基于RS和GIS的伊春市土地覆蓋變化與空間格局分析

韓亞軍，賈煒瑋*，朱萬才

(1.東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業科學研究所，哈爾濱 150081)

基于RS和GIS的伊春市土地覆蓋變化與空間格局分析

韓亞軍1，賈煒瑋1*，朱萬才2

(1.東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業科學研究所，哈爾濱 150081)

選取“祖國林都”、“紅松故鄉”伊春市為研究區域，以伊春市1989年，1999年和2010年三個時期的LandsatTM遙感影像作為數據源，經過人機交互解譯得到三個時期的土地利用/土地覆蓋分布圖，輔以伊春市地形圖數據，分析伊春市土地覆蓋動態變化，并結合GIS工具和空間測量技術進行了空間格局分析。結果表明：伊春市土地利用/覆蓋類型特征明顯，林地占總面積的85%～90%，占有絕對優勢，其余從大到小依次為未利用土地、耕地、草地、建設用地和水域。伊春市1989-2010年間林地、耕地建設用地和草地面積都呈現增加趨勢，水域和未利用土地面積呈現減少的趨勢。伊春市1989-2010年間土地利用/覆蓋類型轉移特點明顯，草地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為4 759.15 hm2和2 281.69 hm2；耕地主要轉移為林地和未利用土地，轉移面積分別為46 268.31 hm2和2 194.26 hm2；建設用地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為593.42 hm2和573.64 hm2；林地主要轉移為耕地、建設用地和未利用土地，轉移面積相對于林地總面積來說都很?。凰蛑饕D移為林地和未利用土地，轉移面積分別為206.05 hm2和58.95 hm2；未利用土地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為48 023.12 hm2和2 818.96 hm2。在國有林區全面禁止商業性采伐試點的政策下，本研究結果可以為新形勢下伊春林區經濟結構調整和發展林下產業提供依據。

遙感(RS)；地理信息系統(GIS)；土地利用/覆蓋變化

0 引言

作為全球變化的重要組成部分，土地利用/覆蓋變化也是導致全球變化的最主要的原因之一。土地利用/覆蓋變化是“國際地圈與生物圈計劃”(IGBP)和“全球環境變化人文計劃”(IHDP)的核心研究計劃之一。土地利用是指人類有目的地開發利用地表土地資源的一切生產活動，IGBP和IHDP將土地覆蓋定義為“地球陸地表層和近地面層的自然狀態，是自然過程和人類活動共同作用下的結果”[1]。人類在利用土地資源促進自身經濟發展的同時，也使地表土地覆蓋格局發生了變化，從而對地球生態環境產生很大影響。研究發現，人類對地表土地資源的開發利用首先會導致地表自然形態的改變，地表下墊面自然形態的變化導致地表對太陽輻射的重新分配，影響了地表的水熱平衡，進而影響地表凈第一生產力，并且最終將作用于生物地球化學循環過程，引起全球或區域性的環境變化[2]?？梢?，對于全球和區域性的土地利用/覆蓋變化情況的研究，有助于加深理解人類活動對全球環境變化所產生的影響，有助于人類對自身活動產生的地表覆蓋狀況變化有一個更直觀的認識，為人類社會的可持續發展提供依據。近年來，隨著科技水平的不斷發展，許多學者利用遙感衛星技術進行對地觀測研究，監測土地利用動態，主要側重于土地利用/覆蓋類型的分析解譯以及相應覆被類型的光譜特征描述，利用地理信息系統和地圖學的理論方法制作土地覆蓋圖[3]。當前，伊春市面臨產業結構轉型，在全面禁止商業性采伐后，發展林下經濟成為政府大力扶持的發展方向[4]。本研究通過分析過去二十年間伊春市土地覆蓋變化特點、過程和趨勢，為伊春市土地利用結構的調整、土地管理政策的制定及生態環境的恢復重建，為林區戰略轉型和可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況和數據獲取

1.1 研究區概況

伊春市位于黑龍江省東北部，地理位置東經127°37′～130°46′，北緯46°28′～49°26′，幅員面積達39 017 km2。該區域屬于小興安嶺山地，山脈呈西北—東南走向，整個地勢西北高，東南低，南部較陡，北部較平緩，最高峰為平頂山，海拔1 432 m，同時也是小興安嶺的最高峰。伊春屬于北溫帶大陸性季風氣候，特殊的地理位置使得伊春市年平均氣溫在1℃左右，氣溫相對偏低；無霜期110～125 d。伊春市春秋兩季時間短，冷暖多變，氣溫回升快，降溫也快，大風天數較多；夏季濕熱多雨，植被茂密，清爽宜人；冬季嚴寒漫長，從11月到翌年4月，降雪天數較多。年平均降水量為750～820 mm。伊春市作為“祖國林都”，動植物等自然資源極其豐富。伊春市有林地面積300多萬hm2，森林覆蓋率達82%，活立木蓄積102億m3。森林類型主要是以紅松為主的針闊混交林，各種名貴樹種達110多種，蓄積量較大的樹種有紅松、興安落葉松、云杉、冷杉、樟子松和水曲柳等。

