云南丽江地区土地利用变化的遥感检测与分析
(1.北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京，100871；2.中国地质大学地球科学与资源学院，北京，100083)
以65438+1999年2月和2001年4月两幅TM影像及其他辅助资料为数据源，利用计算机自动识别经主成分分析处理的遥感影像，通过人机交互解译获得各种土地利用类型的分布信息。利用地理信息系统的空间分析和数理统计功能，分析了丽江坝子地区土地利用变化特征、土地利用动态态度以及各类型之间的转化。结果表明，耕地面积增加0.27km2，城乡用地面积增加0.19km2，水域面积减少0.11km2，林地和草地基本不变。各种类型的转化突出表现为水域向城乡用地转化，未利用地向城乡用地和耕地转化。
关键词:土地利用变化；马尔可夫矩阵；云南丽江；遥感和地理信息系统
区域土地利用/覆盖变化(LUCC)是全球环境变化研究的重要领域之一。土地利用变化数据可以提供研究该区域土地利用状况的实际情况，保证国家及时准确地掌握土地利用变化情况，为制定国民经济发展规划、计划和宏观决策提供科学依据[1]。土地利用变化包括时间变化、空间变化和质量变化三个方面，其中空间变化反映了土地利用变化的空间类型、变化类型的空间分布和区域差异，是土地管理和规划的重点[2]。解决这一问题的关键在于如何提取土地利用变化的数据，如何对获得的信息进行科学的分析和处理。遥感技术具有快速、准确、周期短的优点，在监测大中尺度土地利用/覆盖变化方面具有明显的优势。本文采用遥感、GIS和数理统计分析相结合的方法，描述了丽江坝子地区1999 ~ 2001期间土地利用的数量和空间变化，为该地区的土地管理决策、生态环境保护和资源合理开发奠定了基础，对区域土地的可持续开发利用具有重要意义。
1研究区概况
丽江位于云南省西北部[3]金沙江中游，地理坐标99° 23′e ~ 101° 31′e，25° 59′n ~ 27° 56′n，与四川省迪庆州、怒江州、大理州、楚雄州、攀枝花市、凉山州接壤，辖丽江纳西族自治县、宁蒗彝族自治县、永胜县、华坪县， 总土地面积931.02km2，位于青藏高原和云贵高原交界处，属横断山区，地形复杂，山高谷深，长期自然环境相对封闭，形成了典型特征的垂直自然带和立体气候，动植物极其复杂，珍稀野生动植物丰富。 全区总人口654.38+0.09万，包括汉族、纳西族、彝族、傈僳族、藏族、白族、普米族等23个民族，其中少数民族人口占57% [3]。
2研究方法
2.1研究数据
两幅Landsat-TM图像分别拍摄于1999年2月和2001年4月。地面分辨率30m，研究区无云层，质量良好。此外，利用1 ∶ 1000地形图和1 ∶ 50000土地利用图辅助训练样本区的选取和目视解译。还有其他统计(气象、水文、人口、土壤、社会经济)等等。
2.2主要工作流程
利用遥感影像信息进行变化检测的方法主要有三种:分类后比较法、多时相影像直接相交法和多时相影像分类法[4]。多时相影像直接交会法要求两个时相接近，变化信息一般通过影像差值、比值或主成分分析来检测，操作简单，但无法获得变化的具体特征类型。本文使用的遥感影像时差接近3个月，不适合使用直接交会法。多时相图像分类要用静态类型和动态类型，动态类型的训练样本一般很难确定。本文主要采用分类后比较法。
本研究的主要工作流程如图1所示:首先对两幅TM图像进行预处理(如几何校正等。)通过使用PCI软件，并对上述两期的影像进行主成分分析，然后充分结合各种知识(如地形图、植被图等)进行监督分类。) [3].在监督分类中，采用了《中国土地利用调查技术规范》，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民点和未利用地六类。采用人机交互方式对分类结果进行解译，并将解译结果以网格形式传输到地理信息系统软件ARC GIS进行数据处理。对二期数据进行空间叠加分析，获得土地利用变化数据，在此基础上进行土地利用动态变化分析。
图1项目主要工作流程图
2.3几项关键技术的处理
2.3.1遥感影像几何配准
