唐小英++唐湘玲

摘要：基于1989、2000和2014年的3期Landsat衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，采用Intensity analysis方法，從時間間隔、類型和轉(zhuǎn)換3個水平上分析了新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域2個連續(xù)的時間間隔中7個土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換特征。結(jié)果表明，從1989-2000年時間間隔到2000-2014年時間間隔內(nèi)，流域土地利用的變化整體上由活躍趨于平緩。從第一個時間間隔（1989-2000年）到第二個時間間隔（2000-2014年），未利用地、草地和耕地的年增加面積都較大，但增加速率減小了；草地減少的變化有所減緩，而增加的變化趨于活躍；未利用地減少的變化較為平緩，而增加的變化趨于活躍；水域和建設用地的增加和減少變化都很活躍。從第一個時間間隔到第二個時間間隔內(nèi)，草地的年減少面積主要是向未利用地轉(zhuǎn)換，其次是耕地；兩個時間間隔內(nèi)，未利用地的增量第一個時間間隔內(nèi)主要依靠草地和冰雪地的轉(zhuǎn)入，第二個時間間隔內(nèi)主要來自草地和耕地的轉(zhuǎn)入；兩個時間間隔內(nèi)，耕地的增量主要來自草地和未利用地的轉(zhuǎn)出，并且各土地利用類型向耕地的轉(zhuǎn)出強度都減弱了。

關鍵詞：土地利用；土地覆被；時空變化特征；瑪納斯河流域

中圖分類號：F301.24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5500-07

DOI：10.14088/j.cnki.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/土地覆蓋變化（Land use and Land cover change，LUCC）是陸地生態(tài)系統(tǒng)變化的主要表現(xiàn)，是當前全球變化的重要研究方向之一，也是全球環(huán)境變化研究領域的熱點和前沿課題之一[1-5]。土地利用是人類根據(jù)一定的經(jīng)濟和社會目的進行的土地開發(fā)利用活動。土地覆蓋是由于自然變化和人工建造活動而形成的覆蓋狀況。土地利用變化通常會使其土地覆蓋發(fā)生變化，Turner等[6]將這種變化分成了轉(zhuǎn)換（Conversion）和漸變（Modification）兩種類型，其中，轉(zhuǎn)換是指一種土地覆蓋類型全部轉(zhuǎn)變成另一種類型，土地屬性發(fā)生本質(zhì)變化，如森林轉(zhuǎn)變?yōu)楦?；漸變則是同一種土地覆蓋類型中的局部性變化，但土地屬性未發(fā)生本質(zhì)變化，如森林的間伐或疏伐等。此外，維護（Maintenance）是指讓土地覆蓋保持一定的狀態(tài)，也是人類活動影響土地覆蓋的一種形式[7]。土地利用/土地覆被變化是自然與人文過程交叉最為密切的問題，體現(xiàn)了具體的人地關系[8-11]。土地利用變化可以使土地覆蓋發(fā)生變化，而土地覆蓋的變化將影響土地利用決策，進而改變土地利用方式[12，13]。

在LUCC的研究中，通常采用轉(zhuǎn)換矩陣方法來定量分析同一區(qū)域、不同時間的土地利用類型的相互轉(zhuǎn)換關系，常用二維表來表達，二維表可以呈現(xiàn)各個地類間相互轉(zhuǎn)換的具體情況；也可以通過生成變化統(tǒng)計柵格圖（掩膜圖像）來呈現(xiàn)，該圖表示了前后兩幅土地分類圖之間的地類發(fā)生轉(zhuǎn)變的位置和類別。但是這種傳統(tǒng)的分析方法并不能夠充分地對LUCC的特征進行定量和系統(tǒng)的分析[14]。Aldwaik等[15]基于普拉姆1985、1991和1999年3年的土地利用圖，采用提出的Intensity analysis方法定量地分析了不同時間點、不同土地利用類型的轉(zhuǎn)換過程，并與傳統(tǒng)的馬爾科夫方法進行了比較，顯示該方法能夠提供更多的土地利用的變化信息。Mallinis等[16]基于Intensity analysis方法對雅典城郊山區(qū)的土地利用/土地覆被變化進行了監(jiān)測，并分析了土地利用變化的驅(qū)動因素。Huang等[14]和栗健等[17]也運用了該方法分別對中國南方九龍河流域的土地利用變化和中國氣象干旱變化格局和過程進行了分析，從時間間隔、干旱等級變化和轉(zhuǎn)換3個層面分析了各自的變化規(guī)律。

