銀朵朵，王艷慧*

（1.首都師范大學 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100048；2.首都師范大學 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京 100048；3.首都師范大學 城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬 國家重點實驗室培育基地，北京 100048）

土地利用/覆被變化在全球環(huán)境、氣候變化的各驅(qū)動因素中起主導作用，反映了土地類型在自然和人為干預下的自然、社會屬性的時空差異性[1]。植被覆蓋作為土地利用/覆被類型中的重要組成部分，與水土保持、生物多樣性、城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境有直接聯(lián)系；也因其巨大的生態(tài)效應、社會效應和經(jīng)濟效應而受到各方的重視。研究植被覆蓋的空間分布和變化可為林業(yè)建設、城市規(guī)劃等提供決策支持[2-5]。本文基于Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)，以涼城縣植被覆蓋動態(tài)變化為研究內(nèi)容，在RS、GIS技術的支持下，從長時間序列上研究了涼城縣近10 a的土地利用/覆被變化情況，并在此基礎上研究了涼城縣植被覆蓋動態(tài)變化情況，分析了變化原因。

1 研究區(qū)概況

涼城縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，河北省與山西省交界區(qū)域的中心，行政區(qū)屬內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市。全縣的土地總面積為3 451 km2，東西最長距離約為82 km，南北最寬距離約為73 km。涼城縣地處內(nèi)蒙古高原地形區(qū)和黃土高原地形區(qū)的邊緣地帶，全縣的47%由山體構成、23%由丘陵構成，平均海拔為 1 731.5 m；地形總體特征為四面環(huán)山、中懷盆地；北部為蠻漢山山系，山勢險峻，其峰頂為縣海拔最高點（2 305 m）；南部坐落著馬頭山山系，主要山體為平頂山，山勢較平緩；中部鑲嵌著岱海盆地，占總面積的24%，縣海拔最低處位于岱海流域。涼城縣屬中溫帶大陸性季風氣候，四季分明；干燥少雨，年均降水量為392.37 mm；氣溫的日較差和年較差較大，年均氣溫為5℃；區(qū)內(nèi)林草覆蓋率達60%以上，森林資源豐富，以針葉林為主，主要分布在蠻漢山和馬頭山。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的基礎數(shù)據(jù)為一景2006年 Landsat5 TM影像和一景2016年 Landsat 8 OLI影像，如表1所示；其他數(shù)據(jù)包括用于提取土地覆蓋信息的1∶100 000 涼城縣數(shù)字線劃圖、天地圖和谷歌衛(wèi)星地圖，用于檢驗分類精度的涼城縣2006－2016年統(tǒng)計年鑒以及用于裁剪研究區(qū)邊界的涼城縣行政區(qū)劃矢量圖。

表1 遙感數(shù)據(jù)來源統(tǒng)計

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)預處理

本文采用的 Landsat 5 TM影像成像時天氣晴朗、天空無云，而Landsat8 OLI影像存在少量厚云，因此需對其進行預處理。以厚云區(qū)域生成掩膜裁剪同年份其他影像，獲得厚云遮蓋區(qū)域的土地覆蓋影像；再與基礎影像拼接形成完整影像。由于Landsat 5 TM影像是經(jīng)過輻射校正、幾何校正和幾何精校正的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，因此在ENVI軟件中，以2006年Landsat 5 TM影像為參考影像，均勻選取30個控制點，利用二次線性內(nèi)插法對Landsat8 OLI影像進行配準，控制均方根誤差在0.5以內(nèi)；再利用最近鄰域法對其進行重采樣，以消除幾何形變，完成幾何校正；然后對兩期影像進行FLAASH大氣校正處理；最后以涼城縣行政區(qū)劃矢量圖生成掩膜，分別對2006年和 2016年的影像進行裁剪，得到研究區(qū)域的影像。2006年Landsat5 TM假彩色合成圖像如圖1所示。

