黄河河口镇—潼关区间1998-2010年土地利用变化特征
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第 69 卷 第 1 期 2014 年 1 月
地理学报
ACTA GEOGRAPHICA SINICA
Vol.69, No.1 January, 2014
黄河河口镇—潼关区间 1998-2010 年 土地利用变化特征
罗 娅1, 2, 杨胜天1, 刘晓燕3, 刘昌明4, 5, 宋文龙1, 6, 董国涛7, 赵海根1, 娄和震1
(2) 土 地 利 用 分 类 信 息 提 取 及 精 度 验 证 参 照 《土 地 利 用 现 状 分 类 (GB/
T21010-2007)》 标准，将研究区的土地分为 11 类，分别为农地、有林地 (简称有林)、灌木
林地 (简称灌木)、疏林地 (简称疏林)、其他林地 (简称其它林)、高覆盖度草地 (简称高
木林地和覆盖度较高的高覆盖度草地和中覆盖度草地加以统计。如 I 值为正，表明区域林
草植被增加，且 I 值越大，说明增加的速度越快；如 I 值为负，表明区域林草植被减少，
且 I 值绝对值越大，说明减少的速度越快。
2.2 数据资料
(1) 遥感数据 获取研究区 1998 年 TM 影像和 2010 年中国“环境一号”卫星遥感数
截止目前，国家的退耕还林 (草) 政策已实施 10 年有余，其实施效果已初步显现。李
收稿日期：2013-09-25; 修订日期：2013-10-30 基金项目：国家“十二五“科技支撑计划课题 (2012BAB02B00); 水利部公益项目 (201101037); 中央高校基本科研业
务费专项 [Foundation: National Key Technologies R&D Program, No.2012BAB02B00; Public Welfare Fund of the Ministry of Water Resources of China, No.201101037; The Fundamental Research Funds for the Central Universities]
(1. 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 100875; 2. 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550001; 3. 黄河水利委员会, 郑州 450003; 4. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
5. 中国科学院陆地水循环与地表过程重点实验室, 北京 100101; 6. 中国水利水电科学研究院, 北京 100044； 7. 黄河水利科学研究院, 郑州 450003)
植被变化指数 (I)，作为评估林草植被变化程度的重要指标。计算公式见式(4)。
I = R2010 - R1998
(4)
式中，I 是林草植被变化指数，取值-1~1，百分数；R1998、R2010分别是 1998 年、2010 年林草
用地面积比重，百分数。计算各年的林草用地面积比重时，只对郁闭度较高的有林地、灌
变化的主要类型。计算公式见式 (1)、(2)。
Ci = Ai A × 100%
(1)
n
∑ A = Ai
(2)
i=1
式中，Ci是第 i 种变化类型的土地利用变化重要性指数，取值 0~1，百分数；Ai是第 i 类土
地变化面积 (km2)；A 是该区域各类土地变化面积之和 (km2)。Ci值越大，说明第 i 类土地变
究区的土地利用变化开展分析，是希望藉此达到三个方面的目的：一是由宏观到微观逐步
揭示土地利用变化的自然条件差异，二是找到土地利用变化发生的空间位置，三是为分类
研究土地利用变化的类型、变化面积比重和林草变化程度提供分析的载体。
(1) 土地利用变化重要性指数 运用土地利用变化重要性指数 (Ci)，筛选出土地利用
有余，累积调查面积大于 8×104 km2，调查面积约占研究区面积的 32%。共采集了 129 个
GPS 点 (图 1) 对 2010 年土地利用数据开展精度验证。129 个验证点中有 121 个点显示解译
