全 文 ：基于 RS与 GIS的黄土丘陵沟壑区土地
覆盖动态研究*
常庆瑞1* * 刘 京1 杨勤科2 张晓萍2
( 1 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌 712100; 2中国科学院水土保持研究所,杨凌 712100)
摘要 应用遥感与 GIS 相结合的方法,对陕北黄土高原地区的数字影像进行人机交互的屏幕解译, 得
到 1990 年、2000 年的土地利用/覆盖数字地图,以及面积统计结果. 分析表明,近 10 年来该地区建筑和工
交用地逐年扩大, 耕地面积保持稳定,果园面积显著增加,人工林地和森林覆盖率有较大幅度提高, 荒野地
占地比重下降, 区域生态环境质量得到明显改善.
关键词 土地利用/覆盖 动态监测 黄土丘陵沟壑区 遥感和地理信息系统
文章编号 1001- 9332( 2003) 12- 2187- 04 中图分类号 F301. 24 文献标识码 A
Dynamic monitoring on land cover in loess hilly and gully area by the methods of RS and GIS. CHANG Qin
grui1, L IU Jing1 , YANG Qinke2 , ZHANG Xiaoping 2 ( 1Northwes t SciTech Univer sity of Agr icultural and
For estry , Yangling 712100, China; 2 I nstitute of Soil and Water Conversation, Chinese A cademy of Sciences ,
Yangling 712100, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2003, 14( 12) : 2187~ 2190.
By the integ ration of RS and G IS, w ith the TM data obtained from Landsat 5 in 1990 and the ET Mplus data
from Landsat 7 in 2000, and after geometrical r ectifying and amplifying and manmachine screen decoding data
image, the map of ecoenvironment and land use/ cover in Yanhe watershed and its vicinities in 1990 and 2000
was obtained respectively, and the results of statistic analyses showed that in compar ing with 1990, the artificial
land in 2000 increased by 31% , the area of agr icultural land w as stable and t hat of orchard was 2. 82 times more,
and the area of artificial forest increased remarkably and that of shrub w as 6 times more. The coverage rate in
creased to 13. 88% , and the area o f w ilderness w as 44. 8% of that in 1990. The quality of ecoenvironment was
improved remarkably in this area.
Key words Land use/ cover, Dynamic monito ring, Loess hilly and gully ar ea, RS & GIS.
* 国家自然科学基金项目( 30170790)、教育部科技重点项目( 03157)
和国家! 863∀计划资助项目( 863308) .
* * 通讯联系人.
2001- 04- 12收稿, 2002- 01- 14接受.
1 引 言
土地利用/覆盖一般指地球表面当前所具有的
自然和人为影响所形成的覆盖物, 包括地表植被、土
壤、冰川、湖泊、沼泽湿地及道路等.土地覆盖具有特
定的时间和空间属性, 其性状可在多种时空尺度上
变化[ 2, 4, 5, 10] .由于土地覆盖和土地利用与全球环境
变化和人类的生产生活密切相关,近年来成为地球
系统科学研究领域中的一个重要分支[ 1, 9, 11] . 土壤
侵蚀是大气降水与下垫面相互作用后产生的一种自
然现象与地理过程, 其侵蚀的形式、强度和发展演变
过程与下垫面 # # # 土地利用/覆盖密切相关, 区域土
壤侵蚀遥感定量与动态分析的基础就是通过遥感影
像提取土壤侵蚀要素和土地利用/覆盖信息, 进而建
立与土壤侵蚀的关系与模型. 陕西省北部的延河流
域及其毗邻地区是国家生态环境重点建设区, 为了
掌握该地区的土壤侵蚀状况, 实现动态监测, 给生态
环境建设规划提供基础资料, 应用遥感与地理信息
系统相结合的方法, 对土地利用/覆盖进行研究.
