基于轉移矩陣的準格爾旗土地利用變化分析

張建國, 李晶晶,2, 殷寶庫, 高云飛, 劉曉燕

(1.黃河上中游管理局, 陜西 西安710021; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.黃河水利委員會, 河南 鄭州 450003)

土地利用變化類因子是影響水土流失變化的重要類型因子，了解土地利用變化是分析區域水土流失強度和面積變化的基礎。目前比較常用的土地利用遙感動態監測信息的分析方法主要包括傳統的數理統計法、構造參數法、土地利用轉移矩陣法以及景觀格局特征分析法[1]。土地利用轉移矩陣在土地利用變化分析中具有重要作用，并得到較為廣泛的應用[2-4]。相對于其他分析方法，其科學性及優勢性在于矩陣的生成靈活多變，分析的結果不受地物類別、數量限制，同時又可以對多時期的數據進行分析處理[5]。土地利用轉移矩陣是將土地利用變化的類型轉移面積以矩陣的形式列出，作為用地結構與變化方向分析的基礎，可以直觀地反映出某一區域土地利用面積的變化，也可細致反映各地類之間的相互轉化關系及來源概率，進而了解轉移前后各地類的結構特征，在土地利用變化分析和地類模擬方面具有重要作用。

準格爾旗位于毛烏素沙漠和西北黃土高原過渡地帶的沙化區，屬于陜晉蒙農牧交錯區，生態環境脆弱，水土流失嚴重。研究該區土地利用類型變化規律，對于了解該土地利用變化驅動因素和水土流失變化研究具有十分重要的意義。本文在遙感與GIS技術的支持下，通過引入土地利用轉換矩陣，對準格爾旗兩不變年度的土地利用格局進行分析，獲取土地利用變化特征，并結合土壤侵蝕數據，以期分析該區域水土流失變化情況，為該地區土地可持續利用與管理提供基礎數據與決策支持。

1 研究區概況及信息源

準格爾旗位于內蒙古西南部、鄂爾多斯高原東部，地處黃土高原邊緣，是晉陜蒙金三角地帶，位于東經110°05′—111°27′，北緯39°16′—40°21′，南北長116.5 km，東西寬115.2 km，總面積7 692 km2。

研究數據主要來源于2013—2017年全國水土流失動態監測與公告項目黃河流域監測成果：準格爾旗2014和2016年遙感影像及土地利用和土壤侵蝕解譯成果。土地利用主要包括耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦交通用地、水域及水利設施用地及其他土地這7個1級地類，其中其他土地包括沙地和裸巖裸地等地類。信息源以天繪1號遙感影像為主，輔以高分1號影像和資源3號衛星影像。融合影像包括紅、綠、藍3個波段，影像分辨率達到2 m。準格爾旗水蝕區坡度信息由1∶1萬DEM提取，風蝕區坡度信息由1∶5萬DEM提取。高斯—克呂格(Gauss-Kruger)投影，CGCS 2000國家大地坐標系，1985國家高程基準，D_China_2 000基準面。

2 土地利用轉移矩陣

2.1 土地利用轉移矩陣定義

土地利用轉移矩陣，就是根據同一地區不同時相的土地覆蓋現狀的變化關系，求得一個二維矩陣。通過對得到的轉移矩陣進行分析，能夠得到2個時相，不同的地類之間相互轉化的情況，它描述了不同的土地利用的類型在不同年份發生變化的土地類別以及發生變化的位置和變化面積。不僅能夠反映上述靜態的固定區域固定時間的各個地類面積數據，還能夠反映更加豐富的初期各個地類的面積轉出以及末期各個地類面積的轉入情況。從面積入手，反應區域土地利用變化。面積變化首先反映在不同土地利用類型的總量變化上，通過分析土地利用類型的總量變化，可了解土地利用變化總的變化趨勢和土地利用結構的變化。

轉移矩陣的應用主要表現在：采用GIS技術對兩期土地利用圖進行疊置分析從而獲得土地利用轉移矩陣，研究兩期之間各土地利用類型的轉移變化情況，了解研究期初各類型土地的流失去向以及研究期末各類型土地的來源與構成，通常結合土地利用數量變化、程度變化、空間變化等指數進行分析[6]。具體操作可描述為:在ArcMap中同時打開兩期土地利用現狀數據，根據土地利用類型字段對現有圖進行融合，利用疊加分析模塊下的交叉分析功能，對融合后的兩期土地利用數據進行疊加交叉操作，之后對獲得的交集圖層屬性表賦值并計算其面積，導出dbf屬性表，并在Excel中打開，執行數據透視表和數據透視圖操作，即可生成土地利用轉移矩陣。

根據以上描述，運用ArcGIS的空間分析功能對準格爾旗2014，2016年2期土地利用現狀數據分析，獲取了準格爾旗兩期的土地利用轉移矩陣(表1)。

2.2 土地利用轉移矩陣動態變化指標

土地利用轉移矩陣動態變化指標主要包括土地利用類型轉換概率(P)和土地利用類型動態度(D)。

在獲取的土地利用轉移矩陣的基礎上，為了更好地分析土地利用動態變化的主導過程，建立土地利用轉移模型，其模型公式為：

(1)

式中：Pij——2014—2016年土地利用類型i轉換為土地利用類型j的轉換概率；Sij——土地利用類型i轉變為土地利用類型j的面積(km2)。根據式(1)中計算，獲得土地利用轉換概率矩陣(表2)。

