馬彩虹, 賈科利, 鄒淑燕, 樊新剛

〔1.寧夏大學 資源環(huán)境學院, 寧夏 銀川 750021; 寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價與環(huán)境調控重點實驗室， 寧夏 銀川 750021〕

基于矢量屬性的寧夏中部干旱帶土地利用變化信息挖掘

馬彩虹1,2, 賈科利1,2, 鄒淑燕1,2, 樊新剛1,2

〔1.寧夏大學資源環(huán)境學院,寧夏銀川750021;寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價與環(huán)境調控重點實驗室，寧夏銀川750021〕

[目的] 增加對土地利用變化矢量屬性的認知，進一步挖掘潛藏于土地利用變化中的特征和規(guī)律，豐富土地利用變化研究方法，為區(qū)域土地資源調控提供參考依據(jù)。 [方法] 基于土地轉移流視角，提出土地轉移率和土地轉移鏈概念，采用Landsat MSS/TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)，對寧夏中部干旱帶同心縣的土地變化過程進行研究。 [結果] 1978—2015年同心縣耕地和草地比例增大，未利用地減少。區(qū)縣尺度上土地轉移率漸次降低；類型尺度上，耕地轉移率先升后降，草地轉移率先降后升，未利用地轉移率呈“降—升—降”特征。1978—1987年的土地轉移流以草地轉未利用地為主，1987—1996年則呈現(xiàn)多元特征，1996年表現(xiàn)為退耕還林還草和對未利用地的改造利用。1978—2015年土地利用轉移圍繞著耕地的流失與保護進行，土地轉移單向鏈以31型(草地轉耕地)和61型(未利用地轉耕地)為主，往復鏈以Ⅱa型為主，主要是161型(耕地—未利用地—耕地)和131型(耕地—草地—耕地)。 [結論] 同心縣土地利用變化存在較大份額的“往復鏈”。在土地資源開發(fā)與管理中要重視往復鏈所揭示的內涵并采取針對性措施。

土地利用變化; 土地轉移流; 土地轉移鏈; 寧夏中部干旱帶

文獻參數(shù)： 馬彩虹, 賈科利, 鄒淑燕, 等.基于矢量屬性的寧夏中部干旱帶土地利用變化信息挖掘[J].水土保持通報，2017,37(4)：260-265.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.044； Ma Caihong, Jia Keli, Zou Shuyan, et al. Information mining in arid area of central Ningxia Hui Autonomous Region based on vector properties of land use change[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：260-265.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.044

土地利用變化中既存在地類數(shù)量的變化[1-3]，又存在轉移方向的變化[4]，存在明顯的矢量變化屬性[5]。土地變化的復雜性與其矢量屬性關系密切[5-7]。

近年來對土地轉移矢量屬性的探究明顯增多，從內容上可分為3類： (1) 對土地轉移流向的研究，如孫強等[8]在北京地區(qū)耕地流失與調控的研究中，分別就耕地的流入和流出作了對比分析，金淑婷等[9]對甘肅省土地利用轉移方向作了深入探究，吳琳娜等[10]的研究表明，北洛河流域呈現(xiàn)出耕地和草地主要轉化為林地的特點； (2) 對土地轉移關系的研究，如武鵬飛等[11]對官廳水庫流域不同土地利用類型的轉換關系做了探討，汪建珍[12]對影響干旱區(qū)河谷城市土地轉移關系進行識別，藺小虎等[13]研究發(fā)現(xiàn)，退耕還林明顯改變了紙坊溝流域各類土地之間的流轉關系； (3) 對矢量屬性涉及的數(shù)量和方向均作探討。如馬彩虹等[5]提出了土地轉移流的概念及計算方法，廖諶婳等[14]在對中老緬泰交界地區(qū)的土地利用矢量屬性作了深入的挖掘與分析，王曼曼等[15]分析了鹽池北部風沙區(qū)土地類型的相互轉移關系，呂立剛[16]對江蘇省發(fā)現(xiàn)1985—1995年耕地與建設用地、水域3種地類是江蘇省土地利用變化的關鍵地類。已有研究基于單一時期的各地類的轉移分析[16-20]，為探究土地轉移矢量屬性積累了良好的基礎，但如何對連續(xù)時段區(qū)域土地利用演變信息進行記錄和變化規(guī)律挖掘，仍然是制約土地利用變化過程研究的瓶頸之一。

