容芳芳,塔西甫拉提?特依拜,田源,張飛

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊830046;2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊830046)

由于自然和人類社會經(jīng)濟活動的劇烈作用,區(qū)域乃至全球的土地利用狀況必然發(fā)生變化[1-2],如何快速有效地獲取研究區(qū)域在某時間段內(nèi)土地利用/覆蓋的變化信息,研究土地利用/覆蓋變化的過程、機理及其對人類社會經(jīng)濟與環(huán)境所產(chǎn)生的一系列影響[3],為全球、國家或區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供決策支持,是當(dāng)前應(yīng)用遙感技術(shù)進行土地利用動態(tài)監(jiān)測的任務(wù)之一[4]。變化監(jiān)測是土地利用動態(tài)監(jiān)測的領(lǐng)域之一[5],遙感變化檢測的實質(zhì)就是遙感瞬間視場中地表特征隨時間發(fā)生變化而引起的兩個時期影像象元的變化[6],它是通過觀測不同時期的目標(biāo)對象來確定其在狀態(tài)上的差異過程,具有利用多時相數(shù)據(jù)量化分析時間影響的能力。常用的變化檢測方法主要有影像差值法、影像比值法、影像回歸法、植被指數(shù)法、主成分分析法、分類后比較法、多數(shù)據(jù)直接分類法、變化向量分析法、背景差值法等[7-8]。目前,大多數(shù)變化檢測的方法均是基于兩個時相的土地覆蓋變化監(jiān)測方法,即對兩時期的數(shù)據(jù)進行對比,得到變化信息[9]。一般情況下,這種變化監(jiān)測方法的目的就是根據(jù)兩期影像數(shù)據(jù)獲取變化或者非變化信息。這種方法基于一些精確的量測方法,例如面積比變化,土地利用變化矩陣,以及由變化矩陣等來分析所引起的空間模式的變化。

本文是基于分類后比較的一種時間軌跡分析的方法,該方法基于一個相對“連續(xù)”的時間尺度,通過分析分類影像,不僅僅提取兩期影像之間的變化信息,而且通過多期遙感數(shù)據(jù)構(gòu)造土地利用/覆蓋的動態(tài)變化軌跡,分析土地利用/覆蓋變化的轉(zhuǎn)移和流向,從而獲得土地利用/覆蓋變化的過程和趨勢。

1 研究區(qū)概況

于田綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣,昆侖山中段北麓,塔里木盆地的克里雅河流域。地處81°09′-82°51′E,35°14′-39°29′N,東西寬 30 ～ 120 km,南北長466 km,

土地面積約4.03×104km2。于田縣深居內(nèi)陸腹地,有著典型的沙漠和綠洲景觀。年平均降水量47.3 mm,年平均蒸發(fā)量2 420.23 mm,年平均相對濕度 42%,年平均氣溫 12.4℃,≥0℃積溫為4 340℃,無霜期為200 d。天然植被以蘆葦、檉柳、胡楊、駱駝刺為主。于田縣位于東北風(fēng)與西北風(fēng)的交匯地帶,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,綠洲外圍地區(qū)廣闊無垠,多是礫石戈壁,沙包,鹽堿,沼澤和葦叢,植被覆蓋度只有10%～40%。選擇該地區(qū)作為重點,對研究干旱區(qū)綠洲的LUCC過程具有典型的意義[10-11]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及處理

選用1989年9月,1991年10月,1999年9月,2002年10月的TM 遙感數(shù)字圖像,以及用于幾何精校正及配準(zhǔn)的于田地區(qū)1∶100 000地形圖及矢量化數(shù)據(jù),檢驗分類精度的土地利用圖及矢量化數(shù)據(jù),用于土地利用/覆蓋變化軌跡分析的相關(guān)時期的氣象,水文、人口、土壤、植被、社會經(jīng)濟等的統(tǒng)計資料。為了提高分類精度,更加準(zhǔn)確的分析變化軌跡,需要對遙感影像進行預(yù)處理,包括輻射校正和幾何精校正,參考1∶5萬地形圖對圖像進行幾何精校正,均勻布點,校正精度RMS小于0.5,滿足要求。根據(jù)研究需要,對圖像進行裁剪,裁出2 543×1 119大小的像元作為本文的圖像研究區(qū)。