1.2 數據獲取

本研究收集的實驗數據主要包括：研究區域1989、1999、2010年三期TM遙感影像數據，伊春市30m分辨率DEM數據，伊春市行政區劃圖，伊春市土地利用現狀圖，伊春市1∶5萬地形圖，實驗數據收集見表1。

表1 實驗數據收集Tab.1 Experimental data collection

2 研究方法

2.1 建立分類系統

本研究以伊春市1989年、1999年和2010年三個時期的Landsat TM遙感影像為基礎數據，利用ENVI5.2對遙感影像進行解譯，采用監督分類和非監督分類相結合的方法制作伊春市三個時期的土地利用類型圖，擬選取中國土地分類系統為參照確定分類類別[5]，將研究區域分為6個一級類型：林地、耕地、草地、水域、建設用地和未利用土地，見表2。利用GIS空間分析技術分析伊春市土地利用變化情況，提取土地利用/覆蓋變化類型、位置和面積。利用EXCEL和IDRISI軟件進行統計分析，生成土地利用變化轉移矩陣，對土地利用變化情況進行具體分析。

2.2 數據處理

遙感影像的處理過程包括了影像的輻射校正、幾何精校正、圖像增強、波段合成、圖像鑲嵌、圖像裁剪等內容。遙感影像的分類傳統上有兩種方法：目視解譯分類法和計算機自動分類法[6]。本研究采用了人機交互式目視解譯方法對研究區土地利用覆被進行了解譯分類。采用人機交互目視解譯方法，按照分類解譯標志，參照其他輔助信息，對伊春市土地利用/覆蓋類型進行監督分類，分類結果在ArcMap軟件中進行彩色重編碼并制圖輸出。通常遙感影像解譯得到的只是初步結果，一般難以達到最終應用的目的，分類后的影像進行分類后處理，才能得到理想的分類結果。常用的分類后處理包括更改分類顏色、分類統計分析等。

表2 伊春市土地利用分類系統Tab.2 Yichun City Land Use Classification System

2.3 分類精度評價

執行監督分類后需要對分類結果進行評價，ENVI提供的常用評價方法包括分類結果疊加、混淆矩陣(Confusion Matrix)和ROC曲線[7]。使用混淆矩陣工具可以把分類結果的精度顯示在一個混淆矩陣里，用來比較分類結果和其他地表真實信息。

2.4 建立空間數據庫

將在ENVI5.2中的伊春市1989年、1999年、2010年土地利用分類結果矢量化圖導入到ArcMap10.2中，將分類結果進行合并，并完善屬性表字段和相應信息的補充填寫，完成土地利用/覆蓋數據庫的建設。至此，全部完成了研究區三期的土地利用地覆被遙感分類工作，按照已擬訂好的分類后比較法提取土地利用覆被變化信息的操作步驟，下一步將要在地理信息系統軟件平臺上，通過疊加三期分類結果矢量化圖來提取土地利用覆被變化的空間位置、數量和類型。

2.5 馬爾柯夫轉移矩陣

土地利用類型之間的相互轉化情況，可以采用馬爾柯夫轉移矩陣模型來進一步描述。馬爾柯夫模型是地理預測研究中的重要方法之一，它在地理、經濟、生態、遺傳和社會等領域具有廣泛應用[8]。馬爾柯夫模型主要用在無后效條件下時間和狀態均為離散的隨機轉移問題。也就是說，其觀察量第n次觀察值僅和該觀察量的第n-1次觀察值及一個狀態轉移矩陣有關，而和第n-1次觀察值以前的狀態無關，這就是馬爾柯夫性或稱無后效性[9]。這對于研究土地利用類型的動態轉化較為適宜，因為在一定條件下，土地利用類型演變具有馬爾柯夫隨機過程的性質：一定區域內，不同土地利用類型之間具有相互轉化性。土地利用類型之間的轉化包含許多難以用函數關系準確描述的事件，馬爾柯夫模型在土地利用轉化上的應用，關鍵在于轉移概率的確定[10]。轉移概率就是在事件發生的過程中，從一種狀態出發，由下一時刻轉移到其它狀態的可能性。本研究中，計算1989-2010年近二十一年間土地利用類型變化。該轉移矩陣可通過1989-2010年土地利用圖經疊加分析產生的屬性表來算，以斑塊相互之間面積的轉移值為矩陣中的元素，則轉移矩陣模型為：

