青川县LUCC遥感动态监测及驱动力分析
刘萌, 杨武年, 邵怀勇, 孙小飞
成都理工大学地学空间信息技术国土资源部重点实验室,成都 610059
杨武年(1954-),男,博士,博士生导师,研究方向为3S技术在国土资源勘查、生态环境监测与评价等方面的应用。Email:ywn@cdut.edu.cn

第一作者简介: 刘 萌(1990- ),女,硕士研究生,研究方向为RS和GIS在生态环境评价方面的应用。Email:xinyin_liumeng@163.com

摘要

四川广元市青川县是国家生态试点县和退耕还林实施县,查明该区土地利用/覆被现状及其时空动态变化信息,为政府有关部门规划决策提供科学依据具有重要意义。应用RS和GIS技术,基于2000年、2005年和2010年3个时相的陆地卫星TM图像,通过图像处理和信息提取,获得了该区3期土地利用/覆被数据。在此基础上,分析了青川县近10 a土地利用/覆被动态变化过程,查明了引起动态变化的主要驱动力因素,最后,对该区2015年和2020年土地利用/覆被的面积比例进行了预测。研究结果表明: 青川县2000—2005年间,耕地、水域和未利用地面积减少,林地、草地和建设用地面积增加; 2005—2010年间,耕地和草地面积减少,林地、水域、建设用地和未利用地面积增加; 两段时期耕地面积持续减少,但减幅减小,林地面积持续增加,增幅减小,建设用地持续增加且增幅增大,水域和未利用地先减后增,草地先增后减。究其原因,认为政策、经济发展和人口增长及自然灾害等因素是研究区土地利用变化的主要影响因子。经过预测,在相关政策不变且没有自然灾害发生的情况下,2015年林地面积占全县总面积的比例将由2010年的58.57%增长为59.01%,到2020年将继续增长为59.44%,耕地面积比例到2020年将减少至29.13%,建设用地面积比例继续增加至0.22%。

关键词: 遥感; GIS; 土地利用/覆被变化(LUCC); 转移矩阵; 马尔科夫预测
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2014)03-0160-06 doi: 10.6046/gtzyyg.2014.03.26
Remote sensing dynamic monitoring and driving force analysis of land use/cover changes in Qingchuan County
LIU Meng, YANG Wunian, SHAO Huaiyong, SUN Xiaofei
Key Laboratory of Geo-spatial Information Technology, Ministry of Land and Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Abstract

Qingchuan County of Guangyuan City in Sichuan Province is a national ecological pilot county and implementation country of returning farmland to forest. The understanding of the current situation and spatial-temporal dynamic change of land use/cover is of great significance in providing the scientific basis for relevant government departments. In this paper, with the application of RS and GIS technology, on the basis of TM images in 2000, 2005 and 2010, and through image processing and information extracting, the authors acquired land use/cover maps in different years and established the database. On such a basis, the land use/cover dynamic change process in Qingchuan in the past 10 years was analyzed, and the driving force that caused the change was identified. At last, land use/cover area ratio of the study area in 2015 and 2020 were predicted. According to the results obtained, between 2000 and 2005, the area of arable land, water and unused land decreased, while the area of woodland, grassland and construction land increased; between 2015 and 2020, the area of arable land and grassland decreased, while the area of woodland, water, construction land and unused land increased. During the ten years, the area of arable land continually decreased with the scale reduced, the area of woodland continually increased with the scale reduced, the area of construction land increased continually with the scale increased, the area of water and unused land decreased and then increased, and the area of grassland increased and then decreased. An analyses reveals that policy, economic development, population growth, and natural disasters seem to be the principal impact factors of land use changes in the study area. It is inferred that, under the conditions that relevant policy is unchanged and no natural disasters occur, the proportion of woodland area will increase from 58.57% in 2010 to 59.01% in 2015, and increase to 59.44% in 2020. The proportion of arable area will decrease to 29.13% and the proportion of construction land will continually increase to 0.22% by 2020.

