漓江流域土地利用時空變化動態監測與分析

● 左天惠，陸飛揚，黃 妤

（1.廣西自然資源調查監測院，廣西 南寧 531002；2.梧州市自然資源局，廣西 梧州 543002）

隨著漓江流域內經濟活動規模的不斷擴大，流域內生態環境有逐步失衡的趨勢[1]。為全面了解漓江流域土地利用時空的變化，研究小組利用“3S”技術進行動態監測，通過提取1980—2020 年間共8 期各類土地利用時空變化數據后，運用土地利用動態和轉移矩陣方法，分析漓江流域土地利用時空變化的特征及驅動力。研究結果表明：（1）流域最主要的土地利用類型為林地，多年平均占比為 62.21%，其次為耕地、草地、建設用地和水域；（2）1980—2020 年以來，流域各土地利用類型整體變化幅度不大，主要表現為耕地、林地和草地面積減小，建設用地和水域面積增加；（3）1980—2020 年期間流域內各土地利用類型均發生不同程度變化，林地面積先減后增再減，整體變化不大。耕地面積先減少后增加，再急劇減少。水域面積先增加后減少再增加。草地面積先增加后減少。建設用地面積持續增加，且增加趨勢明顯。

1 流域概況及數據處理

1.1 流域概況

漓江流域位于廣西東北部、南嶺山系西南端，是珠江水系西江（珠江上游干流）的支流桂江上游河段的通稱，發源于廣西興安縣華江鄉（四百里越城嶺山脈的最高峰）貓兒山東北面海拔1.732 km（黃海基面）的老山界南側，流域范圍主要包括象山、七星、疊彩、秀峰、雁山、臨桂等6 個區以及靈川縣、興安縣、陽朔縣、平樂縣部分區域，第七次全國人口普查數據及《2021 廣西統計年鑒》數據顯示，2020 年，該流域范圍內總人口為306.97 萬，生產總值為1 454.78 億元，流域總面積為6 352.78 km2，干流全長214 km。整體地勢北高南低，以漓江為中軸線，呈南北向狹長帶狀分布，北部為碎屑巖中低山地貌，中南部主要為低山、丘陵、巖溶地貌，具有典型的喀斯特地貌特征。漓江流域屬于南亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫在20℃左右，年降雨量超過1 000 mm，降雨空間分布特征為由北向南遞減[2]。

1.2 流域基礎數據來源

（1）流域的基礎數據主要來源于漓江流域SRTM_V4 DEM 90 m、ASTER GDEM 30 m、ALOS DEM 12.5 m 分辨率數字高程模型（來源自USGS、NASA 和JAXA），交通、水系、居民點、行政駐地、行政區劃界限和注記等。其中，交通數據包括鐵路、高速路、國道、縣道；水系包括主要的河流、水庫、濕地和湖泊；居民點包括農村居民點和城鎮居民點；行政區劃分到鄉級并標有行政駐地的位置和注記等。

（2）選取1980 年（1980 年末期）、1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年 和2020 年共8 期流域的土地利用數據，其中前7 期數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，研究小組以Landsat TM/ETM 和Landsat 8 為主要信息源解譯以上數據，分辨率為30 m。該流域2020年的土地利用數據是通過Landsat 8 影像數據人工解譯獲得的。研究小組將該流域的1980—2020 年的土地利用分類系統分為2 級，一是5 個一級土地利用類型，分別為耕地、林地、草地、水域及建設用地，二是14 個二級土地利用類型。

（3）漓江流域內的高分辨率衛星遙感影像數據、DEM 數據、社會經濟統計數據以及相關的規劃資料等，主要有《漓江流域生態保護條例》、桂林市 1 ∶5 萬地形圖、2009 年桂林市1 ∶1 萬土地利用現狀圖、2020 年桂林市行政區劃圖、《桂林市志（1991—2005 年）》《桂林市社會經濟統計年鑒（1973—2020 年）》《桂林市國民經濟和社會發展統計公報（2013 年）》《桂林市土地利用總體規劃（2006—2020 年）》《桂林旅游發展總體規劃（2001—2020 年）》《桂林市城市總體規劃（2010—2020 年）》以及《桂林市重點旅游片區規劃（2014—2020 年）》等。

