县级土地利用变化遥感动态监测及驱动力分析研究_以内蒙古自治区包头市固阳县为例.doc

首都师范大学学报 (自然科学版)第 29 卷 第 4 期2008 年 8 月Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition)No . 4Aug. , 2008县级土地利用变化遥感动态监测及驱动力分析研究 3以内蒙古自治区包头市固阳县为例李苓苓1 王荣华1 李小娟1(11 首都师范大学 ,资源环境与地理信息系统北京市重点实验室 ,北京赵文吉1 孙永华1 张晓光2100037 ; 21 内蒙古自治区包头市国土资源局 ,内蒙古 包头 014000)摘要上世纪八十年代以来 ,我国进入了一个经济飞速发展的时期 ,作为基本生产资料的土地也发生了很大的变化 ,以往的土地利用基础图件已不能满足要求 ,建立一个新的土地利用变化数据库的要求越来越迫切 . 本文从遥感手 段出发 ,以内蒙古自治区固阳县为研究区域 ,利用 LandSAT ETM+ 数据和 SPOT 全色波段数据 ,进行土地利用变化监测 ,查明土地利用变化情况并对导致其变化的驱动力进行了定性和定量分析 ,确定了政府宏观调控 、经济发展水平 、城市化发展以及人口减少为其主要驱动因子 ,并对当地未来土地利用规划提出了合理的建议 .关键词 :遥感监测 , 土地利用 , 驱动力 .中图分类号 : P 237总面积 4 970 平方公里 . 平均海拔 1 300 米 ,90 %以上为山地和丘陵. 固阳县属典型农牧交错区 ,经济不 发达 ,农业总产值占工农业生产总值四分之三以上 .县内经济以种植业和畜牧业为主 ,1991 年耕地面积240 万亩 ,草场面积 427 万亩 ,总人口 2114 万人 ,由 蒙 、汉 、满 、回 等 11 个 民 族 组 成 , 其 中 城 镇 人 口 417万人 ,占全市总人口的 10143 %. 固刚县属典型的大 陆性气候 ,全年降水量少 ,旱灾频发 .0引言我国县 (市) 级土地利用现状调查 ( 也称土地详查) 于 上 世 纪 80 年 代 中 期 开 始 , 至 1995 年 基 本 结 束 ,形成了一系列精度较高的不同比例尺的土地利用基础图件 . 但是截止到目前 ,距上次的土地利用现 状调查已经过了十多年 ,我国大部分地区的土地利 用情况已经发生了较大的变化 ,特别是西部地区随 着大开发战略的实施 ,土地利用也进入了变更活跃 期 ,这一切对快速准确的掌握土地利用变化情况的要求越来越迫切1 . 土地利用变化监测以及土地利 用变化的驱动力分析能够为土地资源利用 、城市规 划 、自然保护乃至政府部门的管理工作提供信息资 料和科学依据 ,具有重要的意义.11 万土地利用变化调查技术路线总体技术路线设计思想是以 1991 年土地利用 矢量数据库为基础 ,以高分辨率多光谱遥感影像为 依据 ,进行人工目视解译 ,得到土地利用变化信息 .工作流程如图 1 所示.本次研究数据源以现有的 1991 年 11 万土地 利用矢量数据库以及 2004 年 ETM + 多光谱 、2006 年 SPOT 全色两期遥感影像为主 , 还利用了 2006 年固阳县合乡并镇文件 、固阳县自然社会经济数据 ,20002006 年固阳县退耕还林规划图件等资料 . 遥感分 类采用 1984 年土地利用分类体系 ,共分为耕地 、园地 、草地 、林地 、建设用地 、水域 、未利用地这七个一 级地类.21研究区背景固阳县位于内蒙古自治区中部 ,阴山北麓 ,包头市北部 ,是包头市的市辖县. 其东与呼和浩特市的武川县交界 ,南与土右旗 、石拐区 、九原区相邻 ,西同巴 彦淖尔盟乌拉特前旗 、中旗接壤 ,北与达茂旗相连 .东西长约 80 公里 ,南北宽约 66 公里. 1991 年全县辖2 个镇 、14 个乡 ,2006 年合乡并镇后全县辖 6 个镇.211遥感影象处理1) 几何配准本项目所用到的 ETM + 原始数据只经过几何和收稿日期 :20072092253 北京市教委项目号 KM200510028013 、863 项目号 2006AA12211.经过人 工 目 视 解 译 和 野 外 实 地 调 查 反 复 进 行后 ,得到 1991 年2006 年土地利用变化图. 