圖1 2006年Landsat5 TM波段543合成圖像

2.2.2 土地利用/覆被分類

根據(jù)涼城縣土地利用/覆被特點和研究需要，本文將研究區(qū)土地覆蓋類型分為建設用地、植被、水體和其他4個類型。首先分別將TM和OLI數(shù)據(jù)的近紅外、紅色、綠色波段值合成標準假彩色圖像；再根據(jù)不同地類在影像上反映的光譜特征和實地調(diào)查情況，選取 4種土地覆蓋類型的訓練樣本；然后利用最大似然法進行監(jiān)督分類[6]；最后對分類結(jié)果進行剔除小斑點、處理孤島等分類后處理。對分類結(jié)果進行精度評價，得到2006 年的總體精度為96.74%、Kappa系數(shù)為0.943 2，2016年的總體精度為93.05%、Kappa系數(shù)為0.893 8，分類結(jié)果合格，可用于研究分析[7-8]。2006年和2016年土地利用/覆被類型監(jiān)督分類圖如圖2所示。

圖2 2006年和2016年涼城縣土地利用/覆被類型監(jiān)督分類圖

2.3 土地利用動態(tài)度

研究某區(qū)域的土地利用/覆被變化情況，一方面可從研究時間段內(nèi)各地類的面積總量增減來分析變化的幅度，另一方面可從各地類的面積變化速率來分析變化的劇烈程度和快慢，而土地利用動態(tài)度就是定量表征地類面積變化速率的模型。土地利用動態(tài)度模型包括兩種：單一土地利用動態(tài)度，用來表征研究時段內(nèi)研究區(qū)某一土地利用/覆被類型面積的變化速率；綜合土地利用動態(tài)度，用來表征研究時段內(nèi)研究區(qū)全部土地利用/覆被類型的變化速率[9]。

單一土地利用動態(tài)度包括3個指標：

式中，T為研究時段，以a為單位；ΔUout為T時段內(nèi)研究區(qū)的某種土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他用地類型的總面積；ΔUin為T時段內(nèi)研究區(qū)的其他用地類型轉(zhuǎn)化為該用地類型的總面積；Uc為該土地類型在研究初期的面積；Rs為年均變化速率，反映研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型在研究時段內(nèi)的年均面積變化速度；Rss為空間變化度，反映研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型在研究時段內(nèi)空間上發(fā)生變化的程度；Ps為變化趨勢與狀態(tài)指數(shù)，其范圍在-1～1之間。

綜合土地利用動態(tài)度包括3個指標：

式中，T為研究時段，以a為單位；i為某種土地利用類型；n為土地利用類型總數(shù)；ΔUout-i為T時段內(nèi)研究區(qū)的第i種土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他用地類型的總面積；ΔUin-i為T時段內(nèi)研究區(qū)的其他土地利用類型轉(zhuǎn)化為第i種土地利用類型的總面積；Uc-i為第i種土地利用類型在研究初期的面積；Rt為綜合年均變化速率，反映研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型在研究時段內(nèi)的年均面積變化速度；Rts為綜合空間變化度，反映研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型在研究時段內(nèi)空間上發(fā)生綜合變化的程度；Pt為綜合變化趨勢與狀態(tài)指數(shù)，反映研究區(qū)內(nèi)全部土地利用類型在研究時段內(nèi)整體的變化趨勢與狀態(tài)，其范圍在0～1之間。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 涼城縣植被覆蓋變化的數(shù)量特征與分析

3.1.1 植被覆蓋的面積變化幅度

對分類結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，得到2006－2016年涼城縣各種土地利用類型的面積、比例和變化量，如表2、3所示，可以看出，10 a間涼城縣植被覆蓋由2 389.046 km2減少至1 900.788 km2，縮減面積比達14.179%，是4種土地利用類型中變化程度最大、減少量最大的一個類型；與此同時，建設用地和其他用地面積均有所增加，其他用地面積增加了419.951 km2，增量比達到12.196%，是除植被外變化最明顯的一個類型；水體面積略有減少，但變化不顯著。

