《武汉工程大学学报》 2020年01期
73-78
出版日期：2021-01-25
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
武陵山区地形起伏度特征及其与土地利用的变化关系
土地利用/土地覆盖变化作为表征人类活动行为对地球陆表自然生态系统影响最直接的信号，是人类社会经济活动行为与自然生态过程交互和链接的纽带［1］。地形作为重要的自然环境因子，直接影响地面的物质流动与能量转化，深刻影响着区域土地利用结构、空间格局及动态变化［2-5］。区域土地利用与地形因子的密切关系，引起了学者的广泛关注，目前针对全国多个城市和县乡都有所研究，但研究范围多局限于特定行政区划范围［6-8］，缺乏对自然地理环境同质性区域的研究，尤其是缺少针对我国中部大尺度山区的研究。研究使用较多的地形评价指标包括高程、坡度、坡向、地形起伏度、地形位指数、分布指数、地形综合指数等［9］。其中，地形起伏度因能定量描述区域地貌宏观形态特征［10］，是使用最多的地形因子之一。地形起伏度是指在某一个确定面积内最大高程与最小高程之差［11］，它反映地面的起伏状况和切割程度。国内学者在应用遥感数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据提取区域地形起伏度方面做了较多尝试［10，12-13］。综合上述研究发现，区域地貌形态、邻域统计尺度大小和DEM数据的空间分辨率均对地形起伏度提取有较大影响，尤其是不同区域、不同地貌特征对应不同的地形起伏度最佳统计单元［12］。武陵山区是武陵山脉覆盖的地区，是我国3大地形阶梯中第2级阶梯向第3级阶梯的过渡带，平均海拔1 000 m。该区自然资源丰富，生态环境脆弱，自然灾害多发，地形是制约区域土地利用和资源高效利用的重要因素之一。本研究基于航天飞机雷达地形测绘计划（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）数据采用邻域分析法对武陵山区不同单元大小的地形起伏度进行提取，采用均值变点分析法确定研究区地形起伏度的最佳统计单元，进而运用空间叠置分析和时序分析方法探讨了1990-2015年各土地利用类型面积在不同地形起伏度区域的定量变化，以期为区域土地资源合理利用和管理提供基础数据，为武陵山地区资源高效配置、生态环境保护和自然灾害有效防治提供科学依据和决策支持。1 研究区概况武陵山区是以武陵山脉为主线，以土家、苗族、侗族为主体的渝鄂湘黔4个省（市）毗邻地区，位于25°52’~31°24’N、107°04’~112°02’之间，占地面积17.18×104 km2，总人口为3 000多万人。该区域处在我国云贵高原的东部延伸地带，主脉为北东走向，长度约420 km，平均海拔1 000 m，海拔在800 m以上的地方占全境约70%，平均坡度为15°。境内峰岭重叠，岗峦密布，山谷相间，山体主要由板岩、砂页岩、石灰岩、花岗岩等组成，岩溶广为发育［14-15］。研究区气候属于亚热带向暖温带过渡的山区类型气候，年平均气温为12~17 ℃，年总降水量在1 100~1 600 mm之间，无霜期为190~280 d。雾多湿重，风速小；日照充分，年均为1 200~1 500 h，夏凉冬冷，雨量充足。2 数据来源与研究方法2.1 数据来源鉴于研究区的面积和山地特性，本文DEM采用分辨率为90 m×90 m的SRTM数据，该数据是由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量处理得到的数字地形产品数据。土地利用数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学数据中心，该数据是以Landsat Thematic Mapper（TM）/ Enhanced Thematic Mapper Plus（ETM+）遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译得到的土地利用数据集，数据分辨率为1 km，使用时采用最近邻法重采样90 m，与DEM数据分辨率保持一致。该数据每5年1期，本文选取了1990年和2015年2个时间点的数据进行处理分析。土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型，本研究分析的是6个一级类型。研究区边界来源于全国1∶4 000 000矢量数据，在ArcGIS中定义矢量投影坐标与DEM投影一致。利用研究区矢量边界分别对图像镶嵌后的DEM栅格数据和土地利用数据进行裁剪处理得到武陵山区DEM数据［图1（a）］及2个时期土地利用数据［图1（b）］。