陕北农牧交错地带土地利用变化研究.doc

陕北农牧交错地带土地利用变化研究
—以定边县为例
摘要
土地资源是人类生存、经济建设和社会发展的物质基础，是一切其他资源存在的载
体和场所，随着生产力的提高，人类科学技术的不断进步，不合理的管理措施和开发利
用方式，导致土地资源大量的毁损和浪费，并由此产生的一系列环境问题，影响着经济
和人类社会的稳定发展。土地利用/土地覆被是土地资源研究的重点内容，随着遥感技
术的兴起和迅速发展，人们积极将遥感应用在土地资源学领域中，其应用进一步推
动和促进了土地资源学的研究和发展，使土地利用/土地覆被研究进入到一个新的
发展阶段。特别是在我国北部生态环境极其脆弱的农牧交错地带，应用遥感技术
对土地利用/土地覆被状况进行动态监测，对了解该区域的土地利用时空变化格局
和发展方向具有重要意义。
本研究在了解和总结国内外同类研究的基础上，采用遥感手段，以陕北农牧交错
地带的定边县为研究区，应用1986年和2003年两个时相的TM遥感影像为数据源，在
专业图像处理软件ERDAS9.1和ARCGIS9.2的支持下，进行土地利用/土地覆被动态变化
进行监测和分析研究。
在土地利用信息提取方面，首先对1986年和2003年遥感影像作预处理，包括遥感
影像的校正、镶嵌、图像增强和影像裁剪等处理，以获得研究区清晰的高质量影像，
为下一步更准确的分类图像和信息提取做好准备。再根据遥感影像中各地物波段光
谱信息和谱间结构，通过设置阈值逐层逐类地提取土地类型，并掩膜掉已提取的类型，
消除它对其他地物提取的影响，使得分类过程越来越容易的分层分类法来提取土地利用
信息。利用分层分类法对两个时相的遥感影像进行分类，分类的总精度分别达到了
83.67%和82.74%，Kappa也分别达到了82.17%和81.10%。超过了最低70%的要求，
达到分类的标准。根据分类结果进行了1986年～2003年土地利用状况分析、土地
利用转化分析和驱动力分析。
结果表明，在研究期间内定边县土地利用状况发生了较大的变化，北部风沙滩区
和南部丘陵沟壑区的土地类型状况存在较大差异。在整个定边县内草地、水域、旱地、
水浇地、建筑用地增加，草地面积增加幅度最大；荒草地、裸土、灌木林地、有林地、
沙地面积减少，荒草地和裸土地大幅度减少。总耕地面积有所增加。其中，到2003年
水浇地增加了2183.04 hm
2
，比1986年增加了40%，旱地增加了3472.68 hm
2
，增加的水
浇地主要来源于林地、旱地和荒草地；总林地面积减少了2817.32 hm
2
，主要为有林地
的减少，减少了2476.71 hm
2
，减少的灌木林地主要转化为草地和荒草地；草地面积大
幅度增加，增加了96859 hm
2
，是1986年的1.59倍，它的增加主要是由沙地、荒草地和裸土地转化而来；近年来，由于坝系工程建设扎实开展，新建了许多淤地坝并维
修和加固了淤地坝，到2003年定边县总的水域面积已经增加到2581.92 hm
2
，成绩
显著，增加的面积主要是由林地转化而来，由林地转化而来的有629.61 hm
2
，其中包括
灌木林地327.99 hm
2
和有林地301.62 hm
2
；建筑用地面积增加了2757.69 hm
2
，增加的
面积是1986年的29%，建筑用地面积的增加主要是由耕地和裸土地转化而来；未利用土
地面积大幅减少，到2003年，沙土地、裸土地和荒草地面积分别减少了6367.91 hm
2
、
50805.5 hm
2
、45783 hm
2
，减少的沙地主要转化为草地和裸土地，也有部分向林地和耕
地转化，裸土地在减少的同时伴随着草地、旱地和灌木林地的增加。影响土地利用变化
的驱动力主要是农牧交错带的恶劣的自然环境、工业化与城镇化的快速发展、技术进步
和国家政策的作用。
关键词：土地利用/土地覆被；农牧交错带；分层分类；定边县THE STUDY ON LAND USE/LAND COVER CHANGE IN THE
AGRICULTURE AND PASTURAGE INTERLACED ZONE OF
NORTHERN SHAANXI
—TAKING DINGBIAN COUNTY AS EXAMPLE
ABSTRACT
Land resources are the material basis of the human existence,economic construction and
social development,are the places and the carrier of all other resources existence。With the
increased productivity and the advances of science and technology,irrational use and
management,the result is that land resources are damage and waste a lot,and a series of
environmental problems affect the stability of the economy and the development of human
society.Land use/land cover are the key elements of land resources,with the rise of remote
sensing technology and rapid development,people active take the remote sensing be used in
the field of land resources,its application promote and facilitate the land resource research
and development,and take the land use/land cover research into a new stage of development.
