基于GIS的土地利用時空動態(tài)變化分析

11基于GIS的土地利用時空動態(tài)變化分析摘要：土地利用結構的變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要的影響。分析土地利用時空變化是研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要途徑。以信陽出山店水庫建設為例，運用RS和GIS技術，對研究區(qū)不同時期的遙感影進行解譯處理，疊加計算和空間分析，通過生成MARCOV土地轉移矩陣，構建單一動態(tài)度、綜合動態(tài)度等模型，定量分析土地利用結構的時空變化特征，以揭示不同時空尺度內(nèi)土地利用的變化規(guī)律。研究結果表明：2000-2018年間，研究區(qū)在水庫建成前后土地利用情況發(fā)生了顯著變化?？傮w特征表現(xiàn)為水域增加明顯，增加量達到10%。林地、建設用地略有增加，耕地顯著減少，減少量達到18%。而且不同時段，土地類型的空間動態(tài)度變化差異明顯。2000-2015年除建設用地外，其他類型土地空間動態(tài)度變化均較小。2015-2018年水域和建設用地空間動態(tài)度變化尤為劇烈，分別達到98.7%和85.6%。研究成果為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供決策依據(jù)，為未來改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、促進區(qū)域生態(tài)文明建設、土地資源可持續(xù)利用等提供有效基礎信息支撐。關鍵詞：水庫，生態(tài)，土地利用，轉移矩陣，動態(tài)變化GIS-basedAnalysisofDynamicSpatialandTemporalChangesofLandUse—taketheconstructionofChushandianReservoirinXinyangasanexampleZHANGJunhua,WUQing,CHENjing,WANGKun,CHENGJunjie,LUHeng,LIZiwei(1.mappingandgeographicinformationSchoolofNorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower.2.SHuifaplanninganddesignco.LTD)Abstract:ThisessaytakestheconstructionofChushandianReservoirinXinyangasanexampletoexplaintheproblemssuchasthedestructiveimpactonthesurroundingenvironmentduringtheconstructionofthereservoirproject.WiththesupportofGIStechnology,theessayconductsgeographicalcalculationandspatialanalysisoftheremotesensingimagesandlandusemapsindifferentperiodsoftime.ThroughtheconstructionofMARCOVtransfermatrix,singledynamicdegree,comprehensivedynamicdegreeandothermodels,theessayaimsatdoingquantitativeanalysisofthespatialandtemporalchangesofthecharacteristicsoflandusestructureandrevealingthechangesoflanduselandscapepattern.Theresultsofthestudyindicatethatbetween2000and2018,thelandusesituationinthisareachangedsignificantlybeforeandafterthecompletionofthereservoir.Overall,thewaterarea,forestlandandconstructionlandhasincreasedsignificantly,especiallythewaterarea.Andthecultivatedlandhasdecreasedsignificantlyby18%,Moreover,thespatialdynamicsoflandtypesvarydramaticallyindifferentperiods.Exceptforconstructionland,thespatialdynamicsofothertypesoflandchangedlittlefrom2000to2015.From2015to2018,thespatialdynamicsofwaterandconstructionlandchangeddrastically,reaching98.7%and85.6%respectively.Theresearchresultsprovideessentialinformationsupportforthefutureimprovementoftheecologicalenvironmentofthereservoirarea,thepromotionofecologicalcivilizationconstructioninthereservoirarea,andthesustainableuseoflandresources.Italsoprovidesthebasisfordecision-makingfortherationaluseoflandresourcesandthehealthydevelopmentoftheecosysteminthereservoirarea.Keywords:reservoir,ecology,landuse,transfermatrix,dynamicchange隨著社會的發(fā)展，人類對自然環(huán)境的干擾日益強烈，生態(tài)惡化問題是目前人類生存所面臨的嚴峻問題。