基于可视化的土地利用变化图谱分析

基于可视化的土地利用变化图谱分析
刘俊;尤李俊;张荣群;刘秀丽
【摘要】土地利用/土地覆被是地理环境内部相互作用的结果,集中体现了人地关系的特征、属性和作用机制.传统对土地利用/土地覆被的监测研究方法仅能够反映不同时期土地利用类型面积的数量变化,无法实现对变化信息的定位分析与可视化表达.采用图谱分析的方法,借助RS和GIS技术,对山西省滹沱河流域忻州段1995-2005年、2005-2015年两个时间段内土地利用类型的时空演变特征进行分析,实现了对土地利用类型转换的定量分析和空间的定位描述.结果表明:受到社会经济发展和生态环境保护的双重影响,滹沱河流域忻州段土地利用格局发生不同程度的变化.该研究为土地利用/土地覆被的时空演变分析提供了一种方法,能够为滹沱河流域忻州段合理规划土地利用提供依据.
【期刊名称】《农业工程》
【年(卷),期】2017(007)006
【总页数】6页(P118-123)
【关键词】土地利用;时空演变;图谱可视化;滹沱河流域
【作者】刘俊;尤李俊;张荣群;刘秀丽
【作者单位】忻州师范学院地理系,忻州034000;青海师范大学生命与地理科学学院,西宁810008;中国农业大学信息与电气工程学院,北京100083;忻州师范学院地理系,忻州034000
【正文语种】中文
【中图分类】F301.24
土地利用/土地覆被变化(land use/land cover change)是全球环境变化研究中最
活跃的领域和最重要的组成部分。

土地利用/土地覆被变化对区域气候、大气成分、土壤环境通量、地球化学循环、水文循环、水文和水质量、生物多样性等方面造成影响，进而引发自然灾害、能源短缺、环境污染、粮食匮乏和经济危机等社会经济问题，严重制约土地资源的合理开发利用与可持续发展[1-9]。

因此，采用地学信
息图谱模型，利用RS和GIS技术，对土地利用/土地覆被变化研究，能够为区域
制定合理的土地政策和维护生态可持续发展提供参考依据[10-14]。

本文以面临社
会经济发展和生态环境保护双重压力的滹沱河流域忻州段为靶区，对流域近20年的土地利用变化信息从时间序列和空间格局进行分析，研究结果对于维持滹沱河流域忻州段生态平衡和促进经济发展提供参考依据。

1.1 研究区概况
滹沱河发源于山西省繁峙县泰戏山麓的孤山村一带，向西南穿过恒山与五台山，至忻府区与原平市交界的界河铺村转向东流，横穿系舟山和太行山，东流至河北省献县臧桥与滏阳河相汇成子牙河后注入海河。

滹沱河流域忻州段涉及忻州市繁峙县、代县、原平市、忻府区、定襄县和五台县6县(市、区)，处于滹沱河上游地区，流域面积12 036 km2，流域内支流分布呈羽状排列，北邻朔州、大同两市，南接太原市，东与河北省保定市相连。

地理位置介于38°13′N～39°27′N、112°17′～113°58′E，属温带季风性大陆气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，
全年降水较少，温差较大。

滹沱河及其支流牧马河、云中河和清水河等为本区域提供了丰富的水源，河流冲刷形成的平原为农业发展提供了优越的自然条件。

研究区是忻州市主要的人口聚集区和粮食主产区，主要包括玉米、高粱、豆类、马铃薯和向日葵等作物，农业在经济发展中占据重要的地位[15-17]。

研究区范围内河流沿
岸分布着占全区69%的工业企业，大量未经处理的生活垃圾、工业污水经灌溉渠
排入滹沱河及其支流，滹沱河两岸的生态环境遭到严重破坏。

因此有必要对本区进行土地利用/土地覆被变化研究，通过可视化的图谱表达方式实现土地利用/土地覆被的变化监测，为相关部门进行土地整理提供参考依据。

1.2 数据与处理
对于不同土地利用类型的解译，应选择影像信息丰富，且各种土地利用类型特征差异明显的遥感数据。

研究区位于温带大陆性季风气候区，夏季植被茂盛，覆盖度高，冬季植被枯萎，地面裸露。

因此选用1995、2005和2015年3个时期每年6—7月云量较少的遥感数据。

遥感影像均采用Universal Transverse Mercator(UTM
投影)、World Geodetic System 1984(WGS84坐标系)、第49带。