1.3 數據預處理

為保證漓江流域邊界及河網提取準確性，研究小組利用90 m、30 m 和12.5 m 多種分辨率DEM數據，加入流域高分辨率影像數據自行矢量化的主河道數據，然后利用ArcSWAT 軟件中Burn-in功能、Pre-defined 功能實現對原始DEM 及流域邊界等進行修正后提取[3]。最后，提取流域范圍對所有地理信息數據進行裁剪、重投影、重分類等預處理，將投影統一定義為CSGS2000-49N。

1.4 2020 年漓江流域土地利用數據解譯關鍵技術

1.4.1 影像數據預處理

利用 ENVI 軟件，以流域高程數據和歷年影像數據為地理參考，在流域四周選擇易識別地物處20 個作為地面控制點，通過多項式變換模型，對2020 年遙感影像進行幾何精校正，采用回歸分析去除大氣輻射后，利用正射校正降低山體陰影對影像的影響。首先，對校正后的影像進行波段計算，使用Band Math 工具分別計算獲得NDVI、NDWI、WET、NDBSI、LST、NDBI、LCI 等 遙 感指數圖層；其次，對流域DEM 數據進行坡度、坡向等常用地形參數計算；再次利用Gram-schmidt Pan Sharpening（GS）工具融合以上所有圖層；最后利用提取的流域矢量邊界進行裁剪，獲得漓江流域遙感影像數據。

1.4.2 遙感影像解譯

研究小組基于大數據思維，結合流域實際情況以及已有的成果數據，利用自主研發的隨機森林影像分類軟件對流域影像進行土地利用類型識別與分類，包括訓練樣本制作、模型訓練及參數調試、地物分類提取等步驟。研究小組制作訓練樣本時主要參考了2015 年土地利用類型數據及流域高分辨率影像，分別針對5 類土地利用類型制作了100 個樣本；然后利用該樣本數據進行模型訓練和參數調試；最后利用優化后的訓練模型及其參數對2020 年漓江流域影像進行土地利用數據。

1.4.3 分類后處理

研究小組利用聚類分析（Clump）和去除分析（Eliminate）工具將＜4 個像元的破碎小圖斑進行地類歸并，然后結合土地利用現狀圖、高分辨率遙感影像等資料對分類后的影像進行目視人工修正和檢驗，應注意調整山體陰影和水體的錯分，并利用已有水系、交通矢量數據對分類結果進行修正，以提高解譯結果的精度。

1.4.4 精度評價

研究小組采用隨機抽樣方式，在影像分類結果中隨機抽取約 300 個隨機點，結合土地利用現狀圖、流域高分辨率遙感影像數據等資料，分別把隨機點與其實際類型進行比對，輸入各隨機點的實際類別，生成分類精度報告，經精度評估的總體分類精度為89.73%，達到研究需求。

2 研究方法

2.1 土地利用變化特征

研究小組主要選取單一土地利用動態度（K）和綜合土地利用動態度（LC）2 個指標，表示土地利用變化的速率與程度，從類型水平和整體來定量評估土地利用變化動態特征。單一土地利用動態度（K）用于表示某種土地利用類型在具體研究時段的變化速率，綜合土地利用動態度（LC）則用于表征某一時段內研究區土地利用類型轉化的劇烈程度，LC的數值越大，說明土地利用變化越劇烈，反之則較弱，計算公式如下[4]：

式（1）中，Ua和Ub分別表示研究期初、期末某種土地利用類型的面積；LU表示土地利用類型的年際動態變化率；△LUi-j為研究時段T內i類型土地轉為j類型土地的面積；T為監測時長。

2.2 土地利用轉移矩陣分析

研究小組基于GDAL 庫進行二次開發，開發了兩期土地利用轉移矩陣快速計算工具，對漓江流域1980—2020 年以來的8 個時段的土地利用數據進行轉移矩陣分析，之后統計各土地利用類型轉移的趨向、面積及變化率，分析各研究階段土地利用轉移特征。

