基于遥感和GIS的贵州省涟江流域土地利用时空变化研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：在遥感和GIS技术的支撑下，基于1995年、2005年和2017年遥感影像目视解译获得3期土地利用数据，结合土地利用动态变化和土地利用转移矩阵的方法，对贵州省涟江流域1995—2017年土地利用时空变化特征进行分析。结果表明：近20a来，涟江流域的土地利用以灌木林地、耕地、林地和草地为主，灌木林地和耕地的面积呈下降趋势，林地呈略微增加趋势，草地先增加后下降，其他用地和水域面积呈下降后又保持平稳趋势，建设用地的面积则持续增加;各土地利用类型在2005—2017年的变化程度比1995—2005年更剧烈，从1995—2017年整个研究时段来看，建设用地的增加趋势最明显，主要分布在流域中部的惠水县和北部的花溪区党武镇、青岩等地;在1995—2005年，土地利用转移主要表现为耕地转为草地和林地灌木林地转为林地，说明退耕还林还草、石漠化治理等生态建设效果比较明显;而在2005—2017年，耕地、草地和水域转为建设用地较为明显，流域近年的城镇化进程在逐步加快;建设用地和耕地主要在研究区中部偏东呈纵列分布，林地主要在研究区中部呈块状分布，草地和灌木林地遍布全区，且两者差别不大，除此之外部分耕地在研究区零星分布。研究结果为涟江流域的生态文明建设、城镇化发展和土地资源利用规划等提供重要的数据基础与理论依据。
　　关键词：土地利用;时空变化;涟江流域;贵州省
　　中图分类号：S-3  文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229040
　　引言
　　土地是影响人类赖以生存和发展的重要资源，而土地资源的不合理利用，如乱砍滥伐、陡坡开垦和过度放牧等极易导致土地生产力下降、耕地资源减少等不可持续发展的现象[1]。在社会和全球变化背景下，土地利用/覆被变化（Land use and cover change，LUCC）已成为全球变化研究的热点之一[2， 3]。
　　土地利用/覆被变化主要表现为土地利用类型、格局和强度的变化，目前已有许多学者对土地利用/覆被的时空变化特征展开了大量研究，并已取得了丰硕的成果。例如：王渺林等开展土地利用变化和气候波动对东江流域水循环的影响研究[4];陈水森等对珠江口岸区近20a来土地利用变化基本特点进行分析[5];韩会庆等基于地貌特征对贵州省土地利用时空变化进行了分析[6];刘敏等对贵州山区土地利用变化进行多尺度空间自相关分析[7];金建德等基于RS和GIS技术展开贵阳市土地利用/覆盖变化时空特征分析[8]基于RS和GIS的土地利用变化时空特征研究以重庆主城区为例[9];刘娇运用灰度关联法对湄潭县土地利用结构动态演变的特征与社会经济技术的驱动力因素做关联分析[10]。也有部分学者对喀斯特地区的土地利用变化进行研究，如李成志等开展喀斯特地区县域土壤侵蚀估算及其对土地利用变化的影响[11]，李瑞等对黔中喀斯特区典型土地利用方式及耕作措施的水土流失调控效应进行研究[12]。
　　贵州省属于典型的山地省份，广泛分布典型的喀斯特地貌，具有地表破碎、地形崎岖、生态脆弱、石漠化严重和贫困等突出的人地關系矛盾[13， 14]。贵州土地资源稀缺，并且目前正处于“西部大开发”、“生态文明建设”、“大生态、大数据和大扶贫”的战略背景下，合理的土地利用开发与规划利用对当地的可持续发展具有极其重要的意义[15]。涟江流域是典型的喀斯特流域，也分布有贵州省重要的土地资源，近年来的土地利用正发生巨大的变化。因此本文基于1995年、2005年和2017年3期遥感影像，通过人机交互目视解译的方法获得3期土地利用数据，结合土地利用动态变化和土地利用转移矩阵的分析方法，对贵州省涟江流域1995—2017年土地利用时空变化特征进行分析，以期为当地的土地利用合理规划提供一定的决策参考。
　　1研究区概况