图像预处理
在ENVI5.2软件中完成，根据遥感影像不同波段的组合，对影像进行辐射定标、
大气校正和几何校正等预处理。

根据中国科学院资源环境数据库的土地利用分类系统，结合滹沱河流域忻州段土地利用特点，确定划分为耕地(旱地和水田)、草地、林地、建设用地、水体和未利用土地6种土地利用类型，应用人机交互的方式对
遥感影像进行判读解译，得到3个时期研究区的土地利用类型的分类结果，如图1所示[18-21]。

对土地利用分类结果进行精度检测，采取混淆矩阵方式进行空间位
置精度评价，最后得到总体分类精度、Kappa系数等判别指标。

结果表明：3期
遥感影像的分类精度分别为72.24%、70.68%、74.19%，Kappa系数分别为
0.723 3、0.718 9、0.741 9，分类精度可以满足对土地利用变化监测的需求。

1.3 土地利用变化的图谱表达
为了将土地利用变化的监测信息进行可视化表达，将3个时期的土地利用分类图
转换为具有相同空间分辨率的栅格数据，相同的栅格数据在不同时期具有相同或不同的属性特征。

利用GIS空间分析手段，对3个时期土地利用分类图进行叠加运算，逐个空间单元监测其土地覆被类型的属性是否变化，对变化的空间单元进行转化流向的信息提取，根据类型及流向建立土地利用类型时空复合的分类体系。

每期
解译结果有6种土地利用类型，因此转移图谱上可能存在36种类型的时空复合单元，每种类型的时空复合单元对应不同的颜色，建立土地利用类型转移图谱的图例系统。

统计不同类型的土地利用变化时空复合单元信息，从而得到土地利用类型转移图谱。

2.1 1995—2015年土地利用类型转移图谱
利用ArcGIS10.1形成土地利用变化图和相应的土地利用变化数据库，利用空间叠置功能对滹沱河流域忻州段3个时期的土地利用类型图进行分析，同时对不同土
地利用类型的面积进行统计分析，能够得到不同时期的土地利用格局和结构变化规律，如图2和表1所示。

2.2 土地利用类型转移分析
2.2.1 林地转移分析
1995—2005年，滹沱河流域忻州段林地的转入、转出面积分别为534.01和410.47 km2。

其中，分别有467.33 km2的未利用土地、115.36 km2的耕地转
化为林地，有277.95 km2的林地转换为草地，主要增长集中分布在滹沱河流域
边缘地带的平原向山区过渡区域。

2005—2015年，林地的转入、转出面积分别
为597.64和576.64 km2。

其中，分别有78.92 km2的未利用土地、73.88 km2的耕地转化为林地，有242.04 km2的林地转化为草地，变化区域主要集中在滹
沱河流域边缘平原和山地过度地带。

两个时间段内，林地面积缓慢上升。

林地面积的增加主要得益于国家退耕还林的政策实施及三北防护林的建设，因此研究期内存在不同程度的耕地转化为林地，同时对原有未利用土地的大力开发使得一部分未利用土地转化为林地。

2.2.2 耕地转移分析
1995—2005年，滹沱河流域忻州段耕地的转入、转出面积分别为344.29和751.68 km2。

其中，有320.28 km2转化为草地、221.30 km2转化为建设用地、
115.36 km2转化为林地，291.74 km2的未利用土地转化成为耕地，主要转化区域分布在滹沱河流域的南部，忻府区和定襄县东南边缘一带，包括繁峙县南部和五台县北部的山地区域。

2005—2015年，耕地的转入、转出面积分别为463.59和513.41 km2。

其中，有261.11 km2的耕地转化为未利用土地，98.05 km2的耕地转化为建设用地，转化区域零星分布在流域内原有耕地的边缘地区，两个时期内耕地面积略微减少。

