不同矢量—柵格轉換尺度下黃泛平原風沙區縣域土地利用面積損失特征

袁利 王暉 張芷溫 高睿瑜 張榮華 明成霞

［關鍵詞］ 土地利用；矢量—柵格轉換；面積損失；水土流失；動態監測；蘭考縣黃泛平原風沙區

［摘 要］ 土地利用是區域水土流失動態監測重要的基礎數據，是進行土壤侵蝕模數計算、水土保持功能評價和深度分析的前提，以矢量格式為主。為進一步分析土地利用空間分布特征及其與其他水土流失影響因子的關系，需將矢量格式轉換成柵格格式。以黃泛平原風沙區河南省蘭考縣為例，基于ArcGIS 10.2平臺，分析2種轉換原則、5種柵格尺度下不同土地利用類型的轉換特征及差異，探索縣域土地利用柵格化最優原則和尺度。結果表明：綜合考慮土地利用類型等因素，黃泛平原風沙區縣域尺度土地利用矢量數據柵格化時，宜選擇RCC原則、10 m尺度。

［中圖分類號］ S157? ［文獻標識碼］ A? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.015

隨著《全國水土流失動態監測實施方案（2023—2027年）》的印發實施，水土流失動態監測內容由水土流失狀況監測擴展到水土保持功能評價和深度分析，而土地利用是水土流失動態監測重要的基礎數據，迫切需要進一步提高土地利用和水土流失空間疊加分析的效率。水土流失動態監測中土地利用數據以矢量格式為主，為進一步分析其空間分布特征及與其他水土流失影響因子的關系，需將矢量格式轉換成柵格格式[1]。進行矢量—柵格數據轉換時，需明確柵格單元的大小，確定合適的柵格化方法，從而盡量保持地表的真實性及信息容量的最大化。不同柵格化方法的原理、過程存在差異，導致矢量—柵格數據轉換的結果存在損失面積和精度損失差異。目前，已有的矢量—柵格數據轉換研究多針對山地丘陵區，尺度涵蓋各級行政區域，涉及各類型數據和轉換方法與尺度[2-3]，但關于平原地區矢量—柵格數據轉換的損失面積、精度損失的相關研究較少。筆者以黃泛平原風沙區河南省蘭考縣為研究區域，基于常用的兩種矢量—柵格數據轉換原則，將區域土地利用矢量數據分別按2、5、10、30、90 m 5種尺度進行柵格轉換分析對比后，獲取不同矢量—柵格數據轉換原則下不同土地利用類型的損失特征。研究成果可確定黃泛平原風沙區縣域土地利用數據柵格化的適宜尺度和轉換原則，為黃泛平原風沙區水土保持功能評價和深度分析提供參考和科學依據，有效支撐水土保持高質量發展和生態保護修復。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

蘭考縣位于豫東平原西北部，地理位置為114°41′～115°15′E、34°44′～35°01′N，土地總面積1 116 km2，是我國重要的糧棉油產區。研究區屬暖溫帶季風性氣候區，多風季節與干旱季節基本同步，為區域風蝕發生、發展提供了條件；年均降水量678.2 mm，主要集中在7—8月；多東北風和西南風，冬春季平均風速4.0～5.0 m/s，最大風速可達28.4 m/s，起沙風日數年平均43.9 d，主要集中在冬春季節。主要土壤類型為潮土和風沙土，質地多為砂壤土。植被以落葉闊葉林為主，有楊樹、泡桐等。歷史上黃河曾多次泛濫、決口和改道，區域內河道呈S形，引黃總灌渠橫貫全縣。耕作制度為一年兩熟、一年一熟，主要農作物為小麥、玉米等，冬春季部分耕地閑置。