表2 2006－2016年涼城縣各種土地利用類型面積統(tǒng)計

3.1.2 植被覆蓋的面積變化速度

根據(jù)單一土地利用動態(tài)度模型，統(tǒng)計兩期影像的分類結(jié)果，得到2006－2016年涼城縣各種土地利用類型分布和變化情況如表3所示；據(jù)此計算得到10 a間研究區(qū)綜合土地利用動態(tài)度的3個指數(shù)為Rt=1.49%，Rts=4.76%，Pt=3.14%，反映了涼城縣10 a間土地利 用/覆被變化的總體趨勢，有助于對比研究10 a間研究區(qū)植被覆蓋的動態(tài)變化程度。通過將植被的單一土地利用動態(tài)度指數(shù)與4種土地利用類型的綜合土地利用動態(tài)度指數(shù)進行比較，可分析得到植被覆蓋變化在全部土地類型變化中的劇烈程度。

表3 2006－2016年涼城縣各種土地利用類型的動態(tài)變化

10 a間涼城縣土地利用/覆被變化顯著，主要表現(xiàn)為“兩增兩減”，即建設用地、其他用地面積增加，植被、水體面積減少。從面積的凈增減量角度來看，植被面積變化最大，其他用地次之，建設用地居第三位，水體變化最??；其他用地面積激增，而植被面積減少了約14%。從土地利用動態(tài)度來看，10 a間研究區(qū)土地利用類型中建設用地的年均增長速率最大，空間變化差異最明顯，達到45.48%的變化度；植被面積變化量最大，但由于其在研究初期的面積基數(shù)大，因此年均變化速率較小，僅2.04%，且呈減少趨勢；水體變化相對較穩(wěn)定，年均變化速率較慢，為-3.04%，空間變化程度最小，為3.50%；其他用地面積變化量僅次于植被，年均變化速率和空間變化程度位于建設用地之后，且呈擴張趨勢。綜上所述，10 a間研究區(qū)土地利用/覆被變化特征主要表現(xiàn)為建設用地、植被和其他用地變化較明顯。

3.2 涼城縣植被覆蓋變化的空間特征與分析

3.2.1 植被覆蓋的空間分布情況

涼城縣植被覆蓋的區(qū)域主要分布于境內(nèi)的兩大山體：①位于縣城北部的東北—西南走向的蠻漢山，山上的蠻漢山林場育有林地10萬多畝，這些林地在水土保持、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)等方面效果良好，具有重要的生態(tài)價值；②位于縣城南部的馬頭山，其中的平頂山是萬畝松林公園。兩大山體提供的森林資源使縣內(nèi)的森林覆蓋率達到30%，此外還貢獻了大面積高覆蓋度草地。除了分布在兩大山體的林草地，另一個植被覆蓋區(qū)為分布于岱海盆地的眾多耕地，但由于耕地中近70%是旱地，因此植被覆蓋度與當年夏季降水量有直接關系。

3.2.2 植被覆蓋的空間變化情況

在ENVI軟件中對兩期土地利用/覆被分類結(jié)果進行處理，得到?jīng)龀强h2006－2016年的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（表4），進而分析各種土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化情況[10]。10 a間建設用地的主要轉(zhuǎn)出類型為植被和其他用地，主要轉(zhuǎn)入類型也為植被和其他用地，但轉(zhuǎn)入量高于轉(zhuǎn)出量。42.8%的植被轉(zhuǎn)化為其他用地類型，主要轉(zhuǎn)出類型為建設用地和其他用地；其他用地類型中49.7%的建設用地、14.3%的水體、53.9%的其他用地轉(zhuǎn)化為植被。雖然有其他類型土地轉(zhuǎn)入，但研究區(qū)初期植被面積在總土地面積中的占比高達70%，轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，因此植被覆蓋面積總體是減少的。水體的主要轉(zhuǎn)入類型為植被和其他用地，轉(zhuǎn)入量低于轉(zhuǎn)出量。其他用地的轉(zhuǎn)入類型和轉(zhuǎn)出類型均以植被為主，轉(zhuǎn)入量高于轉(zhuǎn)出量。由此可見，2006－2016年涼城縣的植被、水域面積減少，建設用地、其他用地面積增加。

