周 楊，周廷剛，馮 沖

(西南大學地理科學學院，重慶 400715)

1 研究背景

土地利用和土地覆蓋(被)變化(Land Use/Cover Change，簡稱LUCC)是可持續(xù)發(fā)展的重要核心問題之一，也是全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點問題，被列入“國際地圈與生物圈計劃(IGBP)”的核心項目，成為管理決策的依據(jù)［1－4］。基于LUCC 的研究無論從生態(tài)環(huán)境還是從社會經(jīng)濟的角度均具有重要的意義。將遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術引入LUCC研究領域，可以快速、準確、及時地獲取大面積的土地利用/土地覆蓋方面的實時信息，對土地利用變化進行動態(tài)監(jiān)測［5］，為解決復雜的空間問題提供條件，為可持續(xù)發(fā)展研究提供技術支撐。

目前，我國的LUCC研究主要集中在熱點地區(qū)和脆弱區(qū)，前者即人文和自然驅(qū)動力極為活躍的地區(qū)，后者指隨著人口的增長、經(jīng)濟的發(fā)展和資源的消耗，產(chǎn)生的各種各樣的“脆弱區(qū)”［6］。本文研究區(qū)域是重慶市“一圈兩翼”發(fā)展戰(zhàn)略中渝東北翼:三峽庫區(qū)城鎮(zhèn)群的中心城，經(jīng)濟發(fā)展速度增長快，但生態(tài)環(huán)境復雜，即屬于“熱點區(qū)”同時也是“脆弱區(qū)”，特別是由于重慶市建設城鄉(xiāng)統(tǒng)籌試驗區(qū)發(fā)展的需要，土地在經(jīng)濟發(fā)展的過程中起著越來越重要的作用。因此，在GIS技術支持下，以衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，研究重慶市萬州區(qū)LUCC問題具有重要意義。

2 萬州區(qū)概況

重慶市萬州區(qū)地處四川盆地東緣，重慶市東北邊緣。面積3 457km2(耕地面積66 667 hm2，其中田地38 993 hm2;大于25°坡地 33 427 hm2，其中旱地21 660 hm2)，城市面積21 667 hm2。區(qū)內(nèi)山丘起伏，低山、丘陵面積約占四分之一，低中山和山間平地面積約占四分之一，極少平壩和臺地，且零星散布。

境內(nèi)河流縱橫，河流、溪澗切割深，落差大，高低懸殊，呈枝狀分布，均屬長江水系;屬亞熱帶季風濕潤帶，氣候四季分明，天氣溫和，無霜期長，霜雪稀少;境內(nèi)多年平均氣溫17.7℃，多年平均年日照時數(shù)1 484.4 h，多年平均降水 1 243mm。

3 數(shù)據(jù)整理與模型簡介

3.1 數(shù)據(jù)源概況

以萬州區(qū)2000年TM和2004年的ETM遙感影像，1∶50 000紙質(zhì)地形圖用于遙感影像的幾何校正，并完成圖像增強、轉(zhuǎn)換等，得到2年的土地覆蓋特征圖件，作為LUCC研究的基本資料。

3.2 數(shù)據(jù)的處理

本研究利用2000年TM和2004年的ETM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，在遙感圖像處理軟件ENVI 4.6.1平臺下用地形圖(1∶50 000)進行幾何精糾正處理，目標解譯圖像采用標準的假彩色RGB－432合成，并進行相應圖像增強處理。通過野外考查建立遙感解譯標志庫，采用人機交互的判讀方式，根據(jù)實際情況提取出林地(有林地、灌木林、疏林地)、草地、耕地(旱地、水田)、園地、建設用地和水域等數(shù)據(jù)。

3.3 研究模型

基于GIS空間信息分析技術的測算模型，包括單一動態(tài)度、開發(fā)度、耗減度、綜合動態(tài)度4個指數(shù)，分別用于對LUCC速度、新開發(fā)速度和被耗損的速度的度量，且互為補充。其中，單一動態(tài)度能夠揭示土地單一利用/覆蓋類型的凈變化速度;開發(fā)度、耗損度有力地支撐單一動態(tài)度，分別揭示各類型實際新開發(fā)和實際耗減的速率;而綜合動態(tài)度則可以測算和比較區(qū)域土地利用/覆蓋的總體或者綜合活躍程度［7－8］。

