近30年对干旱区内陆河流域土地利用/土地覆被转换的监测
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摘要：基于1989、2000和2014年的3期Landsat卫星图像数据，采用Intensity analysis方法，从时间间隔、类型和转换3个水平上分析了新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域2个连续的时间间隔中7个土地利用类型之间的转换特征。结果表明，从1989-2000年时间间隔到2000-2014年时间间隔内，流域土地利用的变化整体上由活跃趋于平缓。从第一个时间间隔（1989-2000年）到第二个时间间隔（2000-2014年），未利用地、草地和耕地的年增加面积都较大，但增加速率减小了；草地减少的变化有所减缓，而增加的变化趋于活跃；未利用地减少的变化较为平缓，而增加的变化趋于活跃；水域和建设用地的增加和减少变化都很活跃。从第一个时间间隔到第二个时间间隔内，草地的年减少面积主要是向未利用地转换，其次是耕地；两个时间间隔内，未利用地的增量第一个时间间隔内主要依靠草地和冰雪地的转入，第二个时间间隔内主要来自草地和耕地的转入；两个时间间隔内，耕地的增量主要来自草地和未利用地的转出，并且各土地利用类型向耕地的转出强度都减弱了。
关键词：土地利用；土地覆被；时空变化特征；玛纳斯河流域
中图分类号：F301.24 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5500-07
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.21.016
Monitoring of Land Use/Land Cover Transformations in Inland River Basin of the Arid Area in the Recent 30 Years：Taking Manasi River Basin in Xinjiang as an Example
TANG Xiao-ying，TANG Xiang-ling
（Department of Geography， College of Science，Shihezi University，Shihezi 832000，Xinjiang，China）
Abstract： On the basis of landsat thematic mapper satellite imagery of 1989， 2000， and 2014， and by using intensity analysis method， the characters of transitions among seven land categories during two consecutive time intervals were analyzed from three levels of the time interval， category， and transition. The results showed that， the change of land use was slowing down in the basin from time interval of 1989 to 2000 to time interval of 2000 to 2014. The unused land， grassland and farmland had larger size of annual gains during both time intervals， but the increasing rate decreased； the change of grassland decreased gently， and the change of increase was more active； the unused land lost gently， but it gained actively. Water and building land gained and lost very actively. From the first time interval to second time interval， grassland lost first to unused land and second to farmland in terms of the