式中：Aij為研究時段內土地利用類型i轉化為土地利用類型j的面積。

(1)轉移矩陣i行表示的是1989年的i土地利用類型轉換為2010年其他類型的面積；j列表示的是1989年的其他類型轉換為2010年j土地利用類型的面積。

(3)Aii即為第i類土地利用類型在與時段內沒有發生類型變化的面積數。該時段的轉移概率矩陣中的元素Pij用土地利用類型i在研究時段內轉化為類型j的面積與1989年類型i初始面積之比來表示，即：

Pij=Aij/Ai。

式中：Pij為研究時段內土地利用類型i轉化為土地利用類型j的轉移概率；Aij為土地利用類型i轉化為土地利用類型j的面積；Ai為土地利用類型i在研究時段內的初始面積。

2.5 空間格局分析

3 結果與分析

3.1 分類結果

經過分類后處理得到伊春市1989年、1999年、2010年土地利用/土地覆蓋類型分布圖，結果如圖1所示。

圖1 伊春市1989年、1999年、2010年土地利用圖Fig.1 Land use map in Yichun City in 1989，1999，2010

3.2 精度驗證

本文中1989年的分類精度為82%，1999年的分類精度為85%，2010年總體的分類精度為81%，Kappa系數為0.73。從表中可以看出水域和建設用地、林地的分類精度較高，總體分類精度達到80%以上，由于水域在遙感圖像上輪廓清晰，顏色呈藍色或深藍色，湖泊呈零星狀分布，光譜特征明顯，分類精度較高。林地在遙感影像上影像呈顆粒狀，呈淺綠或深綠，分布于山區，面積較廣，城市建設用地在圖像上有明顯的人為干擾痕跡，內部有白色點狀分布，多呈帶狀分布，這三種地分類精度較高。耕地、草地和未利用土地分類結果精度較低，耕地在遙感圖像上表現為紋理比較細膩，規則分布，邊緣清晰，草地紋理粗糙，分布于河流、湖泊周圍，未利用土地包括荒草地或沼澤地，影像呈紫紅色，紋理不規則。耕地、草地和未利用土地的分布范圍和影像光譜特征使得三者分類結果容易出現同物異譜、同譜異物等光譜混雜現象，分類精度不高，這也成為了提高遙感影像分類精度的重點研究方向。

表3 伊春市土地分類精度評價表(2010年)Tab.3 Yichun City land classification accuracy evaluation table(2010)

3.4 提取變化信息

將三期遙感影像解譯結果在統一的坐標系下進行配準，然后利用ArcToolbox的Overlay下的Insert模塊，疊置生成土地利用/覆被變化圖，提取出研究區土地利用覆被總體變化的位置、數量，也可以進一步細化提取出不同類型間變化的數量和位置、土地利用/覆蓋變化空間分布圖[14]。在ArcMap中將三期土地利用/覆蓋變化類型圖各地類面積計算幾何，得到6種土地利用/覆蓋類型的面積見表4。

表4 伊春市1989-2010年地類面積統計數據(單位：hm2)Tab.4 Land area statistics in Yichun City during 1989 - 2010(Unit：ha)

(a)水域面積變化趨勢

(b)耕地面積變化趨勢

(c)草地面積變化趨勢

(d)水域面積變化趨勢

(e)建設用地面積變化趨勢

(f)未利用地面積變化趨勢

在時間序列上，將每一種土地利用/覆蓋類型的面積變化制做成折線圖，各種地類的變化趨勢如圖2所示。

伊春市的土地利用/覆蓋類型總體呈現以下特點：林地面積占了絕對優勢，林地面積在1989年占土地利用總面積的89.77%，1999年有小幅減少，占了84.70%，2010年，林地面積在土地利用總面積中占比增加到90.94%；耕地面積在研究期內占土地利用總面積的比例持續增加，從1989年的2.44%到1999年的4.63%，再到2010年的5.18%；草地面積在1989年占土地利用總面積的0.76%，1999年占了1.09%，2010年占了1.60%，面積呈現不斷增加的趨勢；水域面積1989年占土地利用總面積的0.21%，1999年呈現小幅增加，占到了0.23%，2010年減少幅度較大，在土地利用總面積中的占比從0.23%降到了0.17%。建設用地占比從1989年的0.71%提高到1999年的0.73%，2010年大幅提高到0.96%；未利用土地面積占土地利用總面積的比例從1989年的6.10%提高的1999年的8.62%，2010年，伊春市的未利用土地面積占土地利用總面積的1.15%。

