基于GIS的土地利用时空动态变化分析.docx

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基于GIS的土地利用时空动态变化分析

基于GIS的土地利用时空动态变化分析

摘要：

土地利用结构的变化对区域生态系统的稳定有着重要的影响。

分析土地利用时空变化是研究区域生态环境的重要途径。

以信阳出山丿占水库建设为例，运用RS和GIS技术，对研究区不同时期的遥感影进行解译处理，叠加计算和空间分析，通过生成MARCOV±地转移矩阵，构建单一动态度、综合动态度等模型，定量分析土地利用结构的时空变化特征，以揭示不同时空尺度内土地利用的变化规律。

研究结果表明：

2000-2018年间，研究区在水库建成前后土地利用情况发生了显著变化。

总体特征表现为水域增加明显，增加量达到10%。

林地、建设用地略有增加，耕地显著减少，减少量达到18%。

而且不同时段，土地类型的空间动态度变化差异明显。

2000-2015年除建设用地外，其他类型土地空间动态度变化均较小<>2015-2018年水域和建设用地空间动态度变化尤为剧烈，分别达到98.7%和85.6%o研究成果为区域生态系统健康发展提供决策依据，为未来改善区域生态环境、促进区域生态文明建设、土地资源可持续利用等提供有效基础信息支撑。

关键词：

水库，生态，土地利用，转移矩阵，动态变化

GIS-basedAnalysisofDynamicSpatialandTemporalChangesofLand

Use—taketheconstructionofChushandianReservoirinXinyangasan

example

ZHANGJunhua,WUQing,CHENjing,WANGKun,CHENGJunjie,LUHeng丄IZiwei

（1.mappingandgeographicinformationSchoolofNorthChinaUniversity

ofWaterResourcesandElectricPower.2.SHuifaplanninganddesignco.LTD）Abstract:

ThisessaytakestheconstructionofChushandianReservoirinXinyangasanexampletoexplaintheproblemssuchasthedestiuctiveimpactonthesurroundingenvironmentduringtheconstiuctionofthereservoirproject.WiththesupportofGIStechnology,theessayconductsgeographicalcalculationandspatialanalysisoftheremotesensingimagesandlandusemapsindifferentperiodsoftime.ThroughtheconstructionofMARCOVtransfermatrix,singledynamicdegree,comprehensivedynamicdegreeandothermodels,theessayaimsatdoingquantitativeanalysisofthespatialandtemporalchangesofthecharacteristicsoflandusestructureandrevealingthechangesoflanduselandscapepattern.Theresultsofthestudyindicatethatbetween2000and2018,thelandusesituationinthisareachangedsignificantlybeforeandafterthecompletionofthereservoir.Overall,thewaterarea,forestlandandconstructionlandhasincreasedsignificantly,especiallythewaterarea.Andthecultivatedlandhasdecreasedsignificantlyby18%,Moreover,thespatialdynamicsoflandtypesvarydramaticallyindifferentperiods・Exceptforconstructionland,thespatialdynamicsofothertypesoflandchangedlittlefrom2000to2015・From2015to2018,thespatialdynamicsofwaterandconstructionlandchangeddrastically,reaching9&7%and85.6%respectively.Theresearchresultsprovideessentialinformationsupportforthefutureimprovementoftheecologicalenvironmentofthereservoirarea,thepromotionofecologicalcivilizationconstructioninthereservoirarea,andthesustainableuseoflandresources・Italsoprovidesthebasisfordecision-makingfortherationaluseoflandresourcesandthehealthydevelopmentoftheecosysteminthereservoirarea・

Keywords:

reservoir,ecology,landuse,transfermatrix,dynamicchange

随着社会的发展，人类对自然环境的干扰日益强烈，生态恶化问题是口前人

类生存所面临的严峻问题。

作为自然环境的主要因素之一，土地资源是人类赖以生存和发展的重要资源基础，集中体现了人地关系和地球表层生态系统，在可持续发展及全球环境变化中占有重要地位⑴。

大规模的建设活动和对土地不合理的利用，导致了生态环境破坏，使得“人地”关系之间的矛盾日益突出【2】。

各种类型的土地单元及空间分布组成了土地利用景观格局，反映了人类对自然环境的干扰程度和土地利用/土地覆被变化（LUCC）的结果⑶。

土地利用结构与景观格局变化揭示了人类活动与自然环境的相互关系。

因此，分析土地利用时空变化是研究区域生态系统重要途径。

LI前，很多研究都是基于区域尺度探讨土地利用时空动态变化［4®,部分是针对省、市区级行政边界进行土地利用时空变化及其驱动机制研究⑹。

国内也有一些学者对流域土地利用变化规律进行了研究［7-9】，但大多选取经济发达、人地矛盾比较突出的区域进行较短时间尺度的研究【I。

】。

而以水库建设区域为对象的研究较少，仍有待进一步加强而水库工程在建设的过程中势必对其周围的土地、植被、生物等造成一定破坏，如何在进行水库建设的同时，同时加强对库区以及周边的生态环境的保护，实现其水利利用和生态保护的同时，协调水库建设和生态环境之间的和谐关系，保证人类的进步符合自然的发展规律，实现人和自然的和谐发展，是当前社会面临的一个重要课题。