area of the annual transition； the increase of unused land was mainly from the grassland， ice and snow in the first time interval and from the grassland and farmland in the second time interval； in the two time intervals， farmland gained mainly from grassland and unused land in terms of the area of the annual transition， and the intensity of the land use types to the farmland was reduced.
Key words：land use；land cover；temporal and spatial change characteristics；Manasi river basin
土地利用/土地覆w变化（Land use and Land cover change，LUCC）是陆地生态系统变化的主要表现，是当前全球变化的重要研究方向之一，也是全球环境变化研究领域的热点和前沿课题之一[1-5]。土地利用是人类根据一定的经济和社会目的进行的土地开发利用活动。土地覆盖是由于自然变化和人工建造活动而形成的覆盖状况。土地利用变化通常会使其土地覆盖发生变化，Turner等[6]将这种变化分成了转换（Conversion）和渐变（Modification）两种类型，其中，转换是指一种土地覆盖类型全部转变成另一种类型，土地属性发生本质变化，如森林转变为耕地；渐变则是同一种土地覆盖类型中的局部性变化，但土地属性未发生本质变化，如森林的间伐或疏伐等。此外，维护（Maintenance）是指让土地覆盖保持一定的状态，也是人类活动影响土地覆盖的一种形式[7]。土地利用/土地覆被变化是自然与人文过程交叉最为密切的问题，体现了具体的人地关系[8-11]。土地利用变化可以使土地覆盖发生变化，而土地覆盖的变化将影响土地利用决策，进而改变土地利用方式[12，13]。
在LUCC的研究中，通常采用转换矩阵方法来定量分析同一区域、不同时间的土地利用类型的相互转换关系，常用二维表来表达，二维表可以呈现各个地类间相互转换的具体情况；也可以通过生成变化统计栅格图（掩膜图像）来呈现，该图表示了前后两幅土地分类图之间的地类发生转变的位置和类别。但是这种传统的分析方法并不能够充分地对LUCC的特征进行定量和系统的分析[14]。Aldwaik等[15]基于普拉姆1985、1991和1999年3年的土地利用图，采用提出的Intensity analysis方法定量地分析了不同时间点、不同土地利用类型的转换过程，并与传统的马尔科夫方法进行了比较，显示该方法能够提供更多的土地利用的变化信息。Mallinis等[16]基于Intensity analysis方法对雅典城郊山区的土地利用/土地覆被变化进行了监测，并分析了土地利用变化的驱动因素。Huang等[14]和栗健等[17]也运用了该方法分别对中国南方九龙河流域的土地利用变化和中国气象干旱变化格局和过程进行了分析，从时间间隔、干旱等级变化和转换3个层面分析了各自的变化规律。
鉴于此，本研究基于1989、2000和2014年的Landssat卫星影像数据，采用Aldwaik等[15]提出的Intensity analysis方法，对玛纳斯河流域1989-2014年的土地利用/土地覆盖的时间和空间分布特征进行了分析，以期能够定量分析玛纳斯河流域土地利用的时空规律。
1 研究区概况与方法
1.1 研究区概况
玛纳斯河流域位于新疆天山北麓、准噶尔盆地南缘，是一个典型的中国西北干旱区流域，是新疆最大的绿洲农耕区，也是中国第四大灌溉农业区。地理位置43°09′-46°55′N，84°35′-86°49′E，流域总面积约34 000 km2，地势由东南向西北倾斜，海拔最高 5 259 m，最低168 m。由南向北依次分为山地、山前平原和沙漠三大地貌类型区，流域属内陆干旱区，夏季炎热干燥，冬季寒冷多风，年均气温6.8 ℃，年降水量为110～200 mm[18]，年蒸发量为1 500～2 000 mm。玛纳斯河起源于天山支脉依连哈比尔尕山的高山冰雪区，是流域内最大的河流，向北经红山嘴流入绿洲平原，穿过古尔班通古特沙漠最后注入玛纳斯湖[19]。
1.2 数据来源与处理
