基于RS和GIS的石羊河流域近50年土地覆被类型变化研究

基于RS和GIS的石羊河流域近50年土地覆被类型变化研究摘要：选取石羊河流域为研究区，采用1970-2017年18期Landsat系列卫星遥感数据,通过数据处理、面向对象信息提取，获取了石羊河流域近50年土地覆被类型基础数据;运用转移矩阵、GIS分析手段，对石羊河流域不同土地类型时空变化特征进行了研究.结果表明：1）近50年来，石羊河流域自然绿洲面积总体呈逐年减少趋势，由1970年的35717.53km2减少到2017年的33865.47km2;人工绿洲面积相应增加，由5355.79km2增至7208.70km2.2）耕地、天然林地、天然草地、建设用地总体呈增加趋势，耕地的增加主要由天然草地、未利用地及水域湿地转化而来，天然林地的增加主要由天然草地、未利用地转化而来，天然草地面积的增加主要由未利用地转化而来，建设用地的扩张以占用周围草地、耕地及未利用地为主.3）石羊河流域土地类型的演变，总体反映了石羊河流域生态环境趋好，绿洲区域逐渐增加.关键词：土地覆被类型;石羊河;RS;GIS;演变规律;甘肃省RESEARCHONLANDCOVERCHANGESINSHIYANGRIVERBASININRECENT50YEARSBASEDONRSANDGISAbstract:TheLandsatseriessatelliteremotesensingdatafrom1970to2017areadoptedforbasicdatatostudythelandcoversintheShiyangRiverBasinbydataprocessingandobject-orientedinformationextraction.ThetransfermatrixandGISapproachesareusedtoanalyzethetemporalandspatialvariationcharacteristicsofdifferentlandtypesinShiyangRiverBasin.Theresultsshowthat：1)Inthepast50years，thenaturaloasisareainShiyangRiverBasinhasbeendecreasingyearbyyear，from35917.53km2in1970to33865.47km2in2017;andtheareaofartificialoasisincreasedcorrespondinglyfrom5355.79km2to7207.70km2.2)Thecultivatedland，naturalforestland，naturalgrasslandandconstructionlandshowagenerallyincreasingtrend.Theincreasedcultivatedlandistransferredmainlyfromnaturalgrassland，unusedlandandwetland.Theincreaseofnaturalforestlandismainlyfromnaturalgrasslandandunusedland.Thenaturalgrasslandareaisincreasedmainlybythetransferringofunusedland.Theconstructionlandexpandsbytakingupsurroundinggrassland,cultivatedlandandunusedland.3）TheevolutionoflandtypesreflectsthebetterecologicalenvironmentandincreasingoasisareaoftheShiyangRiverBasin.Keywords:landcovertype;ShiyangRiver;remotesensing（RS）;GeographicInformationSystem（GIS）;evolution;GansuProvince0前言土地利用/覆被变化影响生态环境和社会经济的可持续发展,近年来已成为国内外研究的热点问题［1-2］.2011年，张明明等开展了基于3S的荣成湾沿岸土地覆被变化及驱动力研究83〕；2013年，申丽琼开展了基于3S技术的汶川县土地利用/覆被变化动态监测及分析⑷;2014年，付国燕开展了基于3S的共和盆地近20a土地利用/土地覆被及其景观格局变化分析⑸，周丹等开展了基于3S技术的隆昌县土地利用-覆被动态监测⑹；2018年,徐志涛开展了白洋淀流域土地覆被变化及其生态服务价值评价研究通过开展土地覆被类型变化研究,能为土地规划、城市建设、水土资源保护制度制订等工作提供决策依据.石羊河流域是甘肃省河西内陆河流域中人口最多、经济较发达、水资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出、生态环境问题最严重、水资源对经济社会发展制约性最强的地区.前人针对石羊河流域土地覆被类型和生态环境等问题开展了系列研究工作，主要集中在水资源与生态环境遥感监测、绿洲区时空演变、生态环境质量评价等领域［8-18］.针对石羊河流域土地覆被类型的研究虽已开展，但研究的重点侧重于土地变化与环境的关系，或针对石羊河流域上游或下游单独开展研究，研究时间域多止于2010年［19-24］，针对整个石羊河流域土地覆被类型变化开展的长时间系列的研究极少.