黃玉寶，喬玉良，張紅艷

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2.山西大學(xué)旅游學(xué)院，山西太原030006）

土地是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的載體。土地利用是指人類對(duì)作為生產(chǎn)生活資料的土地的利用方式和耕作強(qiáng)度；而土地利用動(dòng)態(tài)變化則反映了土地利用方式的發(fā)展變化趨勢(shì)[1]。

隨著全球土地利用變化研究的深入和發(fā)展，土地利用/土地覆蓋變化（簡(jiǎn)稱LUCC）作為地球表層最重要的景觀，是全球環(huán)境變化的重要組成部分和造成全球環(huán)境變化的重要原因[2-4]，其演變及驅(qū)動(dòng)力已成為全球土地利用變化研究的熱點(diǎn)。土地利用的變化包括空間和時(shí)間2個(gè)方面，空間上的變化通過遙感技術(shù)手段來獲取，土地利用類型的變化是隨時(shí)間的變化而變化，時(shí)間是度量土地利用變化的重要尺度，它表現(xiàn)了土地利用變化的速度、大小等，遙感技術(shù)的周期性短和觀測(cè)面積廣使得基于時(shí)間變化的土地利用研究有了豐富的數(shù)據(jù)來源。

本研究基于土地利用方式與土地利用動(dòng)態(tài)度變化模型，在遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)支持下，應(yīng)用汾河上游西北地區(qū)1976年MSS，1990，2007年TM遙感影像，獲取土地利用數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)；依據(jù)3期土地利用數(shù)據(jù)，從土地利用的基本模式、數(shù)量結(jié)構(gòu)、空間格局變化角度，構(gòu)建區(qū)域土地利用時(shí)空變化模型，全面分析研究區(qū)近30 a來土地利用變化的幅度、速度及其空間分布，并簡(jiǎn)要分析促使土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力因子和汾河上游西北地區(qū)土地演變趨勢(shì)，為相關(guān)部門科學(xué)地利用區(qū)域土地提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省汾河上游流域西北地區(qū)，是典型的黃土高原中海拔山地。地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°02′28.41″～ 112°00′30.11″，北緯38°01′54.16″～ 39°00′54.22″，地跨五寨、寧武、岢嵐、靜樂四縣。境內(nèi)多為黃土覆蓋，由于中山、平原及丘陵曾經(jīng)受強(qiáng)烈的侵蝕切割作用，加之區(qū)內(nèi)植被稀疏，形成了梁、垣、峁等典型的黃土高原地貌景觀。地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡帶，主要為栗鈣土。土壤侵蝕類型主要有水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，水力侵蝕以面蝕為主，溝蝕次之。山西母親河——汾河流經(jīng)研究區(qū)，給研究區(qū)帶來了豐富的水資源，美麗的自然景觀高原草甸也位于研究區(qū)內(nèi)。整個(gè)研究區(qū)面積達(dá)190 050.12 hm2。

2 研究?jī)?nèi)容與研究方法

以汾河流域上游西北地區(qū)為例，利用遙感和GIS作為技術(shù)支撐，獲取不同時(shí)期區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)；并根據(jù)收集的研究區(qū)地形圖、文字資料和其他統(tǒng)計(jì)資料，建立研究區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化模型與單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)研究區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化的自然和人文驅(qū)動(dòng)力因子及區(qū)域土地利用演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析，為相關(guān)部門科學(xué)地利用區(qū)域土地提供決策依據(jù)。

土地利用動(dòng)態(tài)變化包括土地資源的數(shù)量、質(zhì)量隨時(shí)間的變化，也包括土地利用的空間變化及土地利用類型組合方式的變化，同時(shí)也包括未來土地資源需求量的變化。因此，建立土地利用動(dòng)態(tài)變化模型是研究土地利用變化過程、土地利用變化程度及土地利用未來發(fā)展變化趨勢(shì)的主要手段[5]。

2.1 技術(shù)流程

在分析土地利用數(shù)量變化時(shí)，采用土地利用動(dòng)態(tài)度模型（單一土地利用動(dòng)態(tài)度、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度）分析土地利用變化速度。土地利用動(dòng)態(tài)度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，它對(duì)比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來土地利用變化趨勢(shì)都具有積極的作用[6]。土地利用動(dòng)態(tài)變化具體流程如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

相對(duì)于傳統(tǒng)的土地資源調(diào)查方法，遙感技術(shù)具有覆蓋面積大、現(xiàn)時(shí)性強(qiáng)、周期短以及獲取數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、費(fèi)用低、省時(shí)省力等特點(diǎn)，能及時(shí)有效地反應(yīng)土地利用現(xiàn)狀，為土地資源調(diào)查、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7-9]。不同時(shí)期所獲取的數(shù)據(jù)源不同，所以處理的方式也不相同。1976年為L(zhǎng)andsat的分辨率為79m的MSS影像；1990年為分辨率30 m的TM影像；2007年也采用TM影像，分辨率為30m，不同時(shí)期數(shù)據(jù)的波段組合參見遙感影像處理部分。遙感數(shù)據(jù)的處理在ENVI軟件平臺(tái)上，采用非監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法提取土地利用專題信息。