正确，解译精度为 93.8%。对于 1998 年土地利用数据的精度验证，综合多源信息和多学科
1期
化越占主导。考虑各类型区土地变化种类繁多，统计时将 Ci值从大到小降序排列，并将 Ci
值累积之和大于 70%的土地变化类型统计成图，以筛选出该区主要的土地变化类型。
(2) 土地利用变化面积比重 土地利用变化面积比重 (D) 是指各类土地变化面积之和
占区域总面积的比重，可用其揭示土地利用变化的剧烈程度。计算公式见式 (3)。
据，采用干燥度指数作为干湿条件划分的依据[12-13]：
助于评估土地变化的后果，预测土地变化的趋势[9]。为此，基于干湿条件、地貌类型和坡
度坡向，运用土地利用变化重要性指数、土地利用变化面积比重和林草植被变化指数，在
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地理学报
69 卷
阐释土地利用变化的发生地点、变化类型和变化剧烈程度的同时，也对土地利用变化引导
的林草植被变化程度作了相应分析。之所以从干湿条件、地貌类型和坡度坡向的角度对研
作者简介：罗娅 (1979-), 女, 副教授。主要研究方向: 土地利用与水土流失治理。E-mail: luoya2002@163.com 通讯作者：杨胜天 (1965-), 男, 教授。主要研究方向: 水资源与水环境遥感。E-mail: yangshengtian@bnu.edu.cn
42-53 页
草)、中覆盖度草地 (简称中草)、低覆盖度草地 (简称低草)、水域、建设用地、难利用地
(简称难用)。运用人机交互式解译方法[10]，解译出研究区 1998 年、2010 年 30m 空间分辨率
的土地利用图，建立空间拓扑关系，生成 1998 年、2010 年土地利用图形数据库和属性数
据库。
对研究区土地利用解译数据开展了 3 次野外验证，在研究区的累积行程达 1.4×104 km
1 研究区概况
研究区位于黄河中游河口镇—潼关 区间，东经 103°57′1″~112°39′50″，北 纬 33°40′19″~40°35′43″，包括渭河、泾 河、北洛河等流域 (图 1)。面积约 25 万 km2，涉陕、甘、宁、晋、蒙 5 省区的 159 个县 (市、区、旗)。境内多为干旱 半干旱气候，降雨少而集中，且多以暴 雨形式出现，年际变率大。年降水量 300~800 mm， 年 蒸 发 量 700~1300 mm，≥ 10 oC 的积温 1800~2900 oC。丘 陵 地 貌 分 布 广 ， 海 拔 207~3922 m。 2010 年林灌覆盖率 14.07%。黄土覆盖 面积大，水土流失严重，是黄河下游泥 沙的主要来源区。
干湿状况、地貌类型和坡度坡向等自然条件控制了退耕地点的确定、树种草种的选择 等环节 ，从 [10] 而在一定程度上控制了区域土地变化的方向。由此，本文基于不同干湿状 况、地貌类型和坡度坡向，从宏观到微观，分析黄河河口镇—潼关区间 1998-2010 年的土 地利用变化，为评价退耕还林 (还草) 政策在黄河河口镇—潼关区间的实施效果，阐释黄 河流域土地利用/覆盖变化对水沙变化 的调控机理提供参考。
D = A S × 100%
(3)
式中，D 是土地利用变化面积的比重，取值 0~1，百分数；A 是区域各类土地变化面积之
和 (km2)，计算公式见式 (2)；S 是区域面积 (km2)。D 值越大，说明该区域土地利用变化越
剧烈。
(3) 林草植被变化指数 林草植被覆盖状况是影响水沙变化的的重要因素。运用林草
2 方法与数据
2.1 研究方法
图 1 研究区位置、干湿条件、地貌类型
土地变化发生的空间位置、土地变 化的类型、土地变化剧烈程度是土地变 化研究的重要内容。通过这些研究，有
和野外 GPS 验证点
Fig. 1 Location, dryness/wetness, geomorphic types and field GPS verification points of the study area
罗 娅 等：黄河河口镇—潼关区间 1998-2010 年土地利用变化特征
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知识的方法[11]，通过查阅历史文档和地图资料，访谈当地居民并帮助他们回忆当年的土地