鑒于此，本研究基于1989、2000和2014年的Landssat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用Aldwaik等[15]提出的Intensity analysis方法，對瑪納斯河流域1989-2014年的土地利用/土地覆蓋的時間和空間分布特征進行了分析，以期能夠定量分析瑪納斯河流域土地利用的時空規(guī)律。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓、準噶爾盆地南緣，是一個典型的中國西北干旱區(qū)流域，是新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)，也是中國第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。地理位置43°09′-46°55′N，84°35′-86°49′E，流域總面積約34 000 km2，地勢由東南向西北傾斜，海拔最高 5 259 m，最低168 m。由南向北依次分為山地、山前平原和沙漠三大地貌類型區(qū)，流域?qū)賰?nèi)陸干旱區(qū)，夏季炎熱干燥，冬季寒冷多風，年均氣溫6.8 ℃，年降水量為110～200 mm[18]，年蒸發(fā)量為1 500～2 000 mm?，敿{斯河起源于天山支脈依連哈比爾尕山的高山冰雪區(qū)，是流域內(nèi)最大的河流，向北經(jīng)紅山嘴流入綠洲平原，穿過古爾班通古特沙漠最后注入瑪納斯湖[19]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取的數(shù)據(jù)有瑪納斯河流域3個時期的Landsat遙感影像，分別為1989年的Landsat TM、2000年的Landsat ETM+和2014年的Landsat OLI數(shù)據(jù)（表1）；分辨率為30 m的ASTER GDEM V2版的DEM數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心網(wǎng)站http：//www.gscloud.cn）。選取無云或少云的遙感影像和DEM，在ENVI5.1的支持下進行了鑲嵌和裁剪，并將坐標系統(tǒng)統(tǒng)一為Albers_Conic_Equal_Area投影，基準面為WGS_1984，中央經(jīng)線為105°E。

本研究遙感影像分類在ENVI5.1中完成。首先，數(shù)據(jù)預處理。分別進行了1989、2000和2014年瑪納斯河流域遙感影像圖的NDVI和ISODATA非監(jiān)督分類計算，在進行ISODATA分類時，最大分類數(shù)量設置為10，迭代次數(shù)設置為10。將獲得的瑪納斯河流域的DEM、NDVI、ISODATA和近紅外、紅、綠波段進行波段組合，得到一個6波段的文件。然后，選取訓練樣本。根據(jù)瑪納斯河流域的實際土地利用情況和遙感影像的紋理信息和光譜特征，將研究區(qū)土地利用類型劃分為冰雪地、建設用地、水域、耕地、林地、草地和未利用地7個類型。在3期影像中，分別選取一定數(shù)量的7類土地利用的訓練樣本，并保證訓練樣本的可分離度在1.8以上。最后，獲取規(guī)則和應用規(guī)則分類。根據(jù)選擇的訓練樣本，基于CART算法獲取決策樹規(guī)則，進行決策樹分類，最終提取出瑪納斯河流域土地利用信息。使用混淆矩陣方法檢驗遙感影像分類的精度，1989、2000和2014年遙感影像分類的Kappa指數(shù)分別為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方法進行分析。Intensity analysis方法是運用轉(zhuǎn)移矩陣分析同一區(qū)域、不同時間點的土地利用和土地覆蓋的變化，分別在時間間隔、類型和轉(zhuǎn)換3個水平上探究土地利用變化強度規(guī)律。根據(jù)文獻[15]，Intensity analysis的公式和含義見公式（1）-（8）。以下是這8個公式中出現(xiàn)字母的含義：J為類型的數(shù)量；下標i表示一個特定時間間隔的初始時間點的類型；下標j表示一個特定時間間隔的終止時間點的類型；下標m表示向其他土地利用類型轉(zhuǎn)換的類型；下標n表示由其他土地利用類型轉(zhuǎn)換而來的類型；T為時間點的數(shù)量；Yt為時間點t的年份；下標t表示時間間隔[Yt，Yt+1]的初始時間點，范圍是[1，T-1]；Ctij為從時間點Yt的i類型轉(zhuǎn)換至時間點Yt+1的j類型的象元個數(shù)。

1.3.1 時間間隔水平 時間間隔水平的分析，可以說明各個時間間隔內(nèi)，各土地利用類型整體上的年變化速率是相對快還是慢。公式（1）中，定義了研究區(qū)景觀從上一個時間間隔到下一個時間間隔內(nèi)年平均變化率，U是Intensity analysis均值線的值。公式（2）中，St定義為某個時間間隔內(nèi)景觀的年變化率，是時間段[Yt，Yt+1]的年變化強度。