1.2 研究方法

本研究采用的主要數據來源為2017年GF-1、GF-2和ZY-3衛星遙感影像，分辨率2 m。借助ArcGIS 10.2進行人機交互解譯，經過建立解譯標志、野外調查復核驗證，完成土地利用矢量數據解譯。依據《區域水土流失動態監測技術規定（試行）》，蘭考縣土地利用類型共分為7個一級類和14個二級類（見表1）。由表1可以看出，蘭考縣土地利用類型豐富，以耕地為主，其次為建設用地、林地，水域及水利設施用地、交通運輸用地、園地和草地占比較小。

常用的矢量—柵格數據轉換原則包括中心屬性值（Rule of Cell Center，RCC，由像元中心重疊的面要素決定）和最大面積值（Rule of Maximum Area，RMA，由像元中具有最大面積的單個要素決定）兩種。本研究依據RCC、RMA原則，借助ArcGIS 10.2，結合土壤侵蝕模型計算要求的柵格尺度、各類型數據精度，將土地利用矢量數據分別轉換為尺度為2、5、10、30、90 m的柵格數據，并統計RCC、RMA原則下5種柵格尺度的各土地利用類型面積。

以矢量數據中的面積為基準，對比、分析不同矢量—柵格數據轉換原則和柵格尺度下各土地利用類型的損失面積及精度損失特征。

損失面積計算公式為

E=Ag－Ab（1）

式中：Ag為柵格化后的面積，單位hm2；Ab為矢量數據的面積，單位hm2；E為損失面積，單位hm2。

精度損失計算公式為

L=E/Ab×100%（2）

式中：L為精度損失，單位%，小于0表示柵格化后面積減少，大于0表示柵格化后面積增加。

2 結果與分析

2.1 土地利用總面積損失分析

表2為蘭考縣RMA和RCC原則下不同柵格尺度的土地利用損失面積及精度損失統計。隨著柵格尺度的變大，蘭考縣土地利用的損失面積、精度損失同樣變大，但是RCC、RMA原則下的變化趨勢存在差異。

RMA原則下，損失面積、精度損失隨柵格尺度增大而減小，證明其表示的土地利用面積收縮且逐漸減小；而RCC原則下，收縮擴張趨勢較為隨機。當柵格尺度為2、5及10 m時，采用RMA和RCC原則進行矢量—柵格數據轉換時，面積均未出現明顯損失；但是在30 m和90 m柵格尺度下，損失面積與精度損失變化幅度明顯增大，且RMA、RCC兩種原則下的柵格化結果差異較明顯。

2.2 不同土地利用類型損失分析

2.2.1 耕地

表3為不同耕地RMA和RCC兩種原則下損失面積及精度損失。隨著柵格尺度的增大，RMA原則下耕地損失面積的絕對值基本呈增加趨勢，尤以柵格尺度大于等于10 m時增加明顯。其中：水澆地面積損失明顯，柵格尺度小于10 m時損失面積為負值，柵格面積小于矢量面積，大于等于10 m時損失面積為正值，即柵格面積大于矢量面積，30 m時面積增加1 615.45 hm2，90 m時面積增加3 396.55 hm2；水田面積損失較小，柵格面積均大于矢量面積，柵格尺度小于10 m時僅損失0.02 hm2，大于等于10 m時損失面積增加明顯，30 m時面積增加9.31 hm2，90 m時面積增加量略有減少，基本與30 m柵格尺度持平，為8.59 hm2。導致上述變化的主要原因是蘭考縣水澆地及水田的分布均較為集中。伴隨柵格尺度增大，水澆地、水田在柵格單元內占比增大，使面積呈明顯增大趨勢。

RCC原則下，耕地面積在實際值上下波動，其中水田在30 m柵格尺度面積增加1.48 hm2，水澆地面積稍有減少，精度損失為-0.023%。柵格尺度增大時，占據柵格單元中心的隨機性較大，導致耕地面積在實際值上下波動。