2.2 分類系統(tǒng)

參照全國土地利用/覆蓋分類系統(tǒng),結(jié)合研究區(qū)自然狀況及本研究目的,將研究區(qū)土地利用/覆蓋類型的分類系統(tǒng)定義為水體(包括河渠、水庫坑塘、灘涂),林地(包括有林地、灌木林地),耕地(包括水田、旱地),草地(包括高、中、低覆蓋草地),鹽漬地,未利用地(包括沙地、戈壁、裸巖石礫地)6類。

2.3 建立土地利用/覆蓋變化軌跡模型

土地利用/覆蓋變化軌跡的含義是指,對于一個給定的象元,研究它在一定的時間段內(nèi)所發(fā)生的所有的土地利用/覆蓋類型的轉(zhuǎn)變過程[12]。為了建立土地覆蓋變化軌跡,把各個時期的遙感影像分類圖通過ARC/INFO軟件以柵格形式集成到GIS中,從而建立基于象元尺度的變化軌跡[13]。根據(jù)分類體系,所有可能的土地利用變化軌跡如圖1所示。

圖1 所有可能的土地利用/覆蓋變化軌跡

3 結(jié)果與分析

3.1 圖像分類結(jié)果

根據(jù)本文的研究需求以及結(jié)合研究區(qū)的實際情況,對預(yù)處理好的影像,在統(tǒng)一的土地利用/覆蓋分類體系的基礎(chǔ)上,根據(jù)實地的考察GPS定點觀測資料,訪問當(dāng)?shù)鼐用?進行圖像解譯,選擇訓(xùn)練樣區(qū),利用監(jiān)督分類方法分別對各期影像進行最大似然分類。將初次的分類影像進行分類后處理,將二級分類類別合并,形成統(tǒng)一的類別,最終確定類別為水體,耕地、林地、草地、鹽漬地、未利用地6類。這樣可以減少誤分和混分的誤差,而且便于對分類結(jié)果進行對比分析。研究區(qū)四期遙感影像的分類精度見表1,分類結(jié)果如圖2所示。