作為自然環(huán)境的主要因素之一，土地資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源基礎，集中體現(xiàn)了人地關系和地球表層生態(tài)系統(tǒng)，在可持續(xù)發(fā)展及全球環(huán)境變化中占有重要地位［1］。大規(guī)模的建設活動和對土地不合理的利用，導致了生態(tài)環(huán)境破壞，使得“人地”關系之間的矛盾日益突出［2］。各種類型的土地單元及空間分布組成了土地利用景觀格局，反映了人類對自然環(huán)境的干擾程度和土地利用/土地覆被變化（LUCC）的結果［3］。土地利用結構與景觀格局變化揭示了人類活動與自然環(huán)境的相互關系。因此，分析土地利用時空變化是研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)重要途徑。目前，很多研究都是基于區(qū)域尺度探討土地利用時空動態(tài)變化［4-5］，部分是針對省、市區(qū)級行政邊界進行土地利用時空變化及其驅(qū)動機制研究［6］。國內(nèi)也有一些學者對流域土地利用變化規(guī)律進行了研究［7-9］，但大多選取經(jīng)濟發(fā)達、人地矛盾比較突出的區(qū)域進行較短時間尺度的研究［10］。而以水庫建設區(qū)域為對象的研究較少，仍有待進一步加強［11］。而水庫工程在建設的過程中勢必對其周圍的土地、植被、生物等造成一定破壞，如何在進行水庫建設的同時，同時加強對庫區(qū)以及周邊的生態(tài)環(huán)境的保護，實現(xiàn)其水利利用和生態(tài)保護的同時，協(xié)調(diào)水庫建設和生態(tài)環(huán)境之間的和諧關系，保證人類的進步符合自然的發(fā)展規(guī)律，實現(xiàn)人和自然的和諧發(fā)展，是當前社會面臨的一個重要課題。1研究區(qū)域概況出山店水庫位于淮河干流信陽市浉河區(qū)游河鄉(xiāng)出山店村附近，壩址距下游信陽市約15km。研究區(qū)位于壩址上游，信陽市西北部，面積約958km2,海拔分布范圍在0~450m,低于6°坡度土地占到75%。研究區(qū)的高程、坡度、坡向的分布充分體現(xiàn)了庫區(qū)的地勢平坦的特點。出山店水庫控制流域面積2900km2,總庫容12.51億m3（其中防洪庫容6.91億m3、興利庫容1.45億m3），水庫水面面積81.9km2，將在信陽市形成一個新的水利風景區(qū)和旅游景觀。出山店水庫研究區(qū)地貌類型主要為低山、丘陵、崗地和河谷地貌；北亞熱帶濕潤型氣候，年降水量800~1200mm，多年平均氣溫為15.0°C；土壤類型主要為水稻土和黃棕壤，植被以落葉針闊林類型為主，常綠針闊林與落葉針闊林交替狀態(tài)并存，具有南北樹種草種兼?zhèn)涮攸c；研究區(qū)所在地為信陽市平橋、浉河兩區(qū)，地勢平坦，交通便利，人口稠密，群眾相對富裕，區(qū)域內(nèi)有寧西鐵路（高于淹沒線）、312國道等重要道路，鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路網(wǎng)也很發(fā)達，庫區(qū)最遠至信陽市不過幾十公里。社會經(jīng)濟傳統(tǒng)上依賴農(nóng)業(yè)以及預制廠、磚窯廠、農(nóng)產(chǎn)品加工廠、養(yǎng)殖廠等村辦、自辦企業(yè)為主，最大規(guī)模企業(yè)年產(chǎn)值在500萬元左右。01020Km圖例眩?腥也面riR：大規(guī)模企業(yè)年產(chǎn)值在500萬元左右。01020Km圖例眩?腥也面riR：ill淮河支施淹淮后帝盤笊兀邊卑Jt*間辛審譽聲聊布謹嗎忑！g:恥抽加血*?*.?忙頌滬汕■$?拘崖融穴時.圖1研究區(qū)域地理位置Fig．1Geographicallocationofthestudyarea2數(shù)據(jù)來源本研究所使用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，河網(wǎng)、水系等均來自中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心。2000年、2005年、2010年、2015年、2018年數(shù)據(jù)源分別來自于LandsatTM和LandsatOLI遙感數(shù)據(jù)，分辨率為30m*30m。遙感數(shù)據(jù)時相均為5月中旬一9月中旬。根據(jù)研究區(qū)的范圍，首先利用ENVI軟件進行圖像的裁剪鑲嵌、波段融合等處理［12］，再結合統(tǒng)計資料、地形圖及GoogleEarth同期地面資料，建立解譯標志，采用人機交互的監(jiān)督分類方法進行解譯，最后生成可用于進行土地利用變化分析的研究區(qū)柵格影像數(shù)據(jù)。經(jīng)野外調(diào)查驗證其準確率達到92%，滿足本研究需要。3研究方法3.1生成轉移矩陣生成土地利用轉移矩陣是Markov模型的應用，研究不同土地利用類型間相互轉化的定量方法，它不僅可以定量地表明不同土地利用類型之間的互相轉化情況［13］,還可以揭示不同土地利用類型間的轉化速率［14］。土地利用類型直接相互轉