U=×100%=×100% （1）

St=×100%=×100% （2）

1.3.2 類型水平 類型水平上的分析結(jié)果可以說明各時間間隔內(nèi)各土地利用類型的變化是相對平緩還是活躍。公式（3）中，Gtj為[Yt，Yt+1]間隔中j類型的年增加強度。公式（4）中，Lti為[Yt，Yt+1]間隔中i類型的年減少強度。

Gtj=×100%=×100% （3）

Lti=×100%=×100% （4）

1.3.3 轉(zhuǎn)換水平 表示各個土地利用類型在各個時間間隔內(nèi)與其他土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的強度。公式（5）中，Wtn為[Yt，Yt+1]間隔中從時間點Yt的非n土地利用類型轉(zhuǎn)換至n類型的年平均強度。公式（6）中，Rtin為[Yt，Yt+1]間隔中從i土地利用類型轉(zhuǎn)換至n（n≠i）類型的年轉(zhuǎn)換強度。公式（7）中，Vtm為[Yt，Yt+1]間隔中從末時間點Yt+1的m土地利用類型轉(zhuǎn)換至其他所有類型的年轉(zhuǎn)換的平均強度。公式（8）中，Qtmj為[Yt，Yt+1]間隔中從m土地利用類型轉(zhuǎn)換至j（j≠m）類型的年轉(zhuǎn)換強度。

Wtn=×100%=×100% （5）

Rtin=×100%=×100% （6）

Vtm=×100%=×100% （7）

Qtmj=×100%=×100% （8）

1.4 Intensity analysis的數(shù)據(jù)處理

為了進行Intensity analysis，對研究區(qū)1989-2000年和2000-2014年這兩個時間間隔研究區(qū)的面積（像元數(shù)目）計算了轉(zhuǎn)移矩陣，具體見表2和表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑪納斯河流域年際土地利用變化

圖1顯示了瑪納斯河流域1989、2000和2014年3個年份的土地利用情況。1989-2014年，瑪納斯河流域土地利用狀況發(fā)生了較大的變化，整體上未利用地、草地、冰雪地、林地和水域這5類土地利用類型呈減少趨勢，而耕地和建設用地表現(xiàn)出較明顯的增加趨勢。

研究區(qū)的總面積約為34 140.7 km2，1989-2000年，草地、冰雪地和林地的面積都呈減少的趨勢，而未利用地、耕地、水域和建設用地的面積呈現(xiàn)增加的趨勢。期間，草地面積從11 192.5 km2減少到9 992.0 km2，占流域面積的比例從32.8%降低到29.3%；冰雪地減少的幅度較大，12年間面積減少了925.6 km2，所占總面積比例從5.8%降低為3.1%；林地面積由1 048.3 km2降為479.2 km2，面積所占比例從3.1%降為1.4%。未利用地在此期間增幅較大，面積從14 885.3 km2增加到16 646.6 km2，占研究區(qū)總面積的比例由43.6%增加到48.8%；水域面積也呈增加的趨勢，面積增加了184.3 km2；耕地面積增加了717.6 km2，占流域總面積的比例從14.1%升至16.2%；建設用地增幅顯著，面積由21.4 km2增至53.5 km2。

2000-2014年，未利用地和水域面積有一定減少，其他5類土地利用面積都呈增加趨勢。耕地增量最大，面積所占總面積的比例由16.2%升至22.8%，增加了2 281.6 km2；建設用地和冰雪地也有一定的增幅，面積分別增加了51.6 km2和630.5 km2；未利用地面積降幅顯著，這15年間面積減少了3 274.6 km2，所占總面積的比例由48.8%降為39.2%；水域也呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，面積減少了222.0 km2。

2.2 瑪納斯河流域土地利用轉(zhuǎn)換時間強度分析

圖2為時間間隔水平的強度分析結(jié)果，時間間隔水平上的分析能夠說明不同時間間隔的變化規(guī)模和速度。圖2中，垂直軸表示時間間隔，坐標原點的左側(cè)水平橫條表示每個時間間隔的土地利用類型轉(zhuǎn)換的總面積占總面積的比例，坐標原點的右側(cè)水平橫條表示每個時間間隔內(nèi)年的轉(zhuǎn)換強度，用年變化面積所占總面積的百分比表示。水平的虛線即均值線，表示年平均變化強度。如果水平橫條超過均值線，表示該時間間隔內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)換相對較快，反之則相對較為緩慢。