表1 影像分類精度統(tǒng)計

圖2 研究區(qū)各時期分類圖

3.2 面積統(tǒng)計分析

研究區(qū)15 a間土地利用覆蓋變化的面積統(tǒng)計如表2所示?？傮w來看,在研究時段內(nèi),各個類型的面積變化均有增有降。其中,水體的變化是平穩(wěn)中稍有增長,1989年水體面積占全區(qū)的3.762%,1991年增長到5.043%,而到了1999年其又下降到了3.489%,2002年又增長到4.194%。期間1991年達(dá)到一個最大值,為5.043%。水體面積較1989年增加了3 291 hm2,這與此階段人工綠洲的大面積開發(fā)而引起的水庫水壩建設(shè)導(dǎo)致總蓄水量增加關(guān)系密切。隨后有所減少,其主要轉(zhuǎn)化為林地和草地。2002年水體又有新增,該時期降水豐富,使得部分草地轉(zhuǎn)化為水體。林地的變化幅度比較大,通過實地考察發(fā)現(xiàn),在綠洲內(nèi)部,該區(qū)林地以農(nóng)田防護林,居民點周圍的防護林以及道路兩旁的林帶為主,受人為干擾的因素比較大。隨著農(nóng)田的增長,林帶也相應(yīng)的增加。1989年林地占全區(qū)面積的12.433%,1991年迅速減少到6.430%,1999年繼續(xù)減少到最小值4.163%,之后林地的面積有所上升,到了2002年達(dá)到10.917%。其中,1991-1999年間,該時段為毀林開荒、沿水源地大力開發(fā)土地的時期,原始自然的林地都受到大面積的破壞,而人工農(nóng)田防護林以及道路兩旁的林帶還沒有成規(guī)模的林地。到了2002年,林地的面積有了突飛的增長,主要與當(dāng)?shù)卣匾曋紊?、防?在綠洲和沙漠的交接處大力植樹造林、提高植被覆蓋度、進行生態(tài)改造有密切關(guān)系[14]。在研究時段內(nèi),草地的變化相對平穩(wěn)。1989年草地面積占全區(qū)的20.190%,1991年下降到13.275%,1999年又上升到16.441%,到了2002年草地又有所下降達(dá)到11.550%。2002年面積達(dá)到最小,主要是該時段的草地轉(zhuǎn)向了耕地和鹽漬地。鹽漬地的變化非常明顯,1989年只占全區(qū)的7.570%,之后就迅速增長,1991年達(dá)到12.762%,到了2002年占整個區(qū)域的17.288%,變化率達(dá)到了130%?？偯娣e增加了24 734 hm2。原因在于由于該時段,當(dāng)?shù)貧Я珠_荒、沿水源地大力開發(fā)土地,導(dǎo)致了生態(tài)平衡受到破壞,從而使得很多新開墾地?zé)o水灌溉而棄耕,造成沙地植被大面積破壞,一部分耕地和草地轉(zhuǎn)化為鹽漬地。耕地的變化相當(dāng)顯著,1989年耕地面積只占總面積的5.596%,1991年達(dá)到13.203%,之后持續(xù)增長,到了2002年已經(jīng)達(dá)到了17.063%。在該時段內(nèi),耕地的面積增加了9 368.53 hm2。耕地的變化在所有的土地利用/覆蓋類型的變化中最大,其變化率達(dá)到了205%。自從90年代開始,隨著區(qū)域人口的增長,對耕地的數(shù)量要求也持續(xù)增長,該區(qū)開始了大面積的開荒開墾種植。其中,大量的草地以及未利用地都被不同程度地開墾為耕地。未利用地(包括沙地,戈壁等)在研究時段內(nèi)是逐步減少的,從50.449%減少到39.067%,主要轉(zhuǎn)化為耕地林地以及草地。這也是當(dāng)?shù)卣匾曋紊?、防?在綠洲和沙漠的交接處大力植樹造林、提高植被覆蓋度、進行生態(tài)改造的結(jié)果。

表2 研究區(qū)15年間土地利用/覆蓋變化的面積統(tǒng)計

3.3 土地利用/覆蓋變化時間軌跡分析

為了定量化分析隨時間變化人類活動對環(huán)境所產(chǎn)生的影響,將這些變化軌跡劃分為3類[15-16],即:未變化類、人為因素引導(dǎo)的變化類和自然因素引導(dǎo)的變化類。例如在變化軌跡中:G-G-G-G或W-W-W-W還有一些不是很明確的變化或者是由于分類精度上出現(xiàn)的誤差軌跡諸如S-S-GS,G-C-G-G等都劃分為未變化類,它們表明了在15年間該象元的土地覆蓋類型相同,沒有發(fā)生變化。由自然因素所引起的變化包括由于自然過程或者輕微的人類活動(例如:輕度放牧)所引起的變化。例如,夏天的洪水可能淹沒草地,而隨后的短時期的旱季,由于強烈的蒸發(fā),草地就會變化為鹽漬地。例如:G-W-B-G,或者G-W-W-G等這種軌跡就被劃分為由自然因素所引起的變化。人為因素所導(dǎo)致的變化包括由于人類活動所引起的決定性的變化,諸如修建水庫水壩渠系和開墾的新耕地。這些變化通常是不可逆轉(zhuǎn)的,所以他們代表了人類活動對環(huán)境的主要影響,此類變化的代表性的軌跡包括有:G-G-C-C,S-S-S-C,G-G-W-W等。