單一土地利用/覆蓋類型動態(tài)度，是研究區(qū)內(nèi)一定時間范圍某單個土地利用/覆蓋類型的數(shù)量變化情況，這是一種最傳統(tǒng)和最簡單的分析模型，其公式為［9］

式中:K為研究時段內(nèi)某土地利用/覆蓋類型動態(tài)度;Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某種土地利用/覆蓋類型的數(shù)量;T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用/覆蓋類型年變化率。

單一土地利用/覆蓋類型開發(fā)度。其表達的是單位時間內(nèi)某類型土地利用/覆蓋類型實際增加的速度，以單位時期內(nèi)新開發(fā)面積占初期該類型面積比例來表示。公式為［10］

式中:Dab為從a時刻到b時刻新開發(fā)某類型土地利用的面積，即由其它類型土地利用轉(zhuǎn)變?yōu)樵擃愋屯恋乩妹娣e的總和;Ua表示a時刻該土地利用類型的面積;T為a時刻到b時刻的研究時段長，以年為單位。

單一土地利用/覆蓋類型耗損度。其表達的是單位時間內(nèi)某種類型土地利用/覆蓋類型實際減少的速度，以單位時期內(nèi)新耗損年紀占初期面積的比例來表示。公式為［9］

式中:Cab為從a時刻到b時刻某種土地利用類型的面積，即該類型土地利用轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋屯恋乩玫耐恋孛娣e的總和;Ua表示a時刻該土地利用類型的面積;T為a時刻到b時刻的研究時段長，以年為單位。

區(qū)域綜合土地利用/覆蓋動態(tài)度?？擅枋鰹閰^(qū)域土地利用變化的速度。用公式表示為［11］

在這寒風漸緊的冬天，親友重逢，或是佳人相會，舉一杯雙桶陳釀的美酒，品味威士忌陳年酒桶的特別風味，把最獨特的馥郁香醇送給最珍惜的人，何其樂哉！或者夜深人靜時，一個人在靜靜獨酌，品味時間的味道，感受那一刻的歲月靜好。

式中:LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積;ΔLUi－j為監(jiān)測時段內(nèi)第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值;T為監(jiān)測時段長度。當T的時段設定為年時，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率。

4 動態(tài)度指數(shù)分析

4.1 總體格局與數(shù)量變化

利用軟件ARCGIS9.2對經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)進行分析，得到研究區(qū)2000年和2004年土地覆蓋圖見圖1和圖2，LUCC結(jié)果見表1。

圖1 2000年萬州區(qū)土地覆蓋圖Fig.1 Land covers in wanzhou in 2000

通過對圖1、圖2和表1的分析，可以看出關于萬州區(qū)土地利用/覆蓋結(jié)構整體上的以下特點:

(1)林地分布廣闊、面積比重大。以疏林地為主，占到總體16.79%;有林地和灌木林不及5%。面積在2000年和2004年都分別達到83 056 hm2和82 589 hm2占總體的24%左右，在此期間林地面積下降，但不明顯，影響林地面積的因素來自于灌木林和疏林地，分別減少了354 hm2和122 hm2，變化最大的兩塊地分別位于南部和中部。

圖2 2004年萬州區(qū)土地覆蓋圖Fig.2 Land covers in wanzhou in 2004

表1 2000—2004年萬州區(qū)主要土地利用/覆蓋類型面積變化情況Table 1 Changes of land use/land cover areas in Wanzhou district from 2000 to 2004

(2)耕地主要分布在萬州區(qū)的西部和西北部，面積較少。在河流兩岸和西北角均較密集?？偯娣e2000年為51 795 hm2，2004年為49 798 hm2，耕地和水田面積占整體比重為別為12.05%和2.35%，4年間耕地面積變化顯著，減少了1 998 hm2。

(3)草地主要分布于萬州區(qū)的東部和東南部?？偯娣e2000年為66 915 hm2，到2004年增長了138 hm2，達到67 053 hm2占總體的19.39%，整體變化不大。

(4)園地占總體面積最大地域最廣，是萬州區(qū)最主要的土地利用類型?？偯娣e達136 653 hm2，占總體39.52%，包括桑園、果園等。2000年到2004年減少的絕對值為1 195 hm2，變化率達到1.3%。