表4 2006－2016年涼城縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣/km2

為了更直觀地分析10 a間涼城縣植被覆蓋的空間變化情況，本文將兩期分類結(jié)果進行疊加，得到植被轉(zhuǎn)化為建設用地、水體和其他用地3個類型的空間分布圖（圖3）以及建設用地、水體和其他用地轉(zhuǎn)化為植被的空間分布圖（圖4）。由圖3可知，2006－2016年植被覆蓋減少的總面積為1 022.523 km2，其中967.497 km2的植被轉(zhuǎn)化為其他用地，占植被覆蓋減少總面積的94.6%，從空間分布來看，植被轉(zhuǎn)化為其他用地主要發(fā)生在蠻漢山和馬頭山的陽坡以及東部丘陵區(qū)；53.524 km2的植被轉(zhuǎn)化為建設用地，占植被覆蓋減少總面積的5.2%，這一變化主要分布在岱海盆地，地處其上的麥胡圖鎮(zhèn)、岱海鎮(zhèn)和六蘇木鎮(zhèn)是建設用地增加最明顯的3個區(qū)域。由圖4可知，2006－2016年植被覆蓋面積共增加了534.243 km2；在新增的植被覆蓋面積中，其他用地的貢獻最大，507.348 km2的其他用地轉(zhuǎn)化為植被，占新增植被覆蓋總面積的95.0%，從空間分布來看，其他用地轉(zhuǎn)化為植被主要發(fā)生在岱海盆地西南部和丘陵區(qū)的緩坡。其原因在于，岱海盆地是涼城縣主要的種植區(qū)域，其西南部以旱地為主，某些時相的植被覆蓋度會較低；而東部丘陵區(qū)的緩坡，由于人為墾荒，大量轉(zhuǎn)化為耕地，因此成為植被覆蓋轉(zhuǎn)入的一大來源。

圖3 2006－2016年涼城縣植被轉(zhuǎn)化為其他土地 利用類型的情況

圖4 2006－2016年涼城縣其他土地利用類型轉(zhuǎn)化 為植被的情況

3.3 影響植被覆蓋動態(tài)變化的因素

3.3.1 氣候因素

2006－2016年植被覆蓋面積呈縮減趨勢，減少的比例約為14%，主要轉(zhuǎn)出類型為其他用地，主要發(fā)生在蠻漢山和馬頭山的陽坡地帶以及東部丘陵地區(qū)。涼城縣境內(nèi)兩大山體的陰坡均常年覆蓋著以針葉林為主的有林地、次生林，灌叢，高覆蓋度草地以及林場培育的人工林；但在山體的陽坡，由于縣內(nèi)較大的日溫差、蒸發(fā)量和不穩(wěn)定的降水量，導致其植物生長情況遠不如陰坡，一般分布有稀疏的針葉林、灌叢或中、低覆蓋度的草地，因此山體陽坡的植被覆蓋度與當年當季的降水量以及氣溫等情況有直接關系。結(jié)合在永興鎮(zhèn)、岱海鎮(zhèn)、麥胡圖鎮(zhèn)的實地考察結(jié)果可知，蠻漢山、馬頭山及其支脈的陽坡分布著大面積荒草地，甚至是裸土、裸巖，這些地方在影像上的光譜信息接近裸地，因此被歸為其他用地。此外，在植被的轉(zhuǎn)入類型中，水體轉(zhuǎn)入植被與氣候有關。岱海是涼城縣水體的主要組成部分，而10 a間受氣候暖干化的影響其面積縮減了近25 km2，從圖4可直觀看出岱海水域縮減，其中約一半成為海藻、水草的分布區(qū)，即由水體轉(zhuǎn)化為植被[11]。

