汾河上游土地利用类型动态变化研究

2013-10-23马晓勇张国信党晋华梁博张峰

山西大学学报（自然科学版） 2013年2期

马晓勇，张国信，党晋华，梁博，张峰

（1.山西省环境科学研究院，山西太原 030027；2.山西大学生命科学学院，山西太原 030006）

0 引言

生态环境是人类生存和发展的基本条件，是社会经济发展的基础［1］.人类进入20世纪以来，社会经济不断飞速发展，同时也造成环境污染、水土流失、植被退化等一系列生态问题.森林、湿地、农田等生态系统面积逐年减少，建设用地等生态系统面积逐年增加，生态系统的平衡已被打破.保护生态环境，改善生态环境质量已成为当今社会一项重要而紧迫的任务.土地利用／覆被变化是生态环境变化的核心研究主题之一，土地利用及其变化信息已成为研究区域生态环境的重要基础数据.目前，国内外学者研究主要集中在土地利用／覆被变化信息获取、变化机制研究和对其他环境要素的影响等方面，主要问题包括数据的规范化、尺度转换、跨学科和人类影响因素定量化等［2］，对于以行政界划分的汾河上游地区，目前还未进行过大时间尺度的研究.

遥感技术具有宏观、综合、动态和快速的特点，在GIS平台的支持下，已经成为资源开采、环境变化等区域性和全球性问题的重要研究手段［3］.

汾河是黄河的第二大支流，也是三晋人民的母亲河.汾河发源于晋西北宁武县西南管涔山雷鸣寺上游，由北向南纵贯山西省.流域面积约为39471km2.从行政区域划分，汾河上游是指宁武、静乐、岚县和娄烦四县，该区域生态环境的好坏直接关乎汾河的水量及水质，可以为管理部门行政监管汾河流域生态环境提供决策性依据.1990-2010年是我国经济社会高速发展的时期，研究这一时期的汾河上游地区土地利用及其变化，建立该时期生态环境基础数据库，对于加强汾河上游生态环境保护与建设，促进汾河流域及山西省社会经济可持续发展具有重要意义.

1 遥感监测技术方法

1.1 数据源

数据选取1990年Landsat TM数据和2010年Landsat TM数据，空间分辨率为30m.数据时相均为8月，影像时相一致.辅助数据选取研究区1∶50000地形图、研究区行政矢量电子数据和相关年份统计资料.

1.2 遥感影像处理

应用ENVI4.7影像处理软件，将两期TM数据4、3、2波段合成为假彩色影像，在研究区1∶50000地形图基础上，应用双线性内插法对2010年研究区影像进行几何纠正.再以2010年研究区影像为基础，采用相同方法，对1990年研究区影像进行纠正，对两期影像进行镶嵌和影像裁切后见图1.

图1 研究区遥感影像图Fig.1 Remote sensing image of research area

1.3 遥感影像解译

借鉴土地利用遥感调查分类体系［4-7］，结合遥感影像的地面分辨率和汾河上游生态环境的实际状况，将汾河上游的生态环境划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地等6类（表1）.根据生态环境类型的影像特征及其地理分布特点，应用ENVI软件非监督分类模块的属性编辑器确定其类别属性，进行人机交互解译，即将非监督分类后的分类属性表经光谱聚类处理转化成适用于监督分类的分类模板［8］，而后进行监督分类.对于碎斑，采用聚类统计的方法按照统计结果将剔除的小图斑合并到相邻最大地类中，最后将各分类图斑的属性值恢复为原始分类编码，完成分类后处理［9］.在研究区选取200个检验点，采用目视解译的检验方法，对分类结果进行检验，经验证，1990年影像分类精度为78.34%，2010年影像分类精度为80.12%，满足分类精度的要求，两期土地利用图如图2（P310）.

表1 汾河流域土地利用类型分类系统表Table 1 Land use classification systems in Fenhe River Basin

2 生态环境现状调查及动态变化分析

通过遥感影像处理及解译，汾河上游地区两期土地利用数据见表2（P310）.应用ARCGIS软件进行土地利用类型及其动态变化判读、矢量数据处理和数据统计分析，建立土地利用遥感监测数据库.采用ARCGIS空间分析TabulateAreas模块对土地利用类型分类图进行分析，得到1990-2010年转移矩阵.汾河上游地区土地利用转移矩阵见表3（P310）.

图2 研究区土地利用图Fig.2 Land use map of research area

表2 汾河上游土地利用面积遥感调查结果Table 2 Area of upper reaches the Fenhe river land use by remote sensing

表3 汾河上游地区土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of the area of upper reaches the Fenhe river

2.1 汾河上游土地利用现状

由表2可以看出，2010年汾河上游土地利用现状具有以下特点.