(5)建設用地成倍增長，變化幅度最大。從2000年1 365 hm2到2004年的4 146 hm2，盡管絕對增加值為2 781 hm2在整體中并不算大，但是由于其總量基數(shù)較小，增長率達到了203.8%。增加區(qū)域主要沿著原有建設用地向四周蔓延以及在除區(qū)域中心以外的其它地方則零星分布。

4.2 土地利用動態(tài)度分析

根據(jù)所選的模型，對遙感解譯得出的數(shù)據(jù)進行分類，分別提取了林地、草地、耕地、園地、建設用地、水域等2000年和2004年2期空間分布的柵格數(shù)據(jù)(其中，林地細分到了疏林地、灌木林、有林地，而耕地則細分到了旱地和水田)利用ARCGIS9.2中的柵格計算工具對其進行數(shù)據(jù)分析，在2期數(shù)據(jù)表里添加新字段，將需要分析的土地利用類型賦值為1，其他各類型為0，柵格大小為30m×30m，將2期數(shù)據(jù)進行減法運算，得到新數(shù)據(jù)層，數(shù)值1表示期間新開發(fā)的區(qū)域，數(shù)值0則是沒有變化的區(qū)域，而數(shù)值－1則是新耗損的區(qū)域，再統(tǒng)計其面積進行進一步的計算，即得到了需要的動態(tài)度指數(shù)。

4.2.2 動態(tài)度分析

土地利用變化速度指數(shù)以土地利用類型的面積為基礎，關注研究時段內(nèi)類型面積變化的結(jié)果。其意義在于可以直觀地反映類型變化的速度，也易于通過類型間的比較反映變化的差異［12］。本文選用的動態(tài)度指數(shù)包含上文提及的單一動態(tài)度、單一開發(fā)度、單一耗損度和綜合動態(tài)度，經(jīng)過上述模型計算和統(tǒng)計，得到各個指數(shù)如表2。

表2 2000—2004年萬州區(qū)主要土地利用/覆蓋類型動態(tài)度Table 2 Dynamic degrees of land use/land cover in Wanzhou district from 2000 to 2004 %

通過表2，可以看到，單一耗損度和單一開發(fā)度有效地彌補了單一動態(tài)度對于各類型土地相互轉(zhuǎn)化描述中的遺漏。最為顯著的是草地和園地2類，由于開發(fā)度和耗損度的抵消，使得單一動態(tài)度反映出的情況低于2類用地實際的變化。同時，綜合動態(tài)度也得到了土地類型整體的變遷，站在更全面的視角對萬州區(qū)的土地類型變化速率進行分析，整體而言，大部分的土地在期間保持了原有的利用類型，變化并不明顯。這樣的結(jié)果也印證了模型中4個指數(shù)的相輔相成。

4.2.2.1 單一動態(tài)度、開發(fā)度與耗減度

(1)林地的開發(fā)度、動態(tài)度基本依存于耗減度而存在，單一動態(tài)度比較準確。其中有林地因開發(fā)度和耗減度的抵消而動態(tài)度為0;灌木林和疏林地的開發(fā)度也低于或者等于0.001%，對于動態(tài)度的影響很小，與此相對應的是，其耗減度較大，特別是灌木林的耗減度達到了1.003%。由此可見，正處于砍伐多而栽種少的階段。林地面積的減少對于萬州這類地處三峽庫區(qū)的區(qū)縣是致命的。值得注意的是，最大的一塊耗減的林地在2004年開發(fā)為了草地，是為方便成為耕地做鋪墊，或者是僅僅因為砍伐樹木而荒廢成草地，只能等待進一步的研究。

(2)草地早期的變化也較大，開發(fā)度達到0.088%，耗減度達到0.037%，單一動態(tài)度為0.052%，這沒真實反映情況。前文中提到了林地轉(zhuǎn)化為草地，在對草地的分析就不能像林地一樣依托單一動態(tài)度來了解變化速率，應當結(jié)合開發(fā)度和耗減度來表述:草地的更替較為激烈，無論是轉(zhuǎn)出還是轉(zhuǎn)入，都具有較大的面積。其激烈更替會直接導致草地質(zhì)量的下降，新開墾的草地幾乎是耗減草地的1倍，其中75.23%來源于灌木林。