利用信息，获取相应的验证信息，129 个验证点中有 118 个点显示解译正确，验证精度为
91.47%。
(3) 干湿划分 获取研究区 104 个站点 1971-2010 年的年均降水量和年均蒸发量数
摘要：运用土地利用变化重要性指数 (Ci)、土地利用变化面积比重 (D) 和林草植被变化指数 (I) 等 3 个指标，基于干湿条件、地貌类型与坡度坡向，由宏观到微观，分析黄河河口镇—潼 关区间 1998-2010 年土地利用变化的主要类型、变化的剧烈程度以及林草植被变化程度，以期 为评价退耕还林 (还草) 政策在黄河河口镇—潼关区间的实施效果提供参考。结果表明：① 1998-2010 年，土地利用变化面积占总面积的 19.19%，高覆盖度草地、有林地、其它林地面积 明显增加，低覆盖度草地、农用地面积明显减少，土地利用变化十分显著；② 空间上，土地 利用变化主要发生在 35°~38°N 的区域，包括黄河以西的泾河支流马莲河流域、北洛河流域、 延河流域、清涧河流域、无定河上中游区，以及黄河以东的沿黄区域；③ 土地利用变化过程 中，低覆盖度草地转化为中覆盖度草地、中覆盖度草地转化为高覆盖度草地、农用地转化为 其它林地、灌木林地转化为有林地是土地变化的主要类型；④ 土地利用变化呈现明显的干 湿、地貌和坡度差异，但无明显的坡向差异。 关键词：土地利用变化；干湿；地貌；坡度；坡向；黄河河口镇—潼关区间 DOI: 10.11821/dlxb201401004
黄河河口镇—潼关区间位于黄河中游地区，是黄河泥沙的主要来源区，生态环境脆 弱，水土流失严重。自 1999 年国家在长江黄河上中游开展退耕还林 (草) 试点示范工作以 来[4]，土地利用和生态景观格局发生重大变化，产水产沙能力和作物结构也相应发生了改 变[5-6]。近年来，伴随黄河许多支流水沙锐减，黄河河口镇—潼关区间土地变化的空间分异 规律及其对水沙变化的影响机制受到高度重视。
土地利用变化研究是揭示区域环境变化的重要途径，是国际地圈生物圈计划 (IGBP) 和国际全球环境变化人文因素计划 (IHDP) 的重要内容[1-2]，已成为当前各国学术界的研究 热点。其研究内容从全球气候变化效应，扩展到不同空间尺度的土地变化过程及其驱动机 制、生态环境效应等[3]，研究区域主要集中于人地关系矛盾尖锐、生态环境脆弱、人口与 城市化快速发展的地区。
1期
罗 娅 等：黄河河口镇—潼关区间பைடு நூலகம்1998-2010 年土地利用变化特征
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滚选取土地利用类型动态度、动态转移矩阵、土地利用变化类型的多度和重要度指数，研 究黄河中游多沙粗沙区 1977、1997、2006 年 3 个时期的土地利用格局变化，结果表明居民 点及工矿用地、林地面积均保持持续增加，耕地、未利用地减少，草地呈先减少后增加， 水域先增加后减少[7]。张晓萍采用非参数统计法，基于黄河中游河龙区间 38 个水文站 20 世 纪 50 年代至 2000 年水文数据，分析流域年径流对土地利用/覆被变化响应的时空变异特 征，估算影响因素贡献率，结果表明估算的 11 条流域中，有 9 条流域的土地利用/覆被变 化等人类活动对流域径流减少影响程度超过 50%[8]。这些研究虽关注到了各土地利用类型 在黄河中游区的变化总面积，以及土地变化等人类活动对流域径流减少的影响。但是，并 没有揭示黄河中游区在不同干湿状况、地貌类型和坡度坡向条件下的土地利用变化差异； 在研究土地变化等人类活动对流域径流减少的影响时，也未能把土地利用变化这一人类活 动结果和其他人类活动分离出来；而且，土地利用数据多为 2006 年以前，不足以显现 2000 年以来退耕还林 (草) 政策引导的土地变化效果。
据，分别按照 Albers Conical Equal Area 投影系统和 GCS_WGS_1984 坐标系统分别校正
后，作为研究的遥感数据源。其中，1998 年 TM 影像共 18 景，空间分辨率 30 m；2010 年
“环境一号”卫星遥感数据共 8 景，原始数据空间分辨率 32 m，经重采样为 30 m。