間隔水平上，圖2左側(cè)呈現(xiàn)了第一個時間間隔內(nèi)（1989-2000年）的土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)模大于第二個時間間隔（2000-2014年）的規(guī)模，而且第一個時間間隔的持續(xù)期比第二個時間間隔少3年，圖2右側(cè)顯示了第一個時間間隔內(nèi)的年變化速率實際上比第二個時間間隔快0.73個百分點，這就解釋了研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)模第一個時間間隔比第二個時間間隔大的現(xiàn)象。該水平上的分析僅表明了兩個時間間隔內(nèi)，瑪納斯河流域土地利用的總體轉(zhuǎn)換速率減緩了。

2.3 瑪納斯河流域土地利用類型轉(zhuǎn)換強度

圖3顯示的是土地利用類型水平上的強度分析結(jié)果，左邊的橫條表示瑪納斯河流域某一種土地利用類型年增加或減少的面積，右邊的橫條表示的是某一種土地利用類型年增加或減少的強度。

對圖3a和圖3b進行對比可以看出，整體上第一個時間間隔內(nèi)各土地利用類型的年減少面積和增加面積都較第二個時間間隔更大，這說明研究區(qū)各土地利用類型的減少和增加變化從第一個時間間隔到第二個時間間隔內(nèi)明顯地減速了。由圖3還可以看出，兩個時間間隔中，未利用地年增量都最大，并且年增量從第一個時間間隔到第二個時間間隔速度減緩了；草地和耕地的增量分別排第二位和第三位，與未利用地有著相似的變化規(guī)律。就減少變化具體而言，第一個時間間隔內(nèi)，冰雪地、未利用地、草地、耕地和林地面積都有較大規(guī)模的減少；而第二個時間間隔內(nèi)，各土地利用類型的年減少面積都很小。從1989-2014年，草地、耕地和未利用地的年變化面積位列前三位并依次遞減，而在1989、2000和2014年這3個時間點上，這3種土地利用類型占總面積的比例也是最大的三類，未利用地在各個時間點上所占面積最大，草地次之，耕地居第三位，在某種程度上表明，在土地利用類型轉(zhuǎn)換過程中，大面積的土地利用類型會有大面積的轉(zhuǎn)換量，也可能是由土地利用類型的活躍程度所致。

圖3的右側(cè)顯示了水域在兩個時間間隔內(nèi)增加和減少的橫條都超過了均值線，這表明水域在1989-2014年增加和減少的變化都是非?；钴S的，由于水域占研究區(qū)總面積的比例較小，因此在兩個時間間隔內(nèi)水域增加和減少的面積都很小。建設用地的增加強度僅次于水域，但占景觀總面積的比例很小，所以變化的規(guī)模也很小。冰雪地有著相似的變化規(guī)律。未利用地減少的橫條都未達到均值線，表明在兩個時間間隔中，未利用地減少的強度小于景觀水平。而未利用地增加的橫條第一個時間間隔內(nèi)接近于均值線，而在第二個時間間隔中超出了均值線，這表明未利用地從第一個時間間隔到第二個時間間隔中增加的變化趨于活躍。草地減少的變化從第一個時間間隔到第二時間間隔有所減弱，而草地增加的橫條兩個時間間隔內(nèi)都延伸至均值線右側(cè)，這表明草地比其他景觀增加的強度更強。耕地的減少變化都相對平緩，增加變化趨于活躍，由于耕地在總面積的比例較大，所以耕地在兩個時間間隔中都有著大的變化規(guī)模。

2.4 瑪納斯河流域土地利用轉(zhuǎn)換強度分析

圖4顯示了草地、未利用地和耕地增加或者減少的轉(zhuǎn)換強度分析結(jié)果。圖4左側(cè)的水平橫條顯示了某種土地利用類型和其余類型之間轉(zhuǎn)換的年度變化面積，右側(cè)的水平橫條顯示了某種土地利用類型和其余類型之間的轉(zhuǎn)換強度，垂直的虛線表示年變化強度的平均值。圖4a和圖4b給出了草地減少的轉(zhuǎn)換強度分析，可以看出，草地減少時，轉(zhuǎn)出為未利用地是最大的轉(zhuǎn)換，其次是耕地。再分析圖4a和圖4b的右側(cè)，未利用地的右側(cè)橫條第一個時間間隔內(nèi)極接近于均值線左側(cè)，第二個時間間隔內(nèi)略微超出均值線右側(cè)，這意味著第一個時間間隔中，草地向未利用地的轉(zhuǎn)換較為平緩，第二個時間間隔中，草地向未利用地的轉(zhuǎn)換又有所加強；而耕地的右側(cè)橫條第一個時間間隔內(nèi)超出均值線較多，但第二個時間間隔內(nèi)距離均值線左側(cè)還有一段距離，這表明第一個時間間隔中，草地主要向耕地轉(zhuǎn)出，而到第二個時間間隔中，草地向耕地的轉(zhuǎn)出的強度又平緩了。由此可知，草地在1989-2014年整體上一直呈現(xiàn)轉(zhuǎn)出的趨勢，但其間轉(zhuǎn)換的方向與速度卻是在變化的。