(3)耕地內(nèi)部的分異較大，但總體卻呈耗減趨勢。旱地和水田的單一動態(tài)度分別為－1.071%和－0.4%，開發(fā)度均為0。這說明耕地特別是旱地的減少是以不計代價和沒有補償在進行，這與林地的減少有一定的相似之處。旱地的單一耗減度達到1.071%，旱地減少1 866 hm2，這對于一個耕地本身就少的地區(qū)是不理智不科學的。水田的單一動態(tài)度看似遠遠低于旱地的，但水田基數(shù)小，132 hm2的減少面積和0.372%的耗減度仍然是比較大的變動。鑒于萬州區(qū)水田的地塊小而散，難以統(tǒng)一耕種和管理，建議應該保有當前甚至開發(fā)新水田，以確保耕地的保質(zhì)保量。

(4)園地的情況和草地很相似，無論是開發(fā)度還是耗減度都比較大。兩相抵消，單一動態(tài)度無法反映真實的LUCC情況。在開發(fā)度達到0.094%、耗減度達到0.176%的情況下，單一動態(tài)度僅僅為－0.083%?？傮w而言，園地的面積改變并不大，但其地域改變劇烈，有逐漸東南移動的趨勢。

(5)建設用地是變化最大的土地利用類型，基數(shù)小、耗減少、開發(fā)大、變化快。建設用地是除草地外唯一單一動態(tài)度為正值的土地利用類型。其開發(fā)度遠遠超過其他類型，達到了51.389%，與之對比的是耗損度僅為0.445%，因此單一動態(tài)度也超過了50%。整體而言，建設用地的基數(shù)和改變量都較小，即使4年翻了幾番，但依舊僅占總體的1%左右，但建設用地如此快速的增長是需要警惕的，若持續(xù)保持這樣的增速，勢必對整體格局的平衡產(chǎn)生不利的影響。

4.2.2.2 綜合動態(tài)度

綜合動態(tài)度為0.422%。土地利用變化速度一般，綜合動態(tài)度可以作為調(diào)控土地利用類型內(nèi)部改變不影響萬州區(qū)整體土地利用結(jié)構系統(tǒng)的一個指標。能控制在0.3%到0.5%之間就能夠保證土地利用類型的變化不會對土地性質(zhì)、環(huán)境產(chǎn)生大的影響。0.422%表示在2000—2004年間，參與變化的土地面積比較適中，其中建設用地和耕地中的旱地是變化絕對數(shù)值最大的2個部分，達到總體變化數(shù)值的79.591%，在綜合動態(tài)度指數(shù)的計算中具有舉足輕重的作用。

5 結(jié)論與展望

本研究以LUCC理論為基礎，在GIS技術的支持下，對萬州區(qū)2000年(TM)和2004年(ETM)影像進行處理，對其LUCC現(xiàn)狀進行分析研究，得出以下結(jié)論:

(1)研究區(qū)園地占總體土地的比例最大，達到了39.52%，且分布廣泛。林地草地多分布東南而耕地集中西北。其中，林地以疏林地為主;耕地呈現(xiàn)旱地遠遠多于水田的態(tài)勢。建議，林地應該進一步的擴大，耕地應注意保持。

(2)研究區(qū)各個土地利用類型變化多樣，整體而言，林地、耕地、園地減少而草地、建設用地增加。其中，草地與園地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出均明顯，其他各類型則屬于開發(fā)度與耗減度差額較大的范疇。值得注意的是建設用地增加了2 781 hm2。其單一動態(tài)度達到50.95%，十分突出，應予以重視。

(3)研究區(qū)綜合動態(tài)度正常，對于土地整體格局和生態(tài)環(huán)境沒形成大的影響。對綜合動態(tài)度計算影響較大的土地類型是建設用地和旱地，應注意控制。

在研究過程中，也還有一些問題研究不足，存在的主要問題包括:

(1)本文解譯遙感圖像采用的是人機交互的判讀方式，不能消除誤差，因此在解譯上需要進一步的研究。

(2)由于時間序列不足，還不能很好地反應研究區(qū)域LUCC的動態(tài)變化。

(3)本文僅對萬州區(qū)LUCC的現(xiàn)狀進行分析，還沒有涉及與之緊密結(jié)合的驅(qū)動力研究以及預警預測研究，還需進一步開展工作。

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