耕地面积的下降，一方面由于国家退耕还林、还草政策的实施以及大力植树造林和保护天然林的措施，大部分不适宜耕种的土地转化为林草地，一定程度上恢复了土壤肥力，保护了生态环境。

另一方面，城市的快速扩张导致大量建设用地占用了城镇发展范围内部分耕地，同时，一部分耕种的农民为谋求更好的发展去城镇寻找更好地工作机会，导致部分耕地的荒废。

耕地面积的增加得益于国家占补平衡的规定，要求占用耕地的过程中，要加强技术手段和工程措施开发一部分未利用土地，促使耕地面积不突破国家设定的耕地红线标准，因此有很大部分的未利用土地被开垦成为新的耕地区域。

2.2.3 草地转移分析
1995—2005年，滹沱河流域忻州段草地的转入、转出面积分别为926.39和178.89 km2。

其中，320.28 km2的耕地、277.95 km2的林地、195.28 km2的未利用土地转化为草地，有111.80 km2的草地转出为未利用土地。

空间布局而言，林地转化草地主要位于定襄县和五台县的交界地带，绝大多数位于五台县的西南部。

草地转化为林地的增加区域集中分布在滹沱河沿岸和牧马河中下游沿河地区。

2005—2015年，草地的转入、转出面积分别为436.78和836.47 km2。

其中，242.04 km2的林地、103.69 km2的未利用土地转变为草地，有427.24 km2的草地转出成为林地，主要转化区域位于滹沱河冲刷形成的平原和五台山、恒山山地的交界处，草地面积先增加后下降，总体保持平稳状态。

增加主要是退耕还草工程的实施和对未利用土地持续改善的结果，对不适宜种植的耕地区域进行种植，防止
水土流失。

大力开发未利用土地，挖掘未利用土地资源；同时滹沱河流域地区的养殖畜牧业发达，部分草地被散养的牛羊作为饲料来源，一旦没有及时恢复即有可能变为未利用土地。

2.2.4 水体转移分析
1995—2005年，滹沱河流域忻州段水体的转入、转出面积分别为5.08和133.82 km2。

其中，78.56 km2转化为草地，25.53 km2转化建设用地；2005—2015年水体转入、转出面积分别为3.32和17.85 km2，其中，7.42 km2的水体转变为林地，6.46 km2转化为草地和耕地，两个时期水体的面积呈急剧下降的趋势，下降速率有所减缓。

空间分布上水体的转出主要位于河流沿岸。

忻州市近20年来气象资料显示：气温的升高和风速的加大导致降水量减少和蒸发量加剧，河流补给不足，河道不断萎缩；滹沱河沿岸分布有大量的工矿企业，向河道随意排放的工业废水和城镇居民的生活污水，使滹沱河大部分河道成为臭水沟，水质急剧下降；随着城镇化进程的加速，经济发展和人口集聚迫切需要大量的建设用地以满足需求，导致水体面积逐年下降，引发生态环境的恶化。

而水体转入依赖于流域内零星分布的水库、湖泊、沟渠等人工水利设施形成的季节性流水。

2.2.5 建设用地转移分析
1995—2005年，滹沱河流域忻州段建设用地的转入、转出面积分别为274.41和85.01 km2。

其中，103.67 km2的林地、93.37 km2的耕地转化为建设用地，有19.44 km2的建设用地转出为耕地，林地主要转入区域分布在五台县的东北角；2005—2015年建设用地转入、转出面积分别为340.12和51.93 km2，其中，98.05 km2的耕地、98.97 km2的未利用土地转变为建设用地，主要分布在滹沱河流域范围内主要县城及其周边的地形平坦区。

两个时期建设用地的面积呈不同程度的上升，增加速率有所放缓。

一方面，研究期内经济快速发展，城市化的发展伴随人口向经济发达地区大规模的集聚，同时大量企业工程的开发需要占用大量的土
地，工业用地和住宅用地不断扩大均为建设用地不断增加的重要原因。

