趙珍珍, 馮建迪

(山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255000)

近一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，全球生態(tài)環(huán)境發(fā)生了劇烈的變化，其中，土地荒漠化是當(dāng)今社會(huì)面臨的最嚴(yán)重的世界性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。荒漠化不僅威脅生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也危害人類生存和社會(huì)穩(wěn)定。我國(guó)沙漠化潛在發(fā)生面積約為4.50×106km2，占國(guó)土總面積的47.1%，而且沙漠化類型多、分布范圍廣，嚴(yán)重的影響了生態(tài)系統(tǒng)的安全以及制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。為了履行《中華人民共和國(guó)防沙治沙法》和《聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約》的相關(guān)義務(wù)，國(guó)家林業(yè)局從1994—2014年分別組織完成了全國(guó)五次荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)工作。我國(guó)每年因土地荒漠化和沙化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為541億人民幣，占當(dāng)年全國(guó)GDP的1.41%[2-4]。

為了控制沙漠化產(chǎn)生的危害，新中國(guó)成立以來(lái)，國(guó)家和地方政府開展了大規(guī)模的防沙治沙工作，如：“三北防護(hù)林體系建設(shè)工程”、“天然林資源保護(hù)”、“退耕還林(草)”、“京津風(fēng)沙源治理”和“退牧還草”等生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)建設(shè)工程[5-6]。但是，現(xiàn)有的研究缺乏對(duì)科爾沁沙地進(jìn)行系統(tǒng)的、長(zhǎng)時(shí)間序列的分析和研究。為了評(píng)價(jià)各項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)的成效，需要對(duì)荒漠化和沙化土地進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，及時(shí)地、準(zhǔn)確地掌握沙漠化和沙化土地的現(xiàn)狀以及動(dòng)態(tài)演替規(guī)律，從而更加高效地、有針對(duì)性地實(shí)施各項(xiàng)防沙治沙的政策和規(guī)劃[7-8]。本文對(duì)科爾沁沙地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，基于土地利用重心遷移模型，分析其自20世紀(jì)80年代到2016年土地利用重心遷移特征，探明該地區(qū)不同時(shí)期間各土地利用類型空間格局、重心遷移軌跡和重心遷移速率，并以此揭示科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境的不穩(wěn)定性和脆弱性。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 科爾沁沙地區(qū)域特征

科爾沁沙地，位于北緯42°30′—45°30′，東經(jīng)119°—124°，東北平原西部，內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，介于西遼河中下游的赤峰市和通遼市之間，面積約為4.23×104km2，是我國(guó)最大的沙地?？茽柷呱车貙儆诎敫珊禍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量為300～400 mm，且多集中于夏季，年平均氣溫約為7.1 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)約為2 959.3 h，年平均風(fēng)速約為3.7 m/s，風(fēng)大是該地區(qū)氣候的最突出特點(diǎn)之一。科爾沁沙地人口由1980年的236.5萬(wàn)人增長(zhǎng)到2016年的316.4萬(wàn)人，為滿足生活需求，耕地面積和牲畜存欄量也在不斷增加。新中國(guó)成立以前的多種蒙地開墾政策，以及新中國(guó)成立初期經(jīng)歷的四次墾荒人潮，使科爾沁沙地不斷經(jīng)歷著“開墾—沙化—棄耕”。然而，20世紀(jì)以前，科爾沁沙地也曾是水草豐美的大草原，受氣候變化，主要是氣溫升高和降雨量少，以及人類活動(dòng)的影響，草地和林地受到破壞，沙地不斷擴(kuò)張，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。故分析科爾沁沙地土地利用格局演變過(guò)程，可為該地區(qū)調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和改善生態(tài)環(huán)境提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

研究所用的空間數(shù)據(jù)是覆蓋科爾沁沙地的1980，1990，2000，2010，2014和2016年6個(gè)時(shí)期的Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和通遼行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，影像來(lái)源于“地理空間數(shù)據(jù)云”平臺(tái)。根據(jù)Landsat衛(wèi)星的全球參考系統(tǒng)WRS(world wide reference system)，共四景影像覆蓋本研究區(qū)域，其條帶號(hào)/行編號(hào)為(120,29)，(120,30)，(121,29)和(121,30)。影像選取條件：時(shí)間以研究年份為主，若本年度無(wú)最佳影像可向前或向后兩年；每景影像的云量小于1%；具體日期以7—9月中下旬為最佳，此時(shí)植被生長(zhǎng)狀況較好。