2.2 研究方法2.2.1 地形起伏度提取 地形起伏度（relief amplitude）是指在某一确定面积（[A]）内最高点（[Zimax]）和最低点（[Zimin]）的高差［16］，其公式表示如下：[RAi=Zimax-Zimin] （1）式中：[RAi]指某区域的地势起伏度；[Zimax]指该区域内的最大高程值；[Zimin]则指该区域内的最小高程值；[i]为自然数，指某一统计区域。（1）邻域分析文中地形起伏度的提取采用n×n像元矩形邻域分析法，在ArcGIS软件中完成，n实验取值为3，5，7，9，…199，分别统计n×n窗口内像元的最大值和最小值；然后通过栅格运算得到最大值与最小值的差值，该值即是n×n窗口下的地形起伏度值。最后统计n×n窗口下地形起伏度栅格的平均起伏度值。（2）均值变点分析地形起伏度分析的关键是确定最佳统计单元［17］，即得出一确定面积，既能较好表达地势起伏信息量也能表达各种地势梯度，使其具有区域普适性。最佳统计单元的确定目前广泛应用的方法是统计学中的均值变点分析法 ［18］。对于有序数列[xi]，[i=1,2,3,?,N，][N]为样本数，样本以[xi]点为界分为2段，分别计算每段样本的算术平均值[xi1]，[xi2]及样本均值[x]，并计算统计量：[Si=t1=1i-1(xt1-xi1)2+t2=iN(xt2-xi2)2] （2）[S=i=1N(xi-x)2] （3）式（2）和式（3）中：[Si]为2段样本的离差平方和之差；S为总离差平方和；[t1=1,2,?,i-1]；[t2=i,i+1,][?,N]。变点的存在会使[S]和[Si]的差距增大，两者最大差值对应的点称为变点。2.2.2 地形起伏度与土地利用及其变化的关联分析 首先对1990和2015年两个时段武陵山区土地利用数据进行空间统计分析和栅格差值计算，探讨研究区土地利用时空变化过程。然后将计算得到的研究区地形起伏度图按地貌制图规范分级，进一步用地形起伏度分级结果分别与2015年土地利用图及1990-2015年的土地利用变化图做空间叠置分析，统计得到不同地形起伏度单元上各土地利用类型的分布及研究时段内的变化，揭示土地利用时空变化过程中的地形梯度效应。3 结果与讨论3.1 地形起伏度特征分析基于掩膜裁剪后的研究区SRTM数据，采用不同大小矩形窗口（n=3，5，……，199）计算不同邻域面积下对应的研究区平均地形起伏度，得到研究区不同邻域窗口大小对应的平均起伏度。通过地形起伏度与邻域面积的函数拟合（图2）可见两者之间呈对数曲线关系，拟合系数R2为0.983 8，并通过统计学检验。从拟合曲线上可以看出平均起伏度先随邻域面积增大而增大，当邻域面积达到一定大小时，其变化幅度趋小，而后逐渐趋于平缓。在该曲线上，存在一个地形平均起伏度变化由陡变缓的拐点，该拐点所对应的邻域面积就是提取平均地形起伏度的最佳统计面积［19-21］。在Matlab软件中，根据公式（1）计算分段样本的算术平均值与方差，根据公式（2）计算样本的总体平均值和方差，得到S与Si的差值变化曲线（图3）。S与Si之差在点序号为28时达到最大值，该序列点所对应的邻域大小为57×57个栅格单元，即提取武陵山区地形起伏度的最佳统计单元面积为26.3 km2。基于SRTM数据在最佳邻域统计单元26.3 km2下提取得到武陵山区的地形起伏度，其范围为0~2 425 m，平均地形起伏度为611.9 m。根据中国1∶100 000地貌制图规范［22］中地貌基本形态划分体系将地形起伏度划分为平原（＜30 m）、台地（30~50 m）、丘陵（50~200 m）、小起伏山地（200~500 m）、中起伏山地（500~1 000 m）、大起伏山地（1 000~2 500 m）、极大起伏山地（＞2 500 m）共7级。参考中国1∶100 000地貌制图规范，研究区平均起伏度最大不超过2 500 m，无极大起伏山地，故将研究区平均地形起伏度划分为6个等级并制图［图1（c）］。经统计发现（表1），武陵山区地形以小起伏山地和中起伏山地为主，尤其是起伏度介于500 m到1 000 m之间的中起伏山地所占面积达研究区面积的50.0%以上，起伏度为200～500 m的小起伏山地面积约为研究区面积的33.3%，起伏度超过1 000 m的大起伏山地所占面积约为研究区面积的10.0%，而平原、台地、丘陵三者的面积之和约占研究区面积的5%。3.2 土地利用变化分析武陵山区的主要土地利用类型是耕地和林地（表2），二者覆盖了研究区近90%的区域，2015年林地面积约占区域总面积的67%，耕地面积占研究区总面积的22%，草地面积占比近10%，水域和建筑用地面积占比均不到研究区总面积的1%。通过统计1990年和2015年研究区不同土地利用类型面积差异发现，武陵山区土地利用类型的总体结构在研究时段发生了较显著变化。耕地、草地、未利用地的面积在研究时段总体上呈减少趋势，其中耕地面积减少最多，超过了800 km2，草地减少面积近700 km2，未利用地因面积太少不做讨论；林地、水域和建筑用地面积在研究时段有所增加，其中建筑用地增加最多，面积超过700 km2，增加的面积与20世纪90年代已有面积持平，增幅超过1倍，林地增加面积逾600 km2，水域面积亦增加了近15%。