1研究区域概况

出山店水库位于淮河干流信阳市淤河区游河乡出山店村附近，坝址距下游信阳市约15kmo研究区位于坝址上游，信阳市西北部，面积约958km2,海拔分布范围在0~450m,低于6。

坡度土地占到75%。

研究区的高程、坡度、坡向的分布充分体现了库区的地势平坦的特点。

出山店水库控制流域面积2900km2,总库容12.51亿m3淇中防洪库容6.91亿m3、兴利库容1.45亿m3）,水库水面面积81.9km2,将在信阳市形成一个新的水利风景区和旅游景观。

出山丿占水库研究区地貌类型主要为低山、丘陵、岗地和河谷地貌；北亚热带湿润型气候，年降水量800~1200mm,多年平均气温为15.0°C：

土壤类型主要为水稻土和黃棕壤，植被以落叶针阔林类型为主，常绿针阔林与落叶针阔林交替状态并存，具有南北树种草种兼备特点；研究区所在地为信阳市平桥、狮河两区，地势平坦，交通便利,人口稠密，群众相对富裕，区域内有宇西铁路（高于淹没线）、312国道等重要道路，乡镇公路网也很发达，库区最远至信阳市不过儿十公里。

社会经济传统上依赖农业以及预制厂、砖窑厂、农产品加工厂、养殖厂等村办、自办企业为主，最

大规模企业年产值在500万元左右。

图1研究区域地理位置

Fig.1Geographicallocationofthestudyarea

2数据来源

本研究所使用的数据包括遥感数据、DEM数据，河网、水系等均来自中国科学院资源与环境科学数据中心。

2000年、2003年、2010年、2013年、2018年数据源分别来自于LandsatTM和Landsat0LI遥感数据，分辨率为30m*30m。

遥感数据时相均为5月中旬一9月中旬。

根据研究区的范围，首先利用ENVI软件进行图像的裁剪镶嵌、波段融合等处理）匕再结合统计•资料、地形图及GoogleEarth同期地面资料，建立解译标志，采用人机交互的监督分类方法进行解译，最后生成可用于进行土地利用变化分析的研究区栅格影像数据。

经野外调查验证其准确率达到92%,满足本研究需要。

3研究方法

3.1生成转移矩阵生成

土地利用转移矩阵是Markov模型的应用，研究不同土地利用类型间相互转化的定量方法，它不仅可以定量地表明不同土地利用类型之间的互相转化情况【罔，还可以揭示不同土地利用类型间的转化速率【啊。

土地利用类型直接相互转化的初始转移概率矩阵S和Markov过程的基本方程分布为庶1：

几％…S、

s=（sj=:

J

/aiSr…Sq.

式中：

加为研究区土地类型数；S’,为研究初期到末期类型£转移为类型j的概率，Maikov过程的基本方程

S（方+1）=s（Cs

式中：

系统/+1时刻状态向量SC+1）111/时刻的状态向量SC）和转移概率

P确定。

3.2.土地利用结构变化模型

3.2.1土地利用结构幅度变化

土地利用变化幅度是指土地利用类型面积的变化，它反映了不同土地利用类型在总量上的变化［⑹，其数学模型为

K,=rb-va

（1）

—巴亠

（2）

-TT

式中：

心为研究时段内某一土地利用类型的总变化幅度；心为研究时段内某

一土地利用类型的年变化幅度；冬、乙分别为研究期初和期末某一土地类型的面积；T为研究时间段

3.2.2土地利用结构变化速度

土地利用结构变化速度是指以对某一时段内的土地利用的类型面积变化进行研究【"°包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。

单一土地利用动态度是指某研究区某一时间段内某种土地类型的数量变化情况【⑹

1.单一类型动态度P

R=冬匕x-x100%（3）

1VT

SL

式中，q为研究时段内某种土地类型利用动态度；岭和匕分别为研究期末和

期初某土地类型的数量；T为研究时间段

2.单一类型土地空间变化动态度E

■

P,表示某一土地类型在某时间段上的空间变化动态度，计算公式为:

■

式中：

为研究时段内其他类型土地转化为该类型土地的面积；、u肿研究时段内该类型土地转化为其他类型土地的面积；□为研究期初该土地类型的面积；

3.综合土地利用动态度

表示某一区域土地利用的整体动态，表示研究时段内各种土地利用类型间的互相转化，揭示区域土地利用变化的剧烈程度，能够反映出不同空间尺度上的土地利用变化的热点区域［】9】，对于预测未来土地利用变化趋势有重要作用如。

计算公式为

式中：

Z&为研究时段内综合士地利用动态度；厶6为起始时刻第i类土地利用类型的面积；厶c..为研究时段内第i类土地利用类型转化为其他土地利用类型面积的绝对值；T—为研究时段长度。

利用2000年一2018年土地利用数据由式（7）计算值为：

为耕地11.79、林地1.17、草地0.09、水域1.16、建设用地0、对△厶c,求和,其值为

yt=95809.41,

14211

带入式（7）,计算可得山=一匕丄一x土x100%=0.0015%

2x95809.415

同理计算可得:

2005年一2010年:

Za=3.5788%

2010年一2015年:

La=3.7099%

2015年一2018年:

La=6.5755%

4数据处理及结果分析

利用ARCGIS10.2软件强大数据处理及空间分析功能，对不同时期的遥感影像或土地利用图进行处理，以2000、2005、2010、2015、2018年五期遥感影像解译后得到的土地利用数据为基础，按照LUCC（土地利用/覆被变化）分类体系和GB/T21010-2017《土地利用现状分类》分类系统，将研究区域土地利用类型分为五大类㈤：

耕地、林地、草地、水域、建设用地.将各年的土地进行重分类，采用空间叠加方法，对任意两期土地利用/覆被图进行叠加处理，获取土地利用转移矩阵，分析相邻时间段土地利用变化情况，构建土地利用变化动态模型，揭示不同土地利用类型间的转化趋势和转化速度，分析出山店水库库区2000-2018年间土地利用变化的时空间变化特征。

4.1土地利用转移矩阵生成

利用ARCMAP叠加功能，按照耕地、林地、草地、水域、建设用地五大类，将各年的土地进行重分类，采用空间叠加方法，对任意两期土地利用/覆被图进行叠加处理，获取土地利用转移矩阵。

见表1.

表12000-2018年土地利用转移矩阵（hmf

类型

耕地

林地

草地

水域

建设用地

总面积

耕地

30660.18

10035.05

993.74

8592.84

5031.61

55313.42

林地

5693.15

22907.44

1003.01

740.48

686.73

31030.81

草地

819.21

1069.82

739.57

52.57

217.93

2899.09

水域

494.35

419.09

150.58

2589.97

68.68

3722.42

建设用地

918.58

245.77

33.93

624.63

1020.51

2843.42

总而积

38585.48

34677.16

2920.82

12600.49

7025.46

95809.41

2018年

2000

年

Table1TransfermatrixofLandusetypesnfrom2000to2018

4.2土地利用类型面积变化分析

从表匕2图2,3,4可以看岀，2000—2018年出山店水库库区的土地利用类

型变化表现为:

（1）就研究区域的土地利用类型面积变化总幅度而言，在研究时段内土地利用

结构类型发生了较大的变化，耕地和水域面积变化显著，林地、建设用地略有变化，面积变化较小的为草地。

其中耕地面积减少的最多。

水域面积增加的最多,其次是建设用地和林地，草地面积增加的较少。

各年份土地类型面积走势图

20000

10000

图22000-2018各类型土地变化趋势图

Fig.2Changetrendoflandusetypefrom2000to2018

（2）水域的变化幅度最大,从2000—2018年，18年间共增加了8877.94hm:

年平均增加739.82hm2,所占土地总面积比例由3.85%提高到13.15%,年增长率达到7.11%,水域面积的增加主要是水库建成后，水面面积的加大。

耕地面积大幅减少，由2000年的55319.29hm2降为38585.48hm2,18年间共减少16733.81hm2,所占土地总面积比例III,57.72%减少到到40.27%,年减少率为1.99%。

耕地面积的减少主要因为水库蓄水淹没，淹没区涉及狮河区游河乡、吴家店镇和平桥区平昌关镇、甘岸办事处，合计4个乡镇，总面积61.25km2,其中库区59.56km2,坝区1.69km2»淹没区处居民点外，主要为耕地。

此外，建设用地增加的幅度也较大，由2000

表22000-2018年各时期土地利用总变化幅度（hm?

