魏 穎，鄭 勇，張 強，卿玉玲，劉宗學

(成都理工大學旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，四川 成都 610059)

0 前言

土地利用是土地質(zhì)量特性和社會土地需求協(xié)調(diào)所決定的土地功能過程，是自然環(huán)境和社會經(jīng)濟等眾多因素共同作用的復雜過程[1～4]。地形因子作為對土地利用變化影響程度最大的自然因素,直接影響著土地利用變化的方式和趨勢[5],是土地利用分布格局的重要影響因子[6]。目前，國內(nèi)學者從定性與定量角度探討了海拔、坡度和坡向等地形因子對土地利用類型時空分布及其變化的影響, 認為地形因子與其他自然、人文因素一起復雜影響土地利用變化[7～10]。但大多是針對地形結(jié)構(gòu)簡單的平原地區(qū)，對復雜地形區(qū)研究還有待深入。西昌市地貌復雜，平原和山地交錯分布，運用遙感和GIS技術(shù)能夠快速提取土地覆被信息，并與高程、坡度、坡向、地形位信息進行疊加處理，定量分析地形因子制約下西昌市區(qū)土地利用的空間分布規(guī)律，為該區(qū)土地利用及國土空間規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西昌市處于川西高原的安寧河平原腹地，是涼山彝族自治州的州府所在地，也是攀西地區(qū)的政治、經(jīng)濟文化及交通中心(見圖1)，東經(jīng)101°46′～102°25′、北緯27°32′～28°10′。地形以中山為主，占全市總面積的78.9%，高山、低山分別占1.1%和3.4%；河谷平坦地區(qū)面積占16.4%，是四川省第二大河谷平原。山地分布在安寧河東西兩側(cè)，西部牦牛山，是市境內(nèi)山地的主體，占全市總面積的一半，自北向南縱貫全境，構(gòu)成安寧河與雅礱江的分水嶺。其北段許多山峰海拔超過 3 500 m，向南逐漸降低。整個山體，大部分界于 2 000 m～3 000 m之間；安寧河東側(cè)屬螺髻山山脈，北段和南段主脊線分別在在喜德縣及西昌與普格的分界線上。

圖1 西昌市地理位置與高程Fig.1 Location and elevation of Xichang City

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文的DEM選取ASTER-GDEM，空間分辨率為30 m，來自地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscioud.cn/)。待解譯數(shù)據(jù)以USGS的Landsat8 一景為數(shù)據(jù)源(https://glovis.usgs.gov),成像時間為2018年2月20日，云量0.1。運用ENVI5.3對影像進行輻射定標、大氣校正、幾何精校正、圖像增強等預處理，并根據(jù)研究區(qū)行政邊界裁剪。根據(jù)《全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系表》，結(jié)合研究區(qū)實際土地利用現(xiàn)狀和遙感解譯能力，形成適合研究區(qū)的中等分辨率地類分類體系，共7個地類：林地、草地、耕地、水田、水體、建設(shè)用地、其他。

面向?qū)ο蟮膱D像分類技術(shù)能有效利用光譜、紋理、形狀等多個特征，避免了基于像元的分類技術(shù)產(chǎn)生的“同物異譜”、“異物同譜”和明顯的“椒鹽”現(xiàn)象，其分類結(jié)果優(yōu)于后者[11]。本文采用eCognition9.0軟件的Cart決策樹算法對預處理后的影像進行分類。采用多尺度分割，分割尺度40，形狀權(quán)重0.1，緊致度權(quán)重0.5。將參照影像選取的矢量點訓練為樣本，使用Cart分類器訓練和應用生成土地利用現(xiàn)狀圖(見圖2)，土地覆被總體精度達到0.88、Kappa系數(shù)超過0.84，滿足研究需要。

遙感影像圖像分類常采取分類結(jié)果與現(xiàn)場驗證數(shù)據(jù)進行比較，將分類正確的驗證樣本百分比作為精度評價指標。本文采用現(xiàn)場采集樣本的精度評價方法，191個樣本混淆矩陣和Kappa系數(shù)精度評價結(jié)果見表1。

2.2 地形因子分級及面積

地形因子(坡度、坡向、地形位)通過DEM在Arcgis10.3空間分析模塊中計算。為使高程分布梯度上具有明顯差異體現(xiàn)，采取自然斷點分級法將高程劃分為5個等級。坡度總變幅為0°～75.33°，參考國際地理學聯(lián)合會的6級坡度分類法，并依據(jù)中國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將坡度分成6個等級(見表2)。坡向按照方位角進行劃分，將坡向劃分為平坡、陰坡、半陰坡和半陽坡，陽坡(見表2)。