3.3 土地利用类型与地形起伏度的关联分析武陵山区土地利用类型随地形起伏度的分布有显著差异。根据地形起伏度划分的地貌形态，土地利用类型在小起伏山地和中起伏山地最为集中。各土地利用类型在不同地形起伏区域的分布与总体趋势相同，均集中于小起伏山地和中起伏山地。耕地、林地和草地分布最广的是在中起伏山地区域，水域、建筑用地和未利用地则在小起伏山地分布最广。就研究时段各土地利用类型在不同地形起伏单元的分布变化而言，耕地在各地形起伏区均呈减少趋势（表3），在小起伏山地区域减少面积最大，减少近380 km2，次之是在丘陵区域，减少约210 km2，中起伏山地和大起伏山地紧随其后，减少面积也超过了100 km2；林地面积在各地形起伏单元都呈增加趋势，其中中起伏山地区域增加最多，增幅近300 km2，小起伏山地次之，增加约190 km2，其次是丘陵和大起伏山地；草地面积除在台地区域不变外，在其余地形起伏单元都呈减少趋势，其中中起伏山地减少最多，减幅接近400 km2，其次是小起伏山地减少约270 km2；水域在各地形起伏单元的变化面积都不大，增加最多是在小起伏山地，增加面积近80 km2，次之是在大起伏山地和中起伏山地；建筑用地在各地形起伏单元都呈增加趋势，其中在小起伏山地增加最多，增幅达370 km2，次之是在中起伏山地和丘陵地区，增加面积都超过100 km2，在其他地形起伏单元增加面积不大；未利用地因总体面积少，变化量也小，这里不做分析。从不同地形起伏度单元看，占研究区面积1/2以上的中起伏山地区域，耕地和草地面积减少，草地减少面积是耕地减少面积的3倍，减少约300 km2，林地、水域和建筑用地呈增加趋势，建筑用地增加最多，增加超过200 km2。占研究区面积1/3的小起伏山地区域，耕地、林地和草地面积都呈减少态势，耕地在小起伏山地减少的面积是中起伏山地区域耕地减少面积的近3倍，水域和建筑用地面积增加，且增加的面积均大于在中起伏山地区域增加的面积。4 结 论本文基于90 m空间分辨率的SRTM数字高程数据，运用邻域分析和均值变点分析方法，对武陵山区地形起伏度进行了提取和研究，在此基础上结合研究区1990年和2015年2个时段土地利用数据，探讨了研究区土地利用的结构变化及其在不同地形起伏单元的分布变化，定量揭示了近30年来研究区土地利用与地形起伏度的相关关系，并有如下结论和思考。1）根据最佳邻域分析窗口，计算得到武陵山区地形起伏度，平均值为611.9 m。武陵山区地形以小起伏山地和中起伏山地为主，二者占研究区总面积的80.0%以上，其中中起伏山地面积达研究区总面积的50.0%以上。2）耕地和林地是武陵山区的主要土地利用类型。研究区土地利用类型结构在过去近30年间有显著变化，耕地、草地、未利用地的面积呈减少趋势，耕地面积减少最多；林地、水域和建筑用地面积在研究时段呈增加态势，建筑用地增加最多，增幅超一倍。这种变化是退耕还林、天然水源涵养、城镇化和新农村建设等政策导向所致，也是研究区人口增长、经济社会发展、生态观念日益重视的大趋势所致。 3）对武陵山区土地利用结构与地形起伏度的关联和变化分析研究，发现研究区各土地利用类型主要集中在小起伏山地和中起伏山地。各土地利用类型在不同地形起伏单元的分布变化较大，耕地和草地在各地形起伏单元均呈减少趋势，林地、建筑用地和水域则基本都呈增加趋势。在中起伏山地区域耕地和草地面积减少，林地、水域和建筑用地面积增加；小起伏山地上耕地、林地和草地面积减少，水域和建筑用地面积呈增加趋势。耕地、草地在丘陵以上区域减少较多和林地在各地形起伏单元上的增加主要是退耕还林和天然林保育工程的影响；建筑用地主要在小起伏山地增加一方面是新型城镇化建设和异地扶贫搬迁选址多集中于此区域，另一方面在产业扶贫过程中新建厂房和相关配套设施等也多偏向于起伏度小的区域；水域面积主要在小起伏山地区域增加，这一区域也是武陵山区人口集中分布的区域，在国家水资源保护政策指导下，武陵山片区区域发展与扶贫攻坚规划中也提到加大对城乡集中饮水水源的保护力度、科学调整并划定水源保护区以及建设抗旱应急水源工程，这些举措都促进了水域面积的保持和增加。清江流域还采用工程建设和生态修复等手段促进水源区生态保护、流域城镇环境整治和库区水体生态恢复等工作，均有利于水域面积的扩增。4）文中土地利用数据是通过低分辨率的数据重采样得到与地形数据分辨率一致的数据，进一步可通过结合Sentinel和高分影像等数据解译获取更精确的土地利用类型。另外，文中仅对地形起伏度这一地形因子进行了分析，实际上表征地形地貌特征的因子还有很多，进一步将综合多个地形因子对武陵山区土地利用及其变化进行探讨。此外，在对地形因子提取的基础上，不仅可结合土地利用结构，还可更多结合植被、气候等自然资源状况和人口、社会经济分布数据，探究地形对资源分布、灾害防控以及经济社会发展的影响。