Keyword: remote sensing; GIS; land use/cover change (LUCC); transfer matrix; Markov forecast
0 引言

伴随着人类社会不断的技术进步, 人们改造和利用自然环境的能力虽在不断提高, 污染环境和破坏生态平衡的问题屡见不鲜, 而这些问题往往首先表现在土地利用上。随着信息技术的快速发展, 利用RS和GIS技术进行土地利用动态监测, 及时准确地了解和掌握土地利用的时空动态变化信息, 对于研究如何实现土地的可持续利用、建立和谐的社会具有重要意义。刘纪远等对2000— 2005年中国土地利用变化的空间格局与驱动力进行了分析[1]; 李晓文等对长江下游地区1988— 1998年10 a来土地利用类型变化进行了研究[2]; 朱会义等对环渤海地区1985— 1995年间土地利用的数量变化和空间变化特征进行了研究[3]; 伍星等对长江上游1970— 2000年土地利用/覆被变化特征及其驱动力进行了分析[4]

2008年四川省发生了“ 5· 12” 汶川地震, 与之相距不远的青川县受灾严重, 土地利用类型发生了很大的变化, 但是目前尚未见对青川县近些年土地利用/覆被变化情况的分析研究成果发表。本文主要研究青川县2000— 2010年土地利用/覆被变化情况, 深入了解和掌握青川县土地利用/覆被变化过程, 并对2015年和2020年其土地利用面积比例进行了马尔科夫预测, 以期为青川县生态恢复和重建提供决策依据。

1 研究区概况及数据处理

青川县地处四川盆地北部边缘, 白龙江下游, 川、甘、陕3省结合部, 总面积326 519.20 km2。位于E104° 36'~105° 38', N32° 12'~32° 56'之间, 北接甘肃省文县、武都县和陕西省宁强县, 南邻江油市、剑阁县, 西靠平武县, 东连利州区、朝天区。青川县以中山地形为主, 境内地势西北高而东南低, 最高海拔3 837 m, 最低海拔491 m。研究区属亚热带温润季风气候, 年平均气温13.7℃, 气温从东至西逐渐降低。年均降水量为1 021.7 mm, 降水南多北少。

本研究选取了青川县2000年5月、2005年5月、2010年5月3期TM图像, 青川县1:10万DEM数据等资料。根据青川县土地利用的特点, 参照2007年中国土地资源分类系统的二级分类体系[5], 将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域及水利设施用地、城乡建设用地和未利用地6类。建立研究区TM图像的土地利用类型解译标志, 运用ERDAS和ArcGIS软件对TM图像进行拼接、裁剪等预处理, 采取监督分类和人工目视解译相结合的方法及野外验证, 得到青川县2000年5月、2005年5月和2010年5月土地利用/覆被现状图, 并建立了相应数据库。在对各期TM数据的解译过程中, 本着边解译边检验的原则, 采用2.5 m分辨率的SPOT5图像辅助解译, 以保证判读结果的精度要求, 并对2010年解译的6种土地利用类型共选取约60个点进行野外验证。经统计各土地利用类型的解译精度均在90%以上, 取得了较高的工作精度。

2 研究区土地利用变化总体分析

通常用土地利用变化幅度这一土地利用类型的变化率指数来定量研究土地利用类型的总体变化[6, 7]。由于各种用地类型或不同区域相同用地类型的面积基数不同, 变化率指数高的类型只是变化快的类型, 而并不一定是区域变化的主要类型, 对主要类型的判断通常还要考虑变化面积的大小。变化幅度模型计算公式为

Kt= Ub-UaUa× 100% , (1)

式中: Kt为某一研究时段某一种土地利用类型变化类型的变化幅度; UaUb分别为研究初期和末期某一种土地利用类型的面积。

研究区2000年5月、2005年5月及2010年5月各土地利用类型面积、占总面积的比例及其变化幅度如表1所示。

表1 研究区2000年5月、2005年5月及2010年5月土地利用类型面积、比例及变化幅度统计表 Tab.1 Area, percentage and change of land use types in May 2000, 2005 and 2010 of study area