化的初始轉移概率矩陣S和Markov過程的基本方程分布為［⑸：S=(S)=S11S12S1ijSS：S-m1m2mm-式中：m為研究區(qū)土地類型數(shù)；S為研究初期到末期類型i轉移為類型jij的概率，Markov過程的基本方程+1)=s(t)s式中：系統(tǒng)t+1時刻狀態(tài)向量S(t+1)由t時刻的狀態(tài)向量S(t)和轉移概率P確定。3.2.土地利用結構變化模型3.2.1土地利用結構幅度變化土地利用變化幅度是指土地利用類型面積的變化，它反映了不同土地利用類型在總量上的變化［16］，其數(shù)學模型為K二K二v-v1ba1)2)式中：Ki為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的總變化幅度；K2為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的年變化幅度；V、V分別為研究期初和期末某一土地類型的面ab積；T為研究時間段3.2.2土地利用結構變化速度土地利用結構變化速度是指以對某一時段內(nèi)的土地利用的類型面積變化進行研究［17］。包括單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度是指某研究區(qū)某一時間段內(nèi)某種土地類型的數(shù)量變化情況［18］1?單一類型動態(tài)度p1P==x-x100%⑶iVTa式中，P為研究時段內(nèi)某種土地類型利用動態(tài)度；V和V分別為研究期末和1ba期初某土地類型的數(shù)量；T為研究時間段2?單一類型土地空間變化動態(tài)度P2P表示某一土地類型在某時間段上的空間變化動態(tài)度，計算公式為:2TOC\o"1-5"\h\z門AU+AU1/、P=inoutXX100%⑷2UTa式中：AU為研究時段內(nèi)其他類型土地轉化為該類型土地的面積；AU為inout研究時段內(nèi)該類型土地轉化為其他類型土地的面積；U為研究期初該土地類型a的面積；3.綜合土地利用動態(tài)度表示某一區(qū)域土地利用的整體動態(tài)，表示研究時段內(nèi)各種土地利用類型間的互相轉化，揭示區(qū)域土地利用變化的劇烈程度，能夠反映出不同空間尺度上的土地利用變化的熱點區(qū)域［19］，對于預測未來土地利用變化趨勢有重要作用［20］。計算公式為刀aLc1⑸La=T-Tijx-X100%2》LcTii-1式中：La為研究時段內(nèi)綜合士地利用動態(tài)度；Lc為起始時刻第i類土地利i用類型的面積；Lc為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型轉化為其他土地利用類型面積的絕對值；T—為研究時段長度。利用2000年一2018年土地利用數(shù)據(jù)由式(7)計算ALc值為：為耕地i-j11.79、林地1.17、草地0.09、水域1.16、建設用地0、對aLc求和,其值為iT14.21￡lc=95809.41,ii-114.211帶入式(7),計算可得La-一一X-X100%-0.0015%2x95809.415同理計算可得：2005年一2010年：La=3.5788%2010年—2015年：La=3.7099%2015年—2018年：La=6.5755%4數(shù)據(jù)處理及結果分析利用ARCGIS10.2軟件強大數(shù)據(jù)處理及空間分析功能，對不同時期的遙感影像或土地利用圖進行處理，以2000、2005、2010、2015、2018年五期遙感影像解譯后得到的土地利用數(shù)據(jù)為基礎，按照LUCC（土地利用/覆被變化）分類體系和GB/T21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》分類系統(tǒng)，將研究區(qū)域土地利用類型分為五大類[21]:耕地、林地、草地、水域、建設用地.將各年的土地進行重分類，采用空間疊加方法，對任意兩期土地利用/覆被圖進行疊加處理，獲取土地利用轉移矩陣，分析相鄰時間段土地利用變化情況,構建土地利用變化動態(tài)模型，揭示不同土地利用類型間的轉化趨勢和轉化速度，分析出山店水庫庫區(qū)2000-2018年間土地利用變化的時空間變化特征。4.1土地利用轉移矩陣生成利用ARCMAP疊加功能，按照耕地、林地、草地、水域、建設用地五大類，將各年的土地進行重分類，采用空間疊加方法，對任意兩期土地利用/覆被圖進行疊加處理，獲取土地利用轉移矩陣。見表1.表12000—2018年土地利用轉移矩陣（hm2）類型耕地林地草地水域建設用地總面積耕地30660.1810035.05993.748592.845031.6155313.42林地5693.1522907.441003.01740.48686.7331030.81草地819.211069.82739.5752.57217.932899.09水域494.35419.09150.582589.9768.683722.42建設用地918.58245.7733.93624.631020.512843.42總面積38585.4834677.162920.8212600.497025.4695809.412018年2000年Table1TransfermatrixofLandusetypesnfrom2000to20184.2土地利用類型面積變化分析從表1,2圖2，3，4可以看出，2000—2018年出山店水庫庫區(qū)的土地利用類型變化表現(xiàn)為：（1）就研究區(qū)域的土地利用類型面積變化總幅度而言，在研究時段內(nèi)土地利用結構類型發(fā)生了較大的變化，耕地和水域面積變化顯著，林地、建設用地略有變化，面積變化較小的為草地。其中耕地面積減少的最多。水域面積增加的最多，其次是建設用地和林地，草地面積增加的較少。