本文以寧夏中部干旱帶同心縣為例，在土地轉移流的基礎上，提出土地利用轉移率和轉移鏈概念及計量方法，以進一步豐富土地利用變化研究的方法體系，為土地資源調控提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏自治區(qū)中部干旱帶地理位置地處104°17′—107°39′E，36°54′—38°23′N，位于黃土高原北緣，受騰格里、烏蘭布和、毛烏素3大沙漠包圍，包括沙坡頭區(qū)、中寧縣、利通區(qū)、紅寺堡開發(fā)區(qū)、靈武市、鹽池縣、同心縣、紅寺堡區(qū)、原州區(qū)北部等縣區(qū)的64個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積2.85×104km2，約占寧夏總面積的43%[21-22]。年均降水量259 mm左右，蒸發(fā)量2 325 mm以上，屬典型的溫帶大陸性氣候，冬春季多干旱、沙塵暴等災害性天氣[23-24]；土壤以灰鈣土和風沙土為主，結構松散，沙粒含量大；地帶性植被為荒漠、荒漠草原和干草原，植被覆蓋度低，土地沙化嚴重，是北方農區(qū)與天然草地牧區(qū)接壤的過渡地帶。本次研究的典型區(qū)——同心縣，海拔1 240-2 625 m，總面積4 662.16 km2。按照地質地貌和開發(fā)程度可分為西部揚黃灌區(qū)、中部干旱山區(qū)及東部旱作塬區(qū)3塊區(qū)域。

1.2 研究方法

1.2.1 土地轉移流 為有效表達矢量特性，引入動態(tài)物質變化中“流”的概念，把由一種土地利用類型轉為另外一種土地利用類型的情況稱作土地轉移流[5]。

1.2.2 土地轉移率 可分為兩類，其一是區(qū)域土地利用轉移率，為發(fā)生在一定區(qū)域上的土地利用轉移流總量與區(qū)域面積之比；其二是類型土地利用轉移率，為發(fā)生在某種土地利用類型的轉移流占該類土地利用類型面積之比。計算公式為：

(1)

(2)

式中：R——區(qū)域土地轉移率；Ft——就是時段t中發(fā)生的土地轉移數(shù)量；S——研究區(qū)域土地利用總面積；Ri——類型土地轉移率；i——土地利類型；Si0——i土地利用類型在t時段初期的面積。

1.2.3 土地轉移鏈 指由一種土地利用類型轉為其他用地類型的過程構成的過程鏈。土地變化鏈的構建可采用逆推法和順推法。逆推法是以報告期的遙感影像起算，順推法是以研究基期的遙感影像起算。

根據(jù)GIS的疊加分析功能，依次獲取土地利用類型轉換編碼，稱為土地轉移原始鏈。對原始鏈中相鄰期同類鏈合并，獲得簡化的土地轉移鏈。參照《土地利用現(xiàn)狀調查技術規(guī)程》，把寧夏中部干旱帶土地利用類型劃分為6個一級類型。分類及代碼為1-耕地，2-林地，3-草地，4-水域，5-建設用地，6-未利用地。由于土地轉移情況多樣，根據(jù)鏈的長短、特征劃分土地轉移鏈類型詳見表1。

表1 土地轉移鏈類型及涵義

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

以1978年MSS及1987，1996，2007和2015年Landsat TM/ETM 遙感影像為基本數(shù)據(jù)源。其中1978，1987和1996年數(shù)據(jù)由國家科技基礎條件平臺建設項目:地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(www.geodata.cn)提供。所選影像成像時間均在7—8月，已經經過了輻射校正和幾何粗校正。以寧夏回族自治區(qū)1∶25萬地形圖為參照，對照5期圖像選取控制點，采用多項式變換模型，在ERDAS IMAGINE8．7軟件對圖像進行幾何校正和鑲嵌處理。對經過校正的數(shù)字影像進行拼接、分割和融合處理，用TM4(R)，3(G)，2(B)波段合成假彩色影像,結合野外實測資料,建立解譯標志，用人機交互方式解譯出同心縣土地利用圖。2015年的總體分類精度為83.174 4%，kappa系數(shù)為0.794 1，解譯精度符合相關要求，可作為下一步研究的基礎數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 同心縣土地利用數(shù)量變化情況分析