圖2 西昌市土地利用現(xiàn)狀圖Fig.2 Status map of land use in Xichang City

表1土地覆被混淆矩陣及分類精度

Tab.1 Land coverage confusion matrix and classification accuracy

地類樣本/個混淆矩陣草地其他建設(shè)用地水田水體林地耕地合計草地3300002540其他03000003建設(shè)用地0119000424水田0001420117水體00006006林地1000051355耕地3000014246合計374191485455191總體精度0.8796Kappa系數(shù)0.8472

疊加分析是ArcGIS中重要的分析工具，是常用來提取地理事物空間隱含信息的方法之一[12]。分別將高程、坡度、坡向、地形位與土地利用圖進行疊合，分析西昌市的地形梯度特征，建立研究區(qū)內(nèi)地形因子與土地利用的對應面積關(guān)系(見表2)。

表2地形因子分級及面積

Tab.2Topographic factor classification and area

2.3地形分布指數(shù)

不同土地利用類型在不同高程、坡度和坡向的分布情況，可以通過分布指數(shù)進行轉(zhuǎn)化和描述[13～15]。利用地形梯度對地形差異進行新的描述后，地形條件對各土地利用類型分布特征的影響問題被簡化為在地形梯度上不同土地利用類型出現(xiàn)的概率問題[16]。分布指數(shù)公式如下：

(1)

式中：P表示分布指數(shù)；e表示某一地形因子； Sie表示e地形因子下i地類面積；Si表示i地類面積； S表示整個區(qū)域面積； Se表示整個區(qū)域e地形因子的總面積。P=1,表示第i種地類在第e級地形上的比重與研究區(qū)內(nèi)該地類的比重相等;P>1,表示第i種地類在第e級地形上的分布屬于優(yōu)勢分布,P值越大,優(yōu)勢度越高P<1,則說明第i種地類在第e級地形上的分布屬于劣勢分布,該地形級別不適宜該地類分布或者發(fā)育[17]。

2.4 地形位指數(shù)

地形條件對土地利用分布的約束往往是多個地形因子的綜合作用，單一的高程或坡度因子無法反映這種綜合影響結(jié)果。為綜合反映地形因子的空間分異，引入地形位指數(shù)，以便對西昌地區(qū)的地形特征進行重新描述和梯度分類[18]。地形位公式如下：

(2)

式中，T——第i個單元的地形位指數(shù);

E、E——分別代表第i個單元的高程值和研究區(qū)的平均高程值;

S、S——分別代表第i個單元的坡度值和研究區(qū)的平均坡度值。

利用上式模擬后，重采樣的柵格大小為 30 m×30 m ，原來的地形屬性(包括高程與坡度)即可以由地形位指數(shù)來綜合描述。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用總體空間特征

西昌市遙感解譯結(jié)果顯示(見表3)，林地、耕地、草地主要分布于安寧河平原周邊的大部分地區(qū)，所有土地利用結(jié)構(gòu)中林地面積最大為 1 348.89 km2，占總面積的50.51%；耕地面積為369.43 km2，占總面積的13.83%；草地面積為318.41 km2，占總面積的11.92%。西昌位于四川第二大平原安寧河平原腹地，這為灌溉農(nóng)業(yè)提供了基礎(chǔ)的自然地理條件，水田主要分布在安寧河畔，南北貫穿地帶。面積為308.7 km2，

占總面積11.56%。平原和水源為城鎮(zhèn)化的孕育提供了地貌和資源條件，建設(shè)用地大部分分布在安寧河平原及邛海邊緣上。面積為271.43 km2，面積占比10.16%。西昌水資源豐富，區(qū)內(nèi)主要河流有安寧河，雅礱江，邛海等，以及安寧河平原分布有農(nóng)業(yè)用的坑塘，水體總面積為48.39 km2，占總面積的1.81%。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)其他用地主要為一些工礦用地，如采砂廠，以及少量的一些裸地，面積較小為5.3 km2，占總面積不足0.2%。

表3西昌市土地利用類型及面積

Tab.3 Types and area of land use in Xichang City

土地類型草地水田耕地林地建設(shè)用地水體其他面積/km2318.41308.7369.431348.89271.4348.395.3比例/%11.9211.5613.8350.5110.161.810.2