地理学报
ACTA GEOGRAPHICA SINICA
Vol.69, No.1 January, 2014
黄河河口镇—潼关区间 1998-2010 年 土地利用变化特征
罗 娅1, 2, 杨胜天1, 刘晓燕3, 刘昌明4, 5, 宋文龙1, 6, 董国涛7, 赵海根1, 娄和震1
(2) 土 地 利 用 分 类 信 息 提 取 及 精 度 验 证 参 照 《土 地 利 用 现 状 分 类 (GB/
T21010-2007)》 标准，将研究区的土地分为 11 类，分别为农地、有林地 (简称有林)、灌木
林地 (简称灌木)、疏林地 (简称疏林)、其他林地 (简称其它林)、高覆盖度草地 (简称高
木林地和覆盖度较高的高覆盖度草地和中覆盖度草地加以统计。如 I 值为正，表明区域林
草植被增加，且 I 值越大，说明增加的速度越快；如 I 值为负，表明区域林草植被减少，
且 I 值绝对值越大，说明减少的速度越快。
2.2 数据资料
(1) 遥感数据 获取研究区 1998 年 TM 影像和 2010 年中国“环境一号”卫星遥感数
截止目前，国家的退耕还林 (草) 政策已实施 10 年有余，其实施效果已初步显现。李
收稿日期：2013-09-25; 修订日期：2013-10-30 基金项目：国家“十二五“科技支撑计划课题 (2012BAB02B00); 水利部公益项目 (201101037); 中央高校基本科研业
务费专项 [Foundation: National Key Technologies R&D Program, No.2012BAB02B00; Public Welfare Fund of the Ministry of Water Resources of China, No.201101037; The Fundamental Research Funds for the Central Universities]
(1. 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 100875; 2. 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550001; 3. 黄河水利委员会, 郑州 450003; 4. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
5. 中国科学院陆地水循环与地表过程重点实验室, 北京 100101; 6. 中国水利水电科学研究院, 北京 100044； 7. 黄河水利科学研究院, 郑州 450003)
植被变化指数 (I)，作为评估林草植被变化程度的重要指标。计算公式见式(4)。
I = R2010 - R1998
(4)
式中，I 是林草植被变化指数，取值-1~1，百分数；R1998、R2010分别是 1998 年、2010 年林草
用地面积比重，百分数。计算各年的林草用地面积比重时，只对郁闭度较高的有林地、灌
变化的主要类型。计算公式见式 (1)、(2)。
Ci = Ai A × 100%
(1)
n
∑ A = Ai
(2)
i=1
式中，Ci是第 i 种变化类型的土地利用变化重要性指数，取值 0~1，百分数；Ai是第 i 类土
地变化面积 (km2)；A 是该区域各类土地变化面积之和 (km2)。Ci值越大，说明第 i 类土地变
究区的土地利用变化开展分析，是希望藉此达到三个方面的目的：一是由宏观到微观逐步
揭示土地利用变化的自然条件差异，二是找到土地利用变化发生的空间位置，三是为分类
研究土地利用变化的类型、变化面积比重和林草变化程度提供分析的载体。
(1) 土地利用变化重要性指数 运用土地利用变化重要性指数 (Ci)，筛选出土地利用
有余，累积调查面积大于 8×104 km2，调查面积约占研究区面积的 32%。共采集了 129 个
GPS 点 (图 1) 对 2010 年土地利用数据开展精度验证。129 个验证点中有 121 个点显示解译
正确，解译精度为 93.8%。对于 1998 年土地利用数据的精度验证，综合多源信息和多学科
1期
化越占主导。考虑各类型区土地变化种类繁多，统计时将 Ci值从大到小降序排列，并将 Ci