從土地利用結構來看，同心縣土地利用是以牧業(yè)為主，農牧結合，耕地和草地面積較大，比例均為40%左右；由于該縣三面臨近沙區(qū)，未利用地(主要是沙化地)比例較高，林地比例小。從研究期內各時段來看，1978—1987年耕地、林地大幅增長而草地大幅減少，1987—1996年主要表現(xiàn)為耕地的大幅減少和林地及未利用地的增多，1996—2007年及2007—2015年均表現(xiàn)為林草面積的增加和未利用地的減少。顯見，在研究時段內，不同地類之間發(fā)生了明顯的轉移，尤其在耕地、草地和未利用地之間的轉移顯著，1978—2015年，耕地增加了6.04%，林地增加了7.44%，未利用地減少了10.23%。

2.2 同心縣土地轉移率特征分析

區(qū)域尺度上，1978—2015年同心縣土地轉移率表現(xiàn)為漸次降低的特征。其中，1978—1987年最高，為27.13%，到2007—2015年降低到16.05%。類型尺度上，主要考慮土地利用結構中比例較大的耕地、草地和未利用地。研究時段內，土地利用活躍程度最高的類型為未利用地。從耕地、草地和未利用地轉移率的變化趨勢來看，同心縣的耕地轉移率呈現(xiàn)先升后降的態(tài)勢，草地轉移率表現(xiàn)為降—升特征，未利用地轉移率表現(xiàn)為降—升—降態(tài)勢。平均來看，未利用地的轉移率最高，耕地其次，草地居于第3。造成這種變化特征的原因需要在土地轉移流中做進一步分析(圖1)。

表2 同心縣1978-2015年土地利用結構變化

圖1 同心縣土地利用轉移率構成及動態(tài)變化

2.3 同心縣關鍵土地利用轉移流特征對比分析

按照累計百分比99%的轉移流進行制圖(表3)，1978—1987年同心縣以草地轉耕地流(31型)、未利用地轉耕地流(31型)為主，分別占這一時期土地轉移流的37.81%和21.22%，合計占59.04%，這使得該時期同心縣耕地增幅明顯；1987—1996年，以草地轉未利用地流和退耕還草為主要特征；1996年后土地利用轉移流總量有所降低，轉移趨勢呈現(xiàn)多樣化態(tài)勢，表現(xiàn)為以加強對未利用地的改造利用和耕地退耕還草為主要特征。居于前列的轉移流在1978—1987年為31和61型，1987—1996年為36和13型，1996—2007年為13和61型，2007—2015年為36，13和61型。這些相反流向的土地轉移流是否存在土地利用變化的反復情況，無法通過兩期內的土地轉移流兩兩比較得出，需要考慮土地轉移鏈的情況。

表3 同心縣1978-2015年土地利用轉移流比例比較 %

2.4 同心縣關鍵土地轉移鏈對比分析

以1978，1987，1996，2007，2015年為研究截面，統(tǒng)計同心縣初始類型為耕地、草地和未利用地的轉移流，根據(jù)上文提出的編碼原則進行編碼，對該類土地利用轉移面積大于1%以上的土地利用轉移鏈進行統(tǒng)計制圖(圖2)。由圖2可以看出，研究時段內同心縣的土地利用變化圍繞著耕地的流失與保護進行，典型轉移鏈以往復鏈和單向鏈為主。其中，往復鏈又以Ⅱa型為主，如161，131型，單向鏈以31和61型為主；初始耕地轉移鏈以161型和131型的比例明顯高于其它類型。161型達15 582 hm2，占耕地轉移面積的13.97%；131型為12 027 hm2，占同期耕地轉移面積的11.40%。初始草地轉移鏈中，31型比例最高，達15 934.30 hm2，占耕地轉移面積的13.85%。初始未利用地轉移鏈中，以61型比例最高，轉移15 582 hm2，占未利用地轉移總量的13.97%。

圖2 同心縣1978-2015年土地利用轉移鏈對比

3 討論與結論

3.1 討 論

土地變化的矢量屬性研究與表達，對于提高人們對土地系統(tǒng)的認知和土地變化特征、機制、效應的研究具有十分重要的作用。土地利用轉移流可以從數(shù)量和方向上對土地利用轉移信息進行反映，應該說比以凈值計算的土地利用數(shù)量結構變化反映更多的信息；基于轉移流的土地轉移率，對土地利用活躍度的研究也有較好的價值；土地轉移鏈則可以探究在一個較長時段內土地利用變化的過程信息。這些信息無法通過兩期內的土地轉移流兩兩比較得出。如本研究發(fā)現(xiàn)，研究期內同心縣的土地利用轉移鏈的長短不一，有些發(fā)生了一次轉換，如31，21，61等，有些兩次轉換，如131,132等，有些鏈更長，甚至有4次轉換，如36 361，63 161等。土地利用轉移鏈比較短，反映出土地利用較為穩(wěn)定，土地轉移鏈較長，則表明土地利用不穩(wěn)定，轉換頻率高。因此，土地轉移流、轉移率和轉移鏈可以從不同的功能層面，加強對土地利用利用過程信息的挖掘。今后將進一步對不同尺度下，對上述指標的變化內涵及其對土地利用變過程的指示意義作進一步探究。