基于该现状，笔者利用1970年至2017年18期Landsat系列卫星数据，基于RS和GIS技术，获取了石羊河流域近50年土地覆被类型基础数据，研究了近50年来石羊河流域土地覆被类型时空演变特征，以期为该区土地利用规划、土地荒漠化防治提供决策依据.1研究区概况石羊河流域位于河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，是甘肃河西走廊三大内陆河流域之一,地理坐标东经101°41'~104°16',北纬36°29,~39°27,.流域行政区划包括武威市的古浪县、凉州区、民勤县全部及天祝县部分，金昌市的永昌县及金川区全部，以及张掖市的肃南裕固族自治县、山丹县部分等3市8县,流域总面积4.16x10'km2.石羊河流域地处黄土高原、青藏高原和蒙新高原的交汇过渡地带，以高山、中高山、低山丘陵、沙漠、冲洪积平原构成全流域地貌形态，地势南高北低，自南西向北东倾斜.气候属大陆性温带干旱气候,夏季短而炎热,冬季长而寒冷，区内温差较大,平原地区大部分年平均气温在7~8?，山麓地区年平均气温在5?左右.年均降水量为213.4mm.石羊河水系由自西向东的西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河及大靖河等8条支流共同构成.2数据来源与处理2.1数据源本次数据采用美国Landsat陆地系列卫星系列数据，影像列号分别为131、132,行号分别为33、34,时间系列为1970~2017年，共收集数据72景（表1）.2.2数据处理针对获取的遥感数据,通过大气校正、辐射校正、几何校正、影像融合、彩色合成处理，获得了研究区每年遥感影像图.3信息提取和解译将研究区土地覆被类型划分为自然绿洲和人工绿洲2个一级类，10个二级类（天然林地、天然草地、水域湿地、未利用地、耕地、人工林地、人工草地、建设用地、水域湿地和其他）,36个三级类（表2）.采用面向对象的方法，结合人机交互式解译，根据建立的不同土地覆被类型的解译标志，对研究区18期土地覆被类型进行解译,获得了研究区18期土地覆被类型数据（表3、图1）.表1研究区获取卫星数据一览表Table1Satellitedataofthestudyarea序（行列（数据类型成像时间1141033LandsatMSS1197406152142033LandsatMSS2197609303142034LandsatMSS2197506204131034Landsat5198806165131033Landsat5198806166131034Landsat5198806167132033Landsat5198709098132034Landsat5198709099131033Landsat51991062510131034Landsat51991062511132033Landsat51991061612132034Landsat51991061613131033Landsat51992072914131034Landsat51992072915132033Landsat51992060216132034Landsat51992060217131033Landsat51995070618131034Landsat51995070619132033Landsat51995061120132034Landsat51995061121131033Landsat51996013022131034Landsat51996052123132033Landsat51996081624132034Landsat519960816序（行列（数据类型成像时间25131033Landsat52000071926131034Landsat52000092127132033Landsat52000060828132034Landsat52000081129131033Landsat52005080230131034Landsat52005080231132033Landsat52005060632132034Landsat52005072433131033Landsat52008072534131034Landsat52008072535132033Landsat52008060336132034Landsat52008060337131033Landsat52009091438131034Landsat52009081339132033Landsat52009061740132034Landsat52009061741131033Landsat52010071542131034Landsat52010071543132033Landsat52010072244132034Landsat52010090845131033Landsat52011071846131034Landsat52011071847132033Landsat52011060748132034Landsat520110810序（行列（数据类型成像时间49131033Landsat72012082950131034Landsat72012091451132033Landsat72012080452132034Landsat72012080453131033Landsat72013060554131034Landsat72013072355132033Landsat72013062856132034Landsat72013062857131033Landsat82014071058131034Landsat82014072659132034Landsat82014071760133033Landsat82014072461131