值累积之和大于 70%的土地变化类型统计成图，以筛选出该区主要的土地变化类型。
(2) 土地利用变化面积比重 土地利用变化面积比重 (D) 是指各类土地变化面积之和
占区域总面积的比重，可用其揭示土地利用变化的剧烈程度。计算公式见式 (3)。
据，采用干燥度指数作为干湿条件划分的依据[12-13]：
助于评估土地变化的后果，预测土地变化的趋势[9]。为此，基于干湿条件、地貌类型和坡
度坡向，运用土地利用变化重要性指数、土地利用变化面积比重和林草植被变化指数，在
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地理学报
69 卷
阐释土地利用变化的发生地点、变化类型和变化剧烈程度的同时，也对土地利用变化引导
的林草植被变化程度作了相应分析。之所以从干湿条件、地貌类型和坡度坡向的角度对研
作者简介：罗娅 (1979-), 女, 副教授。主要研究方向: 土地利用与水土流失治理。E-mail: luoya2002@163.com 通讯作者：杨胜天 (1965-), 男, 教授。主要研究方向: 水资源与水环境遥感。E-mail: yangshengtian@bnu.edu.cn
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草)、中覆盖度草地 (简称中草)、低覆盖度草地 (简称低草)、水域、建设用地、难利用地
(简称难用)。运用人机交互式解译方法[10]，解译出研究区 1998 年、2010 年 30m 空间分辨率
的土地利用图，建立空间拓扑关系，生成 1998 年、2010 年土地利用图形数据库和属性数
据库。
对研究区土地利用解译数据开展了 3 次野外验证，在研究区的累积行程达 1.4×104 km
1 研究区概况
研究区位于黄河中游河口镇—潼关 区间，东经 103°57′1″~112°39′50″，北 纬 33°40′19″~40°35′43″，包括渭河、泾 河、北洛河等流域 (图 1)。面积约 25 万 km2，涉陕、甘、宁、晋、蒙 5 省区的 159 个县 (市、区、旗)。境内多为干旱 半干旱气候，降雨少而集中，且多以暴 雨形式出现，年际变率大。年降水量 300~800 mm， 年 蒸 发 量 700~1300 mm，≥ 10 oC 的积温 1800~2900 oC。丘 陵 地 貌 分 布 广 ， 海 拔 207~3922 m。 2010 年林灌覆盖率 14.07%。黄土覆盖 面积大，水土流失严重，是黄河下游泥 沙的主要来源区。
干湿状况、地貌类型和坡度坡向等自然条件控制了退耕地点的确定、树种草种的选择 等环节 ，从 [10] 而在一定程度上控制了区域土地变化的方向。由此，本文基于不同干湿状 况、地貌类型和坡度坡向，从宏观到微观，分析黄河河口镇—潼关区间 1998-2010 年的土 地利用变化，为评价退耕还林 (还草) 政策在黄河河口镇—潼关区间的实施效果，阐释黄 河流域土地利用/覆盖变化对水沙变化 的调控机理提供参考。
D = A S × 100%
(3)
式中，D 是土地利用变化面积的比重，取值 0~1，百分数；A 是区域各类土地变化面积之
和 (km2)，计算公式见式 (2)；S 是区域面积 (km2)。D 值越大，说明该区域土地利用变化越
剧烈。
(3) 林草植被变化指数 林草植被覆盖状况是影响水沙变化的的重要因素。运用林草
2 方法与数据
2.1 研究方法
图 1 研究区位置、干湿条件、地貌类型
土地变化发生的空间位置、土地变 化的类型、土地变化剧烈程度是土地变 化研究的重要内容。通过这些研究，有
和野外 GPS 验证点
Fig. 1 Location, dryness/wetness, geomorphic types and field GPS verification points of the study area
罗 娅 等：黄河河口镇—潼关区间 1998-2010 年土地利用变化特征
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知识的方法[11]，通过查阅历史文档和地图资料，访谈当地居民并帮助他们回忆当年的土地
