基于遙感技術(shù)的中國(guó)土地利用空間格局分析

基于遙感技術(shù)的中國(guó)土地利用空間格局分析

遙感技術(shù)是獲取空間信息和時(shí)間序列信息的重要技術(shù)手段。根據(jù)遙感獲得的時(shí)間序列信息已成為恢復(fù)土地利用水平的空間信息并預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此,全球陸地表層空間特征和地表演化現(xiàn)代過(guò)程研究,由于得到了時(shí)空序列完整的遙感數(shù)據(jù)支持而進(jìn)入?yún)?shù)化、定量化研究階段。本文在遙感與GIS技術(shù)支持下,對(duì)中國(guó)近10年的土地利用/土地覆蓋的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行分析。1中國(guó)土地利用空間分布格局研究區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)中國(guó)。所使用的數(shù)據(jù)集來(lái)自中國(guó)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù),主要有2000年建立的反映中國(guó)90年代末期土地利用的1:10萬(wàn)的土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)和2001年建立的反映80年代末期土地利用的1:10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù),以及中國(guó)分縣行政界限數(shù)據(jù)等。土地利用數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)LANDSATTM圖像進(jìn)行人工目視解譯得到的。判讀前首先進(jìn)行TM圖像的幾何糾正與輻射糾正,而后進(jìn)行圖像的鑲嵌、整飾。判讀過(guò)程中,充分利用了地形地貌圖等輔助數(shù)據(jù),并進(jìn)行了實(shí)地勘察。根據(jù)中國(guó)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和土地的用途、經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)、利用方式和覆蓋特征等因素作為土地利用的分類依據(jù)。區(qū)分差異性,歸納共同性,從高級(jí)到低級(jí)逐級(jí)劃分,將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用土地共6個(gè)一級(jí)類型和26個(gè)二級(jí)類型。以上土地利用數(shù)據(jù)與行政界限數(shù)據(jù)均被統(tǒng)一到統(tǒng)一的坐標(biāo)系和投影下,并采用中國(guó)統(tǒng)一的中央經(jīng)線和雙標(biāo)準(zhǔn)緯線,中央經(jīng)線為東經(jīng)105度,雙標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為北緯25度和北緯47度,所采用的橢球體為KRASOVSKY橢球體。在Arc/lnfo軟件環(huán)境下,2期土地利用數(shù)據(jù)都被統(tǒng)一柵格化成100m×100m的GRID數(shù)據(jù)。中國(guó)土地利用空間格局分布特征的研究是基于前面生成的100m土地利用柵格數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上,按照劉紀(jì)遠(yuǎn)提出的1km數(shù)據(jù)通用研究平臺(tái)設(shè)計(jì)思想,在Arc/lnfo軟件支持下,按土地利用分類信息對(duì)土地利用柵格數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分層提取,分別生成全國(guó)耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地1km柵格數(shù)據(jù),其中每一柵格像元代表了該種土地利用類型在整個(gè)土地利用類型所占百分比的高低。從90年代末期中國(guó)土地利用空間分布格局中可以看出(圖1):耕地主要分布于中國(guó)東部地區(qū),以大興安齡—張家口一榆林—蘭州—藏東南邊緣為界,其東南部占中國(guó)土地總面積的45%,而耕地卻占總面積的88.6%,而西北部雖占中國(guó)土地總面積的55%,而耕地僅占11.6%,從而使中國(guó)農(nóng)業(yè)形成了農(nóng)、牧2大作業(yè)區(qū)域。通過(guò)與中國(guó)生態(tài)背景數(shù)據(jù)庫(kù)(溫度、降雨、高程)的疊加分析可知:耕地主要分布中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶和中亞熱帶400mm等降水線以東的地區(qū),從地勢(shì)上看,耕地主要分布于中國(guó)東部第3級(jí)階梯上,在第2級(jí)階梯上只有四川盆地、黃土高原區(qū)、河西走廊和天山南北綠洲區(qū)分布比較集中。中國(guó)林地主要分布在東北的大小興安嶺區(qū)與南方山地丘陵區(qū)。從氣候帶看,林地大部分分布在中溫帶、寒溫帶的半濕潤(rùn)區(qū)和濕潤(rùn)區(qū),從地勢(shì)上主要分布于山地與丘陵區(qū)。草地分布于中國(guó)中西部。從氣候帶來(lái)講,草地主要分布于寒溫帶與中溫帶的干旱與半干旱地區(qū),即大致在大興安嶺—陰山一呂梁山—橫斷山一線以西地區(qū)。