基于地形因子的重慶市忠縣土地利用變化研究

基于地形因子的重慶市忠縣土地利用變化研究

土地形態(tài)是影響土地利用變化最直接、最重要的因素之一。它也是許多自然因素對土地利用影響最大的因素之一。它直接影響到土地的使用方式，在一定程度上決定了土地的使用類型。數(shù)字高程模型(DEM)作為研究空間變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),蘊(yùn)含著大量的地形結(jié)構(gòu)和特征信息［８］。通過DEM可以快速高效地提取高質(zhì)量的高程、坡度和坡向等各種地形因子信息,進(jìn)而為定量研究地形因子對土地利用變化的影響提供依據(jù)［９－１１］。利用DEM數(shù)據(jù)對土地利用變化進(jìn)行研究,可以確定不同地形因子對土地利用變化的影響,對合理進(jìn)行土地資源優(yōu)化配置具有指導(dǎo)意義［１２］。本文以典型山區(qū)重慶市忠縣為研究區(qū),基于DEM數(shù)據(jù),綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù),提取影響土地利用變化的各種地學(xué)信息,分析土地利用變化與高程、坡度和坡向之間的關(guān)系。以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和不同地形上土地利用類型的合理布局,促進(jìn)區(qū)域土地利用的可持續(xù)發(fā)展,同時(shí)為合理利用土地資源、協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及調(diào)控和管理土地利用提供參考。1忠縣地貌地質(zhì)條件忠縣位于重慶市中部、三峽庫區(qū)腹心地帶,其地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°32′—108°14′,北緯30°03′—30°53′,東西長66.45km,南北寬60.15km,幅員面積2187.08km２,是三峽移民搬遷重點(diǎn)縣。忠縣居三峽水庫中段,長江自西南向東北橫穿其中,地處暖濕亞熱帶東南季風(fēng)區(qū),屬亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)山地氣候。境內(nèi)低山起伏,溪河縱橫交錯(cuò),其地貌由金華山、方斗山、貓耳山三個(gè)背脊和其間的拔山、忠州兩個(gè)向斜構(gòu)成,最高海拔1680m,最低海拔117m,屬典型的丘陵地貌。忠縣現(xiàn)轄22個(gè)鎮(zhèn),6個(gè)鄉(xiāng),2010年全縣總?cè)丝?01.18萬人。忠縣地區(qū)地形起伏較大,土地利用/覆蓋類型多樣復(fù)雜,土地利用方式以耕地和林地為主,分別占37.74%和22.84%,其分布與“三山夾兩槽”的地勢相對應(yīng),耕地多分布在槽谷地勢較平坦地區(qū),林地主要分布在三條山脈［１３］。近些年來受經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及三峽庫區(qū)蓄水的影響,忠縣土地利用發(fā)生了一定的變化。2數(shù)據(jù)處理和方法2.1遙感影像解譯本文采用的遙感數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)2000年和2010年美國陸地衛(wèi)星Landsat-5所獲取的多波段TM影像,該影像有7個(gè)波段,影像空間分辨率除第六波段(熱紅外波段)為120m外,其余均為30m,本文采用1,2,3,4,5,7波段,進(jìn)行遙感影像解譯;DEM數(shù)據(jù)為覆蓋研究區(qū)全區(qū)的(帶號為48N)90m空間分辨率數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為GRID;行政邊界矢量數(shù)據(jù)的獲取是在ArcGIS平臺上以配準(zhǔn)后的地圖為底圖,運(yùn)用Editor中的createnewfeature工具在新建的矢量圖層上跟蹤研究區(qū)行政邊界,獲得研究區(qū)的面狀矢量圖;用于幾何校正的有研究區(qū)1∶5萬地形圖以及其他輔助圖件和相應(yīng)的野外調(diào)查資料。2.2dem數(shù)據(jù)庫的建立2.2.1遙感影像預(yù)處理及影像解譯在統(tǒng)一坐標(biāo)系的前提下,以研究區(qū)1∶5萬地形圖為基礎(chǔ)對兩期遙感影像進(jìn)行幾何校正(平均誤差小于0.5個(gè)像元),利用主成分分析法對影像進(jìn)行增強(qiáng)處理,通過裁剪得到符合要求的研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)。參照《土地利用現(xiàn)狀分類(G/T21010-2007)》,并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際和研究需要以及遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn),采用最大似然分類法將研究區(qū)土地利用方式劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水域五類。