研究初始階段，在GIS支持下，根據(jù)配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用3次卷積法多次糾正地形圖，矢量化配準(zhǔn)后的地圖形，并進(jìn)行投影和提取研究區(qū)；利用研究區(qū)數(shù)據(jù)裁剪山西省數(shù)字高程模型，獲得研究區(qū)數(shù)字高程模型。

2.2.1 遙感影像處理 遙感影像處理主要分4個(gè)部分：輻射校正、幾何校正、波段組合和圖像增強(qiáng)。校正中以地形圖作為主要數(shù)據(jù)源，將1990年LandsatTM數(shù)據(jù)與地形圖進(jìn)行配準(zhǔn)；將1976年LandsatMSS影像和2007年Landsat TM影像與1990年TM影像分別進(jìn)行幾何糾正。同時(shí)，由于不同時(shí)期的數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上存在一定變化，傳感器在獲取圖像的時(shí)候除受自身狀態(tài)的影響外，還受到大氣、光照、氣溶膠等因素的影響，不能采用單一的某種波段組合方式進(jìn)行遙感影像解譯，而且不同的波段組合方式分類的結(jié)果不同，解譯的精度也不盡相同。為了使最終獲得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，提高遙感解譯的精度必不可少。遙感解譯精度除受影像本身質(zhì)量影響外，還受到解譯人員對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境熟知程度及解譯水平的影響，同時(shí)圖像增強(qiáng)也是提高解譯精度極為重要的基礎(chǔ)。通過查找資料，在非監(jiān)督分類的基礎(chǔ)上，研究了不同時(shí)期不同波段組合的分類結(jié)果和精度，最終確定3個(gè)時(shí)期的最佳波段組合：1976年MSS影像的321波段組合的假彩色圖像，1990年TM432波段組合的假彩色圖像和2007年TM543波段組合的假彩色圖像。

2.2.2 專題信息提取 土地利用專題信息提取采用非監(jiān)督分類方法。非監(jiān)督分類（unsupervised），也稱聚類分析[10]或點(diǎn)群分析，即在多光譜圖像中搜尋、定義其自然相似光譜集群組的過程。非監(jiān)督分類不需要人工選擇訓(xùn)練樣本，僅需極少的人工初始輸入，計(jì)算機(jī)就會(huì)按一定規(guī)則自動(dòng)地根據(jù)像元光譜或空間等特征組成集群組，然后分析者將不同組分的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。非監(jiān)督分類集群算法有ISODATA[11]、鏈狀方法、K-Means[12]等。本研究使用常用的ISODATA算法進(jìn)行非監(jiān)督分類，并結(jié)合人工目視解譯對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土地利用信息提?。▓D2）。

3 土地利用演變及其驅(qū)動(dòng)力分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)度模型建立

土地變化預(yù)測(cè)研究是在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立模型，以了解未來土地的變化趨勢(shì)及需求狀況，能夠?yàn)橛行У剡M(jìn)行土地利用的調(diào)整、優(yōu)化，合理而高效地利用有限的土地資源提供科學(xué)依據(jù)[13]。土地利用動(dòng)態(tài)度模型是土地利用變化速度、演變趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)力分析的重要指標(biāo)，本研究利用數(shù)據(jù)庫(kù)信息提取建立單一土地利用動(dòng)態(tài)度模型和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度模型。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度是表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況。計(jì)算公式為：

式中，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub分別為研究初、末期某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長(zhǎng)，以年為最小單位。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度（LC）是表達(dá)區(qū)域內(nèi)土地類型間相互轉(zhuǎn)化情況，是一種綜合性描述區(qū)域土地利用變化情況的度量。其計(jì)算公式為：

式中，ΔLUi為監(jiān)測(cè)起始時(shí)間i類土地利用類型面積；ΔLUi－j為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T為研究時(shí)段長(zhǎng)，以年為最小單位。

基于GIS平臺(tái)，提取各個(gè)時(shí)期土地利用類型面積，建立各個(gè)時(shí)期單一土地利用動(dòng)態(tài)度及綜合土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)據(jù)庫(kù)，為動(dòng)態(tài)模型的建立提供數(shù)據(jù)支持。統(tǒng)計(jì)信息如表1，2所示。