表5 伊春市1989-2010年地類面積變化統計數據hm2Tab.5 Land area change statistics in Yichun City during1989 - 2010

由表5分析可知，伊春市1989-2010年間土地利用/覆蓋各類型都發生了不同程度的變化，伊春市的林地面積占絕對優勢，達到整個市區總面積的85%以上。從土地利用/覆蓋分類面積變化趨勢來看，伊春市1989-2010年間，水域和未利用土地面積減少，耕地、林地、草地和建設用地面積增加。

林地：1989-2010年林地面積先減少后增加。林地總面積由1989年的175.48萬 hm2先減少到1999年的165.57萬 hm2，而到了2010年又增加到了177.94萬 hm2。林地面積在伊春市的土地利用/覆蓋類型中占比重較大。1999-2010年間伊春市林地面積增加了12.36萬 hm2，使得伊春市的林地面積在1989-2010年凈增加了24 581 hm2。

耕地：伊春市的耕地面積在整個研究期間內呈現增加趨勢，其中，耕地面積由1989年的47 633.5 hm2增加到1999年的90 516.8 hm2，增加面積達42 883.3 hm2增長速度較快。從1999-2010年，耕地面積增加了10 825.6 hm2，整個研究期內，伊春市耕地面積增加了53 708.9 hm2。

草地：在1989-2010年間，伊春市的草地面積由1989年的14 861 hm2增加到了31 245.3 hm2，增加了16 384.3 hm2，總體增長比較平穩。

水域：伊春市的水域面積，包括河流、水庫、湖泊等，從遙感影像上的解譯結果來看，在1989-1999年有小幅增加，1999-2010年間大幅減少，減少了1 029.2 hm2，2000年前后的厄爾尼諾現象造成了我國大范圍、長時間的降雨，使得伊春市這一時期的水域覆蓋面積較大。

建設用地：在1989-2010年間，伊春市的建設用地面積逐漸增加，建設用地包括城鄉住宅和公共基礎設施以及工礦用地、能源、交通、水利和通信等基礎設施用地，反映了人類活動對土地利用/覆蓋的影響。伊春市的建設用地面積由1989年的13 974.9hm2增加到1999年的14 300.4 hm2，到2010年又增加了4 545.3 hm2，達到18 845.7hm2，增加了4 870.8 hm2。

未利用土地：伊春市未利用土地面積在1989-2010年間先小幅增加后大幅減小。在1989-1999年間，未利用土地面積由119 304 hm2增加到168 469.9 hm2，增加了49 165.9 hm2，1999-2010年間大幅減少，減少到22 515.6 hm2，減少了145 954.3 hm2，研究期間凈減少96 788.4 hm2。

3.5 空間格局分析

伊春市1989-2010年間土地利用/覆蓋類型轉移特點明顯，草地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為4 759.15 hm2和2 281.69 hm2；耕地主要轉移為林地和未利用土地，轉移面積分別為46 268.31 hm2和2 194.26 hm2；建設用地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為593.42 hm2和573.64 hm2；林地主要轉移為耕地、建設用地和未利用土地，轉移面積相對于林地總面積來說都很??；水域主要轉移為林地和未利用土地，轉移面積分別為206.05 hm2和58.95 hm2；未利用土地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為48 023.12 hm2和2 818.96 hm2。

表6 1989-2010年伊春市土地利用/覆蓋類型轉移矩陣 hm2

續表6

草地耕地建設用地林地水域未利用土地總計建設用地00573644%131108992%593424%0170222501430036100%林地7220403430270010165494348100%1260122920165574832100%水域00083000206055%41877194%58951%445354100%未利用地5396402818962%182870480231229%01101169052069%16846990100%總計14861034763350139749317547935441906211930386195475749

4 結論

(1)伊春市的土地利用/覆蓋類型總體呈現以下特點：林地面積占了絕對優勢，林地面積在1989年占土地利用總面積的89.77%，1999年有小幅減少，占了84.70%，2010年，林地面積在土地利用總面積中占比增加到90.94%；耕地面積在研究期內占土地利用總面積的比例持續增加，從1989年的2.44%到1999年的4.63%，再到2010年的5.18%；草地面積在1989年占土地利用總面積的0.76%，1999年占了1.09%，2010年占了1.60%，面積呈現不斷增加的趨勢；水域面積1989年占土地利用總面積的0.21%，1999年呈現小幅增加，占到了0.23%，2010年減少幅度較大，在土地利用總面積中的占比從0.23%降到了0.17%。建設用地占比從1989年的0.71%提高到1999年的0.73%，2010年大幅提高到0.96%；未利用土地面積占土地利用總面積的比例從1989年的6.10%提高的1999年的8.62%，2010年，伊春市的未利用土地面積占土地利用總面積的1.15%。