3.3.2 地形因素

植被覆蓋的動態(tài)變化與地形因子聯(lián)系密切。植被覆蓋隨高程梯度和坡度梯度的變化如圖5、6所示，可以看出，在高程＜1 300 m且坡度＜4 的區(qū)域植被覆蓋面積凈增加，其余區(qū)域植被覆蓋面積凈減少；在高程＜1 400 m且坡度＜8 的區(qū)域植被覆蓋增加面積占植被覆蓋總增加面積的70%。隨著坡度的增加，水力侵蝕導致水土流失增強，造成土壤養(yǎng)分的流失，植被退化嚴重。位于涼城縣東部的丘陵地區(qū)，是黃土丘陵的一部分，屬于半干旱丘陵，雖然經(jīng)過一系列生態(tài)改善舉措來緩解丘陵溝壑區(qū)水土流失問題，但丘陵區(qū)的宜林地有限，土壤肥力低下，草地覆蓋度較低，丘陵區(qū)植被覆蓋呈退化趨勢。

圖5 植被覆蓋隨高程梯度的變化

圖6 植被覆蓋隨坡度梯度的變化

3.3.3 人為因素

人類活動是影響植被覆蓋變化的重要因素，其對植被的影響分為正面效應（如生態(tài)工程）和負面效應（如城市擴張）兩類[12-13]。一方面，受城鎮(zhèn)規(guī)劃和政策的影響，建設用地和其他用地均有部分轉(zhuǎn)化為植被，其中建設用地轉(zhuǎn)化為植被的面積較少，主要是由于城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村規(guī)劃，人為地將一些建設用地綠化；同時涼城縣一直以來都重視林業(yè)建設，為了保持水土、改善生態(tài)環(huán)境，不斷開發(fā)丘陵溝壑區(qū)的宜林土地資源，變荒為林，東部丘陵區(qū)和山腳處宜耕的緩坡平地被開墾，因地制宜地種植作物。另一方面，受城鎮(zhèn)擴張和“十個全覆蓋”工程的影響，植被轉(zhuǎn)出為建設用地，主要發(fā)生在岱海盆地，轉(zhuǎn)化面積為53.524 km2[14]。岱海盆地宜居宜農(nóng)，使得縣內(nèi)人口不斷流入此處。2000年后，人口不斷由農(nóng)村遷入城鎮(zhèn)。10 a來城鎮(zhèn)的建設用地（包括居民住房用地、道路硬化、公共休閑娛樂用地、公園用地）快速擴張，因此一部分草地和荒地轉(zhuǎn)入為 建設用地；而其余地區(qū)增加的建設用地則與內(nèi)蒙古自治區(qū)于2014年開始實施的“十個全覆蓋”工程有關，工程旨在促進城鄉(xiāng)公共服務均等化，主要是對農(nóng)村牧區(qū)的殘墻破房、臟亂泥濘的土路進行危房改造、重建和道路硬化等舉措，使得農(nóng)村地區(qū)大面積覆磚蓋瓦、硬化，因此有部分植被轉(zhuǎn)化為建設用地。

4 結(jié) 語

本文利用2006年和2016年兩期Landsat TM/OLI 影像研究了涼城縣10 a間的植被覆蓋動態(tài)變化情況。研究結(jié)果表明：①2006－2016年涼城縣的植被覆蓋面積有所減少，總面積由2 389.046 km2減少為 1 900.766 km2；②10 a間涼城縣植被覆蓋的年均變化速率為-2.04%，呈緩慢減少趨勢，空間變化度為6.52% ，空間變化差異較明顯；③涼城縣大面積的植被覆蓋主要由山體、丘陵構成，特別是蠻漢山和馬頭山維持著縣內(nèi)良好的生態(tài)平衡，影響著局地氣候，為野生動植物創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境，也為居民營造了適宜的生態(tài)環(huán)境；④10 a間涼城縣植被覆蓋變化受氣候因素、地形因素和人為因素驅(qū)動，植被覆蓋減少 一方面轉(zhuǎn)化為其他用地，主要發(fā)生在蠻漢山和馬頭山的陽坡地帶以及東部丘陵區(qū)，與氣候和地形的關系密切，另一方面轉(zhuǎn)化為建設用地，特別是在岱海盆地較為明顯，與政策和城鎮(zhèn)化有關。