感技術應用于土地利用變化監測由來已久，之前，人們利用80 m空間分辨率的美國MSS遙感影像數據以及30 m空間分辨率的Landsat TM，ETM遙感影像數據在大區域、大尺度范圍內對土地利用現狀及其變化的監測已取得了很多的研究成果[2-4]，隨著遙感技術的快速發展以及影像分辨率的大幅提高，利用遙感技術對土地利用現狀及其變化的監測已經逐漸延伸到了小范圍、小尺度領域，已經由國家、省級區域范圍擴展到市級，縣級行政區范圍[5-7]。姜慶虎等[8]，利用1995，2006年2期TM遙感影像，采用RS和GIS技術手段，對青海剛察縣的土地利用/覆被情況進行了提取，利用指數模型、轉化傾向模型以及轉移矩陣模型方法探討了剛察縣土地利用變化的時空變化，對其驅動力進行了探討。但是，利用近5 m分辨率的IRS-P6遙感影像對高原地區進行土地利用動態變化監測、制作1∶50 000比例尺土地利用圖的研究還相對較少。本文擬以GIS和RS技術為基礎，以IRS-P6衛星遙感影像為主要數據，結合項目區已有的地形圖，地貌圖等矢量數據成果，研究利用多源數據提取土地利用信息、制作1∶50 000土地利用圖的方法，對天峻縣重點區域近10 a來的土地利用變化情況進行監測和分析，為當地進行科學的土地資源管理和利用提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

天峻縣隸屬于青海省海西蒙古族藏族自治州，位于柴達木盆地東緣，青海湖西北部,總面積為2.57×104km2,總人口約5萬人，天峻縣最高海撥5 826.8 m，最低海撥2 850 m，相對高差近3 000 m。天峻縣是海西州唯一的牧業縣，煤炭和畜牧業是其主要產業。該區土地利用類型以是草地為主，草地主要包括天然草地和人工牧草地，多年來草地面積占整個土地利用總面積的比例一直維持在87%左右的水平，其次，該區域的土地利用類型主要是內陸灘涂和未利用地，其他土地類型占總面積的比例非常小。監測區范圍控制點經緯度坐標見表1。

表1 研究區范圍控制點經緯度

研究區介于98°30′—99°53′E， 37°21′—37°29′N，總面積約1 700 km2，涉及到的1∶50 000標準分幅的地形圖有天峻縣(J47 E017013)、哈德木(J47 E016013)、陶特克(J47 E015012)等12幅。

1.2 數據源與數據處理

1.2.1 遙感數據及其處理 研究采用的遙感數據是印度IRS-P6衛星的LISS-4傳感器于2005年10月和2014年10月獲取的遙感影像，該影像由青海省環境地質勘查局提供，同時利用其提供的1∶50 000地形圖對影像進行投影幾何精校正。IRS-P6衛星是印度在2003年10月發射的“資源衛星一號”遙感衛星，該衛星攜帶3個傳感器:多光譜傳感器LISS-3，LISS-4以及高級廣角傳感器AWIFS。LISS-4傳感器可獲取多光譜(MX)和全色(MN)影像數據。LISS-4傳感器的波段頻譜有綠，紅，近紅外3種，MX數據幅寬為23.9 km，對應于地面398 km的范圍，并可得到立體像對；MN模式下，其空間分辨率為5.8 m，該衛星的重訪周期為5 d。

為了使影像數據能更好的應用于土地利用變化監測，使用前，對影像數據進行了一系列的處理，目的是為了增強影像的對比度、消除影像在采集過程中由于地形起伏、地球曲率和大氣折光等影響而引起的畸變、偏移誤差[9-10]等，以提高影像質量。影像處理主要基于ENVI軟件，主要包括：幾何較正、影像融合與增強、投影變換、影像鑲嵌與裁剪等[11-14]。

1.2.2 矢量數據及其處理 矢量數據主要包括工作區1∶50 000，1∶100 000矢量地形圖和一些土壤、植被分布圖等輔助資料，由于工作區面積較大，涉及到12幅標準分幅的1∶50 000地形圖，因此，為了便于進行土地利用變化的信息提取，首先需要將矢量格式的地形圖進行拼接，對接邊存在的問題進行修改，保證拼接后地形圖的完整性和統一性。由于區域內海拔高，1∶50 000地形圖的等高線過于稠密，為使圖面簡潔，使用方便，對地形圖進行抽稀處理，主要是加大等高距，刪除多余等高線。