3.2 土地利用類型在高程梯度上的分布特征

土地利用分布在各高程梯度上分布較均衡，總體上，隨著海拔高度增大土地利用分布有逐漸減小的趨勢，分布面積最大的梯度范圍為第一梯度(見圖3)。林地是西昌市第一大土地利用類型，分布面積在第三梯度出現(xiàn)峰值，其他梯度隨海拔升高和降低都呈減少趨勢，分布指數(shù)大致呈現(xiàn)由低海拔至高海拔區(qū)依次遞增趨勢，表示海拔越高越有利于林地的分布，林地在高海拔區(qū)生長具有優(yōu)勢；耕地主要分布在一、二高程梯度范圍內(nèi)，占總耕地面積的81.14%，且在此范圍內(nèi)分布指數(shù)均大于1，呈優(yōu)勢分布，隨著海拔升高，分布指數(shù)逐漸降低，表示耕地面積分布與高程關(guān)系密切，分布海拔到達一定高度后，海拔越高越不利于耕地分布；草地分布與海拔關(guān)系密切，分布指數(shù)在除了第一高程范圍內(nèi)均大于1，表明在研究區(qū)較高海拔處利于草地分布；水田在第一高程梯度具有優(yōu)勢分布，占總面積的92.85%，且僅在此處分布指數(shù)高于1，表明海拔越低越有利于水田分布；建設(shè)用地主要分布于一、二高程范圍，占總面積的96.89%，且隨著海拔升高分布指數(shù)逐漸降低。說明西昌市的居民大都集中生活于較低海拔的區(qū)域，低海拔地區(qū)適宜開展生產(chǎn)和生活；水體僅在第一、二高程梯度范圍內(nèi)分布，且在第一海拔高程上分布指數(shù)大于1，優(yōu)勢性十分顯著；其他用地類型是指裸地和工礦用地，其他用地只分布于一、三海拔高程范圍內(nèi)。

圖3 高程、坡度、地形位分級的土地利用結(jié)構(gòu)Fig.3 Land use structure of elevation, slope and topographical classification

3.3 基于坡度分級的土地利用結(jié)構(gòu)分析

土地利用坡度分布主要集中于三、四坡度梯度范圍內(nèi)，分別占總面積的21.06%和50.61%，分布面積最小的為第一坡度梯度，占比為7.38%，隨后由小至大依第二坡度梯度、第五坡度梯度(見圖3)。由此可見，研究區(qū)地形以山地地形為主，地形較為復雜，平坦地面面積相對較小。林地主要分布于三、四、五坡度梯度范圍內(nèi)，占林地總面積的98.62%，但就分布指數(shù)而言，坡度越大分布指數(shù)數(shù)值越大，越具有分布優(yōu)勢，說明林地對坡度大的地區(qū)具有較強的適應性；西昌耕地主要分布于三、四坡度梯度范圍內(nèi)，占耕地總面積的85.67%，但僅在在第三梯度范圍內(nèi)，分布指數(shù)均大于1，主要原因是坡度影響土壤肥力，隨著坡度增加，耕種困難，投入的成本也更大，同時坡度較小的土地被開墾成水田；水田主要分布于第一、二、三坡度梯度范圍內(nèi)，且在此范圍分布指數(shù)大于1具有優(yōu)勢分布。建設(shè)用地在平緩坡分布面積較大，且分布指數(shù)在第一、二、三坡度梯度上大于1，說明人類活動多分布于平坦的地區(qū)，建設(shè)用地分布于坡度較平緩的地區(qū)；水體在第一坡度梯度分布面積最大，達30.26%，分布指數(shù)隨著海拔升高有逐漸降低趨勢，表示水域分布在坡度平緩地區(qū)更具有優(yōu)勢；草地面積較小，主要分布于第三坡度梯度范圍，所占比例為62.56%，分布指數(shù)隨著坡度增大越具有明顯的分布優(yōu)勢；其他用地在第三坡度梯度上面積最大，分布指數(shù)也最大。

3.4 基于地形位的土地利用結(jié)構(gòu)分析

在整個地形位指數(shù)梯度上，水田、耕地、林地和水體這4種土地利用在高程和坡度梯度上的變化基本一致，草地地形位指數(shù)變化與坡度變化規(guī)律相同，建設(shè)用地地形位指數(shù)變化與高程變化規(guī)律相同，其他用地除第三梯度外變化規(guī)律與坡度梯度變化規(guī)律相同(見圖3)。在1～5級地形位梯度上，水田、建設(shè)用地、水體、其他用地分布指數(shù)呈逐漸降低趨勢；林地分布指數(shù)呈逐步上升趨勢；草地和耕地呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，但是草地在第四地形位梯度、耕地在第二地形位梯度分布指數(shù)最大通過對比高程、坡向、地形位分布指數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)采用地形位指數(shù)來研究土地利用類型的分布與采用高程梯度和坡度梯度規(guī)律大致一致。引入地形位指數(shù)避免了分析土地利用類型只使用單個地形因子評價分析的不足，多個地形因子的綜合考慮，能更有效地反映土地利用類型的分布格局。