两幅时相遥感图像的几何配准是动态变化研究的基础。为了利用地学信息进行辅助分析，可以将遥感图像配准到大地坐标系中。本文选取1 ∶ 1000地形图为基准，在遥感影像上均匀选取12个地面控制点。采用二次多项式拟合，灰度采样方法为双三次卷积，进行几何配准和灰度重采样。结果总体中误差为0.624，配准误差小于1像素，满足土地利用动态监测的要求。
2.3.2遥感图像的主成分分析
主成分分析(也称主成分变换)是一种在尽可能不丢失信息的情况下，用几个综合指标描述多个变量的测量值的方法[5]。在多光谱图像中，由于各波段的数据之间存在很多相关性，通过主成分分析可以将图像的大部分信息用少数几个波段表示出来，这样信息几乎没有丢失但数据量可以减少。本文对第二幅Landsat-TM图像的六个红外波段进行主成分分析，并对第一至第三主成分进行彩色合成，得到处理后的图像。
2.3.3生成结果数据
根据各种辅助数据，从经过主成分分析的二期遥感影像中选取6个土地利用类型的训练样本，采用最大起伏法进行计算机自动识别。由于遥感图像中存在同一物体的不同光谱、异物的不同光谱和混合像元，计算机自动识别在区分一些类别，如未利用地和城市用地方面并不理想。在实际工作中，需要辅助各种实测数据进行目视纠正，得到两期的最终分类结果，然后将分类结果以网格的形式传入地理信息系统软件ARC GIS，对二期数据进行空间叠加分析，获取土地利用变化数据，并对结果的分析和使用进行必要的数理统计。
3结果分析
3.1土地利用变化范围分析
区域土地利用变化的范围主要体现在不同土地利用类型的总面积变化上，可以提供区域土地利用变化和土地利用结构变化的总体情况信息。
以二期遥感数据为基础，对丽江坝子地区两期土地利用数据进行统计分析，结果见表1。
表1 1999 ~ 2001土地利用变化表
表1显示，近三年来，该区域耕地面积增加了0.27km2，城乡用地面积增加了0.19km2，水域面积减少了0.11km2，林地和草地基本保持不变。
3.2土地利用动态态度分析
土地利用动态态度可以简单地用单一土地利用动态态度和综合土地利用动态态度来描述[6]。其中，单一土地利用动态态度可以定量描述一定时间范围内某一土地利用类型变化的速度，可以提供土地利用变化的区域差异，预测未来土地利用变化趋势；综合土地利用动态用于表征区域土地利用变化的速度。
单一土地利用动态态度的公式表达式为:
土地信息技术创新与土地科技发展:2006年中国土地科学学会学术年会论文集。
式中，Ua和Ub分别代表某一土地利用类型在研究开始和结束时的数量；t表示学习周期长。
综合土地利用动态态度的表达是:
土地信息技术创新与土地科技发展:2006年中国土地科学学会学术年会论文集。
式中，LUi代表研究初期I类地物研究结束时转为其他土地用途的面积；LUi表示在I类土地特征研究结束时转换为其他土地利用类型的面积；t代表学习期间。
根据公式(1)和(2)，计算了丽江坝子地区六种土地利用类型的年变化率。结果表明，从1999到2001，丽江坝子地区土地利用的年变化率为0.17%，其中城乡用地和未利用地的变化率最快，分别达到0.36%和0.21%，林地和草地基本保持不变，耕地和水域的年变化率分别为0.07%。
3.3土地利用的区域差异分析
由于地形、气候等自然条件的差异，以及经济发展和人口增长速度的不同，土地利用的区域差异显著。土地利用变化的区域差异可以用特定土地利用类型的相对变化率来表示。相对变化率是反映土地利用变化区域差异的好方法，其表达式为:
土地信息技术创新与土地科技发展:2006年中国土地科学学会学术年会论文集。
式中，Kb和Ka分别代表研究开始和结束时某一区域内特定土地利用类型的面积；Cb和Ca分别代表研究开始和结束时特定土地利用类型在整个区域的面积。
按行政区划，丽江分为丽江县、宁蒗县、永胜县、华坪县四个地区。根据遥感数据，分别计算了6种土地利用类型的相对变化率，结果见表2。
表2从1999到2001土地利用的区域差异
从表2可以看出，土地利用变化差异明显:①耕地方面，丽江县最大，达到1.53，明显大于永胜县，宁蒗县和华坪县也大于永胜县；②林地、草地和水域面积的变化区域差异不大；③城乡土地利用的区域差异最明显，丽江县远大于其他三县，达到5.36；④华坪县未利用地变化突出，约为4.89，几乎是永胜县的3倍。
