劉 斌，白少云，余珮珩，陳 敏，潘佳威，陳奕云,3

(1. 云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021; 2. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079; 3. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

土地是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要自然載體，其利用變化及覆被變化是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。2018年，土地資源劃歸為自然資源部管理，國(guó)土開發(fā)利用和保護(hù)的監(jiān)管更加嚴(yán)格和統(tǒng)一[2]，開展土地利用變化分析能夠促進(jìn)土地開發(fā)和保護(hù)的管理和監(jiān)督。高原湖泊是我國(guó)土地資源的重要組成部分，近年來(lái)隨著流域內(nèi)人口迅速增加，人類活動(dòng)加強(qiáng)，流域內(nèi)土地利用情況發(fā)生了變化，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生一定影響，研究高原湖泊流域的土地利用變化對(duì)我國(guó)自然資源保護(hù)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外土地利用變化研究積累了大量的實(shí)證案例，集中于3個(gè)層面：一是自然單元，如典型生態(tài)類型區(qū)，主要以流域?yàn)檠芯繉?duì)象[3-4]，以高原湖泊流域?yàn)榇淼难芯枯^少；二是具有行政功能的城鎮(zhèn)單元[5-7]；三是自然與人工系統(tǒng)混合的特殊區(qū)域[8-10]。在研究方法上，國(guó)內(nèi)外以土地利用動(dòng)態(tài)變化模型為主[11]，包含轉(zhuǎn)移矩陣、元胞自動(dòng)機(jī)(CA)、CLUE模型等[12-14]。在研究?jī)?nèi)容上，主要為土地利用數(shù)量變化、質(zhì)量變化及空間變化[15]。在數(shù)據(jù)源的獲取上，現(xiàn)有研究多利用具有宏觀、實(shí)時(shí)等優(yōu)勢(shì)的高分辨率遙感進(jìn)行土地利用的監(jiān)測(cè)。目前Landsat衛(wèi)星影像使用較多，Landsat 8影像為長(zhǎng)時(shí)間土地利用變化分析提供了數(shù)據(jù)資源。Sentinel-2衛(wèi)星能夠提供高空間分辨率的多光譜影像，成功應(yīng)用于礦物信息、葉面積指數(shù)提取等研究[16]，但在土地利用變化方面的應(yīng)用較少。同時(shí)，基于我國(guó)國(guó)產(chǎn)GF-1衛(wèi)星影像開展的應(yīng)用案例相對(duì)不足[17]。

本文以云南省杞麓湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選取最新的GF-1、Sentinel-2和Landsat 8衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行土地利用分類，以全國(guó)第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)為基期，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)研和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣開展土地利用現(xiàn)狀和演變分析。一方面挖掘GF-1衛(wèi)星遙感影像在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面與其他國(guó)外衛(wèi)星遙感影像的差異；另一方面促進(jìn)國(guó)產(chǎn)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地利用方面的應(yīng)用，豐富研究案例。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

杞麓湖流域位于云南省玉溪市通海縣境內(nèi)，近似為一個(gè)封閉的西東向平行四邊形形狀，中部為封閉性的新月形斷陷高原淺水湖泊——杞麓湖，湖周為平壩區(qū)，主要分布在湖泊的南、西、北面，壩區(qū)外圍為中低山。流域包括秀山街道、四街鎮(zhèn)、河西鎮(zhèn)、九龍街道、楊廣鎮(zhèn)、納古鎮(zhèn)及興蒙鄉(xiāng)。據(jù)《通?？h統(tǒng)計(jì)年鑒(2016年)》統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)總耕地約99.3 km2，是云南省主要的蔬菜種植基地。杞麓湖是該流域26.8萬(wàn)人賴以生存的源泉和維護(hù)該地區(qū)生態(tài)平衡的重要根基，具有農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、水產(chǎn)養(yǎng)殖和調(diào)節(jié)氣候等多種功能。

1.2 遙感數(shù)據(jù)源的選取及處理

由于杞麓湖流域位于四季如春的高原平壩，4—10月平均溫度在17～20℃間，變化不大，光熱條件充足，種植結(jié)構(gòu)相近。綜合區(qū)域的特殊性和數(shù)據(jù)的可獲得性[18]，研究選用2018年10月18日的Sentinel-2數(shù)據(jù)、2017年5月1日的GF-1數(shù)據(jù)及2018年4月28日的Landsat 8數(shù)據(jù)，評(píng)估不同空間分辨率衛(wèi)星遙感影像在土地利用變化描述過(guò)程中的異同(見(jiàn)表1)。其中，GF-1屬于高分專項(xiàng)工程，其數(shù)據(jù)和技術(shù)成果既可以服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，又可以服務(wù)于國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)[19]。在對(duì)3種衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行幾何校正、圖像增強(qiáng)處理后，使用最大似然法進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀的分類，將研究范圍內(nèi)的用地類型劃分為耕地、林地、建設(shè)用地、水域、其他用地5種類型。解譯后測(cè)試分類精度見(jiàn)表1，其中總體分類精度等于被正確分類的像元總和除以總像元數(shù)，Kappa系數(shù)是一種計(jì)算分類精度的指標(biāo)。三者均達(dá)到精度要求，Kappa系數(shù)均大于等于0.75，一致性較高。