基于ENVI軟件進(jìn)行預(yù)處理，主要過(guò)程包括輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、幾何校正、鑲嵌、去背景值等。根據(jù)科爾沁沙地范圍界限，裁剪預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行勻色處理。值得注意的是，Landsat8OLI影像處理過(guò)程須在ENVI 5.0及以上版本進(jìn)行處理，并下載該傳感器對(duì)應(yīng)的波譜響應(yīng)函數(shù)sli。

1.3 Landsat系列衛(wèi)星影像分類

根據(jù)遙感影像空間分辨率的高低以及研究區(qū)的特點(diǎn)，確保遙感影像能夠完成解譯目標(biāo)的前提條件下，參考《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010-2007)》，將科爾沁沙地分為植被、水體、建筑用地、沙地和耕地5類。本研究選擇監(jiān)督分類與人工目視解譯相結(jié)合的方法進(jìn)行Landsat影像分類，在提高解譯速度的同時(shí)，又能夠保證解譯精度?，F(xiàn)有的監(jiān)督分類方法很多，常用的有最大似然法、最小距離法、決策樹分類法、SVM分類法等[15-16]。首先在ENVI軟件平臺(tái)上，采用監(jiān)督分類方法中的最小距離法進(jìn)行影像分類，獲取初步分類結(jié)果，該結(jié)果會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)分和漏分的現(xiàn)象。因此，下一步需要將該分類結(jié)果保存成矢量格式，并轉(zhuǎn)到ArcGIS軟件平臺(tái)上進(jìn)行糾錯(cuò)改正。從分類結(jié)果中，選取200個(gè)樣本，與Google Earth軟件上的高分辨率遙感影像進(jìn)行對(duì)比，使最終分類精度達(dá)到95%以上(附圖5)。

2 土地利用重心遷移模型

重心的概念源自于物理學(xué)，是指在重力場(chǎng)中用于支撐目標(biāo)物體在任何方位時(shí)重力合力的作用點(diǎn)。自1984年起，這一概念逐漸被引入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域，用于研究人口、經(jīng)濟(jì)等方面重心變化情況[9-11]。土地利用重心遷移模型是借鑒人口分布重心變化的原理，用于揭示各類土地資源空間格局變化的過(guò)程[12-14]。本文利用土地利用重心遷移模型計(jì)算科爾沁沙地不同時(shí)期各土地利用類型的重心坐標(biāo)，以及相鄰時(shí)期間各土地利用類型重心遷移距離和重心遷移速率，直觀地反映該地區(qū)土地利用空間格局變遷的過(guò)程和變化的速度，進(jìn)而體現(xiàn)出科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境的不穩(wěn)定性和脆弱性。t時(shí)期土地利用類型為j的重心坐標(biāo)計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：X(j,t)，Y(j,t)——t時(shí)期土地利用類型為j的重心經(jīng)度和緯度坐標(biāo)；n——t時(shí)期土地利用類型為j的斑塊總數(shù)； LA(i,t)——t時(shí)期土地利用類型為j的第i個(gè)圖斑的面積；X(i,t)，Y(i,t)——t時(shí)期土地利用類型為j的第i個(gè)圖斑的幾何中心經(jīng)度坐標(biāo)和幾何中心緯度坐標(biāo)。

同一土地利用類型不同時(shí)期重心遷移距離測(cè)度的計(jì)算公式為：

D(i,m-n)={〔X(i,m)-X(i,n)〕2+

〔Y(i,m)-Y(i,n)〕2}1/2

(3)

式中：D(i,m-n)——m時(shí)期和n時(shí)期間土地利用類型為i的重心移動(dòng)距離； 〔X(i,m),Y(i,m)〕，〔X(i,n),Y(i,n)〕——m時(shí)期和n時(shí)期間土地利用類型為i的重心坐標(biāo)。

同一土地利用類型不同時(shí)期重心遷移速率的計(jì)算公式為：

V(i,m-n)=D(i,m-n)/(tm-tn)

(4)