地勢(shì)上則主要分布于青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、天山山脈和塔里木盆地等周圍地區(qū)。建設(shè)用地與人口的空間分布密切相關(guān),也與耕地的分布趨勢(shì)一致。所以中國(guó)建設(shè)用地主要分布于溫帶、北亞熱帶的濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū);從地勢(shì)上來(lái)看主要分布在3級(jí)階梯上,以及西部的四川盆地、關(guān)中盆地與河套平原、河西走廊等地區(qū)。未利用地包括沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地等,主要分布于溫帶和暖溫帶荒漠區(qū)和青藏高寒地區(qū),這些地區(qū)由于置身于歐亞大陸中心。3中國(guó)土地使用空間格局的發(fā)展分析土地利用/土地覆蓋是由各種類型的斑塊組成,斑塊的空間分布稱為格局,通過(guò)空間格局分析可以更好分析土地利用/土地覆蓋的時(shí)空演變規(guī)律。3.1土地利用景觀多樣性指數(shù)空間分布特征景觀生態(tài)學(xué)家對(duì)景觀的空間格局定量分析提出了許多不同指標(biāo),如景觀多樣性、均勻度、優(yōu)勢(shì)度、聚集度、分離度、破碎度等指數(shù),為景觀空間格局的研究奠定了基礎(chǔ)。為了研究中國(guó)土地利用空間格局演變過(guò)程,現(xiàn)選擇景觀多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均勻度指數(shù)和破碎度指數(shù)進(jìn)行土地利用空間格局演變分析(表1)。本文在Arc/Info軟件空間數(shù)據(jù)管理與分析功能支持下,根據(jù)26種土地利用景觀類型,通過(guò)編制AML宏程序,同時(shí)結(jié)合大型統(tǒng)計(jì)分析軟件包SPSS,實(shí)現(xiàn)土地利用空間格局景觀指數(shù)的計(jì)算。圖2a,c,e,g為以行政區(qū)縣為基本單元計(jì)算的90年代末期中國(guó)土地利用景觀多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均勻度指數(shù)和破碎度指數(shù)空間分布圖,圖2b,d,f,h為80年代末期到90年代末期近10年的土地利用景觀指數(shù)演變空間分布圖。土地利用/土地覆蓋景觀多樣性是土地利用類型多樣性和復(fù)雜性的量度,H值的高低反映了土地利用類型的多少以及各類型所占比例的變化。景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)用于測(cè)度土地利用類型中一種或幾種類型支配整個(gè)土地利用/覆蓋的程度,它與景觀的多樣性指數(shù)近似成反比,對(duì)于景觀類型數(shù)目相同的地區(qū),H值越大,其D值越小。從中國(guó)土地利用景觀多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)空間分布圖可以看出:多樣性指數(shù)與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)空間分布比較有規(guī)律,多樣性指數(shù)0～1.004的區(qū)域集中分布在中國(guó)中東部,包括北京、河北、山東部分區(qū)域以及河南、江蘇、安徽、浙江等,地理位置相對(duì)集中,而該區(qū)域景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)相對(duì)較大,為2.289～3.205,通過(guò)分析中國(guó)土地利用空間格局可以發(fā)現(xiàn),該區(qū)域土地利用景觀類型主要由耕地、建設(shè)用地組成,由于人類活動(dòng)的加強(qiáng),耕地與建設(shè)用地已經(jīng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),從而徹底改變了自然景觀而形成了人文景觀,土地使用類型相對(duì)單一,景觀的多樣性指數(shù)減小,屬于人類影響最強(qiáng)區(qū)。多樣性指數(shù)為1.004～2.007、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為1.373～2.289的區(qū)域主要包括西藏、內(nèi)蒙古、新疆、青海部分區(qū)域以及中國(guó)中部較少區(qū)域,該區(qū)域景觀類型主要以草地、沙漠未利用地等自然景觀為主,人口分布稀疏,人類對(duì)自然景觀的影響很小,故土地利用景觀的復(fù)雜性較小而一種或幾種景觀類型的優(yōu)勢(shì)較明顯,屬于人類影響最弱區(qū)。多樣性指數(shù)為2.007～3.513、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為0～1.373的區(qū)域位于中國(guó)中南部大部分區(qū)域以及青海、新疆、內(nèi)蒙古部分區(qū)域,該區(qū)域景觀類型以林地、耕地、草地以及建設(shè)用地為主,由于人類活動(dòng)的逐漸增強(qiáng),人類對(duì)自然景觀的影響逐漸加大,導(dǎo)致土地破碎程度增加,景觀多樣性增加,屬于人類影響漸強(qiáng)區(qū)。