表1 基于不同衛(wèi)星遙感影像的杞麓湖流域土地利用分類精度

2 結(jié)果分析與討論

2.1 基于不同數(shù)據(jù)源的土地利用現(xiàn)狀分析

如圖1所示，杞麓湖流域的水域、建設(shè)用地、耕地和林地自中心向外呈現(xiàn)出圈層分布的特征，其他用地布局較為分散。建設(shè)用地主要分布于杞麓湖南部，并被耕地所分隔。林地主要分布于該流域范圍的外側(cè)，耕地主要位于湖周邊，被林地包圍，其他用地呈碎片狀鑲嵌于流域范圍內(nèi)。基于3種不同數(shù)據(jù)源解譯的土地利用現(xiàn)狀總體特征一致，但在其他用地較為集聚的片區(qū)上存在差異?；贕F-1衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)解譯的土地利用現(xiàn)狀圖中，其他用地于流域范圍內(nèi)西北方向形成集聚，同時(shí)周邊零星分布耕地；而在Sentinel-2和Landsat 8衛(wèi)星遙感影像分類的土地利用現(xiàn)狀圖中，其他用地較為分散。其中由于Landsat 8衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)分辨率較低，耕地范圍與其他2個(gè)數(shù)據(jù)源不一致，土地的連片程度較高。在Sentinel-2衛(wèi)星影像中可以觀察到田埂，可進(jìn)一步用于田坎系數(shù)的測(cè)算。由此可以看出，影像空間分辨率與土地利用特征具有非常緊密的關(guān)系，高分辨率的衛(wèi)星遙感影像能夠更為清晰地觀測(cè)到精細(xì)化的土地利用特征。

2.2 土地利用演變特征分析

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映研究區(qū)在某一時(shí)段初期和末期各地類之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程信息[20]。本文結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣綜合分析土地利用的演變特征，并分類型分行政區(qū)對(duì)土地利用類型變化的空間分布特征進(jìn)行分析。

各類型斑塊面積的轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2—表4，過(guò)去10年內(nèi)杞麓湖流域水域面積總體呈減少趨勢(shì)，基于3種數(shù)據(jù)源測(cè)算的水域轉(zhuǎn)入斑塊面積分別為3.84、3.71、1.1 km2，轉(zhuǎn)出5.62、6.76、7.12 km2，分別減少了1.78、3.05、6.02 km2?；贚andsat 8影像解譯數(shù)據(jù)測(cè)算的水域面積減少幅度較大?；?種數(shù)據(jù)源測(cè)算的耕地轉(zhuǎn)出斑塊面積分別為111.09、88.05、105.49 km2，轉(zhuǎn)入50.58、63.63、18.16 km2，耕地面積急劇減少。建設(shè)用地轉(zhuǎn)出斑塊面積分別為16.34、15.2、10.79 km2，轉(zhuǎn)入44.04、31.04、32.43 km2，建設(shè)用地面積均呈增多的趨勢(shì)?；赟entinel-2影像解譯數(shù)據(jù)測(cè)算的建設(shè)用地面積增長(zhǎng)幅度較大。林地轉(zhuǎn)出斑塊分別為84.29、63.81、34 km2，轉(zhuǎn)入55.85、51.66、74.57 km2，Sentinel-2和GF-1解譯數(shù)據(jù)中林地面積減少，Landsat 8解譯數(shù)據(jù)中林地面積增多，結(jié)果的差異可能由于Landsat 8衛(wèi)星影像的分辨率較低，斑塊數(shù)量識(shí)別較少所致?；?種數(shù)據(jù)源測(cè)算的其他用地轉(zhuǎn)出斑塊分別為7.48、8.36、7.62 km2，轉(zhuǎn)入70.51、32.14、38.76 km2，其他用地的面積呈大幅度上升。

如圖1、圖2所示，建設(shè)用地呈斑塊擴(kuò)張，面積逐步增長(zhǎng)，增長(zhǎng)主要集中在杞麓湖周邊，其中北部的納古鎮(zhèn)和四街鎮(zhèn)變化幅度較大，除環(huán)湖分布外，在北部林地中也穿插有零星的建設(shè)用地。水域面積的減少主要分布在河西鎮(zhèn)。耕地變化主要聚集于流域偏北部和杞麓湖北岸，包含河西鎮(zhèn)和四街鎮(zhèn)。林地變化主要分布于流域內(nèi)的外部圈層和杞麓湖周圍，其中納古鎮(zhèn)、楊廣鎮(zhèn)是林地面積減少的主要區(qū)域。其他用地變化較為分散，可以觀察到的變化主要集中于流域西北部和杞麓湖南岸，如河西鎮(zhèn)及秀山鎮(zhèn)。杞麓湖周邊的景觀變化較為復(fù)雜，耕地圈層與水域、林地圈層緊鄰，在各類型的交界處極易發(fā)生變化?？傮w來(lái)說(shuō)，3種數(shù)據(jù)源的評(píng)價(jià)結(jié)果并無(wú)較大差異，水域、耕地、林地3種類型的土地利用面積減少，而建設(shè)用地和其他用地受人為活動(dòng)的影響，用地面積大幅增加。

