延安市宝塔区土地利用类型坡度分异研究

延安市宝塔区土地利用类型坡度分异研究

卓静1、2、邓凤东2、刘安麟2、周辉2、赵青兰2

(1、西北大学 2、陕西省农业遥感信息中心 陕西西安 710014)

摘要

选取黄土高原丘陵沟壑区的延安市宝塔区，利用遥感和地理信息系统技术，通过监督分类的方法得到1997年-2004年间该地区的土地利用分类图，并结合坡度图，分别提取1997年、2004年的坡耕地、坡林地、坡草地和坡园地，对该地区土地利用类型变化及坡度分异进行深入分析。结果表明：（1）在1997年至2003年这6年间，耕地面积减少了33.1%，林地增加了10.1%、草地增加了20.6%、果园面积增加了33.3%，使该区域生态环境整体得到改善；（2）耕地减少的面积主要集中发生在坡耕地部分，其中>35°、25°-35°这两个等级减少的幅度最大，>35°减少了55.5%，25°-35°减少了51.2%，减少的坡耕地，基本上都是转变成了坡林地、坡草地、坡园地。然而，耕地总面积减少的同时，基本农田所占比例是在增加的； 1997年<15°的基本农田在所有耕地中所占比例为29.1%，2004年该比例上为38.8%；这一数据分析结果表明该研究区“退耕还林（草）”工程的实施已经取得了初步成效。

关键字：坡耕地、RS、DEM、土地利用

1.引言

陕北黄土高原是我国土壤侵蚀和水土流失最严重的地区, 也是黄河泥沙的主要输出地，这里生1态环境持续恶化, 自然资源遭受严重破坏, 经济贫困落后。造成以上结果的主要原因, 除了该地区的自然因素外,也与人为活动的干扰破坏密切相关。长期以来, 在黄土高原地区一直是“靠天吃饭”、“广种薄收”的传统耕作方式, 为了扩大耕地面积, 大量毁林毁草进行陡坡开垦耕种。在全区耕地中, 除了少量的塬地、川地及河谷平原地以外，绝大多数为坡耕地, 坡耕地所占比例高达90%[1]。这些坡耕地一般坡度较大, 抗冲性弱, 产量低, 水土流失严重, 进一步加剧了该地区的土壤侵蚀和环境退化。为了恢复黄土高原的生态环境, 实现社会经济的可持续发展, 国家提出了“退耕还林(草) ”的战略部署, 对坡度大于25°的耕地逐步实现退耕还林还草。现在迫切的需要一种先进的、客观的、准确的技术手段来充分了解 “退耕还林（草）”工程实施后，陡坡耕作的现象有没有改善，生态环境是否提高，工程是否取得成效。

遥感具有宏观、综合、动态、快速的特点, 随着航天遥感信息获取技术的快速发展, 遥感为地球科学研究提供数据的能力越来越强, 已经成为资源调查、环境监测的重要技术手段[2-3]。张晓萍等[4]利用遥感和地理信息系统相结合的办法提取了黄土高原中尺度地区（延安示范区）2000-2003年间各土地利用数字图，进行动态监测，并与坡度图结合，对其土地利用及退耕合理性进行分析；傅伯杰等[5]选择黄土丘陵沟壑区的羊圈沟流域，应用地理信息系统和野外采样分析，研究了土地利用对生态环境的影响；陈国建[6]分析延安生态建设示范区2000-2003年间各土地利用类型的数量变化和空间特征的基础上，引入退耕指数、退耕影响系数等指标研究退耕还林草对示范区土地利用结构变化的影响。本研究为了能够更加充分的了解工程的实施情况，以行政区域为监测范围，利用遥感技术、地理信息系统技术、全球定位技术对延安市宝塔区1997年-2003年间土地利用类型变化及其坡度分异

1基金项目：国家科技攻关项目（2004BA522D07-1）“西北地区生态环境动态监测、综合评价和应用服务系统研究”

作者简介：卓静（1978~ ），女，硕士，工程师，主要研究方向为遥感与GIS的应用，E-mail:zhuojing1978@https://www.360docs.net/doc/dd4420638.html,

进行动态监测，对动态监测结果做进一步分析如下。

2.研究资料与方法

2.1研究资料

选用退耕还林（草）工程实施前的1997年和实施后的2004年的美国陆地资源卫星5号星（Landsat-TM5）的全波段数字遥感影像，延安市宝塔区的TM图像覆盖由127/34下半景和127/35上半景所组成，具体情况如表1：

表1、研究区遥感图像时相

轨道号 1997年时相 2004年时相

127/34下半景 1997.06.13 2004.05.31

127/35上半景 1997.06.13 2004.06.16

从表1中可以看出：1997、2004年的遥感图像时相基本一致，这样可以有效的避免不同时相遥感图像的需要订正问题。工作中使用的其它数据源有：陕西省1：10万地形图、调查区域1：5万数字高程模型、全国1：25万基础地理信息数据库（包括边界、水系、居民地等层），陕西省农业气候区划，地理信息系统、全球卫星定位、数码摄影等技术支持下的野外调查采样数据。