表3 研究區(qū)土地利用/覆蓋變化軌跡分類

由表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出,研究區(qū)近15 a來未發(fā)生變化的區(qū)域占總區(qū)域面積的54.9%,由自然因素影響的變化有22.5%,由人為因素驅(qū)動的占總面積的22%。對于未變化的類型中,未利用地的數(shù)值最大,占到了 64.5%,其次是草地,占到了 13.8%。其他類型之間都有頻繁的相互轉(zhuǎn)化的過程。在自然因素引導(dǎo)的變化中,鹽漬地、未利用地和草地的相互轉(zhuǎn)換比較頻繁,這與區(qū)域的氣候條件、降水情況密切相關(guān)。在人為因素變化中,耕地的變化最明顯,達(dá)到了46.8%,其次是林地的變化,達(dá)到了46.4%,這是因為隨著農(nóng)田的增加,農(nóng)田防護林也出現(xiàn)了相應(yīng)增長的局面。而且隨著人口的增加,居民點周圍散布者大量的林地。其次,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,當(dāng)?shù)卣_始重視治沙、防沙,在綠洲和沙漠的交接處大力植樹造林、提高植被覆蓋度、進行生態(tài)改造有密切關(guān)系。在人為因素中,由于人工綠洲的大面積開發(fā),水庫水壩以及渠系的建造使得水體的面積有所變化。然而,由于本文的研究區(qū)域選在塔里木盆地南緣的于田縣,地理位置比較偏僻,因此,人類活動對該地的環(huán)境影響還非常有限。但是,根據(jù)分析可以看出,自從20世紀(jì)90年代開始,人類已經(jīng)在改變著區(qū)域的生態(tài)環(huán)境,隨著人口和經(jīng)濟的增長,這種改變開始起著越來越重要的角色了。

3.4 土地利用/覆蓋變化軌跡空間分布

從圖3中可以看出,人為因素所導(dǎo)致的變化主要分布在綠洲內(nèi)部。表現(xiàn)為新開墾的耕地,綠洲內(nèi)的林帶和農(nóng)田防護林帶。除此之外,還有新建的水庫水壩,河網(wǎng)渠系等。人類活動對環(huán)境的影響逐漸從綠洲內(nèi)部向外圍擴散,沿著河流水系開始進行改造。由于研究區(qū)域地處塔里木盆地南緣,該區(qū)風(fēng)沙活動頻繁,沙漠化現(xiàn)象比較嚴(yán)重,受到季節(jié)氣候環(huán)境的影響,自然因素的變化主要是在綠洲外圍的交錯帶。表現(xiàn)為草地和鹽漬地之間的轉(zhuǎn)化,草地和未利用地之間的轉(zhuǎn)化以及未利用地和鹽漬地之間的轉(zhuǎn)化。

圖3 1989-2002土地利用/覆蓋變化軌跡類型

4 結(jié)論

近15 a期間,受自然條件的影響,研究區(qū)域變化了57 220 hm2,占全區(qū)域的22.5%,其中主要為未利用地、草地之間的轉(zhuǎn)化,受季節(jié)氣候影響,在夏秋季河流水量充沛期,河灘草地生長旺盛,而到了春冬季節(jié),由于河流枯竭、斷流等的影響,草地又重新轉(zhuǎn)化為未利用地。人為因素導(dǎo)致的變化占總面積的22%,并且隨著綠洲的發(fā)展,人為因素已經(jīng)在區(qū)域環(huán)境變化中開始占主導(dǎo)因素,其中,耕地的增長以及水庫水壩的建立都直接影響著區(qū)域土地利用/覆蓋格局的變化。

本文通過多時相多尺度遙感數(shù)據(jù)的融合,建立了分析干旱區(qū)環(huán)境變化因素的有效實用的方法。在研究中,拓展了干旱區(qū)環(huán)境變化軌跡的概念和方法,把由于人為因素對環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的變化從由自然因素所引起的變化中提取出來,從而有利于從人為因素角度針對實施管理和決策,達(dá)到有效管理土地以及可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。由于所選影像的時間間隔較大,對于區(qū)域土地利用/覆蓋變化的軌跡分析存在著一定的誤差,研究時相的不嚴(yán)格匹配使得研究精度有待進一步提高。

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