近20年大同市土地利用_覆盖遥感变化分析_王冬辰

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第7 期
王冬辰等
近 20 年大同市土地利用 / 覆盖遥感变化分析
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1500m 之间。大同市地处毛乌素沙漠东部， 黄土分布广泛且黄土地貌复杂多变， 作为京津风 永定河上游， 沙源运移通道， 对京津地区的生态环境影响较大 。该区属于温带大陆性季风气候， 气候干寒多风， 年均气 温 6． 4℃ ， 温差较大， 降水时间集中在 7 － 9 月份。大同市地貌类型复杂多样， 包括丘陵、 山地、 盆地、 平原、 ， 80% ， 、 、 ， 土石山区等 其中丘陵及土石山区约占总面积的 区内地形坡陡沟深 地质疏松 植被稀少 且煤炭资 源丰富， 露天煤矿较多。气候条件、 地质地貌与人类活动等多重因素， 造成了大同市严重的水土流失。 1． 2 数据源与处理 研究采用美国 USGS 的 LandsatTM / ETM + 遥感影像 L1T 产品， 已经过系统辐射校正和几何精校正 ， 误 2002 年、 2009 年以及 2013 年 ） 、 选取 4 个时期 （ 1993 年、 每个时期选取覆盖研 差小于半个像元（ ＜ 15m） ， 125 － 33 、 124 － 33 的 3 景无云影像， 究区的轨道号为 125 － 32 、 共 12 景影像。 影像成像时间为夏秋季， 该 ， 。 ， 30mASTEＲ GDEM 。 时期各种植被茂盛 有利于地类解译 此外 采用 作为分类辅助特征 首先对原始影像进行预处理， 包括辐射定标、 大气校正和拼接裁剪， 得到大同市地表反射率值， 再加入 ［10 ］ 影像的纹理特征及 DEM 特征， 构成该研究区分类的特征空间 。研究参照我国现行土地利用 / 覆盖分类 体系标准， 结合大同市土地覆盖现状， 将研究区土地覆盖类型确定为有林地、 灌木林、 草地、 建设用地、 水 体、 耕地、 人工林、 裸岩、 裸土共 9 种。 分别采用最大似然法、 神经网络、 支持向量机对遥感影像进行分类， 构建多数投票分类器组合三种成 ［11 ］ 88． 60% 、 员分类器的分类结果， 获得最终分类影像 。 统计得到 4 期影像的分类精度分别为 89． 54% 、 85． 50% 、 85． 91% ， 0． 87 、 0． 84 、 0． 84 ， 较成员分类器分类精度更高。 kappa 系数分别为 0． 88 、 满足土地利 用 / 覆盖分析的要求。 1． 3 研究方法 从土地利用的数量统计、 变化过程及变化程度方面， 选择土地利用动态度， 土地覆盖转移矩阵及土地 利用程度模型进行定量分析。 1． 3． 1 土地利用动态度 ［12 ］ 土地利用变化的速度可以用土地利用动态度模型进行定量描述 。 单一土地利用动态度模型主要 反映单一地类土地利用类型面积变化的速率 。其计算公式如下： Ub － Ua 1 （ 2） × × 100% K= Ua T U b 分别为研究区 T 为检测时段， Ua 、 式中： K 代表动态度， 为研究时段内某一土地利用类型的变化率 ， 初期和末期时的某一土地类型面积 。 1． 3． 2 土地覆盖转移矩阵 转移矩阵是将土地覆盖转移变化的面积按矩阵形式列出 ， 可反映土地覆盖类型由研究初期向研究末 期的转化情况。转移矩阵能定量说明研究期初各土地类型的去向以及研究期末各土地覆盖类型的来源 ， 从而更好地了解其时空变化过程 ： S11 S12 … S1n S21 S22 … S2n （ 3） S ij = … … … … S n1 S n2 … S nn n 为土地覆盖的种类数， i、 j 分别为研究期初 / 末的土地覆盖类型。 式中： S 代表面积， 表 1 土地利用类型及分级表 1． 3． 3 土地利用程度模型 Table 1 Land use types and the classification 土地利用程度既反映了土地利用中的土地自然 土地分级 土地利用类型 分级指数 属性， 也反映人类因素与自然环境因素的综合效应 。 1 未利用土地级 未利用地或难利用地 将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影 2 林草水用地级 林地牧草地水域 响下的状态分为若干级， 并赋予分级指数， 得到土地 3 耕地园地 农业用地级 利用程度综合指数及土地利用程度变化率的表达 4 城镇聚落用地级 城镇居民点及交通工矿用地 n ［13 ］ 式 。 （ 4） 土地利用程度综合指数可表达为 ： L j = 100 × ∑A i × C i
文章编号： 1003 － 7578 （ 2015 ） 07 － 068 － 06
近 20 年大同市土地利用 / 覆盖遥感变化分析
1， 2 1， 2 3 1， 2 苏红军 ，谢相建 王冬辰 ，杜培军 ， （ 1． 卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室， 南京大学， 南京 210023 ； 2． 江苏省地理信息技术重点实验室 ， 南京 210023 ； 3． 河海大学地球科学与工程学院， 南京 210098 ）
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利用动态度、 转移 要： 应用多分类器集成方法获取 1993 － 2013 年 4 个时期的土地利用 / 覆盖分类图， 矩阵及土地利用程度变化模型研究大同市近 20 年的土地覆盖时空变化特点 ， 结果表明： （ 1 ） 20 年间区域有林 地、 人工林和建设用地面积的增长速度较快 ， 灌木、 裸岩、 裸土和草地的面积减少较快 。大同市整体土地覆盖变 提 化反映了耕地林地增加 、 城镇扩展、 灌草地和未利用地不断减少的土地利用变化格局 ； （ 2 ） 大同市土地流失的 来源为灌木林、 草地及未利用地， 地类去向为有林地、 建设用地及农业用地， 未利用地大部分被转化为林 、 草、 农 业用地； （ 3 ） 阳高县、 左云县、 市辖区的土地利用程度最高 ， 灵丘县的土地利用程度最低 ， 建设用地及农业用地 的增加使得大同市整体土地利用处于发展期 ； （ 4 ） 大同市土地覆盖变化剧烈 ， 主要受人口压力、 资源开采及生 态修复政策的影响。建议加强生态恢复功能 ， 优化空间开发格局， 并建立持续定期的遥感监测 。 关键词： 土地利用 / 覆盖； 土地利用模型； 变化分析； 大同市 中图分类号： TP79 文献标识码： A