033Landsat82015061162131034Landsat82015071363132033Landsat82015082164132034Landsat82015082165131033Landsat82016073166131034Landsat82016071567132033Landsat82016080368132034Landsat82016080369131033Landsat82017071870131034Landsat82017080371132033Landsat82017070972132034Landsat820170810土地覆被类型演变规律分析4.1近50年土地覆被类型变化特征近50年来，石羊河流域自然绿洲面积总体呈逐年减少趋势,由1970年的35717.53km-减少到2017年的33865.47km2；人工绿洲面积相应增加，由355.79km2增至7208.70km2,增幅34.60%.近50年来，石羊河流域土地覆被类型变化较大的主要为林地、草地、耕地、建设用地和水域面积（表4）.其中自然绿洲中林地面积呈波状起伏变化，总体呈增长趋势,面积由1970年的7256.50km2增长至2017年的7876.01km2；草地面积总体呈增长趋势，由1970年的9794.12km2增长至2017年的12475.53km2,增长约27.61%;自然绿洲水域面积减少，1970年至2017年，水域面积由921.41km2减少至253.20km2.人工绿洲中，耕地面积变化较大，呈逐年增长趋势,1970年为4096.18km2,至2017年面积达5296.18km2；建设用地呈逐年增长趋势，建设用地面积由1970年的594.74km2增长至2017年的1066.60km2,增长率为79.34%.表2研究区土地覆被类型分类表Table2Classificationoflandcovertypesinthestudyarea一级二级三级一级二级三级有林地水田灌木林地耕地水浇地天然林地疏林地旱地其他林地有林地高覆盖度草地人工林地灌木林地天然草地中覆盖度草地疏林地自然绿低覆盖度草地其他林地河渠高覆盖度草地洲湖泊人人工草地中覆盖度草地水域湿地滩地工低覆盖度草地沼泽地绿城镇用地沙地洲建设用地农村居民点用地未利用地盐碱地工矿用地裸土地河渠其他水域湿地水库、坑塘滩地沼泽地沙地未利用地盐碱地裸土地石羊河流域内以林地、草地、耕地及未利用地为主.其中耕地面积一直呈增加趋势，1970年耕地面积为4096.18km2,2017年耕地面积增加至5214km2,耕地的增加主要由天然草地、未利用地及水域湿地转化而来，面积分别为921.15km2、423.16km2、125.89km2（表5）；天然林地面积的增加，主要由天然草地、未利用地转化而来，转化面积分别为438.53km2、527.70km2；天然草地面积的增加，主要由未利用地转化而来,转化面积达4919.02km2；建设用地的扩张主要为占用周围草地、耕地及未利用地，面积分别为229.34km2、102.17km2、113.52km2;未利用地主要转出为草地，面积4919.02km2.石羊河流域土地类型的演变，总体反映了石羊河流域生态环境趋好，绿洲区域逐渐增加.4.2土地覆被类型阶段性动态变化基于解译的18期土地覆被类型基础数据,通过转移矩阵分析（表6），获得了近50年不同土地类型在不同时间区段的动态变化特征.1970-1990年，石羊河流域土地类型总体呈现耕地、水域湿地、天然草地、建设用地的增加，天然林地、人工草地、未利用地的减少.耕地的增加主要来源于天然草地和未利用地，二者的面积分别为571.70km2、284.87km2;天然林地主要转化为天然草地，转出面积221.83km2;建设用地的扩张以占用天然草地及未利用地为主；天然草地面积的增加主要来源于未利用地，转化面积为3034.21km2,表明石羊河流域生态环境总体趋于好转.表3石羊河流域1970-2017年土地覆被类型面积变化Table3ChangesinlandcovertypeinShiyangRiverBasinfrom1970to2017覆被类型197019851990199119951996200020052008200920102011201220132014201520162017一级二级天然林地688172057205720566846791679771536834682768426746673867937355736175217486自然天然草地9758973410291102821190592381199811998124281257912621961199761254512323114131187212453绿洲水域湿地921637650659614562488485281243261274265253256256248253其他181571786616791167911570418397151691460714558144771443817480171501445114026149131382613674耕地409640974625462547214766508152685163516151155146517151435130508354535214人工林地376629623623428347413388407398390310305384455369502390人工人工草地363636362431513027273221202117183723绿洲建设用地595595595595683638711745817795816923863923965107710