分析表1可知:

1)研究区土地利用类型面积从大到小依次为林地、耕地、草地、水域、未利用地、建设用地。

2)研究区2000年5月— 2005年5月建设用地变化幅度最大, 且总面积增加, 增加幅度达27.58%; 耕地、水域和未利用地面积均减少, 减少幅度依次为1.76%, 0.17%和1.93%; 林地和草地变化幅度相差不大, 增长幅度分别为0.79%和0.82%。

3)研究区2005年5月— 2010年5月未利用地变化幅度最大, 总面积增加且幅度达71.82%; 建设用地变化幅度次之且继续保持增长态势, 增加幅度为41.62%; 水域面积不再减少反而增加, 增加幅度为6.32%; 耕地面积继续减少, 减少幅度为1.52%; 林地面积继续增长, 幅度为0.33%; 草地面积减少, 减少幅度微乎其微。

4)研究区10 a间建设用地和未利用地面积均增长了一半以上, 耕地面积持续减少, 水域面积先减后增, 林地面积持续较缓增长, 草地面积先增后减, 但减少幅度很小。

5)研究区耕地和林地变化面积最大, 但由于总面积大, 所以变化幅度并不大。虽然建设用地和未利用地面积变化较小, 但是由于总面积基数较小, 故其变化幅度较大。

3 研究区土地利用变化过程分析

本文利用转移矩阵来对研究区土地利用变化过程进行分析, 用地类型间的转移分析可全面而又具体地刻画区域土地利用变化的结构特征与各用地类型变化的方向[6, 8, 9, 11, 12], 即

(2)

式中: S为面积; n为土地利用的类型数; i, j分别代表研究初期与研究末期的土地利用类型。经计算得到研究区2000年5月— 2005年5月及2005年5月— 2010年5月的土地利用转移矩阵, 具体见表2表3

表2 研究区2000年5月— 2005年5月土地利用转移矩阵 Tab.2 Land use transition matrix in May 2000— May 2005 of study area(hm2)

表2可以直观地看出, 研究区2000年5月— 2005年5月面积变化从大到小依次是: 林地、耕地、草地、建设用地、未利用地、水域。林地发生变化的总面积最大且总面积增加, 大部分是由耕地转化而来, 其次是由草地转化而来; 耕地变化的面积次之且总面积减少, 大多减少的耕地转化为林地, 少部分转化为草地, 极少部分转化为建设用地; 草地面积总体增加; 水域面积总体减少; 建设用地面积增加, 均由耕地转变而来; 未利用地面积减少, 减少的部分均转化为草地。

表3 研究区2005年6月— 2010年5月土地利用转移矩阵 Tab.3 Land use transition matrix in June 2005— May 2010 of study area(hm2)

表3可以直观地看出, 研究区2005年5月— 2010年5月面积变化从大到小依次是: 林地、耕地、草地、水域、未利用地、建设用地。林地发生变化最大且总面积增加, 大多是由耕地其次由草地转化而来; 耕地变化的面积次之且总面积减少, 减少的耕地大多转化为林地, 少部分转化为水域, 极少部分转化为建设用地以及未利用地; 草地面积总体增加; 水域面积总体增加, 由耕地、草地、林地转化而来; 建设用地面积增加, 由耕地、草地及林地转变而来; 未利用地总体面积增加, 由林地、耕地和草地转化而来。