将土地 利用变化数据与 1991 年土地利用数据进厅叠加 ,得到 2006 年土地利用图 . 分别如图 24 所示.图 2 固阳县 1991 年土地利用图图 1 土地利用调查流程图辐射粗校正 ,SPOT 全色波段原始数据未经过几何纠正 ,为进行数据融合 、提取信息以及对多源数据进行 综合分析 ,必须对各种图像和图形进行校正配准 ,建立具有统一地理坐标 ,互相配准的基础图像库 . 利用1991 年土地利用数据分别对遥感影象进行几何配 准处理. 按照土地变更调查技术规范 ,遥感影像几何 校正中误差控制在 1115 个象元 ,校正后的图面中 误差控制在 015 mm1 mm 之间 ; 影像配准中误差在平原地区严格控制在 015 个象元之内 ,山区放宽到 1 个象元. 方法采用二次多项式模型 . 当一景影像 不能覆盖整个监测区时 ,根据同名地物点进行遥感影象镶嵌 .2) 多源数据融合将配准后的 ETM + 与 SPOT 全色波段数据 ( 3 米 分辨率) 进行多源数据融合 ,使得融合后的数据既具有 ETM + 数据多光谱的特点 ,又具有 SPOT 数据高分辨率的特点 ,更加便于遥感解译.212 遥感目视解译将融合 后 的 高 分 辨 率 多 光 谱 遥 感 影 象 数 据 与1991 年土地利用矢量数据进行图层叠加 ,根据统一 的解译标志表对变化地类进行遥感目视解译 . 解译 标志的建立主要依据为地物光谱特征 ,同时参考地形地貌条件 、水文地质条件以及社会经济条件等. 进图 3 19912006 年土地利用变化图图 4 固阳县 2006 年土地利用图3 研究区土地利用结构及其动态变比分析311土地利用结构分析首都师范大学学报 (自然科学版)2008 年信息熵 ( H) 与均衡度 ( J ) 公式 :pi = Ai/ A = A/ AiH = - pilogpiJ = HHm = - pilogpi/ logn其中pi 各职能地类概率H 信息熵J 均衡度Ai 各地类用地面积可以看出 ,信息熵 H 0 . 信息熵的高低可以反 应土地利用均衡程度的大小. 熵值越高 ,表明土地利 用的职能类越多 ,各职能类的面积相差越小 . 均衡度 J 是实际信息熵与最大信息熵之比 ,J 值越大 ,表明 土地利用的均质性越强 .表 1土地利用信息熵与均衡度表年份耕地园地林地草地建设用地水域未利用地概率合计HJ01408 701404 601000 101000 101026 901034 101513 201508 901018 6010201007 601007 601024 901024 701439 201448 501518 501530 71991 年2006 年11从表 1 可以看出 ,土地利用各地类之间面积相差较大 ,土地利用均衡度低. 固阳县位处典型的农牧 交错区 ,草地和耕地是固阳县主要的用地类型 ,分别 占总 面 积 的 5113 % ( 1991 年 ) 、5019 % ( 2006 年 ) 和4019 % (1991 年) 、4015 % ( 2006 年) ,其次为林地 , 占 总面积的 217 % (1991 年) 、314 % (2006 年) . 1991 年 到 2006 年间信息熵和均衡度均有所增大 ,表明土地 利用总体开始向小地类平均 ,土地利用趋于均衡化 发展.对 1991 年2006 年土地利用转换矩阵分别进行纵向 、横向百分比计算 ,得到 1991 年各地类去向 表 (表 2) 和 2006 年各地类来源表 (表 3) .表 2 1991 年各地类去向表( %)建设用地未利用地2006 年耕地园地林地草地水域耕地园地 林地草地 建设用地 水域未利用地9719701001147013301230100010001001000100010001000100010001220100991540119010501000100017701000126981880109010001000100010001000100100100010001000128010001010100010799164010001450100011201000104010099139 sum 100100 100100 100100 100100 100100 100100 100100 从去向表中可以看到 ,1991 年到 2006 年 15 年间 ,园地 、居民点及城镇用地和交通用地 ( 这里指铁 路用地) 变化百分比均为 100 % , 也就是说 ,1991 年 用地类型为这三种用地类型的地块 15 年后其性状没有发生改变 ,仍然保持原用地方式不变 . 