表1 不同時(shí)期土地利用面積 hm2

表2 土地利用類型動(dòng)態(tài)度及土地類型面積變化

從表1可以看出，1976年，研究區(qū)內(nèi)土地利用面積最大的是耕地，為76 919.48 hm2，占研究區(qū)的40.47%，其次是林地、灌木和草地，這4種類型占總面積的97.70%；1990年，研究區(qū)內(nèi)土地利用面積最大的是林地，為72 840.00 hm2，占研究區(qū)的38.33%；其次是耕地、灌木和草地，這4種類型占總面積的97.40%；2007年，研究區(qū)內(nèi)土地利用面積最大的是耕地，為72 131.08 hm2，占研究區(qū)的37.95%；其次是林地、灌木和草地，這4種類型占總面積的97.32%。

從表2可以看出，1976—2007年的31 a，除居民地、道路、灌木和其他用地整體呈上升趨勢(shì)外，水體、耕地、草地和林地呈減少趨勢(shì)。其中，灌木的變化最大，由1976年的27 141.72 hm2增加至42 386.28 hm2，增加速度較快。其次是林地和耕地，二者都呈減少趨勢(shì)，減少速度相對(duì)較快。林地由1976年的73 117.12 hm2減少至2007年的63 845.16 hm2；耕地由76 919.48 hm2減少至72 131.08 hm2，減少 4 788.40 hm2。

1976—1990年的14 a，居民地由1976年的676.88 hm2增加至1990年945.40 hm2，年均增加19.18hm2。道路從 784.68hm2激增至 1094.76 hm2，年均增加22.15 hm2。灌木由最初的27 141.72 hm2增加至34 080.88 hm2，年均增加495.65 hm2。其他用地和草地也保持增加趨勢(shì)，其他用地從1976年的 391.72 hm2增加至 1990年的 675.28 hm2，年增長(zhǎng)20.25 hm2；草地由8 496.92 hm2增加至10 447.92 hm2，呈現(xiàn)短時(shí)期的增加。耕地的面積有所減少，由76 919.48 hm2減少至67 743.60 hm2，年均減少655.42 hm2，是減少速度最快的類型。水體年均減少21.38hm2，主要向耕地和草地轉(zhuǎn)化。林地是這一時(shí)期內(nèi)變化最小的土地利用類型，由1976年的73 117.12 hm2減少至72 840.00 hm2，年均減少17.79 hm2，變化相對(duì)較慢。用表1，2數(shù)據(jù)分別建立研究區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度模型（圖3和圖4）。

根據(jù)土地利用類型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度模型和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度模型，綜合考慮研究區(qū)模型，從表2還可以看出，整個(gè)研究區(qū)1976—2007年單一土地利用動(dòng)態(tài)度最大的是其他用地（8.03%），其次為居民地（2.84%）、灌木（1.81%）、道路（1.79%）、水體（-1.65%）、草地（-0.72%）、林地（-0.41%）和耕地（-0.20%），其中，水體、草地、林地及耕地呈負(fù)變化趨勢(shì)，面積減少，且耕地年變化率最小，與耕地動(dòng)態(tài)度最小相吻合。1976—1990年，單一土地利用動(dòng)態(tài)度最大的同樣是其他用地，其動(dòng)態(tài)度為5.57%，變化劇烈；其次是居民地（3.05%）、道路（3.04%）、灌木（1.97%）、草地（1.77%）及耕地（-0.92%）、水體（-0.91%）和林地（-0.03%），這一時(shí)期，林地的變化程度最小，其他用地變化依然保持劇烈，其動(dòng)態(tài)度最大。

據(jù)綜合利用動(dòng)態(tài)度模型來看，1976—2007年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為29%，1976—1990年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為37%，1990—2007年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為43%。1990—2007的17 a整體土地利用變化相對(duì)劇烈，1976—2007年的31 a綜合土地利用動(dòng)態(tài)度最低，整個(gè)時(shí)期研究區(qū)土地利用變化速度不是很快。

3.2 演變趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)力分析

驅(qū)動(dòng)力是指導(dǎo)致土地利用方式發(fā)生變化的主要生物物理因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素[1]。汾河流域上游西北地區(qū)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力主要有兩大因素：一是自然因素，二是社會(huì)因素。

3.2.1 自然因素驅(qū)動(dòng)力分析 研究區(qū)位于山西省西北部地帶，地貌類型為臺(tái)地低山丘陵，且多為黃土覆蓋，區(qū)內(nèi)黃土臺(tái)地曾經(jīng)受過強(qiáng)烈的侵蝕切割作用。研究區(qū)內(nèi)地貌類型和土壤類型是導(dǎo)致土地利用方式改變的客觀因素，同時(shí)也是土壤侵蝕變化的影響因子；研究區(qū)植被覆蓋相對(duì)較多，相比之下自然因素不是土地利用類型變化的主要因素。