3.5 基于坡向分級的土地利用結(jié)構(gòu)分析

坡向?qū)ξ鞑型恋乩糜绊懖淮?，除平坡外各坡向的各土地利用類型面積分布都較平均(見圖4)。陽坡和半陽坡光照和熱量條件最好，在此坡向，草地、水田和耕地面積分布具有普遍優(yōu)勢，分布指數(shù)大于1，說明陽坡適宜進行耕種，光照充足，利于農(nóng)業(yè)種植；建設(shè)用地在平坡分布面積最小但分布指數(shù)較大，其余各坡向分布指數(shù)差異不明顯表明在現(xiàn)代科技和建設(shè)工藝發(fā)展影響下，坡向?qū)ㄔO(shè)用地的影響已經(jīng)逐漸減小；水體由于其獨特的性質(zhì)，在平坡具有優(yōu)勢分布；林地主要在平坡和陽坡分布面積小，分布指數(shù)低，表明西昌市因地制宜，宜林則林；其他用地在陽坡和陰坡分布面積大，且分布指數(shù)大于1，進行開發(fā)利用時可以考慮該坡的用地類型建設(shè)。

圖4 坡向分級的土地利用結(jié)構(gòu)分布Fig.4 Distribution of land use structure in graded slope

4 結(jié)論與展望

利用面向?qū)ο髨D像分類的Cart決策樹算法對遙感影像解譯得到西昌市土地利用現(xiàn)狀圖，此種方法提取快速，精度高，對于錯分的地塊人機交互修改方便，提取地貌復雜地區(qū)土地利用類型效果更優(yōu)。采用DEM數(shù)據(jù)提取高程、坡度和坡向信息，利用GIS空間技術(shù)對研究區(qū)土地利用與地形因子進行疊加處理，分析了西昌市土地利用在地形約束下空間分布特征。

(1)土地利用類型以林地為主，占總面積的50.51%，草地、水田、耕地和建設(shè)用地分布相對均衡，分別占總面積11.92%、11.56%、13.83%、10.16%，水體面積較小，占1.81%，其他用地類型為少量的工礦用地，以及滑坡后未恢復的裸地。占總面積不足0.2%。

(2)各土地利用類型在不同的高程、坡度、地形位上呈現(xiàn)出階梯變化的規(guī)律：在低海拔、平緩坡度，分布著與人類生活生產(chǎn)密切的土地利用類型，如耕地、建設(shè)用地；在中等海拔高度和坡度上研究區(qū)所有土地利用類型所占比例均為最大值，原因是西昌市土地以山地、丘陵地貌為主，低海拔和平坦土地面積較??；高海拔和坡度較陡的區(qū)域分布指數(shù)較高的是林地，這些地區(qū)受人為影響小，土地開發(fā)程度弱，林地更新有人工種植、飛播、天然更新等方式，林地規(guī)?？奢^穩(wěn)定的維持。

(3)坡向?qū)ν恋乩玫挠绊懶?，整體來講，各地類在陽坡及半陽坡上的分布水平高于陰坡、半陰坡及平坡。水體分布在較低海拔地區(qū)，受限于地形分布，坡向影響不明顯。

(4)西昌市地貌復雜，地形差異顯著，土地利用類型受地形因素影響較大，景觀格局分布復雜。當前的土地利用現(xiàn)狀受地形約束明顯，總體上符合自然和社會經(jīng)濟規(guī)律，沒有極端的受人為或自然因素分布情況出現(xiàn)。未來對土地的開發(fā)利用應充分考慮地形的限制。

復雜地貌的復雜地形條件不僅約束土地利用分布格局，也一定程度影響遙感解譯的結(jié)果，不論是基于像元的監(jiān)督分類，還是面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǘ际艿降匦我蜃拥南拗?，遙感影像獲取出現(xiàn)在陰坡上的陰影，地類混合分布等情況較多。目前的面向?qū)ο髨D像分類算法不能把這些因素充分考慮進去，未來需要開發(fā)更先進的算法充分考慮復雜地貌的各種因素，使分類精度從研究視角精度更多向用戶直接用于生產(chǎn)的精度轉(zhuǎn)化。