（1）汾河上游生态环境类型以林地和草地为主，耕地、未利用地、建设用地和水域面积较少.林地和草地面积分别占研究区土地总面积的24.48%和42.88%，植被覆盖度高，耕地、未利用地、建设用地和水域面积之和仅占研究区土地总面积的33.14%，尤其可以看出，汾河上游生态环境受人类活动影响较小.

（2）汾河上游耕地主要分布于岚县，占全部耕地面积的89.65%，其地势平坦，适合谷物的种植，其余耕地基本上沿汾河河道两侧均匀分布，类型为山区旱地.

（3）汾河上游林地主要分布于汾河河道西北一侧的芦芽山自然保护区内的森林生态系统，是汾河源头的主要水源涵养地.

（4）汾河上游草地占研究区总面积的42.88%，是面积最大的地类，主要分布于汾河河道两侧的山地，分布较均匀.

（5）汾河上游水域特点是水库水域面积较大，占研究区水域总面积的86.24%，主要是汾河水库.河流水域面积较小，占研究区水域总面积的13.76%.

（6）建设用地主要以城镇建设用地为主，农村居民用地面积较少，建设用地多集中于研究区的各县城所在地周围.

（7）汾河上游未利用土地主要分布于汾河河道两侧的山地，多为裸岩地.

2.2 汾河上游土地利用动态变化分析

通过对两期遥感监测数据的比较可以看出，汾河上游土地利用动态变化具有以下特点.

（1）耕地面积明显减少.与1990年相比，2010年汾河上游耕地面积减少了75.28km2.耕地面积的1.97%、3.31%、4.04%分别转化为林地、草地和建设用地.造成耕地面积减少的主要原因是城镇化建设和退耕还林还草，建设用地占用主要为平原地区耕地，林草占用主要为坡耕地.在岚县等平原区要坚守耕地红线，在保证耕地数量的同时提高耕地质量，合理控制建设用地对基本农田的侵占；在坡度较大等不适宜耕种的地区要继续坚持退耕还林还草政策，加强土地水土保持能力.

（2）林地面积总体呈增长趋势.与1990年相比，2010年汾河上游地区林地面积增加了124.36km2，林地面积的5.66%、1.13%、1.85%分别来自草地、耕地和未利用地，可以看出林地增加的原因是植树造林和退耕还林.在芦芽山自然保护区内林地面积无明显增减，森林生态系统持续稳定.林地增加部分主要为汾河河道东南侧的山地人工林，有效提高了该区域的水源涵养能力，在该区域应进一步加强人工林的种植.

（3）草地面积总体呈增长趋势.与1990年相比，2010年汾河上游地区草地面积增加了33.91km2，草地面积的1.03%、1.17%、2.45%分别来自林地、耕地和未利用地，可以看出草地增加的原因是自然演替、退耕还草和人工播种.草地面积新增地区主要是位于岚县、静乐和娄烦三县交界汾河河道两侧的山地地区，主要由未利用地变化而来.由此可见，草地面积的总体增长使得汾河上游地区植被覆盖度和水源涵养功能都得到了提高.

（4）水域面积增加.与1990年相比，2010年汾河上游地区水域面积增加38.10km2，汾河河流水域面积在20a间无明显增减变化，水域面积的20.41%来自于未利用地，增加部分主要来自于汾河水库清淤、加强堤坝及沿岸生态建设，汾河水库已成为调节汾河水量，保护区域生态环境质量的重要保证，因此应加强水库周边未利用地的绿化力度，增加水库蓄水量.

（5）建设用地动态变化幅度较大.与1990年相比，2010年建设用地面积增加了42.05km2，增幅为40.26%，是变化幅度最大的地类，增加区域主要为县城周边区域，反映出了研究区域20a来的城市化进程，增加原因是随着研究区20a间经济的增长和人口的增加对建设用地的刚性需求.建设用地面积的41.37%由耕地转化而来，多为平原地区耕地资源，使农田生态系统受到进一步的挤压，不利于各系统间的平衡发展，应当加强对建设用地扩张的控制，协调好经济发展和生态环境保护之间的关系.

（6）未利用土地面积大幅度减少.与1990年相比，2010年未利用地面积减少了163.14km2，未利用地减少的原因主要是自然演替和植树造林.从未利用地的现有面积来看，汾河上游地区生态环境保护能力还有进一步提高的潜能.