耕地变化 相对较大 , 有 2103 %的耕地性状发生了改变 , 其中 大多数 (1147 %) 变成了林地 .表 3 2006 年各地类来源表( %)图 5 19912006 年各地类变化对比312 土地利用变化分析从图 6 可以看出 ,1991 年到 2006 年 15 年间固 阳县各主要用地类型中 ,总量变化较明显的是耕地 、 林地 、牧草地和居民城镇用地 ,其中林地和居民地面 积总量有所增长 ,耕地和草地面积有所下降 . 从变化百分 比 来 看 , 2006 年 林 地 面 积 比 1991 年 增 长 了27 % ,是 15 年间用地总量变化最大的用地类型 ,其 次为居民地 ,15 年间增长了 8 % ,其它各用地类型变 化不大 ,变化比例不超过 2 %. 从变化的绝对面积上看 ,2016 %的地类变化为耕地转化为草地 ,为最大的 变化类型 .建设用地未利用地2006 年耕地 园地林地草地水域sum98197 01000100 10010001010100781350101010701000100019801003193991722151010001000100010001000100921440100010001010100010001000103991890100010301000108010001060100100100100100100100100100100100100100耕地园地 林地 草地建设用地 水域未利用地17159012741890111010001000100010001000100100100 100100从来源表中可以看到 ,1991 年到 2006 年 15 年间 ,园地 、交通用地和未利用地没有新增加的地块 ,变化较大的是林地和居民地 . 分别有 1715 %的耕地和 3198 %的草地变成 了 林 地 , 同 时 , 分 别 有 4189 %的耕地和 2151 %的草地变成了居民地 .从以 上 两 张 表 中 可 以 看 出 , 1991 年 到 2006 年15 年间 ,固阳县各一级地类之间变化不大 , 性状较 为稳定. 变化的部分主要集中在耕地 、林地 、草地和 居民地之间 ,呈现出耕地 、草地向林地 、居民地转化 的趋势. 园地和交通用地性状十分稳定.对变化地类 层 进 行 空 间 自 相 关 分 析 , 采 用 Morans统计模型 (Moran ,1948) , 得到空间相关系数 为0110 ,方差 V 为 1193 ,检验系数 Z 为 21182 ,统计结 果表明地类变化存在空间自相关 ; 对变化地类层进 行空间聚类分析 ,发现其呈现显著的高值聚集趋势(图 7) ,说明地类变化集中在对生态系统贡献变化 较大的变化上 ,且在空间上呈明显的聚集分布.土地利用变化空间分析从各用地类型的空间分布上看 ,固阳县中部和 北部山区基本上被草地覆盖 ,平原地区则有大面积 的耕地分布 ,其它各土地利用类型多数在平原区有 零星分布. 居民点及城镇用地主要集中在地势较为 平坦的地区 ,除了固阳县政府所在地金山镇 (原城关 镇) 居民点分布较为集中之外 ,其它居民点用地地块 较小 ,分布较为零碎. 1991 年到 2006 年变化的用地 也主要集中在地势较为平坦的地区 .将主要道路网图层与变更地类层进行叠加 ( 如 图 6 所示) ,可以看到变化地类大部分分布在主干道 路附近. 对变更地类进行空间统计可以看到 ,变化地 类总面积的 65 %分布在主干道路沿线 2 KM 以内 , 其中距离主干道路 500 米以内的变化地类面积占变 化地类总面积的 3116 %.4图 7 空间聚类分析结果图5 土地利用变化驱动力分析511定性分析51111宏观政策调控1) 退耕还林政策2000 年 ,固 阳 县 为 保 护 及 恢 复 生 态 环 境 , 启 动 退耕还林工程 ,大量的耕地 、闲置地植上沙棘 、柠条等各种树木 ,造成了耕地向林地的转变 ,这也是新增的林地的主要来源. 