021067水域湿地53755959112113101103260261259259260259249240269264未利用地200200199199198191263296299305301304325301299343342251图1研究区遥感解译土地覆被类型分布图Fig.1Distributionoflandcovertypesinterpretedbyremotesensinginthestudyareaa—1970;b—2017;1〜15—自然绿洲(naturaloases):1—有林地(forest),2—灌木林地(shrub),3—疏林地(openforestland),4—其他林地(otherforest),5—C覆盖度草地(highcoveragegrassland),6—中覆盖度草地(middlecoveragegrassland),7—低覆盖度草地(lowcoveragegrassland),8—河渠(channel),9一湖泊(lake),10—滩地(beachland),11一沼泽地(marshland),12一沙地(sand),13一盐碱地(saline-alkalisoil),14一裸土地(bareground),15一其他(others);16=36一人工绿洲(artificialoases):16一水田(paddyfield),17一水浇地(irrigatedland),18一旱地(dryland),19一有林地(forest),20—灌木林地(shrub),21—疏林地(openforestland),22—其他林地(otherforest),23—高覆盖度草地(highcoveragegrassland),24—中覆盖度草地(middlecoveragegrassland),25—低覆盖度草地(lowcoveragegrassland),26—城镇用地(urbanland),27—农村居民点用地(residentialarea),28—工)用地(industrialland),29—河渠(channel),30—水库、坑塘(reservoir/pond),31—滩地(beachland),32—沼泽地(marshland),33—沙地(sand),34一盐碱地(saline-alkalisoil),35一裸土地(bareground),36一其他(others)表4石羊河流域197%&2017年土地覆被类型面积动态表Table4ComparisonoflandcovertypesinShiyangRiverBasinbetween1970and2017表5石羊河流域1970&2017年土地类型转移矩阵Table5TransfermatrixoflandtypesinShiyangRiverBasinfrom1970to2017一级类二级类19702017变化量变化率天然林地6880.867485.83604.978.79%天然草地9758.3212452.722694.3927.61%自然绿洲水域湿地921.41253.20-668.21-72.52%未利用地18156.9413673.73-4483.21-24.69%合计35717.5333865.47-1852.05-5.19%耕地4096.185214.091117.9227.29%人工林地375.64390.1814.543.87%人工草地35.7922.81-12.98-36.27%人工绿洲建设用地594.741066.60471.8679.34%水域湿地53.09263.91210.82397.08%未利用地200.35251.1150.7625.34%合计5355.797208.701852.9134.60%2017/耕地天然天然水域人工人工建设未利1970林地草地湿地林地草地用地用地耕地3649.5930.28276.392.4714.681.12102.1719.47天然林地30.176489.05321.740.110.320.001.1738.29天然草地921.15438.536679.2329.3166.944.69229.341389.14水域湿地125.890.27242.49471.468.670.005.73119.99人工林地47.690.0010.150.03281.460.0024.9411.37人工草地6.930.003.190.000.0316.487.341.82建设用地9.180.000.220.441.180.29582.401.03未利用地423.16527.704919.0213.2916.900.22113.5212343.50面积单位:km2.1990=2000年，石羊河流域土地类型总体呈现耕地、天然林地、天然草地、人工草地、建设用地的增加，水域湿地、人工林地、未利用地的减少.