2.2.2 園地

表4為園地RMA和RCC兩種原則下損失面積及精度損失。除2 m柵格尺度外，在其余尺度下，隨著柵格尺度的增大，RMA原則下園地柵格面積均大于矢量數據的面積。從5 m開始，園地柵格面積增大，精度損失為正值且逐漸增大；柵格尺度為30 m時，園地面積增加38.23 hm2；90 m時，面積增加95.74 hm2。蘭考縣園地分布集中，且具有一定規模，矢量—柵格數據轉換過程中占據單元內面積比例較大，園地面積隨柵格尺度增大而增加。

RCC原則下，園地損失面積、精度損失在0 hm2附近波動。柵格尺度為30 m時，面積減少4.61 hm2；柵格尺度為90 m時，面積增加15.55 hm2。在以不同尺度進行柵格轉換時，占據柵格單元中心的隨機性大，園地面積在實際值上下波動。

2.2.3 林地

表5為不同林地RMA和RCC兩種原則下損失面積及精度損失。RMA原則下，有林地面積在柵格尺度為30 m時大于矢量面積，而在其余4種柵格尺度下，面積均小于矢量面積，且柵格尺度為90 m時損失面積最大，減少607.84 hm2。其他林地在柵格尺度5 m和10 m時小于矢量面積，在其余尺度下大于矢量面積，原因是其他林地分布較集中，而有林地主要在河道、道路、村莊周圍呈線狀分布。當選擇較大尺度進行矢量—柵格數據轉換時，有林地周圍的地塊更易在柵格單元中占據主導地位，導致了有林地的面積損失。

RCC原則下，林地損失面積隨柵格尺度增大在0 hm2上下浮動，當柵格尺度為90 m時，其他林地面積增加10.52 hm2，有林地面積減少18.97 hm2，但變幅均較小，精度損失絕對值均不超過0.50%。因林地分布分散且面積較少，柵格化過程中占據單元中心的隨機性較大，故損失面積在0 hm2上下波動。

2.2.4 草地

表6為不同草地RMA和RCC兩種原則下損失面積及精度損失。RMA原則下，人工牧草地面積在5 m柵格尺度較矢量面積減少，在其余尺度下隨柵格尺度變大均呈增大趨勢；當柵格尺度為30 m時，較矢量面積增加2.28 hm2；尺度為90 m時，增幅略減小。其他草地在5 m和30 m柵格尺度較矢量面積增加，在其余尺度下較矢量面積減少，在90 m時較矢量面積減少29.35 hm2。上述變化的主要原因是人工牧草地分布集中且有一定規模，在矢量—柵格數據轉換時，占據單元大部分面積；而其他草地分布較分散、形狀不規則，故轉為90 m柵格時面積損失明顯。

RCC原則下，損失面積在0? hm2上下波動。尺度為30 m時，其他草地柵格面積為173.52 hm2，較矢量面積減少1.63 hm2；當尺度大于30 m時，其損失面積和精度損失變化趨于平穩，90 m時其面積較矢量面積減少1.81 hm2。當尺度為90 m時，人工牧草地損失面積和精度損失絕對值最大，精度損失為-3.607%，面積較矢量面積減少2.94 hm2。主要原因為蘭考縣其他草地分布較分散，當尺度不同時，柵格單元中心的概率不確定，使損失面積在0 hm2上下波動。

2.2.5 建設用地

表7為不同建設用地RMA和RCC兩種原則下損失面積及精度損失。RMA原則下，隨柵格變大，各建設用地二級類面積在柵格尺度超過10 m后呈現不同變化趨勢，城鎮建設用地、農村建設用地面積呈增加趨勢，且前者增幅更明顯；當尺度為90 m時，城鎮建設用地面積增加289.76 hm2，增幅為4.077%。采礦用地、其他建設用地面積減少，尺度為30 m時減幅逐漸明顯；90 m時面積減至最小，當尺度為90 m時其他建設用地面積減少量最大，較矢量面積減少30.91 hm2。主要原因是：城鎮建設用地多聚集分布，農村建設用地面積大、分布廣、斑塊多，矢量—柵格數據轉換后，城鎮建設用地、農村建設用地在單元內占一定優勢，面積擴張；相對而言，采礦用地、其他建設用地面積小且分布零散、斑塊小。