Particularly the agriculture and pasturage interlaced zone in the north of our country where
the ecological environment is very extremely,use the remote sensing to conduct dynamic
monitoring for land use/land cover,there is a great significance for understanding the land
use change patterns and the development.
In this study,based on understanding the review of similar studies,useing of remote
sensing tools,take the agriculture and pasturage interlaced zone of northern Shaanxi Dingbian
County as the study area,use the maps of 1986 and 2003 as the data source,with the
professional image processing software ERDAS9.1 and ARCGIS9.2 support,monitoring and
analysis the land use/land cover change.
In terms of land use information extraction,first preprocessing the 1986 and 2003 remote
sensing image,including image correction,mosaic,image enhancement and image subset and
other processing to obtain a clear image of the study area.In order to classification the images
and extraction information accurately.And then based on remote sensing spectral information
and spectral band structure of the object in image,to set the threshold for extract the land type
layer by layer,and mask out the type has been extracted to eliminate the impact of it,making
the classification process more and more easy to extract the hierarchical classification of land
use information.classification land hierarchical using the two-phase remote sensing image,
the overall classification accuracy was 83.67%and 82.74%,respectively,Kappa reached82.17%and Kappa=81.10%,respectively,.more than 70%which is the minimum
requirements to classification standards.According to classification results of 1986 and
2003,we can analysis situation of land use,change of the land use and driving forces.
The results show that the land utilization have changed a lot in Dingbian during the
study period.Grass,water,dry land,irrigated land have increased,Building land,grassland
area have increased most;The area of grassland,waste land,bush forest land,forest land and
sand land reduced,grassland and waste land reduced drastically.The total area of cultivated
has increased.Which,by 2003 irrigated land increase 2183.04 ha,compared with 1986
increased by 40%,dryland increase 3472.68 ha,the increased irrigated land mainly come
from woodland,farmland and grassland;the total forest area decreased by 2817.32 ha,the
more forest land reduced,reducing 2476.71 hectares,the shrub land mainly change into
grassland and grassland;the grassland area increased substantially,increased to 96,859 ha,is
1.59 times of 1986,its increase is mainly from sand,conversion of grassland and bare land;
recent years,with the dam construction,a lot of new dam were made,maintenance and
reinforcement a lot of dam,by 2003 the total water area of Dingbian County has increased to
2581.92 ha,there is a significant increase,and the in ctease area is mainly from forest
conversion,the conversion from forest land are 629.61 ha,including shrub land 327.99 ha and
301.62 ha forest land;building land area increased by 2757.69 ha,the increase area is
29%of1986,increase in the area of building land is mainly from arable land and waste land;
There is a significantly reduce of waste land area,by 2003,sand land,bare land and grassland
area decreased 6367.91 ha,50,805.5 ha,45,783 hectares,respectively,the sand mainly
convert into the grass land and waste land,som waste land transform to woodland and
farmland,with the reduction is accompanied by grassland,farmland and shrub land increased.
natural environment of the agriculture and pasturage interlaced zone,the rapid
industrialization and urbanization development,technological progress and national policies
is the Impact of land use change.