2.3 土地利用變化驅動力分析

研究小組采用定量分析與定性描述相結合的方法，分析不同時段土地利用變化的驅動力。通過對比不同時期土地利用轉移特征、三次產業比例、人口數、城市人口數等社會經濟指標變化特征，查閱相應時段漓江流域內出臺的政策措施等，分析不同時段土地利用變化的主要驅動力。

3 流域土地利用變化情況分析

過去40 年中，伴隨著城鎮化進程的加快、旅游活動的增加，特別是桂林國際旅游勝地建設的持續推進，漓江流域的土地利用發生顯著變化。

3.1 流域土地利用總體變化

從土地利用類型構成特征來看（見表1），1980—2020 年間漓江流域各土地利用類型均發生了不同程度的變化，到2020 年該流域的林地、耕地和草地面積減少，水域和建設用地面積增加，其中，耕地和建設用地面積變幅最大。林地一直為漓江流域的主要土地利用類型，占總面積的62%左右，主要分布在流域的北部貓兒山、越城嶺和東部的都龐嶺、海洋山等大型山脈，由1980 年前的3 969.10 km2減少到2020 年的3 937.00 km2，凈減32.1 km2。耕地作為流域第二大土地利用類型，主要分布在漓江河谷地勢平緩地帶，為城鎮化建設主要區域，因種植結構調整以及建設用地的侵占致使面積持續減少，由1980年的1 520.71 km2減少到2020 年的 1 426.03 km2，凈減94.68 km2；草地面積減少了18.19 km2；水域面積增加了18.44 km2；建設用地占比不大，約3%～5%，主要分布在流域內的桂林市區，興安、靈川、陽朔等縣城及周邊鄉鎮等，特別是臨桂新區和靈川縣等地的建設用地面積，呈快速增加之勢，面積由1980 年的 179.01 km2快速增加到 2020年的305.54 km2，凈增126.53 km2，增長幅度達到70.7%。這主要是由流域內城鎮擴張、工業用地以及旅游景區開發等因素驅動的。

表1 1980—2020 年漓江流域土地利用結構特征表

3.2 流域土地利用動態變化分析

1980—2020 年間漓江流域各土地利用類型均發生不同程度變化，林地面積先減后增再減，幅度不大。耕地面積先減少再增加，之后急劇減少，2010—2015 年間減幅最大，凈減值為43.19 km2，約占1980—2020 年總減少量的45.6%，近年來桂林市持續進行“旱改水”耕地提質改造項目和“先補后占”“占優補優”的耕地占補平衡等措施使得耕地銳減趨勢得到有效控制。草地面積先增加后減少。水域面積先增加后減少，而后持續增加，且增幅較大。建設用地隨著靈川縣、臨桂新區建設和桂林市其他區、興安縣、陽朔縣、平樂縣等城鎮化建設的持續進行而增加，2010—2015 年間增幅最大，5 年內凈增69.7 km2，約占1980—2020 年總增加量的55.1%，增長趨勢較為明顯。

3.3 流域土地利用轉移特征分析

綜上所述，研究小組對1980—2020 年漓江流域的土地利用類型進行分析，得到以下結論：

（1）漓江流域的耕地、林地、草地、水域和建設用地在1980—2020 年間的轉化率分別為：1.49、0.51、0.28、0.29、1.99，轉化率大小排列依次是建設用地＞耕地＞林地＞水域＞草地（見表1）。

（2）漓江流域林地主要轉化為至建設用地。早期主要轉化為耕地，主要由開荒種糧、種菜等引起；后期則主要轉化為建設用地，主要由流域內城鎮化建設而導致的；而后，退耕還林和石漠化治理等措施使林地面積得到一定補充，減緩林地流出趨勢。

（3）耕地的變更范圍比較廣泛，與其他各類要素間均有轉換發生，40 年間轉出變化率最高，達到1.49%（見表1），主要轉出流向建設用地、林地和水域，耕地轉出建設用地過程也印證了流域內2 次城鎮化建設高潮，即1980—1990 年改革開放后城市快速發展和2010—2015 年間桂林主城區發展及靈川縣、臨桂新區建設，同時也反映出流域內土地利用結構發生了改變，從農業逐步調整為工業、旅游產業等。