RCC原則下，各建設用地二級類面積隨柵格尺度增大，呈不同的變化趨勢，且建設用地面積總體趨勢為減少。城鎮建設用地、農村建設用地面積精度損失變化趨勢較為相近。柵格尺度為30 m時，采礦用地面積最小，面積減少3.36 hm2，精度損失1.351%；之后面積呈增加趨勢，尺度為90 m時，較矢量面積增加0.78 hm2。主要原因是：采礦用地分布分散且面積小，矢量—柵格數據轉換后占據單元中心的概率不確定，故其損失面積在0 hm2上下波動。其他建設用地在尺度大于等于5 m后面積減小，精度損失絕對值增大；尺度為30 m時，面積損失逐漸明顯；90 m時，面積減少量最大，為4.99 hm2，這主要是因為其他建設用地分布相對獨立，矢量—柵格數據轉換后單元中心易被周圍大面積其他土地利用類型占據，導致面積減少。

2.2.6 交通運輸用地

表8為不同交通運輸用地RMA和RCC兩種原則下損失面積及精度損失。RMA原則下，柵格尺度超過10 m時，交通運輸用地面積隨柵格變大逐漸減小，其中農村道路減少幅度更明顯。當柵格尺度為30 m時，趨近于100%損失；90 m時，損失全部面積。原因是：道路多呈線性分布，且北方農村道路路寬多為4～6 m，當矢量—柵格數據轉換選擇的尺度超過5 m時，其柵格易被水澆地或農村建設用地柵格覆蓋，導致損失過多。

RCC原則下，當柵格尺度為10 m時，農村道路面積損失0.91 hm2；30 m時，比矢量面積減少0.02 hm2。其他交通用地變幅不大，精度損失絕對值均小于0.30%。原因是：區域交通道路交錯，矢量—柵格數據轉換時占據單元中心的概率不確定，精度損失在0上下波動，且幅度較小。

2.2.7 水域及水利設施用地

表9為水域及水利設施用地RMA和RCC兩種原則下損失面積及精度損失。RMA原則下，當柵格尺度超過10 m時，水域面積逐漸減小，精度損失、損失面積絕對值持續增大；當尺度為90 m時，精度損失30.729%，面積較矢量面積減少1 518.15 hm2。河流、水系多為條帶狀，除主要干渠、河流外，寬度均小于30 m，故以較大尺度進行矢量—柵格數據轉換時，河流、水系在柵格單元內所占面積易丟失，導致柵格化后面積減小。

RCC原則下，柵格尺度小于30 m時， 精度損失為負值；大于等于30 m后，柵格面積增加；當尺度為90 m時，精度損失最大（0.652%），柵格面積較矢量面積增加32.19 hm2。蘭考縣內除黃河外，支流、干渠多為南北向均勻分布，河道彎曲，矢量—柵格數據轉換時占據單元中心的概率不確定，導致精度損失在0上下波動。

3 結論

本研究通過對RMA和RCC兩種原則下不同土地利用類型柵格化損失面積和精度損失特征分析，可以看出隨著柵格尺度的增加，大部分土地利用類型損失面積絕對值呈增加趨勢，但RCC原則下，5種柵格尺度下土地利用總面積損失均不超過4.75 hm2，精度損失均不超過4.00%，總體損失小于RMA原則；在同一柵格尺度下，RMA原則條帶狀地類柵格化面積負向損失明顯，集中分布的塊狀地類柵格化面積正向損失明顯。綜合考慮不同地類在不同矢量—柵格轉換原則、不同柵格尺度下的面積損失特征，蘭考縣土地利用柵格化宜選擇RCC原則下轉換成10 m柵格，能有效提升水土流失動態監測深度分析的效率，為黃泛平原風沙區水土保持功能評價和深度分析提供參考和科學依據。

[參考文獻]

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