1.3 研究方法

土地利用變化的監測方法很多，本文選擇以MapGIS軟件為技術平臺，將處理之后的遙感影像和拼接后地形圖分別導入MapGIS平臺，將二者進行疊加，再對主要土地利用類型進行分類，分別建立解譯標志，然后結合遙感影像、地形圖和其他參考資料，逐一對土地利用類型進行信息提取，最后，對存在疑似問題的信息進行實地驗證，并根據驗證結果修正信息，制作1∶50 000土地利用圖，并對2005和2014年的土地利用變化情況進行統計和分析。具體如圖1所示。

圖1 土地利用變化監測技術路線

1.4 土地利用變化監測流程

根據監測區實際情況，以土地利用現狀分類標準(GB/T 21 010—2007)[15]為依據，將研究區主要土地利用類型分為草地、建設用地、水域、內陸灘涂和未利用地5個大類，然后對每個類別建立解譯標志[16-18]，解譯標志(表2)是直接反映判別地物信息的影像特征，它對于判斷地物的性質、類型等具有重要的指導作用，是提取目標地物信息的主要依據，因此，客觀的合理解譯標志能夠明顯的提高目標地物信息提取的精度和效率。在解譯標志的建立過程中，一是需要參考同地區已有的遙感解譯成果，二是在標志建立之后需要到實地進行抽查驗證。

表2 土地利用類型遙感解譯標志特征

解譯標志建立好之后，根據影像特征，可對監測區的土地利用變化情況進行信息提取與制圖，結合1∶50 000地形圖，分層勾繪影像上每一種土地類型，為了面積統計方便，將每種土地利用類型的線文件轉換為面文件，并按照規范規定的分類顏色標準填充顏色，信息提取完成后，將解譯初步成果打印出圖，對存在疑似問題的土地類型要到實地進行驗證、核查，同時對成果進行抽查檢驗，并根據核查和檢查的結果對土地利用圖進行修改。

2 監測結果及分析

2.1 監測結果

依據2005年10月和2014年10月監測區兩期的遙感影像數據，按照上述方法，分別制作了2005年和2014年監測區土地利用變化圖，通過對2幅圖的土地利用情況進行統計分析，得到了研究區近2005—2014年的土地利用變化情況。土地利用圖制作完成后，利用MapGIS 軟件的統計功能對每一個土地利用區進行面積統計，并根據工作底圖的比例尺對每個統計面積進行轉換，將其轉換為面積常用單位。表3是2005與2014年監測區土地利用變化對比表。

2.2 監測結果分析

2.2.1 土地利用面積變化分析 為了能夠對未來土地利用的變化趨勢進行預測，分別對單一土地類型動態度(KS)和土地利用綜合動態度(LC)進行了計算[19]。表3中KS一列反映的是監測時間段內各土地利用類型面積年均變化量，用式(1)計算;LC一列表示的是該區2005—2014來的土地利用綜合動態度，用式(2)計算。

(1)

式中：KS——單一土地利用類型動態度;Ua,Ub——某一時間段開始時和結束時的土地利用類型的面積;T——某一時間段的長度(a)。

表3 2005與2014年土地利用變化對比

(2)

從表3可知，2005年該區域土地利用類型主要是草地，占總面積的87.45%，其次是內陸灘涂和未利用地，分別占總面積的5.36，5.29%，建設用地占地最小，僅為0.18%；2009年，土地利用仍以草地為主，占比87.28%，比2005年略微減少，內陸灘涂和未利用地總面積還是位居第2和第3位，分別為6.41%和5.44%，比2005年略微增加，占地面積最小的依然是建設用地，雖然年均增長速度較快，但占總面積的比例還是很小，為0.29%。

從年均變化上看，10 a間，水域面積減少近66.2%，年均減少速度達到了6.62%，說明了由于人類生活、農牧業生產對河流水資源的不當利用，使當地河流區域的生態環境破壞比較嚴重。建設用地增長過快,10 a間增長了59.98%，年均增長達到了6.00%，這從側面反映了當地經濟在這10 a間有了較快的發展，城鎮化水平得到一定程度的提高，但從總面積占比看，還有待提高。草地的年均變化很小，基本保持平衡。從綜合動態度來看，10 a間，監測區土地利用總體變化不大，年均變化率僅為0.13%。