從圖a,c中景觀多樣性指數(shù)與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的變化可以看出:10年間景觀多樣性指數(shù)增加的區(qū)域集中分布于中國(guó)中南部大部分區(qū)域和新疆、黑龍江大部分區(qū)域,指數(shù)減少的區(qū)域包括浙江、福建和內(nèi)蒙古大部分區(qū)域以及中國(guó)中部較少區(qū)域,而青藏高原幾乎沒(méi)有變化,優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化則與多樣性指數(shù)變化基本相反,這進(jìn)一步反映了人類在景觀格局演變中的影響作用。均勻度指數(shù)描述了土地利用不同類型分配的均勻程度,破碎度指數(shù)反映了土地利用/覆蓋被分割的破碎程度,它與土地資源保護(hù)密切相關(guān)。從圖2e,g景觀均勻度指數(shù)和破碎度指數(shù)分布圖可以看出:均勻度指數(shù)0～27.977的區(qū)域由人類活動(dòng)影響最強(qiáng)區(qū)和人類活動(dòng)影響最弱區(qū)組成,在人類活動(dòng)最強(qiáng)區(qū)域由于人類的活動(dòng)已經(jīng)徹底改變了自然景觀而形成相對(duì)單一的人文景觀,而在人類活動(dòng)最弱的區(qū)域由于人類干擾很少,自然景觀也相對(duì)單一,從而均勻度指數(shù)相對(duì)較低,破碎度指數(shù)也相對(duì)較低,為0.005～0.111。均勻度指數(shù)為27.977～62.5的區(qū)域分布較分散,而均勻度指數(shù)為62.5～85.516的區(qū)域分布相對(duì)集中,主要分布于中國(guó)中南部地區(qū),屬于人類活動(dòng)較密集的區(qū)域。通過(guò)分析10年間土地利用景觀類型的變化,可以發(fā)現(xiàn)此區(qū)域由于人類干擾逐漸加強(qiáng),非農(nóng)建設(shè)用地增加,耕地與林地減少,土地利用景觀的均勻度指數(shù)增加,同時(shí)景觀破碎度指數(shù)增大,為0.537～0.75。這一區(qū)域,人類活動(dòng)愈強(qiáng)烈,景觀的均勻度指數(shù)愈大,土地利用/覆蓋的破碎程度也愈深。從圖2f,h即景觀均勻度指數(shù)和景觀破碎度指數(shù)變化可以看出,10年間中國(guó)西部地區(qū)均勻度指數(shù)與破碎度指數(shù)變化很小,反映了這些區(qū)域人為因素影響還較小。中國(guó)東南部地區(qū)除浙江、福建、云南均勻度指數(shù)與破碎度指數(shù)以減小為主外,其余地區(qū)以增加為主,反映了人類干擾強(qiáng)度增加,也從反映了這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)活躍。3.2土地利用重心的變動(dòng)性通過(guò)土地利用重心遷移模型可以很好地從空間上描述土地利用主要景觀類型的時(shí)空演變過(guò)程[9,10,11,12,13,14]。土地資源分布重心是根據(jù)人口地理學(xué)中常見(jiàn)的人口分布重心原理求得的,其方法為:把一個(gè)大區(qū)域分為若干個(gè)小區(qū),在大比例尺地圖上根據(jù)居民點(diǎn)的分布及地形特點(diǎn)確定每個(gè)小區(qū)幾何中心或旗縣所在地的地理坐標(biāo),然后再乘以該小區(qū)該項(xiàng)土地資源的面積,最后把乘積累加后除以全區(qū)域該項(xiàng)土地資源總面積。這里,重心坐標(biāo)一般以地圖經(jīng)緯度表示。第t年某種土地資源分布重心坐標(biāo)(經(jīng)緯度)計(jì)算方法為:式中:Xt、Yt分別表示第t年某種土地資源分布重心的經(jīng)緯度坐標(biāo);Cti表示第i個(gè)小區(qū)域該種土地資源的面積;Xi、Yi分別表示第i個(gè)小區(qū)域的幾何中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)。利用上述公式,計(jì)算得出中國(guó)80年代末期和90年代末期土地利用重心變化情況(表2)。從中可看出:中國(guó)耕地、林地的重心位于河南省境內(nèi),草地、水域的重心位于青海省境內(nèi),而建設(shè)用地重心位于山東省境內(nèi),未利用地重心位于新疆。在2期數(shù)據(jù)覆蓋的時(shí)間段內(nèi),中國(guó)耕地重心向北偏東偏移20.93km左右,通過(guò)分析兩期的土地利用變化可知,10年間在我國(guó)東北地區(qū)如黑龍江省和內(nèi)蒙古東部土地開墾加劇,大量的草地、濕地變?yōu)楦?同時(shí)東部沿海地區(qū)由于城市建設(shè)用地增加,致使耕地大量流失。這樣,東部與東南沿海地區(qū)耕地減少,而西部地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢,耕地潛力有限,反映在空間上就是在10年間耕地重心向北偏東偏移,由于東南部?jī)?yōu)質(zhì)耕地的減少和東北部劣質(zhì)耕地的增加從而從總體上造成中國(guó)耕地質(zhì)量的下降。中國(guó)林地主要位于東部地區(qū),10年間其重心向南偏西移動(dòng)20.35km左右,由于中國(guó)東北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,用材量的增加,森林大量砍伐,許多林地變?yōu)椴莸鼗蚱渌玫?。而南方雖然森林面積也有減少,但相對(duì)東北地區(qū)生態(tài)環(huán)境較好,砍伐地區(qū)有很多轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖?林地減少也相對(duì)較少,從而在空間上反映為重心向南偏西方向移動(dòng)。