基于GIS的長白山保護區林地時空變化圖制作方法研究

柴新宇

(廣東工貿職業技術學院，廣州 510510)

長白山為東北-西南山脈，總面積約2 019.97 km2，因其良好的生態吸引了眾多開發商。2009-2011年，長白山衛星地圖顯示有大量“黃斑”，這些“黃點”便是別墅和高爾夫俱樂部，短短兩年的時間里，這里開發了近3.60 km2的林地[1]。

土地利用/覆被變化(LUCC)是全球生態環境變化和全球氣候變化研究的重點[2]。為探索長白山自然保護區林地土地利用/覆蓋變化規律，以此為長白山自然保護區林地保護提供參考，采用土地利用統計[3]、轉移矩陣和凈變化[4](NC)等方法，設計了長白山自然保護區林地時空變化圖。

選用分辨率為30 m的時間相差25年的吉林省土地覆被柵格兩期數據及長白山保護區邊界，運用ArcGIS軟件進行數據處理。根據研究需要，使用標準C專項一級類對土地覆被類型進行劃分(如表1所示)。

長白山保護開發區的發展應更加注重對其生態環境的保護，制定相關的政策措施，對長白山保護開發區的土地利用進行控制，更好地管理長白山保護開發區及其生態環境，解決保護與利用的矛盾，推進長白山保護區發展工作順利實施。根據城市規劃編制方法和長白山保護開發區的保護要求，將其空間控制劃分為禁區、限制區和適宜區三個區域。

表1 標準C專項一級類Tab.1 Class A of standard C special project

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

長白山自然保護區[5]位于吉林省東南部，與延邊朝鮮族自治州安圖縣、渾江地區撫松縣、長白縣隔海相望，東南與朝鮮接壤，總面積2 019.97 km2，森林覆蓋率87.9%，是以森林生態系統為主要保護對象的自然綜合體。全區最大南北長80 km，東西長42 km。

長白山天池是一個由積水形成的火山口湖[6]，復雜的地質構造形成了面積1 000多m2的溫泉群。長白山自然保護區有三個地貌單元，即長白山中心的火山錐、長白山腳下的傾斜熔巖臺和熔巖臺地。從圓錐體下部到山前熔巖高原，再到熔巖臺地，地形向下傾斜，高度降低，坡度減慢[7]。

1.2 研究方法

1.2.1 轉移矩陣

土地利用轉移矩陣[8]是土地利用類型間相互轉化的數量和方向定量研究的主要方法，它能夠具體反映土地利用變化的結構特征和各類型間的轉移方向。

土地利用轉移矩陣的數學表達為：

(1)

式中：Sij為研究期內第i類土地向第j類轉化的面積 (km2)；i為第一時期土地利用類型；j為第二時期土地利用類型；n為土地利用類型的數量。利用土地利用轉移矩陣分析長白山保護區兩期數據不同土地利用類型的轉移方向和數量。

1.2.2 凈變化量

地類的凈變化量[9]指研究時段內某土地類型 (a) 期末面積與期初面積之差的絕對值。從土地轉入轉出過程來看，即研究期末各地類轉入a的面積與a地類轉出面積之差的絕對值。凈變化量NCa可表述為：

(2)

式中：n表示地類數，i、j(i，j=1，2，…，n)分別表示轉移后與轉移前的土地利用類型；Saj為第j地類轉入到a地類的面積；Sia為a地類轉出到第i地類的面積；Saa為a地類不變面積[10]。

2 數據處理

2.1 數據預處理

在系統工具箱中選擇Spatial Analyst Tools-提取分析-按掩膜提取：用長白山保護區邊界分別對第一期、第二期吉林省土地覆被柵格數據進行裁剪。在系統工具箱中選擇Conversion Tools-由柵格轉出-柵格轉面。對第一期、第二期長白山保護區土地覆被柵格數據進行柵格轉面，得到第一期、第二期長白山保護區土地覆被矢量數據。

使用標準C專項一級類對code1990、code2015字段進行編碼修改，當gridcode分別為1、2、3、4、5、6時，土地類型為人工表面、草地、濕地、林地、耕地、其他，用字段計算器在code1990字段和code2015字段輸入對應的一級類編碼：5、2、4、1、3、6。在code字段分別按屬性選擇不同的一級類編碼，分別于所選記錄中在其name字段右鍵字段計算器輸入對應的一級類名稱。

2.2 數據融合

在ArcGIS里分別打開兩個時相的圖層，打開系統工具箱，選擇Dissolve功能。Input Feature選擇第一期、第二期長白山保護區矢量數據圖層，Output Feature Class選擇輸出結果存儲的位置及名稱，Dissolve Field(s)選擇土地覆被類型字段name，勾選Creat multipart features選項并點擊確定。

在ArcGIS中打開融合后的長白山保護區第一期和第二期數據的矢量數據，在系統工具箱中選擇Analysis Tools-Overlay-Intersect求交集工具，Input Features選擇融合后的長白山保護區第一期和第二期數據的矢量數據，輸出特征類選擇疊加結果存儲的位置及名稱，得到兩期長白山保護區矢量數據。