　　涟江属珠江水系西江干流红水河段支流蒙江的干流，在罗甸与长顺县之间的交砚与格凸河汇合后称蒙江，长约150km。涟江流域位于贵州省西南部（E106°14′～106°51′，N25°32′～26°26′），面积约为3025km2。流域海拔高度在517～1650m之间，地势北高南低，中部平缓，其境内主要为喀斯特地貌类型，流域中部的惠水坝子是贵州省珍贵的土地资源。境内以黄壤、石灰土、水稻土和草甸土为主要土壤类型，属亚热带季风气候，具有高原季风湿润气候的特点。年平均气温为15.5℃，年降雨量在1215mm左右，自然带属于亚热带常绿阔叶林带。流域大部分地区属典型的喀斯特，生态环境脆弱。加上不合理的人为活动使得自然植被遭到破坏，土壤受到侵蚀，基岩大面积裸露，土地生产力下降。特别是流域内的长顺市、罗甸县和龙里县等地区石漠化、水土流失等生态环境现象严重。近年来，通过积极响应国家退耕还林（还草）、石漠化综合治理等生态文明建设和美丽乡村建设、精准扶贫等政策后，流域的土地利用发生了显著变化。
　　2数据来源与研究方法
　　2.1数据来源
　　土地利用数据来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/），分别为1995年Landsat 4-5 TM、2005年Landsat 4-5 TM、2017年Landsat 8 OLI，数据行列号均为127/42;SRTM DEM数据的空间分辨率为90m，条带号和行编号分布为58和7。利用ENVI Classic 5.3对遥感影像进行波段融合、去云等预处理，在Arc GIS 10.2软件中对影像进行目视解译。参考中国科学院土地利用/覆被分类系统，把研究区分为有林地、灌木林地、草地、耕地、建设用地、水域和其他等7种土地利用类型，并通过野外实地调研和Google Earth验证，进一步提高解译精度。
　　2.2研究方法
　　2.2.1土地利用的动态变化
　　本文通过采用变化量和变化幅度2个指标对土地利用变化进行定量分析[16]。土地利用动态度是指某研究区在研究时间范围内单一土地利用类型的数量变化情况，土地利用变化率指单一土地利用类型的变化量占其初期总量的比例，反映土地利用变化的程度。具体表达式为： 　　ΔS=Sb-Sa（1）
　　K=（Ub-Ua）/Ua×100%（2）
　　式中，Sa表示初期土地利用的面积，Sb表示末期土地利用的面积;ΔS和K分别表示土地利用面积的变化量和变化率。
　　2.2.2土地利用转移矩阵
　　土地利用转移矩阵是研究土地类型间相互转化的数量和方向的方法，其能够具体反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向[17， 18]。具体表达式为：
　　Sij =S11S12…S1n
　　S21S22…S2n
　　Sn1Sn2…Snn（3）
　　式中，Sij表示研究初期第i类土地转移为研究末期j类土地的面积;i为第1时期土地利用类型;j为第2时期土地利用类型;n为土地利用类型的数量。
　　3结果与分析
　　3.1土地利用结构及其变化
　　结合表1的统计结果数据和图2的土地利用空间分布图分析发现，涟江流域的土地利用总体以灌木林地、耕地、林地和草地为主。流域的总面积为3025.62 km2，其中灌木林地在1995年、2005年和2017年3个时期所占流域总面积的比例均最大，分别为38.49%、37.87%和37.62%，在整个研究时段内呈下降趋势。耕地在3个时期占流域总面积的比例也呈下降的趋势，分别为20.7%、18.27%和17.46%。林地在3个时期所占流域总面积的比例分别为13.85%、14.59%和14.70%，呈略微增加的趋势。草地在3个时期所占流域总面积的比例分别为25.3%、27.04%和26.76%，呈先增加后下降的趋势。建设用地则呈上升的趋势，分别为1.39%、1.53%、2.78%。其它用地和水域面积在研究时段内呈下降后又保持平稳的趋势，总体变化幅度不大。在研究时段内灌木林地和耕地面积占比下降，林地、草地和建设用地面积占比总体增加，其中耕地和建设用地面积占比变化幅度较大。
　　3.2土地动态变化