）

Table2Totalrangeoflandusechange2000to2018

时间

地类

2000—2005

2005—2010

2010—2015

2015—2018

2000—2018

耕地

-10.53

-17018.84

17014.34

-16718.78

-16733.81

林地

11.07

20477.12

-20698.12

3863.09

3653.16

草地

-0.16

-2709.43

2696.1

74.69

81.27

水域

-0.16

-406.78

408.4

8876.48

8877.94

建设用地

0

-342.06

597.26

3944.53

4181.73

年的2842hm'增长到2018年的7025hm2,所占土地总面积比例山，2.91%提高到

7.33%,年均增长率为5.1%。

这主要因为近20年来，中国经济快速发展，人口持续增长，产业结构不断调整，城市化进程加快，交通、住房等基础设施建设都要相应跟进，导致建设用地不断增加与耕地面积不断减少的矛盾日益突出。

（3）虽然总的的看来，各类土地都有不同的变化，但从图2及图3可以看出，每一类地的变化趋势差别很大。

耕地虽然在2000年一2005年各土地利用类型变化幅度都很微小，但是在2005—2010年耕地减少17018.84hm：

林地增加了20477.12hm2,草地减少了2709.43hm：

水域减少了406.78hm2o在2010—2015年耕地增加了17014.34hm2,林地减少720698.12hm2,草地增加T2696.1hm2,水域增加了408.4hm\两个研究时段相同土地利用类型面积变化呈对称型变化。

研究时段内各土地类型变化幅度

30000

•2000—2005■2005—2010■2010—2015«2015—2018

20000

10000

0-10000-20000-30000

图3研究区域不同时段土地利用变化幅度

Fig4rangeoflandusechangeindifferentperiodsinthestudyarea

43土地利用时空动态变化分析

从表3,4以及图5可以看出：

1.从单一动态度变化来看，从2000年一2018年，土地利用变化的整体趋势是，耕地呈减少的趋势，其他用地呈增加的趋势，水域增加的最为明显，达到13.2495%,耕地减少最明显，达到-1.6805%。

但具体变化过程却不同。

笫一第二阶段，除林地外，都表现出持续减少的态势，即人为负值。

此后，水域，草地都表现出持续增加的态势，即珥为正值，而耕地却逐年减少。

2015-2018减少的最

多,达-10.0769%。

2.单一类型土地利用动态度反映了某一土地类型转入与转出面积变化速率的差值，没有考虑土地空间区位的相关属性，不能揭示土地利用空间动态变化的转移过程，而单一类型空间变化动态度只可以更为准确地反映单一丄地利用类型转移量的

■

动态变化过程。

从表4中可以明显的看出，在2000年一2005年各土地类型间的转化特别小，儿乎不存在变化。

但是在2005年一2010年与2010年一2015年两个阶段，空间变化动态度都较大，均超过了10%以上。

从2015-2018年，各类用地空间动态度变化进一步加剧，耕地，林地，草地，建设用地转入与转出都是比较明显的。

尤其是水域达到98.6792%,建设用地85.5102%。

因为耕地的基数比较

表32000-2018年各时期单一土地利用类型动态度（P,）

Table3

Singletype

dynamicdegreeinlandusefrom2000to2018

丄M

2000-2005

2005-2010

2010-2015

2015-2018

2000-2018

土地尖生

P\

珂

耕地

-0.0038%

-6.1541%

8.8871%

-10.0769%

-1.6805%

林地

0.0071%

13.1966%

-8.0362%

4.1789%

0.6542%

草地

-0.0006%

-18.6892%

283.7552%

0.4007%

0.1557%

水域

-0.0008%

-2.4124%

2.4635%

79.4527%

13.2495%

建设用地

0.0000%

-2.4057%

4.6310%

42.6768%

8.1695%

大，虽然转出率较高，但只值却最终不是最大。

总体而言，研究区域的土地利用结

■

构变化剧烈，但在空间格局上变化并不大。

3.从综合利用动态度看，2000年一2005年Za极小，所以土地利用儿乎不发生变化，在2005年一2010年出为3.5788%,2010年一2015年厶为3・7099%,2015

年一2018年厶为6.5755%o2005年一2010年的土地利用变化剧烈程度与2010年一2015年的土地利用变化剧烈程度儿乎持平，2015年一2018年的土地利用变化程度高于2005年一2010年和2010年一2015年的土地利用变化程度。

图4研究区域不同时段单一土地利用类型动态度及空间变化动态度

Fig.4SingletypeandSpatialvariationdynamicdegreeoflandusechangein

differentperiodsinthestudyregion

表42000-2018年各时期上地利用类型空间变化动态度（E）

Table4TheSpatialvariationdynamicdegreeinlandusefrom2000to2018

丄伽*用1■

2000-2005

2005-2010

2010-2015

2015-2018

土地尖生

—

p2

A

P.

—

耕地

0.0041%

10.9436%

16.0900%

19.5014%

林地

0