(2)伊春市1989-2010年間土地利用/覆蓋各類型都發生了不同程度的變化，伊春市的林地面積占絕對優勢，達到整個市區總面積的85%以上。從土地利用/覆蓋分類面積變化來看，伊春市1989-2010年間，水域和未利用土地面積減少，耕地、林地、草地和建設用地面積增加。

(3)伊春市1989-2010年間土地利用/覆蓋類型轉移特點明顯，草地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為4 759.15 hm2和2 281.69hm2；耕地主要轉移為林地和未利用土地，轉移面積分別為46 268.31 hm2和2 194.26 hm2；建設用地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為593.42 hm2和573.64 hm2；林地主要轉移為耕地、建設用地和未利用土地，轉移面積相對于林地總面積來說都很??；水域主要轉移為林地和未利用土地，轉移面積分別為206.05 hm2和58.95 hm2；未利用土地主要轉移為林地和耕地，轉移面積分別為48 023.12 hm2和2 818.96 hm2。

(4)2014年中央1號文件明確提出：在東北、內蒙古重點國有林區進行停止商業性采伐試點，按照國務院要求，該項工作2017年覆蓋全國林區[15-16]。這項政策為我國森林提供了休養生息的條件，但也給以木材生產為經濟來源的重點林區帶來了更加嚴峻的挑戰，各級政府和重點林業企業紛紛把發展非木質經濟、普惠林農作為唯一的出路。我國林業產業也會由木材生產為主轉向林下經濟為代表的非木質資源產業的戰略轉移[17]。因此，針對伊春林區來說，尤其是林地面積的演變和動態變化，可以為伊春林區在新的戰略形式下發展提供科學的數據參考，為林區戰略轉型和可持續發展提供科學依據。

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AnalysisofLandCoverChangeandSpatialPatterninYichunCityBasedonRSandGIS

Han Yajun1，Jia Weiwei1*，Zhu Wancai2

(1.College of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Forestry Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150081)

Yichun city known as “forest capital of China” and “hometown of pinus koraiensis” was selected as the research area.The Landsat TM remote sensing images of three periods of 1989，1999 and 2010 of Yichun were used as data sources，and the land use/land cover distribution map of three periods was obtained.Based on the topographic map data of Yichun，the dynamic change of land cover was analyzed.Spatial pattern analysis was carried out with GIS tool and spatial measurement techniques.The results show that the characteristics of land use/cover type in Yichun City is obvious，and the forest land accounts for 85%-90% of the total area and occupies the absolute superiority.The percentage of the rest is from unused land，cultivated land，grassland，construction land and water area from large to small respectively.The area of forest land，cultivated land and grassland in Yichun increased from 1989 to 2010，and the area of water and unused land showed a decreasing trend.From 1989 to 2010，the land use/cover type transfer characteristics were obvious.The grassland was mainly transferred to forest land and cultivated land，and the transfer area was 4 759.15 hm2and 2 281.69 hm2respectively.The cultivated land was mainly transferred to forest land and unused land，and the transfer area was 46 268.31 hm2and 2 194.26 hm2.The construction land was mainly transferred to forest land and cultivated land，with the transfer area of 593.42 hm2and 573.64 hm2respectively.The forest land was mainly transferred to cultivated land，construction land and unused land，and the transfer area was very small relative to the total area of forest land.Water was mainly transferred to forest land and unused land，and the transfer area was 206.05 hm02 and 58.95 hm2.The unused land was mainly transferred to forest land and cultivated land，and the transfer area was 48 023.12 hm2and 2 818.96 hm2respectively.Under the policy of prohibiting commercial cutting in the state-owned forest areas，the results could provide the basis for economic structure adjustment and development of under-forest industry.

RS；GIS；land use/cover change

S 237

：A

：1001-005X(2017)05-0017-07

2017-05-08

黑龍江省森工總局基金項目(sgzjQ2012004)

韓亞軍，碩士研究生。研究方向：林業遙感與地理信息系統。E-mail：hanyj2017@126.com

賈煒瑋，博士，副教授。研究方向：林分生長模型。E-mail：Jiaww2002@163.com

韓亞軍，賈煒瑋，朱萬才.基于RS和GIS的伊春市土地覆蓋變化與空間格局分析[J].森林工程，2017，33(5)：17-23.