表2 基于第二次全國(guó)土地調(diào)查和Sentinel-2數(shù)據(jù)的土地斑塊面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 基于第二次全國(guó)土地調(diào)查和GF-1數(shù)據(jù)的土地斑塊面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.3 杞麓湖流域土地利用演變影響因素討論

分析土地利用演變的影響因素，由此來(lái)反映政策響應(yīng)程度和存在的問(wèn)題，為相關(guān)政策制定與修改提供依據(jù)。首先是包含氣候、土壤等在內(nèi)的自然因素，水、林、田的分布很大程度上決定了流域范圍內(nèi)的景觀本底，尤其是水資源，它是影響流域土地利用變化的關(guān)鍵因素，也是流域活躍的影響因子[21]；其次是人類活動(dòng)等社會(huì)和經(jīng)濟(jì)因素。

如圖3所示，進(jìn)一步結(jié)合2018年底的無(wú)人機(jī)航拍影像和實(shí)地調(diào)研成果對(duì)典型土地利用變化區(qū)域的其他潛在影響因素和過(guò)程進(jìn)行分析。第一，杞麓湖受圍湖修壩、造田等人類活動(dòng)的影響，水面不斷縮小，同時(shí)水葫蘆、蘆葦大面積生長(zhǎng)，湖濱帶不斷擴(kuò)大，在生態(tài)修復(fù)過(guò)程中形成大面積濕地[22]，導(dǎo)致其他用地不斷擴(kuò)張。第二，杞麓湖流域城鎮(zhèn)化速度加快，人類建設(shè)活動(dòng)加強(qiáng)，建設(shè)用地逐漸由聚集向流域各處分散。第三，杞麓湖周邊的未利用地變?yōu)楦?，水域北部受到部分侵占。林地的減少與企業(yè)、居民等私自轉(zhuǎn)變土地用途有很大關(guān)系，部分居民為了獲得更多的征地補(bǔ)償款，私自把灌木林、果園等開發(fā)成耕地或圈占集體林地。例如楊廣鎮(zhèn)曾有企業(yè)私自將集體林權(quán)的林地推挖后硬化成道路及堆料場(chǎng)。近年來(lái)，由于加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，對(duì)土地用途的治理有了一定成效，同時(shí)退耕還林政策的實(shí)施，也使得林地面積的減少變得緩慢。

3 結(jié) 論

基于不同數(shù)據(jù)源的土地利用變化情況可能會(huì)存在差異。本文以云南省杞麓湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選取最新的Sentinel-2、GF-1和Landsat 8衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行土地利用分類，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)研和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣開展土地利用現(xiàn)狀和演變分析，得到以下結(jié)論。

(1) 杞麓湖流域的水域、建設(shè)用地、耕地和林地自中心向外呈現(xiàn)出圈層分布的特征。相比于第二次全國(guó)土地調(diào)查結(jié)果，水域、耕地、林地3種類型的用地面積減少，而建設(shè)用地、其他用地的面積大幅增多，其中杞麓湖周邊的用地變化較為復(fù)雜。

(2) 影像空間分辨率與土地利用特征具有非常緊密的關(guān)系，高分辨率的衛(wèi)星遙感影像能夠更為清晰地觀測(cè)到精細(xì)化的土地利用特征。Sentinel-2衛(wèi)星影像和GF-1衛(wèi)星影像均具有較高的空間分辨率，二者對(duì)土地利用變化評(píng)估的結(jié)果相近，均優(yōu)于Landsat 8衛(wèi)星影像，其中GF-1衛(wèi)星影像依托于我國(guó)相關(guān)政策，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

GF-1衛(wèi)星遙感除災(zāi)情監(jiān)測(cè)、地理測(cè)繪等領(lǐng)域的應(yīng)用外，隨時(shí)代需求加大，開始進(jìn)一步聚焦生態(tài)建設(shè)，從定期普查向動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展[23]。基于以上情況，可利用GF-1衛(wèi)星遙感解決用地非法占用問(wèn)題。以GF-1衛(wèi)星遙感影像為主，Landsat 8衛(wèi)星和Sentinel-2衛(wèi)星影像為輔，對(duì)細(xì)小的土地用途變化實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，發(fā)生變化的用地與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，避免居民因利益原因?qū)Ω?、水域和林地產(chǎn)生侵占。隨著衛(wèi)星空間分辨率的提高，土地利用變化觀測(cè)和分析也越來(lái)越精準(zhǔn)。對(duì)土地利用現(xiàn)狀和變化的研究可以作為生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)和實(shí)踐國(guó)家戰(zhàn)略的重要著力點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上也應(yīng)當(dāng)注重背后驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究。未來(lái)研究可以將無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)作為精度最高的標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)比分析3種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)成果的精度及合理性，特別是水域面積的變化情況，為后續(xù)建立空-天-地立體的水域岸線巡查監(jiān)控的技術(shù)路線提供依據(jù)。