時間地類2000—20052005—20102010—20152015—20182000—2018耕地-10.53-17018.8417014.34-16718.78-16733.81林地11.0720477.12-20698.123863.093653.16草地-0.16-2709.432696.174.6981.27水域-0.16-406.78408.48876.488877.94建設用地0-342.06597.263944.534181.73表22000-2018年各時期土地利用總變化幅度（hm2）Fig.2Changetrendoflandusetypefrom2000toFig.2Changetrendoflandusetypefrom2000to2018（2）水域的變化幅度最大，從2000—2018年,18年間共增加了8877.94hm2，年平均增加739.82hm2,所占土地總面積比例由3.85%提高到13.15%,年增長率達到7.11%,水域面積的增加主要是水庫建成后,水面面積的加大。耕地面積大幅減少，由2000年的55319.29hm2降為38585.48hm2,18年間共減少16733.81hm2,所占土地總面積比例由,57.72%減少到到40.27%,年減少率為1.99%。耕地面積的減少主要因為水庫蓄水淹沒，淹沒區(qū)涉及浉河區(qū)游河鄉(xiāng)、吳家店鎮(zhèn)和平橋區(qū)平昌關鎮(zhèn)、甘岸辦事處，合計4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積61.25km2，其中庫區(qū)59.56km2，壩區(qū)1.69km2。淹沒區(qū)處居民點外，主要為耕地。此外，建設用地增加的幅度也較大，由2000Table2Totalrangeoflandusechange2000to20181111年的2842hm2增長到2018年的7025hm2,所占土地總面積比例由，2.91%提高到7.33%,年均增長率為5.1%。這主要因為近20年來，中國經(jīng)濟快速發(fā)展，人口持續(xù)增長,產(chǎn)業(yè)結構不斷調(diào)整,城市化進程加快,交通、住房等基礎設施建設都要相應跟進,導致建設用地不斷增加與耕地面積不斷減少的矛盾日益突出。（3）雖然總的的看來,各類土地都有不同的變化,但從圖2及圖3可以看出,每一類地的變化趨勢差別很大。耕地雖然在2000年—2005年各土地利用類型變化幅度都很微小，但是在2005—2010年耕地減少17018.84hm2,林地增加了20477.12hm2，草地減少了2709.43hm2，水域減少了406.78hm2。在2010—2015年耕地增加了17014.34hm2，林地減少了20698.12hm2，草地增加了2696.1hm2，水域增加了408.4hm2。兩個研究時段相同土地利用類型面積變化呈對稱型變化。研究時段內(nèi)各十地類型變化幅度300002000010000-1DOOD-2D00D-3000D2000—2005■2GG5—2G10-B2010—2D1502015—2O1S圖3研究區(qū)域不同時段土地利用變化幅度Fig4rangeoflandusechangeindifferentperiodsinthestudyarea4.3土地利用時空動態(tài)變化分析從表3，4以及圖5可以看出：從單一動態(tài)度變化來看，從2000年—2018年，土地利用變化的整體趨勢是，耕地呈減少的趨勢，其他用地呈增加的趨勢，水域增加的最為明顯，達到13.2495%，耕地減少最明顯，達到-1.6805%。但具體變化過程卻不同。第一第二階段，除林地外，都表現(xiàn)出持續(xù)減少的態(tài)勢，即P為負值。此后，水域，草地都1表現(xiàn)出持續(xù)增加的態(tài)勢，即P為正值，而耕地卻逐年減少。2015-2018減少的最

多，達-10.0769%。單一類型土地利用動態(tài)度反映了某一土地類型轉入與轉出面積變化速率的差值，沒有考慮土地空間區(qū)位的相關屬性，不能揭示土地利用空間動態(tài)變化的轉移過程，而單一類型空間變化動態(tài)度P可以更為準確地反映單一土地利用類型轉移量的2動態(tài)變化過程。從表4中可以明顯的看出，在2000年—2005年各土地類型間的轉化特別小，幾乎不存在變化。但是在2005年—2010年與2010年—2015年兩個階段，空間變化動態(tài)度都較大，均超過了10%以上。從2015-2018年，各類用地空間動態(tài)度變化進一步加劇，耕地，林地，草地，建設用地轉入與轉出都是比較明顯的。尤其是水域達到98.6792%，建設用地85.5102%。