式中：V(i,m-n)——土地利用類型為i的重心遷移速率；tm，tn——研究末期和研究初期。

3 結(jié)果與分析

基于各時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)，利用重心遷移模型，計(jì)算得出1980—2016年科爾沁沙地不同時(shí)期各土地利用類型的重心坐標(biāo)(如表1所示)。1980—2016年期間，科爾沁沙地的植被重心總體上向西北方向移動(dòng)，植被最西北重心出現(xiàn)在2000年，最東南重心出現(xiàn)在1990年，兩個(gè)時(shí)期植被重心經(jīng)向移動(dòng)了0.106°，緯向移動(dòng)了0.077°。水體重心經(jīng)向移動(dòng)方向?yàn)槲?，移?dòng)了0.153°，緯向移動(dòng)方向?yàn)槟?，移?dòng)了0.035°。建筑用地重心的最小經(jīng)度和最小緯度均出現(xiàn)在1990年，坐標(biāo)為(121.918°,43.382°)，最大經(jīng)度和最大緯度出現(xiàn)在2016年，坐標(biāo)為(121.943°,43.405°)，建筑用地的重心總體上向東北方向移動(dòng)，移動(dòng)的最大經(jīng)度為0.025°，最大緯度為0.023°。沙地重心總體上向西南方向移動(dòng)，重心經(jīng)向移動(dòng)的最大值為0.102°，重心緯向移動(dòng)的最大值為0.128°。耕地重心總體上向東北方向移動(dòng)，重心經(jīng)向移動(dòng)的最大值為0.041°，重心緯向移動(dòng)的最大值為0.040°。

表1 1980-2016年科爾沁沙地各土地利用類型重心坐標(biāo) (°)

根據(jù)圖1可知，從1980到1990年期間，植被重心經(jīng)向移動(dòng)0.053°，緯向移動(dòng)0.058°，移動(dòng)方向?yàn)闁|南，移動(dòng)距離為7 647.1 m。從1990—2000年，植被重心經(jīng)向移動(dòng)0.106°，緯向移動(dòng)0.077°，移動(dòng)方向?yàn)槲鞅保苿?dòng)距離為12 035.8 m。從2000—2010年，植被重心經(jīng)向移動(dòng)0.016°，緯向移動(dòng)0.037°，移動(dòng)方向?yàn)闁|南，移動(dòng)距離為4 386.7 m。從2010—2014年，植被重心經(jīng)向移動(dòng)0.010°，緯向移動(dòng)0.017°，移動(dòng)方向?yàn)闁|南，移動(dòng)距離為2 039.3 m。從2014—2016年，植被重心經(jīng)向移動(dòng)0.001°，緯向移動(dòng)0.038°，移動(dòng)方向?yàn)闁|北，移動(dòng)距離為4 205.4 m。其中，1990—2000年植被重心移動(dòng)距離最大，其次是1980—1990年。

圖1 1980-2016年科爾沁沙地植被重心遷移特征

從1980—1990年，研究區(qū)水體重心經(jīng)向移動(dòng)0.022°，緯向移動(dòng)0.027°，移動(dòng)方向?yàn)闁|南，移動(dòng)距離為3 577.8 m(圖2)。從1990—2000年，水體重心經(jīng)向移動(dòng)0.015°，緯向移動(dòng)0.012°，移動(dòng)方向?yàn)槲髂希苿?dòng)距離為1 804.2 m。從2000—2010年，水體重心經(jīng)向移動(dòng)0.101°，緯向移動(dòng)0.003°，移動(dòng)方向?yàn)闁|南，移動(dòng)距離為8 200.2 m。從2010—2014年，水體重心經(jīng)向移動(dòng)0.042°，緯向移動(dòng)0.010°，移動(dòng)方向?yàn)闁|北，移動(dòng)距離為3 533.8 m。從2014—2016年，水體重心經(jīng)向移動(dòng)0.003°，緯向移動(dòng)0.003°，移動(dòng)方向?yàn)闁|南，移動(dòng)距離為385.1 m。其中，2000—2010年水體重心移動(dòng)距離最大，其次是1980—1990年。

圖2 1980-2016年科爾沁沙地水體重心遷移特征

1980—2016年期間，建筑用地重心移動(dòng)距離的幅度大小不一，移動(dòng)方向也有所不同。1980—1990年，水體重心的移動(dòng)方向?yàn)槲髂?，移?dòng)距離為1 475.0 m，經(jīng)向移動(dòng)0.015°，緯向移動(dòng)0.009°，是水體重心移動(dòng)最快的時(shí)期(圖3)。1990—2016年的4個(gè)時(shí)期內(nèi)，水體重心移動(dòng)的距離分別為648.3，900.7，1 313.5和535.2 m，移動(dòng)方向均為東北。