KEY WORDS:Land use/land cover;Agriculture and pasturage interlaced zone;Hierarchical
classification;Dingbian目录
第一章绪论............................................................................................................................1
1.1研究的目的和意义..........................................................................................................1
1.2基于遥感技术的土地利用/土地覆被研究.....................................................................2
1.2.1遥感技术...................................................................................................................2
1.2.2国内外土地利用/土地覆被研究状况及其进展......................................................4
1.3研究区概况......................................................................................................................6
1.4研究内容和技术路线......................................................................................................8
1.4.1研究内容...................................................................................................................8
1.4.2研究方法和技术路线...............................................................................................8
第二章遥感影像数据处理..................................................................................................10
2.1遥感数据获取与分析....................................................................................................10
2.2遥感影像预处理............................................................................................................10
2.2.1遥感影像校正.........................................................................................................10
2.2.2遥感影像的镶嵌.....................................................................................................11
2.2.3图像增强处理.........................................................................................................12
2.2.4图像的裁剪.............................................................................................................12
第三章分层分类方法研究..................................................................................................14
3.1土地利用分类系统的确定............................................................................................14
3.2分层分类方法研究........................................................................................................14
3.2.1各地类光谱分析.....................................................................................................15
3.2.2分层分类方案设计.................................................................................................16
3.3.1分类精度评价指标.................................................................................................20
3.3.2 1986年分类精度分析.............................................................................................21