同时，城镇化的扩张必然导致城区面积的增加，原有耕地、草地等区域逐渐演变成为城市发展用地、交通、工商服务业用地等，出现典型的城乡结合部的特点。

另一方面，近年来国家环保政策和生态保护的加强，对原有不符合产业发展政策的高污染、高耗能、低产出企业责令停产关闭，一部分进行合理规划和土地复垦，重新开发为耕地，另外一部分位于山地偏远地区，对村庄进行整体搬迁后就地实施还林、还草工程，一定程度上增加了林地和草地的覆盖面积。

同时在国家占补平衡的耕地政策下，大量建设用地转化为耕地流出。

2.2.6 未利用土地转移分析
1995—2005年，滹沱河流域忻州段未利用土地的转入、转出面积分别为375.38
和899.69 km2。

其中，111.80 km2的林地、221.30 km2的耕地转化为未利用
土地，有367.33、291.74和195.28 km2的未利用土地分别转出为林地、耕地和草地。

转化为林地的区域主要位于研究区边缘地带，转化为草地的区域主要是河流冲刷形成的平原边缘区；2005—2015年未利用土地转入、转出面积分别为
716.67和562.82 km2。

其中，245.96 km2林地、261.11 km2耕地、193.07 km2的草地转变为未利用土地，有279.87 km2未利用地转化为耕地，转化区域
位于河流上游的河谷与山地交界地带。

两个时期未利用土地的面积先减少后增加。

城镇化的发展促使农村的青壮年劳动力离开村庄去城市寻求更好的发展机遇，因此导致大量的农民流失，耕地荒废，逐渐转变为未利用土地。

与此同时，近年来滹沱河流域忻州段积极响应国家和山西省的政策号召，实现耕地和建设用地占补平衡，促使流域内部分未利用土地得到开发，转变成林草地及具有土壤肥力的耕地，一定程度上改善了研究区的生态环境。

本文研究了在城镇化快速发展背景下土地利用格局的变化，由于土地利用变化是持续性的且内部变化复杂化的过程，传统的土地利用转移矩阵仅仅能够描述研究区土
地利用类型和面积的数量变化，而应用地学信息图谱的方法可以从微观视角刻画土地利用变化的定位信息，但是仍然存在对空间演变规律的凝练。

之后的研究中，可以选用一定的地统计学模型模拟土地利用演变的强度信息，扩展对土地利用的深层次研究及地统计学理论在地学信息图谱中的应用，进而进一步定量化的描述演变的驱动力因素等。

根据研究所得出的结论再结合研究区的实际情况，希望在今后土地利用和管理方面，在确保滹沱河流域忻州段经济发展的速度和效率的同时，从土地利用格局转换的影响因素方面考虑，处理好经济发展与环境保护，城镇化和耕地底线的关系，促进滹沱河流域忻州段土地资源的合理开发应用，促进生态的恢复和环境的保护。

(1)通过ENVI和ArcGIS软件对遥感影像的处理解译分析，得到不同时期的土地利用格局图，进而分析滹沱河流域忻州段近20年来土地利用类型、面积和空间的变化，并且定性分析了土地利用变化的影响因素。

有利于解决面临生态环境保护和社会经济发展双向压力土地利用的问题，对土地整理和土地资源的可持续利用具有重要意义，为滹沱河流域忻州段合理规划土地利用类型提供了一定的参考依据。