选取的数据有玛纳斯河流域3个时期的Landsat遥感影像，分别为1989年的Landsat TM、2000年的Landsat ETM+和2014年的Landsat OLI数据（表1）；分辨率为30 m的ASTER GDEM V2版的DEM数据（数据来源于中国科学院计算机网络信息中心网站http：//）。选取无云或少云的遥感影像和DEM，在ENVI5.1的支持下进行了镶嵌和裁剪，并将坐标系统统一为Albers_Conic_Equal_Area投影，基准面为WGS_1984，中央经线为105°E。
本研究遥感影像分类在ENVI5.1中完成。首先，数据预处理。分别进行了1989、2000和2014年玛纳斯河流域遥感影像图的NDVI和ISODATA非监督分类计算，在进行ISODATA分类时，最大分类数量设置为10，迭代次数设置为10。将获得的玛纳斯河流域的DEM、NDVI、ISODATA和近红外、红、绿波段进行波段组合，得到一个6波段的文件。然后，选取训练样本。根据玛纳斯河流域的实际土地利用情况和遥感影像的纹理信息和光谱特征，将研究区土地利用类型划分为冰雪地、建设用地、水域、耕地、林地、草地和未利用地7个类型。在3期影像中，分e选取一定数量的7类土地利用的训练样本，并保证训练样本的可分离度在1.8以上。最后，获取规则和应用规则分类。根据选择的训练样本，基于CART算法获取决策树规则，进行决策树分类，最终提取出玛纳斯河流域土地利用信息。使用混淆矩阵方法检验遥感影像分类的精度，1989、2000和2014年遥感影像分类的Kappa指数分别为0.822、0.768和0.899。
1.3 Intensity analysis方法
研究主要采用了Aldwaik等[15]提出的Intensity analysis方法进行分析。Intensity analysis方法是运用转移矩阵分析同一区域、不同时间点的土地利用和土地覆盖的变化，分别在时间间隔、类型和转换3个水平上探究土地利用变化强度规律。根据文献[15]，Intensity analysis的公式和含义见公式（1）-（8）。以下是这8个公式中出现字母的含义：J为类型的数量；下标i表示一个特定时间间隔的初始时间点的类型；下标j表示一个特定时间间隔的终止时间点的类型；下标m表示向其他土地利用类型转换的类型；下标n表示由其他土地利用类型转换而来的类型；T为时间点的数量；Yt为时间点t的年份；下标t表示时间间隔[Yt，Yt+1]的初始时间点，范围是[1，T-1]；Ctij为从时间点Yt的i类型转换至时间点Yt+1的j类型的象元个数。
1.3.1 时间间隔水平 时间间隔水平的分析，可以说明各个时间间隔内，各土地利用类型整体上的年变化速率是相对快还是慢。公式（1）中，定义了研究区景观从上一个时间间隔到下一个时间间隔内年平均变化率，U是Intensity analysis均值线的值。公式（2）中，St定义为某个时间间隔内景观的年变化率，是时间段[Yt，Yt+1]的年变化强度。
U=×100%=×100% （1）
St=×100%=×100% （2）
1.3.2 类型水平 类型水平上的分析结果可以说明各时间间隔内各土地利用类型的变化是相对平缓还是活跃。公式（3）中，Gtj为[Yt，Yt+1]间隔中j类型的年增加强度。公式（4）中，Lti为[Yt，Yt+1]间隔中i类型的年减少强度。
Gtj=×100%=×100% （3）
Lti=×100%=×100% （4）
1.3.3 转换水平 表示各个土地利用类型在各个时间间隔内与其他土地利用类型相互转换的强度。公式（5）中，Wtn为[Yt，Yt+1]间隔中从时间点Yt的非n土地利用类型转换至n类型的年平均强度。公式（6）中，Rtin为[Yt，Yt+1]间隔中从i土地利用类型转换至n（n≠i）类型的年转换强度。公式（7）中，Vtm为[Yt，Yt+1]间隔中从末时间点Yt+1的m土地利用类型转换至其他所有类型的年转换的平均强度。公式（8）中，Qtmj为[Yt，Yt+1]间隔中从m土地利用类型转换至j（j≠m）类型的年转换强度。
Wtn=×100%=×100% （5）
Rtin=×100%=×100% （6）
Vtm=×100%=×100% （7）
Qtmj=×100%=×100% （8）
1.4 Intensity analysis的数据处理
为了进行Intensity analysis，对研究区1989-2000年和2000-2014年这两个时间间隔研究区的面积（像元数目）计算了转移矩阵，具体见表2和表3。
2 结果与分析
2.1 玛纳斯河流域年际土地利用变化