3.3.3 2003年分类精度分析.............................................................................................22
第四章土地利用/覆盖状况分析.........................................................................................27
4.1北部风沙滩区土地利用状况分析................................................................................30
4.2南部丘陵沟壑区土地利用状况分析............................................................................30
4.3定边县土地利用状况分析............................................................................................31
4.4土地利用变化评价指标选择........................................................................................33第五章土地利用转化分析及驱动力分析..........................................................................35
5.1土地利用类型转化分析................................................................................................35
5.2定边县土地利用变化驱动力分析................................................................................43
5.2.1自然因素驱动力.....................................................................................................43
5.2.2人类因素驱动力.....................................................................................................43
第六章总结与讨论..............................................................................................................45
6.1结论................................................................................................................................45
6.2讨论................................................................................................................................47
参考文献..................................................................................................................................49
致谢..................................................................................................................................52
作者简介..................................................................................................................................53第一章绪论
1.1研究的目的和意义
土地资源既是人类生存、经济建设和社会发展的物质基础，又是一切其他资源能够
存在的载体和场所，是一种从事农业生产的基本生产资料，是工业、农业、交通、城镇
等发展不可或缺的物质条件。随着生产力的快速提高，人类科学技术的不断进步，人们
日益扩展了对土地资源利用的广度和深度。
于此同时，不合理的土地管理措施和开发利用方式，不仅导致了土地资源受到大量
的毁损和浪费，还由此产生了的一系列的环境问题，影响着经济进步和人类社会的稳定
发展。农业主要依赖的是土地资源，我国的人口众多，人均土地占有量少，在我国人均
土地面积占有量只有世界人均的1/3、耕地面积占有量是世界人均的1/3、林地面积仅
为世界人均占有量的1/5，伴随着土地资源的严重浪费，又由于土地生产力低下，致使
土地质量不断下降，生态环境进一步恶化。如今土地问题已成为全世界共同关注的问题
之一（李秀彬1996）。
进入20世纪80年代以来，随着“3S“技术，也就是地理信息系统(GIS)、遥感（RS）
和全球定位系统(GPS)科学技术研究日趋成熟，以及它在土地科学方面的广泛应用，特
别是土地利用/土地覆被（Land use and land cover change,简称LUCC）的研究，3S
技术在土地方面的应用已经逐渐成了土地科学研究的前沿和热点。在我国的土地利用方
面，政府追求的目标是要掌握土地利用现状和和土地利用变化规律，从而制定符合实际
的正确决策。县级行政区是土地资源管理的最基本行政单元，因此它的土地利用统计数
据对大范围的土地利用研究具有重大意义的。由于传统土地变更调查方法比较落后，因
此误差比较大、费用高、工期长，为我国实现土地资源的可持续发展造成了不利的影响。
所以，对如何综合运用各种新兴的高科技手段，准确的把握县级土地利用现状及其变化
的课题研究是具有重大意义的。
土地利用和土地覆被是两个既有联系又有区别的概念。土地利用主要强调的是土地
的社会属性，而土地覆被则强调的是土地的自然属性。土地利用主要包括两个方面的内