對于道路、溝渠、林帶等線狀地物和其它特殊用地等比例很小的地物,因影像分辨率和技術(shù)處理原因無法單獨(dú)分類,故分別劃入到上述類型之中。利用ArcGIS對上述解譯后的數(shù)據(jù)建立空間拓?fù)潢P(guān)系,生成忠縣土地利用的圖形數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫。2.2.2基于DEM的高程、坡度和坡向分級利用DEM數(shù)據(jù),采用ArcGIS中的SpatialAnalyst模塊下的表面分析分別提取高程、坡度和坡向信息。高程是影響土地利用方式的重要環(huán)境因子,隨著高程的增加,大氣濕度、溫度都會(huì)發(fā)生明顯的變化,導(dǎo)致土地的利用方式隨高程的變化發(fā)生一定的變化。通過忠縣DEM數(shù)據(jù)分析得知,全縣的高程范圍為117~1680m。坡度對土地利用有著重要的影響:小于6°的坡地,可以作為農(nóng)用旱地或牧草地;大于6°的坡地,易產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕,需修筑梯田或采用水保耕作法等水保措施;25°是退耕還林還牧界限;溝坡地的地面坡度大部分在35°以上,該類土地應(yīng)以種草造林為主要利用方式,以保護(hù)邊坡的穩(wěn)定性,防止崩塌、錯(cuò)落等重力侵蝕發(fā)生;45°是植樹造林的上限［８］。坡向表征了地面任何一點(diǎn)高程值改變量的最大變化方向。為了便于對研究區(qū)在不同地形因子上的土地利用變化進(jìn)行分析,本文根據(jù)2004年《土地利用更新調(diào)查技術(shù)規(guī)定》(試行),結(jié)合相關(guān)研究成果［３，９，１１］及本研究區(qū)實(shí)際,將高程按照300m等間隔劃分為4個(gè)級別(表1);坡度分為平地、緩地、斜坡、緩斜坡和陡坡五類(表2);對于坡向以正北方向?yàn)?°,按順時(shí)針方向計(jì)算,取值范圍為0°~360°,分為平緩坡、陽坡、半陽坡和陰坡四級(表3)。各地形因子分級圖見附圖1。2.3土地利用類型數(shù)量2.3.1土地利用變化動(dòng)態(tài)度土地利用變化動(dòng)態(tài)度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度,反映土地類型在一定時(shí)段的變化程度和趨勢,對比較土地利用變化的差異有積極作用［１４－１５］。其表達(dá)式為:式中:R———研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的變化率;Ua,Ub———研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量;T———研究時(shí)段長。當(dāng)T設(shè)定為年時(shí),R為研究區(qū)時(shí)段內(nèi)某一種土地利用類型的年變化率。式中:Sｉｊ———土地面積;n———土地利用的類型數(shù);i,j———研究期初與研究期末的土地利用類型序號。3結(jié)果與分析3.1土地利用類型根據(jù)上述公式,利用ArcGIS軟件計(jì)算出研究區(qū)2000—2010年間土地利用變化率及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表4—5)。由表4—5可知,2000—2010年間,忠縣土地利用變化整體以耕地、林地和水域?yàn)橹?變化比例分別為48.75%,32.31%和10.69%。土地利用面積減少的主要土地利用類型為耕地和草地,林地、建設(shè)用地和水域面積增加;面積減少幅度最大的為耕地,增加幅度最大的為林地,年變化率較大的為草地和建設(shè)用地。減少的耕地主要轉(zhuǎn)向林地、建設(shè)用地和水域,耕地轉(zhuǎn)為林地主要發(fā)生在西部地區(qū),耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地主要發(fā)生在城鎮(zhèn)及主要公路附近,耕地轉(zhuǎn)化為水域主要發(fā)生在長江及支流兩邊,可見耕地減少主要受到生態(tài)退耕、建設(shè)占用以及三峽工程蓄水的影響;草地的面積略有減少,但減少量不明顯,主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾退?林地的增加主要來自耕地和草地,進(jìn)一步說明了國家退耕還林工程的實(shí)施在忠縣地區(qū)取得了一定的成效;建設(shè)用地的增加主要來自耕地,在縣城周邊有明顯的耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化,主要原因是近些年重慶市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,帶動(dòng)了忠縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,使忠縣的城鎮(zhèn)化速度明顯加快,表現(xiàn)為建設(shè)用地面積的持續(xù)增加;水域的增加比較集中,主要來自長江周邊地區(qū)的耕地和林地,直接表明了三峽大壩蓄水對土地利用的影響。