3.2.2 社會(huì)因素驅(qū)動(dòng)力分析 社會(huì)因素是土地利用變化中最活躍因子，在研究時(shí)段內(nèi)，該區(qū)域土地利用變化未受到較大的自然因素（自然驅(qū)動(dòng)力）影響，人類活動(dòng)是造成研究區(qū)土地利用變化的主要因子。土地的可持續(xù)利用本身就是由土地的特性所決定的，也就是說土地具有可持續(xù)利用的特性，人類應(yīng)很好地適應(yīng)土地的這一特性[14]。

（1）居民地在1976—1990年單一土地利用動(dòng)態(tài)度大于1976—2007年平均單一土地利用動(dòng)態(tài)度，相對(duì)增長(zhǎng)速度較快，1990—2007年居民地?cái)U(kuò)張速度有所放緩，符合中國(guó)近30 a來人口變化導(dǎo)致居民地變化的規(guī)律。（2）耕地面積呈先減少后增加的趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代的廣積糧等使得耕地面積劇增；在70年代到90年代期間，部分耕地由于無人料理逐漸轉(zhuǎn)變成灌木和草地。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)，人口增加而導(dǎo)致的溫飽問題成為主要問題，這一時(shí)期部分草地、林地、灌木等轉(zhuǎn)變成耕地，由于國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐乃俣扔兴拗?，使得耕地面積增加速度保持合理穩(wěn)定狀態(tài)。（3）道路、灌木和其他用地整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著社會(huì)發(fā)展，交通成為與外界交流溝通的必要保障，使得在31 a間道路呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)其還會(huì)以更快的速度增加。灌木和其他用地是其他類型用地轉(zhuǎn)化的主要類型，因此也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。（4）林地和水體呈減少趨勢(shì)，毀林開荒增加耕地和作為礦產(chǎn)資源十分豐富的平朔地區(qū)，煤礦等各種礦產(chǎn)資源的開采是導(dǎo)致林地減少的主要原因。同時(shí)，林地的開墾使得西部地區(qū)水土保持指數(shù)下降，也是造成沙塵天氣的重要原因。水體面積逐年減少，隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)用水等消耗逐年增多，使得本來就缺水的山西黃土高原水資源逐年減少，同時(shí)水污染也比較嚴(yán)重。（5）草地的變化呈先增長(zhǎng)后減少趨勢(shì)，草地的增加主要來自林地類型的轉(zhuǎn)化，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，草地逐漸向耕地、居民地和灌木土地類型轉(zhuǎn)變。

人類對(duì)土地等資源的無休止掠奪，使環(huán)境自我恢復(fù)功能承受巨大壓力，加之不合理的土地使用方式，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，恢復(fù)緩慢或使部分地區(qū)發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變化，影響土地長(zhǎng)期有效利用。同時(shí)特定經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與特定政策環(huán)境影響著土地利用的方式和強(qiáng)度。土地整理的根本目標(biāo)是提高土地利用率，增加耕地面積，提高土地生產(chǎn)能力，使土地資源利用能滿足人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求[15]。此時(shí)政府的行政決策和干預(yù)也是導(dǎo)致土地利用變化的一個(gè)重要原因。隨著西部大開發(fā)政策的實(shí)施，該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度在加快，城市建設(shè)及城市規(guī)模有了很大發(fā)展，城市用地不斷增加，同時(shí)農(nóng)村建設(shè)也占用了耕地。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過分析汾河流域研究區(qū)土地利用面積變化可以得出，黃土高原土地利用方式單一，水體利用變化減少趨勢(shì)明顯，對(duì)于水資源匱乏的西北地區(qū)是一個(gè)不利信號(hào)；其他用地變化率相對(duì)較快，是研究區(qū)土地利用變化的重要影響因素；土地利用呈林地向耕地和草地轉(zhuǎn)變，耕地向居民地轉(zhuǎn)變和草地向耕地和居民地轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。其他用地在3個(gè)時(shí)期保持著單一土地利用動(dòng)態(tài)度最大，綜合土地利用度呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，先升后降，整體趨于相對(duì)穩(wěn)定的變化。同時(shí)，由于不同地區(qū)土地利用變化在數(shù)量、方式、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和趨勢(shì)等方面存在很大的差異，全面研究土地利用變化及其影響因子，為土地管理和土地規(guī)劃提供了依據(jù)。如何建立土地利用動(dòng)態(tài)變化模型是研究土地利用變化過程、土地利用變化程度及未來發(fā)展變化趨勢(shì)的主要手段，科學(xué)合理的模型可以給決策部門提供有力、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。因此，發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，如何做到土地資源的開發(fā)與保護(hù)并重，實(shí)現(xiàn)國(guó)土資源的永續(xù)利用和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)前各級(jí)政府部門以及企業(yè)應(yīng)該重視的問題。

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