　　表2和图3的统计结果显示，流域在1995—2005年時段内，耕地和灌木林地的面积减少比较明显，耕地减少的面积为60.48km2，变化率为-9.86%，灌木林地面积减少18.79km2，变化率为-1.61%。林地、草地和建设用地的面积增加比较明显，其中林地面积增加了22.42km2，变化率为5.35%;草地的面积增加了52.77km2，变化率为6.89%;建设用地面积增加4.43km2，变化率为10.55%。在2005—2017年时段内，流域的建设用地变化最明显，其面积增加了37.59km2，变化率为37.59%。耕地、草地和其它用地的面积分别减少了24.49km2、8.66km2和0.08km2，变化率分别为-4.43%、-1.06%和-3.81%。从整个研究时段来看，涟江流域1995-2017年的耕地、灌木林地、其它用地、水域面积持续减少。其中耕地减少84.94km2，变化率为-13.85%。建设用地的增加趋势最明显，其增加的总面积达42.02km2，变化率为100.11%，主要分布在流域中部的惠水县和北部的花溪区党武镇、青岩等地。其次增加比较明显的是林地和草地，增加量分别为25.71km2和44.11km2，变化率分别为6.14%和5.76%。建设用地主要在研究区中部偏东呈纵列断续分布，林地主要在研究区中部呈块状分布，草地和灌木林地遍布全区，且两者差别不大，而耕地主要在研究区中部偏东呈纵列连续分布，除此之外部分耕地在研究区零星分布。
　　3.3土地转移矩阵
　　通过Arcmap软件对3期土地利用数据进行两两叠置分析，并把相交后的统计数据导入Excel中统计进行土地利用转移矩阵分析。结果显示，涟江流域1995―2005年（表3）的土地利用转移方向主要表现为耕地转化为草地的面积最大，为56.40km2，其次为林地、建设用地，转化的面积分别为5.26km2和3.85km2;灌木林地主要转化为林地，转化面积达21.95km2。草地、建设用地、其它用地、水域转化不明显。流域在2005―2017年（表4）的土地利用类型转移主要表现为耕地转为建设用地的面积最大，为30.71km2，其次为林地，转化面积为5.24km2;林地主要转化为耕地、灌木林地、建设用地和水域，灌木林地主要转化为耕地、林地和建设用地。在1995—2005年时段内，耕地转为草地和林地，灌木林地转为林地占主要的变化方向，各地类转为草地和林地的总面积分别达56.81km2和35.19km2，说明在这期间的退耕还林还草等生态建设效果比较明显。在2005―2017年时段内，耕地、草地和水域转为建设用地最为明显，各地类转为建设用地的总面积在土地利用转移中最大，为43.52km2。
　　4结论与讨论
　　基于1995年、2005年和2017年遥感影像，通过目视解译得到3期土地利用数据，对贵州省涟江流域1995—2017年土地利用时空变化特征进行分析。结果显示：涟江流域以灌木林地、耕地、林地和草地为主，灌木林地和耕地的面积呈下降趋势，林地呈略微增加的趋势，草地先增加后下降，其他用地和水域面积呈下降后又趋于平稳，建设用地的面积则持续增加;各土地利用类型在2005—2017年的变化幅度比1995—2005年大，从1995—2017年整个研究时段来看，建设用地的增加趋势最明显，主要分布在流域中部的惠水县和北部的花溪区党武镇、青岩等地;在1995—2005年时段内，耕地转为草地和林地，灌木林地转为林地占主要的变化方向，说明退耕还林还草、石漠化治理等生态建设效果比较明显而在2005—2017年时段内，耕地、草地和水域转为建设用地最为明显，流域的城镇化进程加快研究区建设用地主要在中部偏东呈纵列断续分布，林地主要在中部呈块状分布，草地和灌木林地遍布全区，且两者差别不大，而耕地主要在中部偏东呈纵列连续分布，除此之外部分耕地在研究区零星分布。因此，今后应注重协调生态环境建设与经济社会发展之间的矛盾，进行合理、科学的土地规划，牢固并贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的可持续发展理念。 　　参考文献
　　[1] 史培军， 宫鹏. 土地利用/覆盖变化研究的方法与实践[M]. 北京： 科学出版社， 2000.