图1显示了玛纳斯河流域1989、2000和2014年3个年份的土地利用情况。1989-2014年，玛纳斯河流域土地利用状况发生了较大的变化，整体上未利用地、草地、冰雪地、林地和水域这5类土地利用类型呈减少趋势，而耕地和建设用地表现出较明显的增加趋势。
研究区的总面积约为34 140.7 km2，1989-2000年，草地、冰雪地和林地的面积都呈减少的趋势，而未利用地、耕地、水域和建设用地的面积呈现增加的趋势。期间，草地面积从11 192.5 km2减少到9 992.0 km2，占流域面积的比例从32.8%降低到29.3%；冰雪地减少的幅度较大，12年间面积减少了925.6 km2，所占总面积比例从5.8%降低为3.1%；林地面积由1 048.3 km2降为479.2 km2，面积所占比例从3.1%降为1.4%。未利用地在此期间增幅较大，面积从14 885.3 km2增加到16 646.6 km2，占研究区总面积的比例由43.6%增加到48.8%；水域面积也呈增加的趋势，面积增加了184.3 km2；耕地面积增加了717.6 km2，占流域总面积的比例从14.1%升至16.2%；建设用地增幅显著，面积由21.4 km2增至53.5 km2。
2000-2014年，未利用地和水域面积有一定减少，其他5类土地利用面积都呈增加趋势。耕地增量最大，面积所占总面积的比例由16.2%升至22.8%，增加了2 281.6 km2；建设用地和冰雪地也有一定的增幅，面积分别增加了51.6 km2和630.5 km2；未利用地面积降幅显著，这15年间面积减少了3 274.6 km2，所占总面积的比例由48.8%降为39.2%；水域也呈现较为明显的下降趋势，面积减少了222.0 km2。
2.2 玛纳斯河流域土地利用转换时间强度分析
图2为时间间隔水平的强度分析结果，时间间隔水平上的分析能够说明不同时间间隔的变化规模和速度。图2中，垂直轴表示时间间隔，坐标原点的左侧水平横条表示每个时间间隔的土地利用类型转换的总面积占总面积的比例，坐标原点的右侧水平横条表示每个时间间隔内年的转换强度，用年变化面积所占总面积的百分比表示。水平的虚线即均值线，表示年平均变化强度。如果水平横条超过均值线，表示该时间间隔内土地利用类型转换相对较快，反之则相对较为缓慢。
间隔水平上，图2左侧呈现了第一个时间间隔内（1989-2000年）的土地利用转换规模大于第二个时间间隔（2000-2014年）的规模，而且第一个时间间隔的持续期比第二个时间间隔少3年，图2右侧显示了第一个时间间隔内的年变化速率实际上比第二时间间隔快0.73个百分点，这就解释了研究区土地利用转换规模第一个时间间隔比第二个时间间隔大的现象。该水平上的分析仅表明了两个时间间隔内，玛纳斯河流域土地利用的总体转换速率减缓了。
2.3 玛纳斯河流域土地利用类型转换强度
图3显示的是土地利用类型水平上的强度分析结果，左边的横条表示玛纳斯河流域某一种土地利用类型年增加或减少的面积，右边的横条表示的是某一种土地利用类型年增加或减少的强度。
对图3a和图3b进行对比可以看出，整体上第一个时间间隔内各土地利用类型的年减少面积和增加面积都较第二个时间间隔更大，这说明研究区各土地利用类型的减少和增加变化从第一个时间间隔到第二个时间间隔内明显地减速了。由图3还可以看出，两个时间间隔中，未利用地年增量都最大，并且年增量从第一个时间间隔到第二个时间间隔速度减缓了；草地和耕地的增量分别排第二位和第三位，与未利用地有着相似的变化规律。就减少变化具体而言，第一个时间间隔内，冰雪地、未利用地、草地、耕地和林地面积都有较大规模的减少；而第二个时间间隔内，各土地利用类型的年减少面积都很小。从1989-2014年，草地、耕地和未利用地的年变化面积位列前三位并依次递减，而在1989、2000和2014年这3个时间点上，这3种土地利用类型占总面积的比例也是最大的三类，未利用地在各个时间点上所占面积最大，草地次之，耕地居第三位，在某种程度上表明，在土地利用类型转换过程中，大面积的土地利用类型会有大面积的转换量，也可能是由土地利用类型的活跃程度所致。
图3的右侧显示了水域在两个时间间隔内增加和减少的横条都超过了均值线，这表明水域在1989-2014年增加和减少的变化都是非常活跃的，由于水域占研究区总面积的比例较小，因此在两个时间间隔内水域增加和减少的面积都很小。建设用地的增加强度仅次于水域，但占景观总面积的比例很小，所以变化的规模也很小。冰雪地有着相似的变化规律。未利用地减少的横条都未达到均值线，表明在两个时间间隔中，未利用地减少的强度小于景观水平。而未利用地增加的横条第一个时间间隔内接近于均值线，而在第二个时间间隔中超出了均值线，这表明未利用地从第一个时间间隔到第二个时间间隔中增加的变化趋于活跃。草地减少的变化从第一个时间间隔到第二时间间隔有所减弱，而草地增加的横条两个时间间隔内都延伸至均值线右侧，这表明草地比其他景观增加的强度更强。耕地的减少变化都相对平缓，增加变化趋于活跃，由于耕地在总面积的比例较大，所以耕地在两个时间间隔中都有着大的变化规模。