（4）流域內水域面積增加主要來源于耕地和林地。早期主要來源于耕地，是因為魚類的養殖效益高，導致大量耕地被用于挖塘養魚；2000 年后水域面積逐年增加，也主要來源于耕地和林地，且增加趨勢較為明顯。2011 年后漓江流域持續進行的生態環境修復，建成斧子口、小榕江、川江等多座漓江補水樞紐工程以及建設漓江蓄水壩等的建設，增加流域的水域面積。

（5）草地的變更較為單一，變化幅度也最小。1980—1995 年間草地面積增加主要來源于林地，而后2010—2020 年間因經濟發展，大量農民進城務工，開荒種糧種果樹減少，且部分耕作條件差的農田被撂荒變為草地，所以草地面積大量增加；草地面積減少主要是由于轉為林地、建設用地和耕地等，反映出當地退耕還林和生態修復的效果，有效改善了流域內生態環境，同時也保障了經濟發展用地需求。

4 結 語

研究小組以漓江流域為研究對象，基于1980—2020 年以來8 期土地利用數據，運用“3S”技術和相關分析方法，綜合分析1980—2020 年間漓江流域土地利用時空變化及驅動力，得到以下結論：

（1）1980—2020 年漓江流域最主要土地利用類型為林地，多年平均占比為 62.20%，其次為耕地、草地、建設用地和水域，多年平均占比分別為23.29%、9.45%、3.58%、1.48%。林地分布廣泛，耕地和草地分布較為分散，建設用地主要沿河分布，集中在流域中部河谷盆地。

（2）1980—2020 年以來，漓江流域各土地利用類型整體變化幅度不大，主要表現為耕地、林地和草地面積減小，建設用地和水域面積增加。在此期間，經濟進一步發展加快城鎮化、工業化和旅游產業化步伐，使得社會經濟用地大量侵占生態環境用地，社會經濟用地驟增。

（3）1980—1990 年間流域內各土地利用類型轉移的主要去向為建設用地和草地，此階段由于改革開放發展，城鎮化建設迅速起步，建設用地大量增加；1990—2000 年間各土地利用類型轉移的主要去向為林地、耕地和水域，此階段流域內的主要活動為農業生產，各類型土地間的轉移主要受農林種植結構調整、挖塘養魚和占用草地用于農林開發等因素驅動；2000—2010 年后，耕地、建設用地、林地和水域成為流入的主要土地利用類型，耕地和林地則是土地利用轉出的主要類型，造成這一時期土地利用變化的主要驅動力是城鎮化進程加速、產業結構調整、果業種植等因素；2010—2020 年間林地、耕地和建設用地是土地利用的主要流入類型，城鎮快速擴張、工業化、旅游業快速發展、農業種植結構調整以及林業、生態建設是此階段土地利用變化的主要驅動因素。

研究小組分析了漓江流域 1980—2020 年間8期土地利用變化的時空特征以及驅動因素，受遙感影像數據和分辨率等因素限制，所提取的土地利用類型僅為一級大類，包括耕地、林地、草地、水域和建設用地，僅能宏觀分析流域的土地利用時空變化情況及趨勢，很難滿足流域內土地利用精細化的監管要求。利用“空—天—地”立體化自然資源調查監測手段可提高流域內影像數據獲取頻次和分辨率，實現流域自然資源利用精細化時空變化監測及模擬預測。

綜上所述，研究小組為漓江流域的經濟與生態環境保護的協調發展提出以下3 點建議：（1）嚴格落實耕地保護政策，持續進行“旱改水”耕地提質改造項目和“先補后占”“占優補優”的耕地占補平衡等措施，有效解決流域耕地減少問題；（2）合理確定規模布局，強化節約集約用地，嚴格控制建設用地中交通、商業、工業用地的規模，并按照總體規劃的布局，引導向控制協調區集中。（3）持續開展流域生態環境修復，增加流域林地及水域面積。特別是在流域源頭核心區域，要按照生態系統演替的規律和方向，結合生態環境保護政策，處理好開發與保護的關系、人與自然的關系，按自然資源保護規劃“分級保”“分區護”的要求，合理、科學地進行退耕還林、退園還林，加強封山育林，合理利用現有草地規模，轉為灌木林地、喬木林地等林地，增大林地的范圍，提高森林覆蓋率。