圖4c和圖4d給出了1989-2000年和2000-2014年兩個時間間隔內(nèi)未利用地轉(zhuǎn)換水平上的增加情況。圖4c和圖4d左側(cè)顯示，未利用地的增量主要來自草地、耕地和冰雪地這3種土地利用類型的轉(zhuǎn)入，第一個時間間隔內(nèi)未利用地的增量主要來自草地和冰雪地，而第二個時間間隔內(nèi)未利用地的增量主要來自草地和耕地的轉(zhuǎn)入。再分析圖4c和圖4d的右側(cè)，兩個時間間隔內(nèi)冰雪地轉(zhuǎn)出到未利用地的強度是最大的，草地轉(zhuǎn)出到未利用地的強度由第一個時間間隔到第二個時間間隔有明顯的減弱，而耕地和水域的轉(zhuǎn)出強度都有明顯的增強。但由于冰雪地和水域在總面積中所占的百分比很小，所以在研究期間它們的變化面積也較小。

圖4e、圖4f分別代表1989-2000年和2000-2014年時間間隔各土地利用類型轉(zhuǎn)入耕地的情況。圖4e、圖4f左側(cè)表明，耕地的增量主要來自草地和未利用地的轉(zhuǎn)出。圖4e、圖4f右側(cè)表明，從第一個時間間隔到第二個時間間隔各土地利用類型轉(zhuǎn)出到耕地的轉(zhuǎn)換強度整體上減弱了，草地、水域和建設用地轉(zhuǎn)出到耕地的過程較活躍，而未利用地等轉(zhuǎn)出到耕地的過程比較緩慢。

3 結(jié)論

基于遙感影像、ENVI軟件、GIS軟件和Intensity analysis方法，分析了新疆瑪納斯河流域1989、2000和2014年3個時間點間的LUCC，得到了以下結(jié)論。

1）1989-2014年，瑪納斯河流域土地利用狀況發(fā)生了較大的變化，整體上未利用地、草地、冰雪地、林地和水域這5類土地利用類型呈減少趨勢，而耕地和建設用地表現(xiàn)出較明顯的增加趨勢。從1989-2000年時間間隔到2000-2014年時間間隔內(nèi)，瑪納斯河流域土地利用的變化由活躍趨于平緩，總的變化面積也由26.36%下降至23.40%。

2）從第一個時間間隔到第二個時間間隔內(nèi)，所有土地利用類型的增加和減少變化都明顯減慢。1989-2000年和2000-2014年兩個時間間隔內(nèi)，未利用地、草地和耕地的年增加面積都較大，而且從第一個時間間隔到第二個時間間隔內(nèi)，增加速率減小了。水域和建設用地的增加和減少變化都較為活躍，由于在景觀中所占面積比例小，面積增量都不大。未利用地的減少變化較為平緩，而增加變化是趨于活躍的。草地的減少變化比較平緩，而增加變化兩個時間間隔內(nèi)都很活躍。耕地的減少變化兩個時間間隔中都較平緩，而增加變化從第一個時間間隔到第二個時間間隔內(nèi)由活躍轉(zhuǎn)向于平緩。

3）轉(zhuǎn)換層次的分析表明，從第一個時間間隔到第二個時間間隔內(nèi)，草地減少的主要方向是未利用地，其次是耕地。就轉(zhuǎn)換強度的分析表明，草地的減少第一個時間間隔內(nèi)傾向于耕地，而第二個時間間隔內(nèi)轉(zhuǎn)向于未利用地。未利用地的增量第一個時間間隔內(nèi)主要來自草地和冰雪地，而第二個時間間隔內(nèi)主要來自草地和耕地的轉(zhuǎn)入。兩個時間間隔內(nèi)，未利用地的增加都傾向于來自冰雪地的轉(zhuǎn)入，但由于冰雪地的面積占景觀的比例小，所以并沒有大規(guī)模的向未利用地轉(zhuǎn)入。未利用地的增加從第一個時間間隔到第二個時間間隔內(nèi)已經(jīng)從傾向于草地轉(zhuǎn)向避免草地。研究期間，耕地的增量主要來自草地和未利用地的轉(zhuǎn)出，并且各土地利用類型向耕地的轉(zhuǎn)出強度都減弱了。

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