容：一是土地利用，即人类以土地作为劳动对象，通过对土地性质的调查、评价，做出
土地的开发、整治、利用和保护规划，并且在此基础上实施土地活动的过程。二是土地
利用关系的调整，从微观上来说，土地利用是在依法获得土地的使用权后，而对土地进
行的经营活动、并取得效益的过程（常庆瑞2002）。土地覆被是自然营造物和人工建筑
物所覆盖的地球表面各个要素的综合体。土地利用和土地覆被二者在地表构成一个综合
的统一整体。
土地利用/土地覆被的变化研究主要是以提高对全球土地利用/土地覆被动态变化
过程的认识为基本目的，并且逐步提高人们对土地利用/土地覆被变化的预测能力，使
1土地资源能够得到最高效率的利用，为人类的生产、生活带来便利，并有效的防止生态
环境的恶化。
农牧交错带是位于我国南部农耕区与北部草原牧区相连接的半干旱生态过渡带，该
区既是农业生产的边缘地带，又是典型的生态脆弱带，是我国生态安全与否的重要屏障。
多年来该地区的农业主要是以“旱作雨养”为主要农业生产方式，一直延用着落后的“弃
耕”制度。特别近十年来，这个地区开垦出来的草原，目前已经有半数撂荒、弃耕。由
于过度开垦和过度放牧，农牧交错带现在已经成为我国自然植被破坏最为严重的区域。
因过度放牧，交错带有57.47km
2
的草地中，占八成以上的草地都出现不同程度的退化。
也是因为草地退化、土地沙化和盐碱化现象的日益严重，农牧交错带的生产和生活条件
十分恶劣，农牧业生产水平一直是低而不稳。因此，对农牧交错地带土地利用/土地覆
被变化的研究对该区域脆弱的生态环境建设和保护具有非常重要的现实意义。
陕北农牧交错带地处黄土高原北部，毛乌素沙漠南缘。在沙区内，不同土地利用方
式交错分布在一起，土地利用类型比较复杂。农林牧用地的交错分布自东南向西北呈现
出明显的地域差异，东部和南部地区农田高度集中于河谷阶地和滩地，向西北则农地逐
渐减少，草场分布增多，但人为破坏很严重，流沙所占比重比较大；西北部除有流沙分
布外，还有大量的成片半固定、固定沙地的分布。现有的农、牧、林用地利用不充分，
经营比较粗放。特别是近几十年来，随着当地经济的快速发展、人口的急速增加，导致
土地的利用强度进一步增强、范围也有所扩大，土地利用类型发生着重大变化，给区域
经济的发展和人类生存安全带来了严重的影响。因此，我们选择位于该区的定边县作为
研究对象，研究其土地利用/土地覆被的时空演变规律，为具有相同生态特征的西北农
牧交错地区土地利用的规划与管理提供借鉴和参考，对我国土地资源的可持续利用和生
态环境建设具有重大意义。
1.2基于遥感技术的土地利用/土地覆被研究
1.2.1遥感技术
遥感（RS）技术是在20世纪60年代初才开始发展起来的一门新兴科学技术，它主
要是以航空摄影技术作为基础。从20世纪80年代以后，由于遥感技术在全球范围得到
长足的发展，所以遥感技术在各方面的应用也变得越来越广泛。随着遥感技术研究的不
断进步和遥感技术在各领域应用的不断深入，在未来，遥感技术的应用将会越来越广泛，
并会在我国的国民经济建设和社会发展中发挥日益重要的作用。对于遥感的含义在通常
说法中有广义和狭义两种:广义的解释是一切与目标物不相接触的远距离的探测（李选
利等2008）。狭义解释为与目标物不相接触，运用电子学和现代光学探测仪器，在远
距离就将目标物的电磁波特性一一记录下来，再通过分析和解译揭示出目标物本身具有
的特征、性质和变化规律。
现代所研究的遥感技术包括的主要特点有：通过遥感平台可获取较大范围的数据资
2料。在遥感资料获取中所用的航摄飞机一般的飞行高度为10km左右，而陆地卫星的卫
星轨道高度可达910km左右，根据平台的飞行高度就可以了解，它及时的获取比较大范
围的信息。例如，一张陆地卫星的图像，它的覆盖面积一般可达到3万多平方千米。这
种能展示宏观景象的卫星图像，对环境分析和地球资源有极为重要的作用。获取遥感信
息的速度非常快，周期非常短。由于卫星是围绕地球不断运转，因而能够及时的获取所
经地区的全部自然现象的所需最新资料，以便能够更新原有的资料，或者根据新旧两个
资料的变化来进行动态监测，这些是航空摄影测量和人工实地测量所无法比拟的。例如，
陆地卫星4和5，每16天便能够覆盖地球一遍，而气象卫星NOAA每天能够收到两次图
像。Meteosat每隔30分钟就可获得同一地区的图像。获取信息所受到条件限制比较少。
在地球上有很多的地方，自然条件极其恶劣，人类的能力难以到达，如高山峻岭、沼泽、
沙漠等。能够采用不受到地面条件限制的遥感技术，特别是新兴的航天遥感技术就可以
方便及时地获得各种宝贵的资料。获取信息的手段增多，信息量加大。根据任务的不同，
遥感技术可以选用不同的遥感仪器和波段来获取所需信息。例如可以利用可见光来探测
物体，也可应用红外线、紫外线或微波来探测物体。利用不同的波段对物体具有不同穿
透性的特点，还可以获取地物内部的相应信息。例如，地面以下的深层、冰层以下的水
体和水的下层，沙漠下面地物的特性等，微波波段还具有可以全天候工作的特性。
目前，遥感技术已经广泛的应用于林业、农业、气象、地质、海洋、军事、环保和
水文等领域。预计在未来的十年中，遥感技术将会步入一个能够快速且及时的提供多种
对地观测数据的一个新阶段。遥感图像的光谱分辨率，时间分辨率和空间分辨率都会有
一个很大的提高。随着空间技术发展，特别是地理信息系统技术和全球定位系统技术的
发展和相互渗透，它的应用领域会将会越来越广泛。
遥感技术从广义上可以说是泛指从远处探测、感知事物或物体的一项技术。也就是
不直接接触到物体的本身，从远处利用仪器（传感器）来探测和接收来自目标物的信息
（如地震波、电磁波、磁场、电场等信息），再经过信息的传输和处理分析，来识别物
体的属性和分布等特征的技术。一般遥感是指高空对地面的遥感，也就是从远离地面
的各种不同的工作平台上（如飞机、气球、高塔、火箭、航天飞机、宇宙飞船、人造地
球卫星等）利用传感器，对地表的电磁波（辐射）等信息进行探测，并且经过信息的传
输、处理和解译分析，对地球上的资源和环境进行探测和监测的一种综合性技术。目
前遥感已经形成了一个从地面到空中，甚至到空间，从信息数据的收集、处理再到判读
分析及其应用，对全球进行探测及监测的多领域、多层次、多视角的观测体系，已经成
为获取地球资源与环境信息的不可或缺的重要手段。
遥感图像，或者可以称为遥感像片，是各种传感器获得的信息的产物，也是遥感探
测目标所获得的信息的载体。在遥感图像上可以辨别出很多地物信息，如水体（河流、
水库、湖泊、鱼塘、盐池等）、植被（草地、森林、农作物、果园、水生植物和沼泽等）、
土地（林地、农田、道路、居民地、厂矿企事业单位、海岸、沙漠和荒原等）、山地（高
3