同时 ,部分靠近水源长势较好的 草地也有茂密程度不同的灌木生长 ,造成了草地向林地的转变 .2) 土地整理项目2004 年开始 , 固 阳 县 为 增 加 耕 地 利 用 效 率 , 进 行了土地整理项目 ,在一部分耕地 、以及被耕地包围 的草地和未利用地上建造水井 ,平整土地作为耕地特别是水浇地使用 ,这使得一部分的草地和未利用 地向耕地进行转变 ,新增加的耕地主要也来源于此.3) 建立移民新村固阳县陆续建立了多处移民新村 ,主要集中在 耕地较为肥沃 、距离公里较近或者土地整理项目实施地域范围内 ,试图对一部分土地贫瘠地区或者山图 6 土地利用变化与主干道路关系两期土地利用共涉及七种用地类型 ,按对生态系统的贡献由小到大排序为 : 未利用地 - 建设用地- 耕地 - 园地 - 水域 - 草地 - 林地 ,分别对这七种 地类按上述顺序赋值 17 . 由此定义 :Vi = A bs ( Vi1 -Vi2 )首都师范大学学报 (自然科学版)2008 年土地利用动态变化主成分分析数据 4表 4由于固阳县经济的发展特别是城市化的发展 ,使得 15 年间农用地比重逐渐下降 ,建设用地比重逐 年递增 ,居民地在原来范围的基础上均有不同程度的自然扩张 ,其中典型代表为固阳县政府所在地金 山镇 ,这是居民点及城镇用地增加的主要来源之一 .从地域上看 ,居民地的自然扩张主要集中在城市边缘 ,边远地区及山区居民点基本没有变化 .51113人口减少的影响 固阳县人口分布到二十世纪九十年代中期一直呈现微量持续上升趋势 ,而从九十年代以后转而逐年减少 ,人口的减少造成大量的农用地被闲置 ,杂草 丛生 ,部分多年闲置的耕地灌木生长茂密 ,这也是一部分耕地转变成草地和林地的主要来源之一 .512定量分析在土地利用变化驱动力分析过程中 ,由于缺少 代表政府宏观调控的退耕还林规划面积 、土地整理规划面积以及移民新村规划面积的逐年数据 ,因此 ,这部分因素不列入定量分析考虑 .为从众多相关因素中找到土地利用变化的主要 影响因素 , 选取 1991 年到 2003 年间与土地利用变化相关的各类社会经济数据 ,进行主成分分析 ,以此确定主要驱动因素.从前面对地类变化的分析上可以看出 ,发生变 化的主要集中在耕地 、林地 、草地和居民地这四大地类 ,因此选择与这四大地类相关的影响因素.选取代表人口增长的人口密度 ( X1) ,代表城市 化发展的城市人口比例 ( X2) 和全社会固定资产总额 ( X3) ,代表经济发展水平的国内生产总值 ( X4) ,代表农业业发展水平的第一产业产值占国内总产值 比例 ( X5 ) 、粮 食 产 量 ( X6 ) 和 年 末 存 栏 牲 畜 头 数( X7) . 选取 19912003 年以上七个指标数据进行主 成分分析 ,得到第一组分的特征根为 31739 ,方差贡献率为 531413 % ,分析原始数据见表 4 ,第一组分载荷见 表 5 . ( 注 : 2004 及 2005 年 数 据 疑 与 常 规 相 违 背 ,故本文中暂不采用. )由表 4 可 以 看 出 , 第 一 组 分 载 荷 在 人 口 密 度( X1) 、第一产业产值占国内总产值比例 ( X5) 、年末 存栏牲畜头数 ( X7) 上呈现负值 ,说明这些因素与土地利用的变化负相关 ,同时 ,从载荷绝对值上来看 ,国内生产总值 ( X4) 、全社会固定资产总额 ( X3) 和人 口密度 ( X1) 相对较高 ,都在 018 以上 ,说明固阳县经济发展水平 、城市化发展以及人口减少是土地利用 变化的主导因素.