近10 a内, 林地面积持续增加, 耕地面积持续减少, 主要是受退耕还林政策的影响。青川县属国家生态试点县和退耕还林实施县, 该县立足资源优势, 出台了多项政策确保退耕还林政策的实施, 取得了较好的生态、经济和社会效益。在退耕还林政策的影响下, 青川县2000年5月— 2005年5月和2005年5月— 2010年5月期间均有多处耕地转变为林地。近10 a内建设用地面积增加主要是受社会经济因素的影响, 2000年5月— 2005年5月和2005年5月— 2010年5月主要建设用地面积持续增加主要是城镇建设以及新修道路的原因。2005年5月— 2010年5月未利用地面积增加主要是受“ 5· 12” 汶川地震的影响。青川县是重灾区之一, 受地震灾害影响, 滑坡、泥石流等地质灾害频频发生, 对植被造成破坏, 使土地利用类型发生了变化, 未利用地面积明显增加。

经过解译获得的研究区2000年5月、2005年5月、2010年5月土地利用类型分布图见图1

图1 研究区2000年5月、2005年5月、2010年5月土地利用类型分布Fig.1 Distribution of land use types in May 2000、2005 and 2010 of study area

对比图1可以看出, 林地和耕地所占面积比例较大, 县境西北和东北两处没有耕地分布, 但林地分布较广, 中部耕地较多而林地较少, 其余部分耕地和林地交错分布; 草地主要分布在西北和西南, 东部也有分布; 水库位于研究区东北, 河流分布较广; 建设用地主要有4处, 均分布在青竹江、白龙江、乔庄河3条河流附近; 未利用地所占比例很小。

4 研究区土地利用变化趋势预测

马尔可夫过程模型是预测土地利用变换和情景分析的有效方法之一, 近年来国内外许多学者使用马尔科夫模型预测植被覆盖和土地利用变化[9, 14, 15]。马尔可夫预测模型的原理为

P(t)=P(t-1)Pi, j=P(0) Pi, jn, (3)

式中: P(0)代表研究初始时刻土地利用类型的状态概率向量, 简称初始状态矩阵; Pij代表土地利用类型i经一步转变为j的转移概率矩阵; P(t)代表将来时刻t时的土地利用类型的状态概率向量; n为初始时刻到t时刻的转移次数。

转移概率矩阵可通过一定时间段内某类土地利用类型的年平均转化率获得, 即

Pi, j=Ci, j/Si , (4)

式中: Ci, j为研究期内第i类土地利用类型转变为第j

类土地利用类型的面积; Si为研究初期第i类土地利用类型的总面积。

研究区2000年5月— 2005年5月青川县土地利用转移概率矩阵如表4所示。

表4 研究区2000年5月— 2005年5月土地利用转移概率矩阵 Tab.4 Land use transition probability matrix in May2000— May 2005 of study area(%)

本次研究将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6大类, 研究时段内各土地利用类型在这6类之间相互转换。考虑到2008年“ 5· 12” 汶川地震对青川县土地利用类型带来的影响, 采用2000年5月— 2005年5月的土地利用转移概率矩阵来进行预测计算, 以2010年5月青川县各种土地利用类型面积百分比数据确定为研究初始时刻的状态向量, 以5 a为步长, 预测2015年和2020年土地利用类型百分比。即采用表4作为转移概率矩阵Pij, 得到初始状态向量P(0)如下

P(0)=[30.17 58.57 8.77 2.08 0.17 0.24]=[耕地 林地 草地 水域 建设用地 未利用地] 。 (5)

经马尔科夫模型预测的结果如表5所示。

表5 研究区2015年和2020年土地利用类型占青川县用地总面积的百分比预测 Tab.5 Forecast of land use types in 2015 and 2020 of study area(%)
5 结论

采用RS和GIS技术, 对四川省青川县2000年5月、2005年5月及2010年5月土地利用/覆被及土地利用/覆被动态变化进行了研究, 并对2015年和2020年研究区土地类型占地百分比进行了预测, 得到以下结论:

1)2000年5月— 2005年5月间, 面积变化从大到小依次是: 林地、耕地、草地、建设用地、未利用地、水域; 2005年5月— 2010年5月间, 面积变化从大到小依次是: 林地、耕地、草地、水域、未利用地、建设用地。