利用信息，获取相应的验证信息，129 个验证点中有 118 个点显示解译正确，验证精度为
91.47%。
(3) 干湿划分 获取研究区 104 个站点 1971-2010 年的年均降水量和年均蒸发量数
摘要：运用土地利用变化重要性指数 (Ci)、土地利用变化面积比重 (D) 和林草植被变化指数 (I) 等 3 个指标，基于干湿条件、地貌类型与坡度坡向，由宏观到微观，分析黄河河口镇—潼 关区间 1998-2010 年土地利用变化的主要类型、变化的剧烈程度以及林草植被变化程度，以期 为评价退耕还林 (还草) 政策在黄河河口镇—潼关区间的实施效果提供参考。结果表明：① 1998-2010 年，土地利用变化面积占总面积的 19.19%，高覆盖度草地、有林地、其它林地面积 明显增加，低覆盖度草地、农用地面积明显减少，土地利用变化十分显著；② 空间上，土地 利用变化主要发生在 35°~38°N 的区域，包括黄河以西的泾河支流马莲河流域、北洛河流域、 延河流域、清涧河流域、无定河上中游区，以及黄河以东的沿黄区域；③ 土地利用变化过程 中，低覆盖度草地转化为中覆盖度草地、中覆盖度草地转化为高覆盖度草地、农用地转化为 其它林地、灌木林地转化为有林地是土地变化的主要类型；④ 土地利用变化呈现明显的干 湿、地貌和坡度差异，但无明显的坡向差异。 关键词：土地利用变化；干湿；地貌；坡度；坡向；黄河河口镇—潼关区间 DOI: 10.11821/dlxb201401004
黄河河口镇—潼关区间位于黄河中游地区，是黄河泥沙的主要来源区，生态环境脆 弱，水土流失严重。自 1999 年国家在长江黄河上中游开展退耕还林 (草) 试点示范工作以 来[4]，土地利用和生态景观格局发生重大变化，产水产沙能力和作物结构也相应发生了改 变[5-6]。近年来，伴随黄河许多支流水沙锐减，黄河河口镇—潼关区间土地变化的空间分异 规律及其对水沙变化的影响机制受到高度重视。
土地利用变化研究是揭示区域环境变化的重要途径，是国际地圈生物圈计划 (IGBP) 和国际全球环境变化人文因素计划 (IHDP) 的重要内容[1-2]，已成为当前各国学术界的研究 热点。其研究内容从全球气候变化效应，扩展到不同空间尺度的土地变化过程及其驱动机 制、生态环境效应等[3]，研究区域主要集中于人地关系矛盾尖锐、生态环境脆弱、人口与 城市化快速发展的地区。
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罗 娅 等：黄河河口镇—潼关区间பைடு நூலகம்1998-2010 年土地利用变化特征
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滚选取土地利用类型动态度、动态转移矩阵、土地利用变化类型的多度和重要度指数，研 究黄河中游多沙粗沙区 1977、1997、2006 年 3 个时期的土地利用格局变化，结果表明居民 点及工矿用地、林地面积均保持持续增加，耕地、未利用地减少，草地呈先减少后增加， 水域先增加后减少[7]。张晓萍采用非参数统计法，基于黄河中游河龙区间 38 个水文站 20 世 纪 50 年代至 2000 年水文数据，分析流域年径流对土地利用/覆被变化响应的时空变异特 征，估算影响因素贡献率，结果表明估算的 11 条流域中，有 9 条流域的土地利用/覆被变 化等人类活动对流域径流减少影响程度超过 50%[8]。这些研究虽关注到了各土地利用类型 在黄河中游区的变化总面积，以及土地变化等人类活动对流域径流减少的影响。但是，并 没有揭示黄河中游区在不同干湿状况、地貌类型和坡度坡向条件下的土地利用变化差异； 在研究土地变化等人类活动对流域径流减少的影响时，也未能把土地利用变化这一人类活 动结果和其他人类活动分离出来；而且，土地利用数据多为 2006 年以前，不足以显现 2000 年以来退耕还林 (草) 政策引导的土地变化效果。
据，分别按照 Albers Conical Equal Area 投影系统和 GCS_WGS_1984 坐标系统分别校正
后，作为研究的遥感数据源。其中，1998 年 TM 影像共 18 景，空间分辨率 30 m；2010 年
“环境一号”卫星遥感数据共 8 景，原始数据空间分辨率 32 m，经重采样为 30 m。