　　[2]杨存建， 刘纪远， 张增详， 等. 遥感和GIS支持下的中国退耕还林还草决策分析[J]. 遥感学报， 2002， 6（3）： 205-211.
　　[3]刘纪远， 匡文慧， 张增祥， 等. 20世纪80年代末以来中国土地利用变化的基本特征与空间格局[J]. 地理学报， 2014， 69（1）： 3-14.
　　[4]王渺林， 夏军. 土地利用变化和气候波动对东江流域水循环的影响[J]. 人民珠江， 2004 （02）： 4-615.
　　[5]陈水森， 黎夏， 邹春洋. 珠江口岸区近20年来土地利用变化基本特点[J]. 人民珠江， 2001（05）： 52-54.
　　[6]韩会庆， 杨广斌， 张凤太， 等. 基于地貌特征的贵州省土地利用时空变化分析[J]. 南京林业大学学报， 2015， 39（5）： 99-105.
　　[7]刘敏， 赵翠微， 施明辉， 等. 贵州山区土地利用变化多尺度空間自相关分析[J]. 农业工程学报，2012， 28（20）： 239-246.
　　[8]金建德， 周治黔， 孟维亮， 等. 基于RS和GIS的贵阳市土地利用/覆盖变化时空特征分析[J]. 云南大学学报， 2011， 33（1）： 42-48.
　　[9]王福海， 陈丹. 基于RS和GIS的土地利用变化时空特征研究—以重庆主城区为例[J].重庆理工大学学报， 2016， 30（7）： 78-85.
　　[10]刘娇. 湄潭县土地利用结构变化及其驱动因素研究[J]. 人民珠江， 2019， 40（02） ：51-56.
　　[11]李成志 连晋姣， 陈洪松， 等. 喀斯特地区县域土壤侵蚀估算及其对土地利用变化的响应[J]. 中国水土保持科学， 2017， 15（5）： 39-47.
　　[12]李瑞， 李勇， 熊康宁， 等. 黔中喀斯特区典型土地利用方式及耕作措施的水土流失调控效应[J]. 水土保持通报， 2017， 37（6）： 136-140.
　　[13]王世杰， 李阳兵. 喀斯特石漠化研究存在的问题与发展趋势[J]. 地球科学进展， 2007， 22（6）： 573-582.
　　[14]张殿发， 欧阳自远， 王世杰. 中国西南喀斯特地区人口、资源、环境与可持续发展[J]. 中国人口.资源与环境， 2001， 11（1）： 78-82.
　　[15]周忠发， 安裕伦. 贵州省水土流失遥感现状调查及空间变化分析[J]. 水土保持通报， 2000（06）： 23-2541.
　　[16]周秋文， 韦小茶， 许幼霞， 等. 清水河流域1978—2010年土地利用变化时空特征[J]. 测绘工程， 2016， 25（11）： 12-17.
　　[17]朱丽辉， 徐瑶， 杜忠. 2000—2015年南充市土地利用/覆被变化及其驱动因素[J/OL]. 水土保持通报，2019， 39（5）： 1-5.
　　[18]许丁雪， 吴芳， 何立环， 等. 土地利用变化对生态系统服务的影响研究——以张家口承德地区为例[J/OL]. 生态学报， 2019， 39（20）： 1-9.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15136351.htm