2)2000年5月— 2005年5月和2005年5月— 2010年5月2个时期内, 耕地面积持续减少但减幅减小; 林地面积持续增加而增幅减小; 建设用地持续增加且增幅增大; 水域和未利用地先减后增; 草地先增后减。

3)2000年5月— 2010年5月间, 增加的林地主要由耕地转变而来。

4)青川县的退耕还林的政策, 社会经济发展、人口增长及地震影响是土地利用变化的最主要原因。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 刘纪远, 张增祥, 徐新良, . 21世纪初中国土地利用变化的空间格局与驱动力分析[J]. 地理学报, 2009, 64(12): 1411-1420.
Liu J Y, Zhang Z X, Xu X L, et al. Spatial patterns and driving forces of land use change in China in the early 21st century[J]. Acta Geographica Sinica, 2009, 64(12): 1411-1420. [本文引用:1] [CJCR: 2.937]
[2] 李晓文, 方精云, 朴世龙. 近十年来长江下游土地利用变化及其生态环境效应[J]. 地理学报, 2003, 58(5): 659-667.
Li X W, Fang J Y, Piao S L. Land use changes and its implication to the ecological consequences in lower Yangtze Region[J]. Acta Geographica Sinica, 2003, 58(5): 659-667. [本文引用:1] [CJCR: 2.937]
[3] 朱会义, 李秀彬, 何书金, . 环渤海地区土地利用的时空变化分析[J]. 地理学报, 2001, 56(3): 253-260.
Zhu H Y, Li X B, He S J, et al. Spatio- temporal change of land use in Bohai Rim[J]. Acta Geographica Sinica, 2001, 56(3): 253-260. [本文引用:1] [CJCR: 2.937]
[4] 伍星, 沈珍瑶, 刘瑞民. 长江上游土地利用/覆被变化特征及其驱动力分析[J]. 北京师范大学学报: 自然科学版, 2007, 43(4): 461-465.
Wu X, Shen Z Y, Liu R M. An analysis on the land use/cover change characteristics and driving forces in the upper reaches of Yangtze River[J]. Journal of Beijing Normal University: Natural Science, 2007, 43(4): 461-465. [本文引用:1] [CJCR: 0.4356]
[5] 中华人民共和国国家标准. 土地利用现状分类[S]. GB/T 21010-2007, 2007.
National Stand ard of the People’s Republic of China. Classification of current land using situation[S]. GB/T 21010-2007, 2007. [本文引用:1]
[6] 朱会义, 李秀彬. 关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J]. 地理学报, 2003, 58(5): 643-650.
Zhu H Y, Li X B. Discussion on the index method of regional land use change[J]. Acta Geographica Sinica, 2003, 58(5): 643-650. [本文引用:2] [CJCR: 2.937]
[7] 臧淑英, 孙学孟, 韩冬冰. 黑龙江省大庆市土地利用/覆被变化及其驱动力分析[J]. 北京林业大学学报, 2005, 27: 63-68.
Zang S Y, Sun X M, Han D B. The process of land -use and land -cover changes and analysis of its driving forces in Daqing, northeast China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2005, 27: 63-68. [本文引用:1] [CJCR: 1.242]
[8] 刘湘南, 许红梅. 基于RS, GIS的松嫩沙地土地利用变化研究-以吉林省前郭县为例[J]. 国土资源遥感, 2001, 13(1): 54-59.
Liu X N, Xu H M. Study on land use change of Songnen sand y plain based on RS and GIS[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2001, 13(1): 54-59. [本文引用:1]
[9] 夏小梅, 陈阿林, 杨华. 基于遥感与GIS的LUCC及马尔柯夫过程趋势预测——以重庆市南岸区为例[J]. 水土保持研究, 2009, 16(5): 19-24.
Xia X M, Chen A L, Yang H. Land use and land cover change and the tendency forecast of markov process based on RS and GIS: A case study in Nan’an District, Chongqing City[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2009, 16(5): 19-24. [本文引用:2] [CJCR: 0.66]
[10] 魏显虎, 张增祥, 胡顺光, . 北京山区土地利用转移的系统性和随机性[J]. 国土资源遥感, 2010, 22(4): 77-84.