土地覆 盖类型 有林地 灌木林 草 水 耕 裸 裸 地 体 地 岩 土 建设用地 1993 面积（ km2 ） 872． 19 3095． 00 1520． 97 486． 04 38． 29 4255． 37 704． 55 2085． 82 1043． 22 百分比（ % ） 6． 19 21． 95 10． 79 3． 45 0． 27 30． 18 5． 00 14． 79 7． 40 2002 面积（ km2 ） 1021． 65 2918． 86 1093． 58 645． 41 44． 87 4653． 40 773． 00 1940． 76 1009． 92 百分比（ % ） 7． 25 20． 7 7． 76 4． 58 0． 32 33 5． 48 13． 76 7． 16 2009 面积（ km2 ） 1328． 90 2529． 53 837． 25 719． 13 38． 80 5043． 57 1084． 66 1774． 63 744． 98 百分比（ % ） 9． 42 17． 94 5． 94 5． 1 0． 28 35． 77 7． 69 12． 58 5． 28 2013 面积（ km2 ） 1384． 35 2308． 29 998． 00 765． 73 75． 38 5434． 17 1067． 04 1482． 91 585． 58 百分比（ % ） 9． 82 16． 37 7． 08 5． 43 0． 53 38． 54 7． 57 10． 51 4． 15
i =1
C i 为研究 A i 为研究区内第 i 级土地利用程度分级指数， 式中： L j 为某研究区土地利用程度综合指数 ， i ， n 。 区内第 级土地利用程度分级面积百分比 为土地利用程度分级数
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干
旱
区
ห้องสมุดไป่ตู้
资
源
与
环
境
第 29 卷
土地利用程度变化量和变化率可定量地反映该区域土地利用的综合水平及变化趋势 ： ΔL b － a = L b － L a = （ ∑A i × C ib － ∑A i × C ia ）
第7 期 别的变化具有以下特点：
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近 20 年大同市土地利用 / 覆盖遥感变化分析
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表 2 四期遥感影像土地覆盖面积统计表 Table 2 Statistics of land cover areas according to four periods of remote sensing images
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2． 1
结果与分析
土地利用 / 覆盖数量统计分析 对 4 期土地覆盖分类图进行统计， 计算出各地类的面积与百分比（ 表 2 、 图 2） 。
图 1 多分类器集成分类结果图 Figure 1 Ｒesults of multi － classifier combination
由图 2 和表 2 可以看出， 研究区主要土地覆盖类型为有林地、 灌木林、 耕地和裸岩。20 年间， 土地类
［1 ， 2 ］
， 也是自然过程与人文过程交叉最为密 土地利用 / 覆盖变化是国内外地理研究的前沿和热点问题 ［3 ］ 切的问题， 体现了具体的人地关系 。进行土地利用变化分析， 对于合理开发土地资源， 实现土地资源利 用的可持续发展， 改善区域生态环境， 都具有重要的意义。遥感因其速度快、 时间准、 周期短、 覆盖面大等 特点， 在土地利用 / 覆盖变化的研究中有着不可替代的作用 。目前遥感技术已经在土地利用 / 覆盖变化监 ［4 ， 5， 6 ］ 。 测中取得了广泛的应用 ［7 ］ 位于黄土高原东北边缘的大同市是京津地区风沙的天然屏障 ， 具有重要的生态地理意义 。 该地区 地处水蚀风蚀交错区， 区内水土流失严重， 地表生态环境差异大、 变化快， 所处的晋北风沙区作为京津三大 ［8 ］ 风沙源之一， 是导致我国北方地区沙尘暴天气的重要原因 。区内煤炭资源丰富， 露天煤矿较多， 剧烈的 人类活动使得该区域内土地利用 / 覆盖变化较大。自然与人为的双重因素， 造成了区内土地利用 / 覆盖变 ， 。 ， / 化频繁 直接影响了区域生态环境的明显变化 因此 有必要对其土地利用 覆盖状况进行变化分析。 ［9 ］ 目前国内有关大同地区的土地覆盖变化研究较少 。 李彩霞等 对大同市 1987 年和 2000 年两期 Landsat 影像解译， 结合景观格局动态分析方法， 分析动态变化及景观格局特征。 但所选数据时期较少、 时 间跨度过大， 无法体现 14 年中其间的土地变化情况。 自 2000 年以后少有对晋北地区土地覆盖变化的探 讨， 而 21 世纪之后该地区多次实施产业结构调整与生态修复政策 ， 对该地区的土地覆盖变化产生了积极 影响。针对这一问题， 文中利用大同市最近 20 年共 4 期 Landsat 遥感影像， 综合多种土地利用变化模型， 对大同市土地利用 / 覆盖变化进行分析， 以期为该地区的土地资源可持续利用提供科学依据 。