(2)从土地利用变化图谱分析可知，滹沱河流域忻州段土地利用格局内部结构之间
具有较强的空间相关性。

土地利用类型的初始分布状态主要由地质地貌、地形、气候等自然地理条件决定，而社会经济的发展和人为、政策因素在变化过程中起到巨大的作用，并且作用程度越来越强。

(3)对滹沱河流域忻州段的土地利用变化研究中，耕地、水体的利用面积不断下降，但下降趋势明显减弱。

林地数量持续缓慢上升，建设用地面积增长幅度较大，草地数量先上升后下降，未利用土地先下降后升高。

从空间格局变化差异来看，建设用地的变化主要位于研究城镇周围，伴随城市化的发展扩张而显现，呈环状延伸。

水体的变化集中于滹沱河沿岸及周边区域，由于补给来源的较少和工业、生活的加剧，导致河道萎缩严重，呈线状缩减。

耕地的变化受到城市扩张和劳动力减少的影响，
原来城镇周边的区域和一些偏远地区的耕地退化明显，以上述区域呈不规则的点状缩小。

林地和草地由于其本身分布于研究区的山地及山地和平原过渡区域，空间变化没有明显的规律性。

【相关文献】
[1] Carlson T N，Arthur T S.The impact of land use-land cover changes due to urbanization on surface microclimate and hydrology：a satellite perspective[J].Global and Planetary Change，2000，25(1/2)：49-65.
[2] 马晴，李丁，廖杰，等.疏勒河中下游绿洲土地利用格局变化及其驱动力分析[J].经济地理，2014，34(1)：148-154.
Ma Qing，Li Ding，Liao Jie，et al.Analysis of land use change and its driving forces in the oasis of Shule River middle and lower reaches[J].Economic Geography，2014，34(1)：148-154.
[3] 殷格兰，邵景安，郭跃，等.南水北调中线核心区土地利用变化及其生态环境响应研究[J].地球信息科学学报，2017，19(1)：59-69.
Yin Gelan，Shao Jing′an，Guo Yue，et al.Study of land use change and eco-environmental response in the core area of mid-route of south-to north water transfer project[J].Journal of Geo-information Science，2017，19(1)：59-69.
[4] 徐苏，张永勇，窦明，等.长江流域土地利用时空变化特征及其径流效应[J].地理科学进展，2017，36(4)：426-436.
Xu Su，Zhang Yongyong，Dou Ming，et al.Spatial distribution of land use change in the Yangtze River Basin and the impact on runoff[J].Progress in Geography，2017，36(4)：426-436.
[5] 汪滨，张志强.黄土高原典型流域退耕还林土地利用变化及其合理性评价[J].农业工程学报，2017，33(7)：235-245.
Wang Bin，Zhang nd use change driven by Sloping Land Conversion Program in typical watershed on Loess Plateau and its rationality evaluation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2017，33(7)：235-245.
[6] 罗维，易海杰，李红举，等.洋河流域土地利用时空变异及其对生态服务功能价值的影响[J].生态学报，2017，37(16)：5 342-5 351.
Luo Wei，Yi Haijie，Li Hongju，et al.Temporal and spatial variation of land use and their influence on ecosystem service function values in the Yanghe Watershed[J].Acta Ecologica Sinica，2017，37(16)：5 342-5 351.
[7] Kumar N，Tischbein B，Kusche J，et al.Impact of land-use change on the water resources of the Upper Kharun Catchment，Chhattisgarh[J].Regional Environment Change，2017：1-13.
[8] Powers J.Changes soil cardon and nitrogen after contrasting land-use transition in northeastern Costa Rica[J].Eco-systems，2004，7(2)：134-146.
[9] 邵璞，曾晓东.土地利用和土地覆盖变化对气候系统影响的研究进展[J].气候与环境研究，2012，17(1)：103-111.
Shao Pu，Zeng Xiaodong.Progress in the study of the effects of land use and land cover change on the climate system[J].Climatic and Environmental Research，2012，17(1)：
103-111.
[10] 张荣群，孙玮健，艾东，等.基于监测信息可视化方法的土地覆被变化分析[J].农业工程学报，2015，31(21)：240-244.
Zhang Rongqun，Sun Weijian，Ai Dong，et al.Analysis on land cover change based on visual method of monitoring information[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31(21)：240-244.
[11] 康文平，刘树林，段瀚晨.基于MODIS时间序列数据的沙漠化遥感监测及沙漠化土地图谱分析：以内蒙古中西部地区为例[J].中国沙漠，2016，36(2)：307-318.