2.4 玛纳斯河流域土地利用转换强度分析
图4显示了草地、未利用地和耕地增加或者减少的转换强度分析结果。图4左侧的水平横条显示了某种土地利用类型和其余类型之间转换的年度变化面积，右侧的水平横条显示了某种土地利用类型和其余类型之间的转换强度，垂直的虚线表示年变化强度的平均值。图4a和图4b给出了草地减少的转换强度分析，可以看出，草地减少时，转出为未利用地是最大的转换，其次是耕地。再分析图4a和图4b的右侧，未利用地的右侧横条第一个时间间隔内极接近于均值线左侧，第二个时间间隔内略微超出均值线右侧，这意味着第一个时间间隔中，草地向未利用地的转换较为平缓，第二个时间间隔中，草地向未利用地的转换又有所加强；而耕地的右侧横条第一个时间间隔内超出均值线较多，但第二个时间间隔内距离均值线左侧还有一段距离，这表明第一个时间间隔中，草地主要向耕地转出，而到第二个时间间隔中，草地向耕地的转出的强度又平缓了。由此可知，草地在1989-2014年整体上一直呈现转出的趋势，但其间转换的方向与速度却是在变化的。
图4c和图4d给出了1989-2000年和2000-2014年两个时间间隔内未利用地转换水平上的增加情况。图4c和图4d左侧显示，未利用地的增量主要来自草地、耕地和冰雪地这3种土地利用类型的转入，第一个时间间隔内未利用地的增量主要来自草地和冰雪地，而第二个时间间隔内未利用地的增量主要来自草地和耕地的转入。再分析图4c和图4d的右侧，两个时间间隔内冰雪地转出到未利用地的强度是最大的，草地D出到未利用地的强度由第一个时间间隔到第二个时间间隔有明显的减弱，而耕地和水域的转出强度都有明显的增强。但由于冰雪地和水域在总面积中所占的百分比很小，所以在研究期间它们的变化面积也较小。
图4e、图4f分别代表1989-2000年和2000-2014年时间间隔各土地利用类型转入耕地的情况。图4e、图4f左侧表明，耕地的增量主要来自草地和未利用地的转出。图4e、图4f右侧表明，从第一个时间间隔到第二个时间间隔各土地利用类型转出到耕地的转换强度整体上减弱了，草地、水域和建设用地转出到耕地的过程较活跃，而未利用地等转出到耕地的过程比较缓慢。
3 结论
基于遥感影像、ENVI软件、GIS软件和Intensity analysis方法，分析了新疆玛纳斯河流域1989、2000和2014年3个时间点间的LUCC，得到了以下结论。
1）1989-2014年，玛纳斯河流域土地利用状况发生了较大的变化，整体上未利用地、草地、冰雪地、林地和水域这5类土地利用类型呈减少趋势，而耕地和建设用地表现出较明显的增加趋势。从1989-2000年时间间隔到2000-2014年时间间隔内，玛纳斯河流域土地利用的变化由活跃趋于平缓，总的变化面积也由26.36%下降至23.40%。
2）从第一个时间间隔到第二个时间间隔内，所有土地利用类型的增加和减少变化都明显减慢。1989-2000年和2000-2014年两个时间间隔内，未利用地、草地和耕地的年增加面积都较大，而且从第一个时间间隔到第二个时间间隔内，增加速率减小了。水域和建设用地的增加和减少变化都较为活跃，由于在景观中所占面积比例小，面积增量都不大。未利用地的减少变化较为平缓，而增加变化是趋于活跃的。草地的减少变化比较平缓，而增加变化两个时间间隔内都很活跃。耕地的减少变化两个时间间隔中都较平缓，而增加变化从第一个时间间隔到第二个时间间隔内由活跃转向于平缓。
3）转换层次的分析表明，从第一个时间间隔到第二个时间间隔内，草地减少的主要方向是未利用地，其次是耕地。就转换强度的分析表明，草地的减少第一个时间间隔内倾向于耕地，而第二个时间间隔内转向于未利用地。未利用地的增量第一个时间间隔内主要来自草地和冰雪地，而第二个时间间隔内主要来自草地和耕地的转入。两个时间间隔内，未利用地的增加都倾向于来自冰雪地的转入，但由于冰雪地的面积占景观的比例小，所以并没有大规模的向未利用地转入。未利用地的增加从第一个时间间隔到第二个时间间隔内已经从倾向于草地转向避免草地。研究期间，耕地的增量主要来自草地和未利用地的转出，并且各土地利用类型向耕地的转出强度都减弱了。
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