2.2研究方法

（1）利用1：5万数字高程模型对1997年TM图像进行几何精校正，校正误差保持在一个像元以内，投影采用高斯克吕格投影，重采样方法使用双线性内插[7]。将校正好的1997年图像作为参考图像，校正2004年的图像，校正误差也严格控制在一个像元以内，这样可以更好的确保1997、2004年图像之间的匹配精度，为以后的叠加分析打下坚实的基础。

（2）在图像镶嵌的处理上，2年采用了不同的镶嵌方法，由于1997年127/34和127/35的时相相同，所以先将图像镶嵌好再进行分类工作；而2004年2景图像的时相不一样，为了避免图像镶嵌过程中对光谱信息的损失，因此采用对2景图像分别进行分类，然后将分类图像镶嵌的方法。

（3）本研究中主要利用GPS在野外进行实地考察，记录采样点的经纬度以及实际土地利用类型状况，将这些采样点按照经纬度输入，在遥感图像上找到相应的像元位置，按照野外考察记录的实际土地利用类型定义分类模板，然后利用ERDAS IMAGINE软件中所带的模板评价方法对模板进行评价，依据评价结果，反复修改分类模板，最终建立一个比较准确的分类模板，并在此基础上进行计算机自动分类，分类的方法采用的是监督分类方法中的最大似然法，对于存在的同物异谱现象，根据这一地类的不同光谱分别建立相应模板名称，如：耕地1、耕地2……等，在分类后处理中利用分类重编码，将统一地类进行合并；对于同谱异物现象，如：果园与疏林地，二者光谱较接近，本研究根据各种已掌握的信息（包括野外调查点、地方政府提供的资料等），对分类结果进行逐个图斑订正。在生成分类图像后，将遥感图像和分类图像进行对比分析，在分类错误的地方增加分类模板，增加分类模板的方法和定义分类模板的方法一样，都是利用GPS定位的野外调查点和地方政府提供数据作为依据，经过反复的修改后得到满意的分类图像（图1）。

图1 1997年土地利用图 图2 2004年土地利用图

遥感图像被解译成旱地、水田、菜地、草地、灌木、有林地、针叶林、果园、居民地及工矿用地、水体等10个类，最后依据国家综合遥感分类系统，将10个类合并为六大类，分别是：耕地、林地、草地、果园、水体、居民地及工矿用地。

（4）对分类后图像进行反复修改后，确定最终分类图像，对2年的分类图像进行分类精度评价。分类精度评价是以GPS 野外调查点和地方政府提供的数据作为依据，对分类图像进行评价。最终两年的综合分类精度分别为85.58%（1997年）、86.01%（2004年），两年的KAPPA 系数分别为0.819（1997年），0.84（2004年），均达到了最低允许判别精度0.7的要求[8]

。

（5）利用1：5万数字高程模型[9]

提取坡度信息，将坡度图划分成<2°、2°-6°、6°-15°、15°-25°、25°-35°、>35°等六个等级。由于1：5万DEM 是25m*25m 的栅格图像，为了和30m*30m 的土地利用图进行叠加分析，要将坡度图的像元内插成30m*30m 大小。

（6）将1997年、2004年的土地利用图进行复合分析，得出该地区的土地利用变更图。因为了解坡耕地的变更是该项研究的首要问题，所以制作了坡耕地变更图，具体包括坡耕地变为林地的变更图，坡耕地变为草地的变更图、坡耕地变为果园的变更图。统计不同时期的土地利用数据及耕地在不同坡度上的变化数据，分析7年来退耕还林的实施情况以及其合理性。

3.结果与讨论

3.1土地利用动态变化 3.1.1 农业用地

一个地区农业用地的合理与否直接影响到该地区的生态环境质量，1997-2004年期间研究区农业用地面积在大幅度减少，减少了28.48%。1997年农业用地面积占总面积38.21%，其中基本农田、坡耕地和果园在农业用地中所占的比例分别为27.97%， 65.13%，6.9%。其中坡耕地主要是没有灌溉的旱地，分布在各种地貌上，坡度陡峭，没有地表植被保护，水土流失相当严重，是河流泥沙的

主要源地。基本农田包括具备灌溉条件的川水地，川旱地，旱梯田等，由于地势平缓或经过地形改造坡度变缓，承接降雨增大入渗，减少水土流失，保证了监测区人口粮食安全[4]。2004年，基本农田、坡耕地和果园在农业用地中所占的比例分别达到了33.85%，53.21%，12.94%，其中耕地面积减少了33.1%（绝大部分的减少集中在坡耕地部分），果园面积增加了33.3%，这种变化反映出该地区土地利用结构发生变化，产业结构趋于合理。