Kang Wenping，Liu Shulin，Duan Hanchen.Monitoring and spatial-temporal changes analysis of aeolian desertified lands based on MODIS data：a case study on the middle-west part of Inner Mongolia[J].Journal of Desert Research，2016，36(2)：307-318.
[12] 张国坤，邓伟，张洪岩，等.新开河流域土地利用格局变化图谱分析[J].地理学报，2010，
65(9)：1 111-1 120.
Zhang Guokun，Deng Wei，Zhang Hongyan，et al.The TUPU analysis of land use pattern in Xinkai river basin[J].Acta Geographica Sinica.2010，65(9)：1 111-1 120.
[13] 朱占永，郭伟志，张海力.海河流域土地利用变化图谱分析[J].安徽农业科学，2012，40(14)：8 292 -8 295，8 314.
Zhu Zhanyong，Guo Weizhi，Zhang Haili.Mapping analysis of land-use changes in Haihe river basin[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences，2012，40(14)：8 292 -8 295，8 314. [14] 刘欢，张荣群，郝晋民，等.基于半方差函数的银川平原土地利用强度图谱分析[J].农业工程学报，2012，28(23)：225-231.
Liu Huan，Zhang Rongqun，Hao Jinmin，et al.Tupu analysis of land use intensity using semi-variance in Yinchuan plain[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28(23)：225-231.
[15] 赵鹏宇，冯文勇，崔嫱，等.2004—2011年忻州市滹沱河系地表水质变化及影响因素分析[J].
安全与环境学报，2015，15(4)：374-380.
Zhao Pengyu，Feng Wenyong，Cui Qiang，et al.Surface water quality change and the analysis of acting factors of Hutuo river-reach system in the urban areas of Xinzhou city in
2004—2011[J].Journal of Safety and Environment，2015，15(4)：374-380.
[16] 张瑞钢，莫兴国，林忠辉，等.滹沱河上游山区近50年蒸散变化及主要影响因子分析[J].地理
科学，2012，32(5)：628-634.
Zhang Ruigang，Mo Xingguo，Lin Zhonghui，et al.The trend and the principal influence factors of evapotranspiration in Hutuo river basin during last 50 years[J].Scientia Geographica Sinica.2012，32(5)：628-634.
[17] 赵鹏宇，冯文勇，崔嫱，等.2004—2011年滹沱河忻州段水质变化及影响因素[J].水土保持通报，2015，35(1)：96-101.
Zhao Pengyu，Feng Wenyong，Cui Qiang，et al.Surface water quality of Xinzhou section of Hutuo river and related driving factors during 2004—2011[J].Bulletin of Soil and Water Conservation，2015，35(1)：96-101.
[18] 王传辉，吴立，王心源，等.基于遥感和GIS的巢湖流域生态功能分区研究[J].生态学报，2013，33(18)：5 808-5 817.
Wang Chuanhui，Wu Li，Wang Xinyuan，et al.RS-and GIS-based study on ecological function regionalization in the Chaohu lake basin，Anhui province，China[J].Acta Ecologica Sinica，2013，33(18)：5 808-5 817.
[19] 许宁，郭旭东，田淑芳，等.基于遥感和GIS的土地利用分类方法及其在土地退化程度分析中
的应用：以陕西横山雷龙湾地区为例[J].生态学报，2008，28(11)：5 410-5 417.
Xu Ning，Guo Xudong，Tian Shufang，et al.Remote sensing and GIS based comparison
of land-use classification methods and data mining for degree of land degradation：a case study in Leilongwan area，Hengshan county，Shannxi province[J].Acta Ecologica Sinica，2008，28(11)：5 410-5 417.
[20] 张红红，林楠，王晓志，等.基于RS和GIS的吉林地区土地利用利用变化研究[J].测绘与空间
地理信息，2016，39(2)：68-74.
Zhang Honghong，Lin Nan，Wang Xiaozhi，et al.Dynamic changes of land use in Jilin area based on RS and GIS[J].Geomatics & Spatial Information Technology，2016，39(2)：68-74.
[21] 王非，毋兆鹏，汪洋，等.基于RS和GIS的塔里木盆地荒漠化动态监测[J].生态学杂志，2017，36(4)：1 029-1 037.
Wang Fei，Wu Zhaopeng，Wang Yang，et al.Dynamic monitoring of desertification in
the Tarim basin based on RS and GIS techniques，2017，36(4)：1 029-1 037.。