土地利用動態度可以定量描述區域土地利用變化的速度，它對比較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積極的作用。單一土地利用類型動態度表達的是研究區域一定時段范圍內某土地利用類型的數量變化情況，其表達式為：

D=(Ab-Aa)/Aa×1/T×100%

(2)

式中：D——研究時段某一土地利用類型動態度；Aa——研究時期初某一土地利用類型的數量；Ab——研究期末某一土地利用類型的數量；T——研究時段長，當T的時段設定為年時，D值就是該研究區某種土地利用類型的年變化率。

表1 準格爾旗土地利用轉移矩陣

表2 準格爾旗土地利用轉換概率矩陣 %

根據公式(1)和(2)，獲得準格爾旗某一土地利用類型的年變化率如表4所示。

表3 準格爾旗土地利用年變化率

3 結果與分析

3.1 土地利用變化的主導過程

根據表1—3可以看出，準格爾旗2014—2016年3 a內的各土地利用類型面積總體變化不顯著。由準格爾旗土地利用年變化率可以看出，該區內園地、其他土地、居民點及工礦交通用地和耕地的年變化率為正，表明這4種土地利用類型的面積呈增加趨勢；林地、草地和水域及水利設施用地年變化率為負，表明這3種土地利用類型的面積呈減少趨勢。準格爾旗3 a的土地利用變化的主導主要集中于其他土地和耕地面積的增加、農村居民點的擴張以及工礦交通用地的擴建，林地和草地大量減少，轉變為其他土地利用類型。

3.2 土地利用變化率分析

林地和草地年變化率分別為-0.15%和-0.17%，林地面積由2014年3 456.94 km2減少到2016年3 440.92 km2，減少了16.02 km2；水域及水利設施用地年轉換率為-0.31%，面積由2014年的269.49 km2，減少到2016年266.6 km2。盡管林地和草地的自身轉換率比較高，分別為98.34%的林地和97.79%的草地，但自身轉換之間可能導致該區域的林地和草地的覆蓋度發生變化，結合減少的水域及水利設施面積可以推斷，該區域的植被覆蓋度出現降低趨勢。

居民點及工礦交通用地年變化率為1.31%，面積由2014年的474.68 km2增加到2016年的493.31 km2，凈增加18.63 km2，除92.53%來源于自身外，4.71%的草地和1.26%的林地轉變為居民點及工礦交通用地。調查研究發現，導致居民點及工礦交通用地面積增加的主要原因為準旗境內擁有豐富礦業資源，新建工礦用地、擴建工礦用地較多，破壞了林地和草地面積；除此之外，正在新修的呼準鐵路和大路鎮周圍新建的公路也是導致林地草地面積減少，居民點及工礦交通用地增加的原因。

其他土地面積年轉化率2.31%，增加了10.53 km2，除86.7%為原有的其他土地外，其余主要由草地、居民點及工礦交通用地和林地轉移而來，轉移比例分別占3.65%，3.38%和4.48%。其他土地面積增加主要原因為人為擾動因素的影響，在建設前期場地平整階段的土地面積以及工礦用地棄土棄渣場植被恢復前表土覆蓋增加較多，在影像上顯示為裸地。

3.3 土地利用變化綜合分析與水土流失變化響應

準格爾旗2014和2016年不同土壤侵蝕強度面積如表4所示。該區域水土流失面積為除微度侵蝕以外的其他侵蝕的面積之和，可以看出準格爾水土流失面積增加了70.80 km2，結合土地利用變化可以看出，增加的水土流失面積與林地、草地和水域及水利設施用地減少有密切關系。除直接減少的林地和草地的面積導致了水土流失面積增加外，水域面積的減少以及98.34%的林地和97.79%的草地自身轉換引起的林地和草地覆蓋度等級的變化，也是導致該區域水土流失面積增加得另一個原因。

表4 準格爾旗土壤侵蝕統計

4 結 論

(1) 2014—2016年，準格爾旗各土地利用類型均發生了變化，其中園地、其他土地、居民點及工礦交通用地和耕地面積表現出增加趨勢；林地、草地和水域及水利設施用地面積表現出呈減少趨勢。林地和草地面積的減少與李忠峰等[7]研究的研究結果不一致，導致結果不一致的原因主要是2014—2016年，該區礦區的開采及鐵路的建設等人為擾動因素增加導致了該區的林地和草地面積減少。通過土地利用轉移矩陣的變化可以看出減少的林地和草地主要向居民點及工礦交通用地和其他土地轉移，轉移概率表現為：林地轉移工礦交通用地和其他土地的分別為0.79%和0.42%，是林地轉移耕地的4.6倍和2.5倍，草地轉移工礦交通用地和其他土地分別為0.68%和0.34%，是草地轉移耕地的4倍和2倍。

(2) 2014—2016年該區水土流失面積增加了70.80 km2。水土流失面積的增加主要與林地和草地面積減少以及林地和草地植被覆蓋度的變化有關。陳桂榮等[8]研究了2015年準格爾旗水土流失動態變化，表明該區水土流失增加與呼準鐵路和其它公路的修建、大路鎮周圍施工帶來了人為擾動，從而植被面積減少，工礦、裸地面積增加，此外，準格爾旗降雨量逐年減少，導致植被覆蓋度整體降低，也是導致該區水土流失增加的原因之一。

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