2.2.2 土地利用空間變化分析 通過土地利用轉移矩陣可以定量的研究土地利用類型的轉化方向，從而更直觀的分析土地利用變化的時空演變過程[20-22]。表4列出了研究區2005—2014年土地利用類型面積轉化過程，表5則為土地利用類型轉移概率矩陣。

表4 2005與2014年研究區土地利用類型面積轉移矩陣 hm2

表5 2005與2014年研究區土地利用類型概率轉移矩陣 %

由表4—5可知，研究區各土地類型保持不變的概率最大為草地，為99.567%，說明了草地面積在10 a間基本處于平衡狀態，最小的為水域，為18.458%，這進一步說明了，10 a間水域面積變化迅速，隨著人們對河流資源的不當利用，導致河水流量減少，從而使得原來水域部分轉化為內陸灘涂、草地和未利用地，轉化概率分別為60.452%，7.655%和13.407%。從表5中還可知，雖然建設用地保持不變的概率為92.176%，但是相對于除水域之外的土地利用類型而言，變化則是最大的。

3 結 論

(1) 將IRS-P6衛星全色影像和多光譜影像融合處理后，其影像精度能夠滿足1∶50 000土地利用圖的制作要求，并且，利用GIS平臺將多源數據進行統一，能夠充分發揮各種數據的優勢，提高信息提取與制圖的精度和效率。

(2) 通過多年來研究區水域和建設用地面積變化情況及變化趨勢的分析可知： ① 當地人們對河流水資源的不當利用，已經給河流水資源造成了很大破壞，對區域生態環境帶來了很大的風險； ② 多年來當地城鎮化水平和基礎設施建設雖然得到了較快的發展，但從其所占總面積的比例來看，還遠遠不夠。

(3) 通過對土地利用類型面積轉移矩陣和概率轉移矩陣分析可知，除水域外，其他土地利用類型保持不變的概率都維持在90%以上，尤其是草地，其不變的概率為99.57%，這說明了當地土地利用類型2005—2014年間總體變化不大，基本處于相對平衡狀態，可以預測，未來10 a除水域外，其他土地利用類型總體變化依然不會太大。

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Land-use Dynamic Changes in Plateau Area Based on Image of IRS-P6 Satellite

ZHANG Bing1, QIN Yuanping2, WEI Rui1, ZHAO Qing1

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalScience,ShijiazhuangUniversity,Shijiazhuang,Hebei050035,China; 2.BeijingTopstoneEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Beijing100044,China)

[Objective] The land-use change during 2005—2014 was monitored in order to provide the scientific data for the policy making and ecological environment protection in Tianjun County of Qinghai Province. [Methods] Based on the IRS-P6 satellite image of 2005 and 2014, the technical methods and operation process of remote sensing monitoring for the land-use change in the key region of Tianjun county was studied. [Results] In 2009, the dominated land-use type was grass, which was slightly less than that in 2005. The area of mud flat and unused land was slightly increased. The area of the construction land was still smallest because the area proportion was only as low as 0.29%, although its annual growth rate was increasing rapidly. Regarding to the annual changes, the water area decreased by almost 66.2% in the past ten years and the annual decreasing rate was 6.62%. The area of construction land increased fast and reached 59.98% in the past 10 years and the annual increasing rate was 6.00%. [Conclusion] Local economy has developed fast during 2005—2014, and the urbanization level has been improved greatly. However, regarding to the total area proportion of construction land, the change of land-use in the monitoring area is little and the annual change rate is only 0.13%.

IRS-P6 satellite; plateau area; land-use; remote sensing monitoring; Tianjun County of Qinghai Province

2015-11-03

2015-12-18

河北省科技計劃項目“山區土地利用變化的生態地學要素和生態系統服務功能研究”(2237126D-3)； 河北省自然科學資助項目“生態功能區風險識別與綜合評價研究”(D2010001952)

張兵(1979—),男(漢族),河南省潢川縣人,博士研究生,副教授,注冊測繪師,主要從事“3S”技術集成應用、土地資源開發利用等研究。E-mail:zhbing1020@126.com。

B

1000-288X(2017)01-0118-05

TP79