圖3 1980-2016年科爾沁沙地建筑用地重心遷移特征

1980—2016年期間，沙地重心變化幅度最大、最復(fù)雜。1980—1990年，沙地重心向西北方向移動(dòng)，移動(dòng)距離為3 812.6 m，經(jīng)向移動(dòng)0.042°，緯向移動(dòng)0.018°(圖4)。1990—2000年期間，沙地重心的移動(dòng)轉(zhuǎn)向?yàn)闁|南，而且移動(dòng)距離達(dá)到了11 382.5 m，是沙地重心移動(dòng)最快的時(shí)期。2000—2010年，沙地重心的移動(dòng)方向開始掉頭轉(zhuǎn)為西北，移動(dòng)距離為5 429.6 m。2010—2014年，沙地重心的移動(dòng)方向與1990—2000年期間的方向相反，移動(dòng)距離為6 799.8 m，經(jīng)向移動(dòng)0.080°，緯向移動(dòng)0.018°。2014—2016年期間，沙地重心往南移動(dòng)，移動(dòng)距離為9 720.5 m，緯向移動(dòng)了0.087°。

相鄰時(shí)期，耕地重心的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離各有不同(圖5)。1990—2000年和2010—2014年兩個(gè)時(shí)期，耕地重心的方向變化和距離變化最為突出，其中，1990—2000年，耕地重心的移動(dòng)方向?yàn)闁|南，移動(dòng)距離為4 018.4 m，經(jīng)向移動(dòng)了0.033°；2010—2014年，耕地重心轉(zhuǎn)向東北方向，移動(dòng)距離為4 009.7 m，經(jīng)向移動(dòng)0.028°，緯向移動(dòng)0.030°。

圖5 1980-2016年科爾沁沙地耕地重心遷移特征

各土地利用類型的重心遷移速率能夠更加直觀地反映土地利用空間格局變化的速度。從表2可知，1980—2016年，植被重心的遷移速率為64.6 m/a，其中2014—2016年期間重心遷移速率為2 012.7 m/a，達(dá)到最大值，最小值出現(xiàn)在2000—2010年期間。1980—2016年，水體重心的遷移速率為389.3 m/a，是植被重心遷移速率的6倍多，其中在2010—2014年，水體重心遷移速率達(dá)到最大值。1980—2016年，建筑用地重心遷移速率為53.6 m/a，說(shuō)明該地區(qū)建筑用地的擴(kuò)張主要發(fā)生在原有建筑用地的基礎(chǔ)上，與植被重心遷移速率接近。沙地總體重心遷移速率為379.5 m/a，2014—2016年沙地重心遷移速率高達(dá)4 860.3 m/a，說(shuō)明沙地重心變化波動(dòng)較大。耕地總體重心遷移速率為148.3 m/a，2014—2016年和2000—2010年期間重心遷移速率分別達(dá)到最大值和最小值，分別為1 002.4和158.2 m/a。各土地利用類型在不同時(shí)期的重心遷移速率有較大差異，建筑用地總體遷移速率最小，水體和沙地的重心遷移速率相對(duì)較大，該現(xiàn)象主要與科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境脆弱，造成的水資源持續(xù)性減少以及沙地隨時(shí)反彈有關(guān)。

表2 1980-2016年科爾沁沙地 土地利用重心遷移速率 m/a

4 結(jié) 論

本文基于1980—2016年科爾沁沙地土地利用數(shù)據(jù)，利用土地利用重心遷移模型，計(jì)算了不同時(shí)期各土地利用類型的重心坐標(biāo)，以及相鄰時(shí)期間各土地利用類型重心遷移距離和重心遷移速率。研究結(jié)果顯示，35 a來(lái)科爾沁沙地的植被重心向西北方向遷移，水體重心向東南方向遷移，建筑用地重心向東北方向遷移，沙地重心向西南方向遷移，耕地重心向東北方向遷移；各時(shí)期間，各土地利用類型重心遷移距離變化劇烈，但總的重心遷移速率有所減緩。科爾沁沙地近35 a的土地利用重心遷移軌跡和遷移速率，直觀地反映了該地區(qū)土地利用空間格局變遷的過(guò)程，以及人類利用和改造土地資源在空間上的軌跡，揭示了科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境的不穩(wěn)定性和脆弱性，為土地資源的合理開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的改善提供參考依據(jù)。