3.1.2 林草覆盖

植被是维护生态系统稳定、决定生态系统功能强弱、控制环境质量的主体。1997年研究区共有林草21.3万公顷，占总面积的60.79%。2004年林草面积增加至24.2万公顷，占总面积的69.68%，其中林地增加了10.1%、草地增加了20.6%，这主要是坡耕地退耕还林、还草，疏林地造林改造使得林草覆盖面积大幅增加。表明6年来由于退耕还林水土流失工作的治理，生态环境质量逐步提高。

3.2 土地利用类型坡度分异变化分析

地形坡度对农业生产有很重要的意义。坡度和坡向，影响地表水热条件再分配和水力侵蚀强度。坡度增大，给农业生产条件的改善和田间管理带来许多不便，因而影响着土地利用方式[4]。在大坡度上进行掠夺式作业，会引起强烈的水土流失。因此土地利用方式在各坡度上的分异及特征，尤其是耕地在各坡度上的分布变化，对研究土地利用的合理与否有重要意义。

3.2.1 各土地利用坡度分异变化分析

依据地形坡度分异特征进行退耕还林和土地利用结构调整是进行土地优化利用的重要措施之一。一直以来，实行的土地利用结构调整措施包括，通过机械和人工修建高标准梯田，将原有坡耕地退耕，扩大果园种植面积，扩大人工乔灌林面积。

结果表明（表2）：各地物类型在不同坡度段均有分布，但是集中的坡度不同。1997年耕地主要集中在<15°，林地主要集中在>15°，草地主要集中在>25°，园地集中在<6°；2004年情况发生了变化，<2°的耕地比例明显增加，其他等级耕地都有不同程度的减少；而林地、草地在<2°的面积都减少了，其他等级比例都在增加，这是由于在实施退耕还林的同时，还要保证基本农田的面积，从水土保持的角度看，2004年上述土地利用类型在坡度上的分布均体现了因地制宜，合理配置资源的原则，在地形上的分布趋于合理。

表2、1997年—2004年各地物坡度变化 （%）

类型 时间 <2°2°-6°6°-15°15°-25°25°-35°>35°1997 59.47 48.77 42.65 35.75 32.34 32.51 坡耕地

2003 65.74 47.67 35.42 22.81 15.76 14.35

1997 20.04 30.89 37.41 43.04 42.98 36.35 坡林地

2003 12.39 25.78 35.34 45.84 51.79 51.49

1997 15.61 15.71 16.12 18.40 22.94 30.00 坡草地

2003 10.50 16.50 20.82 24.27 27.06 30.04

1997 4.89 4.63 3.82 2.81 1.73 1.14 坡园地

2003 11.37 10.05 8.42 7.08 5.39 4.12

3.2.2 坡耕地坡度分异变化分析

以1997年为基数，分析其在2004年时不同坡度上的分异变化。如表3结果所示：1997-2004年，各等级坡度的耕地都有一定程度的减少，主要退耕区域集中在>15°以上，占总退耕比例的88.9%。

从表3中还可以看出，监测区还有相当一部分坡耕地还没有进行退耕，退耕工作还需继续加强。

表3、1997年坡耕地在2004年时各坡度分异 （%） 类型 <2°2°-6°6°-15°15°-25°25°-35°>35°合计 退耕 0.00 0.32 3.59 13.23 15.12 2.82 35.08 未退 3.35 5.44 16.40 23.05 14.42 2.26 64.92 在这7年里，退下来的坡耕地到底变成了什么，造了多少林，还了多少草，种植了多少经济作物，从坡耕地的变更图中提取的变更。结果表明：在耕地面积减少的部分中，26.75%变为了林地，7.13%变成果园，60.88%变成草地。在退耕比例最大的坡度>35°这一等级中，造林23.7%，还草58.3%，种植经济作物7.2%；在坡度25°-35°的坡耕地减少的部分中有23.3%变为林地，52%变为草地，10.1%变为果园；这一变化说明在退耕还林工程实施过程中，通过科学规划和科技支撑调整结构，改变土地利用结构，达到了优化土地利用，控制水土流失，改善生态环境质量的目的，表明退耕还林工程已经取得了初步成效。

4.结论

随着退耕还林工程的实施，陕北地区的土地利用结构发生了明显的变化，优化了土地利用，改善了生态环境。但是从上面的数据分析中也可以看出：坡度>25°的坡耕地还有相当大的比例，这些地区水土流失严重，是河流的主要泥沙来源，这些耕地要尽快的退掉；退耕造林、还草在各个等级都有发生，但是在坡度太大的地区，人类活动会受到很大限制，所以在坡度>35°应该实施封山禁牧，自然恢复；坡度<35°地区，实行人工造林或是种植经济作物，加快生态环境的恢复。综合考虑地形坡度的分布、自然条件等因素，具体决定不同区域的退耕方法是以后更快恢复生态环境首要解决的问题。

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此文章在“气象科技2008年第2期”上发表