2.3 轉移矩陣

2.3.1 矢量數據制作轉移矩陣表

打開完成數據相交操作后保存為dbf格式的矢量數據屬性表，另存為電子表格格式并打開。在電子表格中勾選全部數據，點擊“插入”功能，勾選“數據透視表”-“數據透視表”，點擊“OK”。在打開的數據透視表中按圖示把字段放到指定位置。Excel會自行推算矩陣，將該表進行修飾得到土地利用轉移矩陣。在矩陣中，土地面積用r(i,j)表示i類型向j類型轉移，空值表示i類型向j類型一點沒有轉移。

2.3.2 柵格數據制作轉移矩陣表

在系統工具箱中選擇Spatial Analyst Tools-地圖代數-柵格計算器，在計算框中輸入“第一期數據柵格數據*10+ 第二期數據柵格數據”，選擇輸出路徑，點擊“OK”完成。

在屬性表中選擇Option-Export，將屬性表保存為格式為dbf文件。

在Excel中，open保存的dbf文件另存為電子表格格式且打開，用EXCEL的“分列”功能將編碼列分為第一期數據土地利類型編碼和第二期數據土地利類型編碼。在電子表格中勾選全部數據，點擊“插入”選項卡，選擇“數據透視表”-“數據透視表”，點擊“確定”。在打開的數據透視表中按圖示將字段拖入相應區域。Excel自動推算矩陣將該表修飾得到土地利用轉移矩陣。在矩陣中，r(i,j)表示i類型向j類型轉移的土地面積，空值表示i類型向j類型沒有轉移。

用電子表格打開“土地覆被類型變化表”，提取第一期數據和第二期數據林地的轉入量和轉出量。林地的轉入量為由某種土地利用類型轉移到林地的面積，林地的轉出量為由林地轉移到另一種土地利用類型的面積，根據凈變化量公式(2)計算，凈變化量為轉入量減去轉出量。

3 結果分析

3.1 現狀統計與林地統計分析

如表2所示，第一期數據長白山保護區的林地面積為1 742.77 km2，占總面積的86.27%；草地面積為4.40 km2，占總面積的0.22%；耕地面積為3.00 km2，占總面積的0.15%；濕地面積為8.28 km2，占總面積的0.41%；人工表面面積為3.16 km2，占總面積的0.16%；其他面積為258.36 km2，占總面積的12.79%。其中，林地、其他為長白山保護區的主要土地覆被類型，占到了總面積的99.06%，遠高于其他類型所占比例。

表2 長白山保護區第一期數據土地覆被面積統計表Tab.2 Land cover area statistics table of the first phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

從圖1來看，長白山保護區的土地覆被類型有6種，分別是林地、草地、耕地、濕地、人工表面、其他。長白山保護區林地分布最為廣泛，是保護區的主要土地覆被類型，在研究區的北部、西部和南部分布較為完整。草地面積較少且比較分散，主要分布在研究區的東部和西南部。耕地的占地面積最少，主要分布于研究區的西南部。濕地呈線狀分布和塊狀分布，分布在研究區的東部、北部和西南部。人工表面呈現出線狀和點狀分布特征，集中分布在北部、東北部和南部。其他類型在研究區東部分布較為完整，在研究區南部呈碎塊狀分布。

圖1 長白山保護區第一期數據土地覆被類型和林地分布圖Fig.1 Data of the first phase of land cover types and forest distribution map of Changbai Mountain Nature Reserve

如表3所示，第二期數據長白山保護區的林地面積為1 773.24 km2，占總面積的87.79%；草地面積為3.51 km2，占總面積的0.17%；耕地面積為2.73 km2，占總面積的0.14%；濕地面積為8.30 km2，占總面積的0.41%；人工表面面積為3.16 km2，占總面積的0.16%；其他類型面積為229.04 km2，占總面積的11.33%。林地和其他類型依然是研究區主要的土地覆被類型，占總面積的99.12%。

表3 長白山保護區第二期數據土地覆被面積統計表Tab.3 Land cover area statistics table of the second phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

圖2 長白山保護區第二期數據土地覆被類型和林地分布圖Fig.2 Data of the second phase of land cover types and forest distribution map of Changbai Mountain Nature Reserve

從圖2可以看出，林地的面積相比于第一期數據有了明顯的增加，呈現出增長趨勢，其增長主要分布在研究區東南部，說明該保護區在這25年內林地保護取得了較大的成效。在研究區東南部，其他和草地的面積明顯減少。耕地、濕地及人工表面等土地覆被類型相比于第一期數據，長白山保護區的土地類型分布沒有太大的差異。

3.2 土地覆被面積對比分析

長白山保護區第一期和第二期土地覆被類型面積統計數據如表4所示。 長白山保護區第一期和第二期土地覆被類型面積對比如表4～7所示。

表4 長白山保護區第一期和第二期數據土地覆被類型面積統計表Tab.4 Land cover area statistics table of the first and second phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