10年間中國(guó)草地重心向南偏西方向遷移了18.45km,這同中國(guó)耕地向北偏東方向遷移從空間來(lái)講是對(duì)應(yīng)的。這進(jìn)一步說(shuō)明了在這10年期間,我國(guó)東北黑龍江和內(nèi)蒙古大量草地被開發(fā)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地。生態(tài)環(huán)境的破壞造成草地轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫?從空間上表現(xiàn)為草地重心向南偏西方向的遷移。中國(guó)水域的重心10年間向西南方向遷移了21.51km。建設(shè)用地重心10年間重心向南偏東移動(dòng)27.98km左右,這反映了10年間,由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,東部沿海地區(qū)建設(shè)用地開發(fā)密集,因西北建設(shè)用地發(fā)展相對(duì)緩慢,建設(shè)用地重心的南偏東移動(dòng)。未利用地重心向西北偏移7.21km,反映了10年間未利用地變化相對(duì)緩慢,西部地區(qū)由于生態(tài)環(huán)境破壞,沙漠化的加劇以及人類對(duì)土地的不合理利用,造成草地和其它用地類型轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫?而東南部地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,土地開發(fā)的加劇,使得部分濕地、鹽堿地、荒地等未利用地被開發(fā),東南減少西北增加,空間上反映為未利用地重心的西北偏移。3.3土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況,可以采用馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣模型來(lái)進(jìn)一步描述。馬爾柯夫鏈?zhǔn)且环N具有“無(wú)后效性”的特殊隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程,它反映的是一系列特定的時(shí)間間隔下,一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)由T時(shí)刻向T+1時(shí)刻狀態(tài)轉(zhuǎn)化的一系列過(guò)程,這種轉(zhuǎn)化要求T+1時(shí)刻的狀態(tài)只與T時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān)。這對(duì)于研究土地利用景觀類型動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化較為適宜,這是因?yàn)樵谝欢l件下,土地利用景觀類型演變具有馬爾柯夫隨機(jī)過(guò)程的性質(zhì):(1)一定區(qū)域內(nèi),不同土地利用景觀類型之間具有相互可轉(zhuǎn)化性;(2)土地利用景觀類型相互之間的轉(zhuǎn)化包含較多難以用函數(shù)關(guān)系準(zhǔn)確描述的事件。馬爾柯夫模型在景觀轉(zhuǎn)化上的應(yīng)用,關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)移概率的確定。以基質(zhì)斑塊相互之間面積的轉(zhuǎn)移概率為矩陣中的元素,則轉(zhuǎn)移矩陣模型為:式中:Pij為景觀類型i轉(zhuǎn)化為景觀類型j的轉(zhuǎn)移概率,pij具有以下特點(diǎn):(1)O≤Pij≤1,各元素非負(fù);(2),即每行元素之和為1。馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣模型對(duì)于分析土地利用景觀類型之間的流向具有重要作用,通過(guò)馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣,不僅可以定量說(shuō)明土地利用景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化狀況,而且可以揭示不同景觀類型間的轉(zhuǎn)移速率,從而可以更好地了解土地利用的時(shí)空演變過(guò)程。從10年間土地利用景觀類型狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可以看出:在耕地的減少量中,除少數(shù)轉(zhuǎn)化為草地、林地和水域外,大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,可見(jiàn)10年間城市化、工業(yè)化發(fā)展占用了大量耕地;林地中有1.0%轉(zhuǎn)化為耕地,0.58%轉(zhuǎn)化為草地,特別是東北3省,如黑龍江省,由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)木材的需求增大,森林面積減少很快,同時(shí)大量開荒,耕地面積增加迅速。草地減少量中,除大部分轉(zhuǎn)化為耕地外,約為0.30%轉(zhuǎn)化為未利用地,這也進(jìn)一步反映草地沙漠化的嚴(yán)重性;水域有1.06%轉(zhuǎn)化為耕地,0.66%轉(zhuǎn)化為未利用地,而建設(shè)用地、未利用地10年間變化相對(duì)較小。4土地利用/覆蓋隨立地的特征,其時(shí)空分(1)應(yīng)用遙感與GIS技術(shù),通過(guò)