3.2 結 論

(1) 1978—2015年同心縣土地利用變化的特征如下：1978—1987年為耕地增加、草地減少，1987年后耕地、草地持續(xù)增加，未利用地持續(xù)減少，反映出人進沙退，自然生態(tài)條件有所改善。

(2) 區(qū)縣尺度上，土地利用轉移率漸次降低。類型尺度上，耕地轉移率先升后降，草地轉移率先降后升，未利用地轉移率為降—升—降特征。

(3) 1978—1987年，同心縣以草地轉未利用地流為主，1987—1996年，土地利用轉移流呈現(xiàn)多元特征；1996年后，加強了退耕還林還草和對未利用地的改造利用。

(4) 研究時段內同心縣圍繞著耕地的流失與保護進行，典型轉移鏈以往復鏈和單向鏈為主。單向鏈以31(草地轉耕地)和61(未利用地轉耕地)為主，往復鏈以Ⅱa型為主，如161(耕地—未利用地—耕地)和131(耕地—草地—耕地)。土地資源開發(fā)與管理中要重視往復鏈所揭示的內涵并采取針對性措施。

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Information Mining in Arid Area of Central Ningxia Hui Autonomous Region Based on Vector Properties of Land Use Change

MA Caihong1,2, JIA Keli1,2, ZOU Shuyan1,2, FAN Xingang1,2

〔1.School of Resource and Environment, Ningxia University, Yinchuan， Ningxia 750021, China; 2.Ningxia(China-Arab) Key Laboratory of Resources Evaluation and Environmental Regulation in Arid Area, Yinchuan， Ningxia, 750021, China〕

[Objective] This paper was aimed to deepen the cognition to the vector properties of land use change, to further extract the profundity information in the characteristics and the rule of land use change, and to enrich the land use change research methods, to provide relevant reference for the regulation of land resources. [Methods] On a perspective of land use transfer flow, two concepts termed land use transfer rate and the land use transfer chain were introduced. Data of MSS/TM/ETM remote sensing image were used to make a case study of land change process in Tongxin County in arid area of central Ningxia Hui Aotonomous Region. [Results] Cultivated land and grassland had increased in the study region, however, the area of unused land had reduced during 1978—2015. At countywide scale, land use transfer rate had decreased gradually in Tongxin County. With respect to the land use transfer of different lands, the transfer rate of cultivated land increased firstly and then decreased; land use transfer rate of grassland reduced firstly and then rose; and land use transfer rate of unused land experienced a variation of deduce-rise-deduce in Tongxin County. From 1978 to 1987, grasslands were mostly transformed to unused lands in Tongxin County. From 1987 to 1996, the land use transfer flow was diversified. Since 1996, grasslands were expanded in the processes of cultivated land transformation and the unused land was also amplified, for it was exploited attentively. From 1978 to 2015, the transformation of land use in Tongxin County was mainly referred to the loss and protection of arable land. Among the transformation types, one-way chain had two main types referring to 31(grass turn arable land) and 61(unused cultivated land); reciprocating chain called Ⅱa, mainly had the types of 161(cultivated land-unused-cultivated land) and 131(cultivated land-grassland-cultivated land). [Conclusion] There existed a great proportion of “reciprocating chain” of land use change in Tongxin County during 1978—2015. In the future, more attention should be paid to the connotation revealed by the called reciprocating chain of land use change, and relevant countermeasures should be taken in the development and management of land resources.

landusechange;landusetransferflow；landusetransferchain；AridareaofcentralNingxiaHuiAotonomousRegion

B

： 1000-288X(2017)04-0260-06

： F301.2

2016-11-04

：2016-12-13

國家自然科學基金項目“回漢民族文化對土地利用變化的影響研究”(41361014); 寧夏科技發(fā)展計劃項目(軟科學，021500000432); 寧夏大學引進人才啟動項目(BQD2016005)

馬彩虹(1974—),女(漢族),寧夏自治區(qū)西吉縣人,博士,碩士生導師,副教授,主要從事生態(tài)經濟與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、資源環(huán)境評價與GIS/RS應用研究。E-mail:mchyanni@163.com。