第一期數據-第二期數據：林地面積增加，增加了30.47 km2；濕地和人工表面的面積幾乎不變；草地、耕地和其他都在不同程度地減少。

3.3 轉移矩陣分析

3.3.1 矢量數據轉移矩陣分析

通過分析土地覆被轉移矩陣，能夠得到不同土地覆被類型之間相互轉化的數量關系，進而分析土地覆被變化的過程及其空間變化。從表5可知，研究期間：

林地向草地、耕地、濕地、人工表面和其他均有微量轉移，其中林地向耕地轉移的面積最大，轉移面積為1.8 km2，向其他轉移面積為0.90 km2，向草地轉移的面積為0.16 km2，向濕地轉移了0.10 km2，向人工表面轉移了0.08 km2。

草地主要向林地轉移，轉移面積為0.96 km2，草地向耕地轉移了0.09 km2。 耕地僅向林地轉移，轉移面積為2.26 km2。濕地向林地和其他略微有所轉移，轉移面積均為0.03 km2。濕地向耕地有所轉移，轉移面積為0.01 km2。人工表面僅向耕地轉移，轉移面積為0.08 km2。其他主要向林地轉移，轉移面積為30.26 km2。其他是本設計中轉移量最大的土地類型。

3.3.2 柵格數據轉移矩陣分析

柵格數據轉移矩陣如表6所示。

表5 矢量數據轉移矩陣 (km2)

表6 柵格數據轉移矩陣 (km2)

通過對比表5和表6可以看出，矢量數據與柵格數據在面積計算上存在一定的差異。

長白山保護區兩期數據的矢量數據土地覆被類型轉移主要集中在研究區的東南部和西南部，其中大部分為林地，能夠直觀地看到土地覆被類型之間的轉移方向。

3.4 林地凈變化量分析

從表7中能夠看出，第一期到第二期數據這25年間，長白山保護區土地覆被類型的轉入量和轉出量及凈變化量。林地的轉入量為由某種土地覆被類型轉移到林地的面積。林地的轉出量為由林地轉移到另一種土地覆被類型的面積。凈變化量為轉入量減去轉出量。因此林地的轉入情況為：由草地轉入0.96 km2，由耕地轉入2.26 km2，由濕地轉入0.03 km2，由其他轉入30.26 km2；林地的轉出情況為：林地轉出為草地0.16 km2，轉出為耕地1.80 km2，轉出為濕地0.10 km2，轉出為人工表面0.08 km2，轉出為其他0.90 km2；林地的凈變化量為30.47 km2。由此可見，林地的轉入量大于轉出量，說明長白山保護區25年林地的面積呈現增長趨勢，林地保護取得了一定成效。

表7 長白山保護區第一期數據-第二期數據林地凈變化量表Tab.7 Forest net change scale of the first and second phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

從圖3可以看出，林地轉入的面積遠大于轉出的面積，說明長白山保護區林地面積的轉入主要來自于其他向林地的轉移，耕地和草地次之，來自濕地和人工表面轉入很少。

圖3 長白山保護區第一期數據和第二期數據林地轉移變化柱狀圖Fig.3 Histogram of forest land transfer of the first and second phase of data of Changbai Mountain Nature Reserve

4 結論

以第一期和第二期兩期長白山保護區土地覆被柵格數據為基礎，在ArcGIS 10.2軟件的支持下，提取出第一期和第二期長白山保護區土地覆被數據，運用轉移矩陣模型和凈變化量模型，對長白山保護區的土地覆被數據進行處理，研究長白山保護區林地的變化情況。數據處理包括數據裁剪、格式轉換、編碼修改、數據融合、數據相交、制作轉移矩陣和計算凈變化量。研究結果表明：

第一期數據長白山保護區的林地面積為1 742.77 km2，占總面積的86.28%；第二期數據長白山保護區的林地面積為1 773.24 km2，占總面積的87.79%，長白山保護區這25年林地面積增加了30.47 km2，增長率為1.75%。

兩期數據中，林地來自其他的轉移面積最大，為30.26 km2。林地向耕地轉移了1.8 km2，向其他轉移了0.90 km2，向草地轉移了0.16 km2，向濕地轉移了0.10 km2，向人工表面轉移了0.08 km2。

兩期數據中，長白山保護區林地的轉入量大于轉出量，凈變化量為30.47 km2。林地面積呈現增長趨勢，發生轉移變化的位置主要集中在研究區的西南和東南部。可以看出，該保護區25年內林地保護取得了一定的成效。

矢量數據與柵格數據在面積計算上存在一定的差異，由此對長白山保護區未來土地覆被變化研究應考慮以下情況：在對長白山保護區林地時空變化進行分析時使用的數據期數較少，在今后的研究中應使用研究期內的多期數據進行研究，以探究林地的時空連續變化情況；在對長白山保護區林地的時空變化進行分析時使用的數據分辨率為30 m，在今后的研究中應使用不同分辨率的數據進行研究，以探究分辨率對林地時空變化分析的影響。