因為耕地的基數(shù)比較表32000-2018年各時期單一土地利用類型動態(tài)度（P）1Table3Singletypedynamicdegreeinlandusefrom2000to20182000-20052005-20102010-20152015-20182000-2018土地類型PPPPP11111耕地-0.0038%-6.1541%8.8871%-10.0769%-1.6805%林地0.0071%13.1966%-8.0362%4.1789%0.6542%草地-0.0006%-18.6892%283.7552%0.4007%0.1557%水域-0.0008%-2.4124%2.4635%79.4527%13.2495%建設用地0.0000%-2.4057%4.6310%42.6768%8.1695%大，雖然轉出率較高，但P值卻最終不是最大?？傮w而言，研究區(qū)域的土地利用結2構變化劇烈，但在空間格局上變化并不大。從綜合利用動態(tài)度看，2000年一2005年La極小，所以土地利用幾乎不發(fā)生變化,在2005年—2010年La為3.5788%,2010年—2015年La為3.7099%,2015年一2018年La為6.5755%。2005年一2010年的土地利用變化劇烈程度與2010年—2015年的土地利用變化劇烈程度幾乎持平，2015年—2018年的土地利用變化程度高于2005年—2010年和2010年—2015年的土地利用變化程度。2015年一2018年單一類型上地2015年一2018年十地利用變化它間動態(tài)度&2015年一2018年單一類型上地2015年一2018年十地利用變化它間動態(tài)度&42,6768%1100.0000%80.0000^60.0000%40.0000%利用動態(tài)度k值79.45271120.0000^10O.DOOC%SCl0000%石Cl0000%4Cl0000號11圖4研究區(qū)域不同時段單一土地利用類型動態(tài)度及空間變化動態(tài)度Fig.4SingletypeandSpatialvariationdynamicdegreeoflandusechangeindifferentperiodsinthestudyregion表42000-2018年各時期土地利用類型空間變化動態(tài)度（P）2Table4TheSpatialvariationdynamicdegreeinlandusefrom2000to20182000-20052005-20102010-20152015-2018土地類型PPPP2222耕地0.0041%10.9436%16.0900%19.5014%林地0.0091%19.9650%11.6640%21.8175%草地0.0006%20.5210%312.6130%54.5953%水域0.0062%10.5431%16.9363%98.6792%建設用地0.0000%27.9675%35.6884%85.5102%不同類型七地利用綜合動態(tài)度7.0000%6.0000%5.0000%4.0000^3.0000%7.0000%6.0000%5.0000%4.0000^3.0000%2.OOOO5G1.0000%0.0000%6.5755%2015-2018圖5研究區(qū)域不同時段土地類型綜合動態(tài)度Fig.5Totaldynamicdegreeoflandusechangeindifferentperiodsinthestudyregion5結論與建議通過土地利用轉移矩陣和單一動態(tài)度與綜合動態(tài)度分析可以看出，2000-2018年間出山店水庫研究區(qū)在水庫建成前后土地利用結構發(fā)生了劇烈變化，不同時段的土地類型空間動態(tài)度變化差異明顯，但總體在空間格局上變化并不大。針對因為水庫建設導致耕地大量減少的現(xiàn)象，應控制庫區(qū)經(jīng)濟建設對耕地的占用，不斷加強科技示范引領，推進土地集約節(jié)約化經(jīng)營，提高土地的綜合利用效益。為降低修建水庫對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來的不利影響，要發(fā)揮庫區(qū)獨特的資源優(yōu)勢，打造水利景觀，建設山水生態(tài)區(qū)，為庫區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，生態(tài)安全，發(fā)揮重要作用。參考文獻:1.李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領域：土地利用／土地覆被變化的國際研究動向[J].地理學報，1996,51(6)：553-558.2?傅伯杰，張立偉.土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務：概念/方法與進展[J].地理科學進展,2014,33(4):441-446．3?楊麗，謝高地，甄霖，等。環(huán)渤海地區(qū)土地利用的時空變化分析J]?資源科學,2005,27(4):27-32.4?王軍，鐘莉娜，應凌霄，等?土地整治對生態(tài)系統(tǒng)服務影響研究綜述?生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報,2018,34(9):803－812DonatellaP，DavideT，LabriolaM，etal.LanduseandwinddirectiondrivehybridizationbetweencultivatedpoplarandnativespeciesinaMediterraneanfloodplainenvironment.Scienceof