耕地的增加主表6石羊河流域19742017年间不同阶段土地类型转移矩阵Table6TransfermatrixoflandtypesinShiyangRiverBasinduringperiodsfrom1970to2017时间土地类型耕地天然林地天然草地水域湿地人工林地人工草地建设用地未利用地转出土地变化面积耕地3825.0353.93159.983.570.710.242.8949.82271.14624.45天然林地29.66628.64221.830.220.2200.340252.21-196.48天然草地571.70.598195.179.9558.12.9781.05838.781563.142146.55水域湿地7.710.02269.56682.98800.975.27291.5337.171970-1990人工林地1.33016.210355.2900.392.4120.3452.7人工草地0.1603.6400.1720.453.977.415.34-11.82建设用地0.221.174.260.010.020.01586.522.548.2388.71未利用地284.870.023034.2128.695.820.37.3314996.043361.24-2455.02转入895.5955.733709.6942.4473.043.5296.94906.22耕地4550.4124.92114.791.7210.651.73610.41170.22360.75天然林地33.756557.9767.4300011.6613.56126.4112.34天然草地389.14123.4810775.4726.9635.0225.4320.72508.651129.493.1水域湿地4.750.0343.69546.972.9700.29126.72178.45-84.841990-2000人工林地0.19053.870360.550.17013.5467.77-15.04人工草地0000020.4103.563.5627.33建设用地2.1907.861.610.370.28670.170.9813.2927.87未利用地100.9590.31934.8611.593.723.282.4914755.061147.2-469.78转入530.97238.741222.541.8852.7330.8941.16677.42耕地4785.042.3168.773.9222.463.555.3440.05296.3432.83天然林地47.716430.24318.540000.20366.4544.88天然草地187.34290.8411128.4218.2928.296.7552.13285.91869.55623.05水域湿地11.620.145.79493.60.3101.5835.8595.25-9.722000-2010人工林地6.74040.270.88329.2102.7833.484.07-23.05人工草地2.6107.340021.151.5818.6330.16-19.69建设用地6.54014.180.020.070690.190.3421.15104.71未利用地66.61118.09897.713.029.890.2212.2514324.71107.79-693.61转入329.17411.331492.626.1361.0210.47125.86414.18耕地4846.299.29134.692.430.990.169.6849.82296.97-13.72天然林地12.856533.53171.390.050.6600.410185.36636.23天然草地192.59395.6211241.1410.5836.010.45112.67838.781586.7-504.88水域湿地1.180.1940.34474.970.1401.765.2748.8824.32010-2014人工林地27.330.7510.870.64337.3707.082.4149.0868.74人工草地902.620016.882.757.421.77-21.22建设用地18.070.414.0110.82.250763.032.5448.07154.04未利用地22.23415.34707.95.147.7707.7614996.041206.1-299.88转入283.25821.591081.8229.57117.820.55202.11906.22耕地4991.5215.9785.640.039.41.7519.116.13138.0384.57天然林地10.057215.3998.130.050.3700.8630.25139.71130.74天然草地96.01141.6111563.7520.799.351.9653.68435.89759.29129.57水域湿地1.920.094.43493.290.6603.30.8611.2622.962014-2017人工林地65.051.436.280.13322.25024.775.32132.95-65.03人工草地4.82000012.050.5505.375.39建设用地21.040.091.880.064.090.03936.61.3428.53101.6未利用地23.71111.29662.52.7644.057.0227.8613445.06879.19-399.4转入222.6270.45888.8623.8267.9210.76130.13479.79要来源于天然草地及未利用地，二者的面积分别为389.14km2、100.95km2;天然林地面积的增加，主要源于天然草地、未利用地植树造林的结果，二者面积分别为123.48km2、90.31km2;建设用地面积的增加主要因城市扩张,占用天然草地、林地，面积分别为20.72km2、11.66km2;未利用地主要转化为耕地、林地和草地，转出面积分别是100.95km2、90.31km2和934.86km2;未利用地面积的减少，主要由于未利用地向天然草地、耕地的转化.10年间,林地和草地面积增大，同时以荒漠为主的未利用地的面积呈现较大幅度的减小，表明研究区的生态环境状况趋于改善.2000-2010年，石羊河流域土地类型总体呈现耕地、天然草地、天然林地、建设用地的增加，未利用地、人工林地、人工草地、水域