3.2不同高程級別范圍內(nèi)土地利用變化利用ArcGIS疊加分析功能將高程與土地利用變化進(jìn)行疊加分析得到研究區(qū)2000—2010年間基于高程分級的土地利用變化情況(表6,附圖2),2000—2010年間忠縣土地利用變化量最大的高程級別為300~600m,其次為0~300m,這兩個(gè)高程級別范圍內(nèi)土地利用變化最顯著的特點(diǎn)是耕地與其它土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化,0~300m高程級別范圍內(nèi)土地利用變化最顯著的是耕地轉(zhuǎn)化為林地、建設(shè)用地和水域,且耕地的轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入面積,耕地面積明顯減少,而300~600m高程范圍內(nèi)共有4372.73hm２的耕地轉(zhuǎn)化為林地,約占這一級別土地利用總變化量的80%,這一區(qū)間是耕地與林地轉(zhuǎn)化的主要地域。在600~900m和>900m這兩個(gè)級別,土地利用變化量較小,在>900m級別僅有極少量的耕地轉(zhuǎn)化為林地,說明高程因子對土地利用變化的影響較大,隨著高程的增加,土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化減少。3.3不同級別土地利用變化研究區(qū)2000—2010年間基于坡度分級的土地利用變化情況(表7,附圖2)表明:2000—2010年忠縣土地利用變化量以緩地最大,變化量為4448.95hm２,平地和斜坡變化量相近,分別為2672.25hm２和2163.05hm２,緩斜坡和陡坡變化量較小。發(fā)生在平地和緩地的主要土地利用變化為耕地轉(zhuǎn)向林地,其次為耕地向建設(shè)用地、水域以及林地向水域的轉(zhuǎn)化。耕地向林地的轉(zhuǎn)化在各個(gè)級別均有發(fā)生,以緩地變化量最大。除平地和緩地外,土地利用變化隨坡度的增加呈減少趨勢。3.4土地利用變化基于坡向分級的土地利用變化統(tǒng)計(jì)(表8,附圖2)表明,2000—2010年忠縣土地利用類型變化量隨著坡向的變化而變化。土地利用變化主要集中在半陽坡上,變化面積為5276.72hm２,陽坡和陰坡變化面積次之,分別為2667.63hm２和1788.94hm２。平緩坡上的土地變化最小。平緩坡主要以林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為主,陽坡比陰坡更容易發(fā)生耕地向林地轉(zhuǎn)化,耕地向建設(shè)用地、耕地向水域、以及林地向水域的轉(zhuǎn)化量在陰陽坡的分布相對均勻,轉(zhuǎn)化量很小的草地向林地的轉(zhuǎn)化基本分布在陽坡和半陽坡。根據(jù)上述土地利用變化特征可以看出,高程、坡度、坡向在很大程度上影響著忠縣的土地利用變化,2000—2010年間忠縣土地利用變化總體上以耕地、林地和水域變化為主,以耕地向林地的轉(zhuǎn)化為顯著特點(diǎn),并主要集中在高程0~600m、坡度<25°的半陽坡地區(qū);水域的增加主要來自耕地和林地,并集中在海拔0~300m、坡度<25°的長江及支流沿岸;土地利用變化隨著高程的增加、坡度的增大而減緩,陽坡的土地變化比陰坡大;陽坡耕地轉(zhuǎn)化為林地的變化面積比陰坡多,陰坡耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的變化面積比陽坡多。在空間分布上,土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換主要集中在研究區(qū)西北部、縣城及主要公路附近、長江及支流兩邊,說明地形因子、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及三峽大壩蓄水是該區(qū)土地利用變化的主要影響因子。4土地利用變化與地形因子之間的關(guān)系本文在DEM的基礎(chǔ)上,以遙感和地理信息系統(tǒng)為手段,分析了2000—2010年重慶市忠縣土地利用在高程、坡度和坡向三方面的變化情況,得出的主要結(jié)論如下:(1)地形因子(高程、坡度、坡向)作為重要的自然因素,對區(qū)域土地利用變化具有重要的影響,高程、坡度、坡向的等級不同,土地利用變化程度不同,土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換不同。地形因子對土地利用變化的影響符合當(dāng)?shù)氐淖匀灰?guī)律和社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)律。(2)該時(shí)期本區(qū)域地形因子對土地利用變化的影響規(guī)律為土地利用變化隨著高程的增加、坡度的增大而減緩,陽坡大于陰坡,并主要集中在高程300~600m,坡度<25°的半陽坡地;土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化以耕地與林地在高地上(海拔300~60