Wei X H, Zhang Z X, Hu S G, et al. Rand om and systematic land -use transitions in mountainous area of Beijing[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2010, 22(4): 77-84. [本文引用:1]
[11] 刘瑞, 朱道林. 基于转移矩阵的土地利用变化信息挖掘方法探讨[J]. 资源科学, 2010, 32(8): 1544-1550.
Liu R, Zhu D L. Methods for detecting land use changes based on the land use transition matrix[J]. Resources Science, 2010, 32(8): 1544-1550. [本文引用:1] [CJCR: 2.123]
[12] 李振, 黄海军. 胶州湾海岸带土地利用/覆被变化研究[J]. 国土资源遥感, 2010, 22(4): 71-76.
Li Z, Huang H J. Land use and land cover change of the coastal zone around Jiaozhou Bay[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2010, 22(4): 71-76. [本文引用:1]
[13] 杨武年, 刘恩勤, 陈宁, . 成都市土地利用遥感动态监测及驱动力分析[J]. 西南交通大学学报, 2010, 45(2): 185-190.
Yang W N, Liu E Q, Chen N, et al. Remote sensing dynamic moitoring and driving force analysis of land use/cover changes in Chengdu[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2010, 45(2): 185-190. [本文引用:1] [CJCR: 0.608]
[14] 徐岚, 赵羿. 利用马尔柯夫过程预测东陵区土地利用格局的变化[J]. 应用生态学报, 1993, 4(3): 272-277.
Xu L, Zhao Y. Forecast of land use pattern change in Dongling District of Shenyang: An application of Markov process[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1993, 4(3): 272-277. [本文引用:1] [CJCR: 1.742]
[15] 刘启承, 熊文强, 韩贵锋. 用马尔可夫理论预测三峡库区的土地利用趋势[J]. 重庆大学学报: 自然科学版, 2005, 28(2): 107-110.
Liu Q C, Xiong W Q, Han G F. Tendency forecast of three gorge land using by means of Markov[J]. Journal of Chongqing University: Natural Science Edition, 2005, 28(2): 107-110. [本文引用:1] [CJCR: 0.5143]
[16] 方秀琴, 任立良, 李琼芳. 近40年老哈河流域土地利用变化监测与分析[J]. 国土资源遥感, 2012, 24(2): 125-131.
Fang X Q, Ren L L, Li Q F. The detection and analysis of land use change in the Laoha river basin during the past four decade[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2012, 24(2): 125-131. [本文引用:1]
[17] 李秀梅, 袁承志, 李月洋. 渤海湾海岸带遥感监测及时空变化[J]. 国土资源遥感, 2013, 25(2): 156-163.
Li X M, Yuan C Z, Li Y Y. Remote sensing monitoring and spatial-temporal variation of Bohai bay coastal zone[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2013, 25(2): 156-163. [本文引用:1]
[18] 庞小笑, 封建民, 李晓华, . 近40年来五陵原土地利用变化研究[J]. 水土保持研究, 2013, 20(2): 73-79.
Pang X X, Feng J M, Li X H, et al. Reaearch of land -use change in Wulingyuan during the last 40 years[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2013, 20(2): 73-79. [本文引用:1] [CJCR: 0.66]
[19] 王振波, 方创琳, 王婧. 1991年以来长三角快速城市化地区生态经济系统协调度评价及其空间演化模式[J]. 地理学报, 2011, 66(12): 1657-1668.
Wang Z B, Fang C L, Wang J. Evaluation on the coordination of ecological and economic systems and associated spatial evolution patterns in the rapid urbanized Yangtze Delta region since 1991[J]. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(12): 1657-1668. [本文引用:1] [CJCR: 2.937]