3.4土地利用类型转换矩阵分析
土地利用类型之间的相互转化可以用马尔可夫转移矩阵模型进一步描述[7]。马尔可夫链是一种特殊的“无后效”的随机过程，它反映了一个亚稳态系统在一系列特定的时间间隔内从时刻n变化到时刻n+1的一系列过程，并且n+1时刻的状态只与n时刻的状态有关..因为土地利用类型的演变具有马尔可夫随机过程的性质:①在一定区域内，不同的土地利用类型是可以相互转换的；②土地利用类型之间相互转化过程中存在许多难以用函数关系精确描述的事件，因此可以用马尔可夫转移矩阵模型来描述土地利用类型的动态转化。
马尔可夫模型在土地利用类型转换中应用的关键是确定土地利用类型之间的转移概率矩阵P。如果将片间区域的转移概率作为矩阵元素，则转移矩阵模型为:
土地信息技术创新与土地科技发展:2006年中国土地科学学会学术年会论文集。
其中，Pij是土地利用类型I向土地利用类型j的转移概率。
遥感图像计算机自动识别得到的土地利用变化转移概率矩阵见表3。
表3 1999年至2001年土地利用变化转移的概率矩阵单位:%
从表3可以看出:
(1)耕地的增加主要来自草地和未利用地，分别占1.51%和0.21%。减少的大部分转化为未利用地和草地，分别占4.46%和2.10%。
(2)林地增加主要来源于草地和耕地，分别为4.06%和1.06%，1%的林地转化为草地。
(3)草地增加量的2.10%和1.00%来自耕地和林地，减少量的4.06%和1.51%分别转化为林地和耕地。
(4) 2.32%的水域转化为城乡用地，0.36%转化为未利用地，0.18%转化为林地，表明水体减少主要受人为因素影响。
(5)城乡用地增加主要来源于耕地、未利用地和水域，分别占0.74%、0.61%和0.39%。
(6)城乡用地、耕地、草地、林地分别有17.06%、4.46%、0.93%、0.58%转化为未利用地，说明该区域土地利用状况不是很好，大量耕地被占用但没有得到合理开发。
4结论
土地利用/土地覆被变化研究(LUCC)旨在深入了解土地利用现状及其变化的动态过程、主导原因和演化机制，从而提高人们预测、管理、决策和调控土地利用变化的能力，对数据采集、分析和处理至关重要。通过分析本研究中获得的数据，可以得出以下结论:
在(1) 1999 ~ 2001期间，云南省丽江坝子地区的土地利用状况发生了一定程度的变化。近三年耕地面积增加0.27km2，城乡土地面积增加0.19km2，水域面积减少0.11km2，林地和草地基本不变。水域向城乡用地、未利用地向城乡用地、耕地的转化突出了各种类型的转化。
(2)土地利用年变化率为0.17%。其中，城乡用地增速最快，年均增长0.36%，未利用地以0.21%的速度减少，林地和草地基本保持不变。
(3)土地利用类型之间的转化表现为从水域向城乡用地转化，从未利用地向城乡用地和耕地转化。近三年来，该区域0.068km2 (2.32%)的水域面积转化为城乡用地，0.14km2和0.07km2的未利用地转化为城乡用地和耕地，分别占未利用地面积的17.06%和5.46%。
参考
朱，，何，，等.环渤海地区土地利用时空变化分析[J].地理学报，2001，56 (3): 253 ~ 260。
王思远、刘济源、张增祥等。近10年来中国土地利用格局及其演变[J].地理学报，2002，57 (5): 523 ~ 530。
[3]丽江市地方志办公室。丽江年鉴(1997) [M]。昆明:云南民族出版社，1997，293 ~ 294
李，人。厦门市土地利用/覆盖动态变化的遥感检测与分析[J].地理科学，2001，21 (6): 537 ~ 544。
季峻·村井等.遥感的精确解[M].北京。测绘出版社，1993，12: 194 ~ 196。
王秀兰，包玉海。土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展，1999，18 (1): 81 ~ 87。
李，王艺谋，，等。基于RS和GIS的榆林地区土地利用变化分析。水土保持学报，2003，6: 97 ~ 99。