年份X1X2X3X4X5X6X74311431184312431464315243194441254213242134431864217834183341871415117134181441818419104161181612918196201513211933115231393312495147391163618513187261672317222133111923182515418127251526174451053818836119381543132451784811248163441140183219922103301219911992199319941995199619971998199920002001200220038021 0443 20311 30815 06918 10020 43018 5096 5527 9138 90230 40270 5719 20017 45226 15542 56066 11679 24989 670102 40596 420103 42899 204114 160146 76547 48374 43670 02517 93582 706110 720112 320125 20671 73492 00730 686107 778133 740表 5 主成分载荷载荷因子X4 X3 X1X2 X7X6X5第一主分载荷 01881 01878 - 01843 01716 - 01649 01568- 014806结论及建议综上所述 ,1991 年到 2006 年 15 年间 ,固阳县土地利用类型大多数没有明显变化 ,变化主要集中在耕地 、林地 、草地以及居民城镇用地之间 ,表现为耕 地 、草地向林地以及居民城镇用地的转化 ,全县生态正慢慢得到恢复. 这系列的转化主要是由人文驱动 因子导致 ,其中政府宏观调控 、经济发展水平 、城市 化发展以及人口减少起了主导作用 .本研究存在着很多的不足之处. 本文由于缺乏逐年政府宏观调控数据 ,使得本次调查没有将其列 入定量研究 ,不仅这些因子的具体影响程度无法考量 ,也可能对其他因子影响程度的精度产生了一定的影响 ;由于缺乏地方降水数据 ,对于土地利用的进 一步细分工作难以进行 ,二级地类变化原因较难推 测 ,使得本文缺乏土地荒漠化和二级地类对比分析 以及驱动力的研究 ; 固阳县山区部分地形地貌相似 度高 ,地面控制点选取困难 ,而且影像受云 、雪影响 严重 ,使得本次土地利用变化调查基本上忽略山区 的土地利用变化的影像解译 ,山区部分的变化多根据当地政府部门资料中提取得到. 这些不足之处有待于进一步调查研究改良 .鉴于固阳县土地较为贫瘠 ,旱灾频发 ,经济发展 较为落后的情况 ,建议切实做好基本农田的保护工作 ,在实施退耕还林政策的过程中 ,加大退耕还林的 力度 ,以柏树杨树等的耐旱林木代替灌木林 ,并且在低洼富水地域发展山杏等经济林木 ,以便更好的起到保持水土 、涵养水源 、防风固沙的作用 ,进 步改善全县生态环境 ,同时 ,经济林木的种植对增加农民 收入也有很好的促进作用 . 另外 ,固阳县政府部门应切实做好对规划搬迁户的工作 ,使得移民新村得到更充分的利用 ,旧的废弃居民点能够向植被覆盖度较好的土地利用类型转移 ,全县土地利用方式更为 合理.参考文献1Paul A Longly , David J Maguire , Michael F Goodehild ,等编 . 地理信息系统 (下卷) 原理与应用 M . 北京 : 电子工业出版社 ,2004.乔庆伟 ,许庆福等 . 济宁市耕地动态变化及驱动因素分析 J . 山东国土资源 . 2006 ,22 (6 - 7) :119 - 222.杨红梅 ,邱道持 . 基于因素分析的城市土地集约利用比较研究 J . 资源开发与市场 , 2006 (2) :109 - 111.内蒙古年鉴编委会 . 内蒙古统计年鉴 M . 内蒙古 :方志出版社 . 1992 - 2004.234Research on the County Scale Land2use Change and Driving FactorsTaking Guyang as the exampleLi Lingling1 Wang Ronghua1 Li Xiaojuan1Zhao Wenji1 Sun Yonghua1Zhang Xiaoguang2(1 . Beijing Key Lab of Resources Environment and GIS , Beijing 100037 ; 2 . Baotou Bureau of Land and Resources)AbstractSince 1980s in the