2 研究地区与研究方法
2 1 研究地区概况
陕北生态环境重点建设区位于陕西北部的黄土丘陵沟
壑区, 108∃39%42&~ 110∃30%E, 36∃10%40&~ 37∃19%41&N , 总面
积 10 016 km2, 包括陕西省延长、安塞和宝塔县的全部, 子
长、志丹和靖边县的部分, 是我国水土流失最严重的地区之
一, 生态环境特征如下[ 3, 6] :
该地区属于典型的暖温带大陆性半干旱季风气候,冬季
寒冷干燥, 春季大风扬尘,夏季高温且多阵雨冰雹 ,秋季温凉
湿润, 一年四季分明, 干湿交替明显. 太阳辐射 492. 20 ~
579. 35 kJ∋cm- 2, 日照时数 2 385~ 2 505 h; 年均温 8. 5 ~
11. 4 ( , )10 ( 积温 2 900~ 3 900 ( , 无霜期 157~ 190 d.
年降水量 500~ 565 mm, 蒸发量 1 580 mm 左右, 相对湿度
60% .
该区的地质基础是陕北地台, 晚古生代起下降为内陆盆
地, 接受了巨厚的陆相沉积.中生代的燕山运动缓慢趋升, 遭
应 用 生 态 学 报 2003年 12 月 第 14 卷 第 12 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2003, 14( 12)∗2187~ 2190
受剥蚀夷平 ;中新世的喜马拉雅运动, 地台急剧上升成为高
原,出现河流下切侵蚀, 形成黄土高原的基本骨架.更新世以
来,在这一基础上覆盖了 30~ 200 m 厚的黄土, 经过漫长历
史的流水、风和重力作用, 以及人类活动的影响,沟谷下切,
沟头后退, 原始地形被分割得愈加支离破碎, 逐渐形成梁峁
遍布,沟谷纵横, 起伏跌宕的独特黄土地貌景观.
由于受强烈的水土流失影响, 该区土壤发育程度差, 母
质特征明显,养分含量低, 主要类型有黑垆土、黄绵土、红粘
土、紫色土和新积土. 植被类型以灌丛草原为主,南部的汾川
河流域有次生天然林, 北部零星散布着人工乔木林. 成林的
树种主要有刺槐 ( Robinia p seudoacacia )、杨树 ( Populus
spp. )、柳树 ( Salix matsudana )、油松 ( Pinus tabulaef ormis )
和侧柏 ( Platycladus or ientalls ) , 灌木占优势的是黄刺玫
( Rosa hugonis )、沙棘 ( Hippophae rhamnoides )、狼 牙刺
( Sophora v iciif olia )、酸枣 ( Ziz yphus sp inosa )、柠条 ( Cara
gana dorshinskii)、连翘 ( For sythia susp ensa)、锦鸡儿 ( Cara
gana sinica )、绣线菊 ( Sp iraea spp. ) 和胡枝子 ( Lesp edza
spp. ) ,草本有针茅 ( S tipa spp. )、委陵菜 ( Potentilla chinen
sis)、蒿 ( A r temisia spp. )、冰草( Agropy ron cr istatum )、白羊
草( Bothr iochloa ischaemum ) 和野菊花 ( Dendranthema in
dicum )等.
22 研究方法
221 图像几何校正与镶嵌 根据 1990 年 Landsat 5 获取的
T M 数据和 2000 年 Landsat 7 获取的 ETM 数据, 图像几何
校正以 1∗10万地形图上控制点坐标为依据, 按标准分幅对
遥感数字图像进行分割、拼接.采用高斯投影, 几何校正用二
次多项式,系数用最小二乘法计算, 像元重采样方式为双向
线性内插最邻近点法, 校正后每个像元的空间分辨率为 30
m,控制点中误差在 1 个像元以内. 影像镶嵌用最小灰度差
原则进行拼接, 接缝处灰度加权平滑, 用直方图匹配方法进
行灰度调整, 接边中误差小于 2 个像元.
2 2 2 图像增强处理[ 7, 8] 在 ENVI 图像处理系统上, 对经
过几何校正和镶嵌的图像进行彩色合成转换, 纹理滤波, 交
互拉伸, 直方图均衡化等增强处理.用 TM5、4、3 波段做 rgb
his变换, 用 ETM8波段代替 I, 再做 I ( T M8) HSRGB 变换,
产生用于屏幕解译的遥感影像.
2 2 3 屏幕解译与数字化 在 ARC/ INFO 软件支持下, 应用
人机交互方式进行屏幕解译, 解译标志见图 1. 经过编辑处
理, 直接得到土地利用/覆盖数字地图, 并自动生成图形空间
数据库.
2 2 4 空间叠加与统计分析 通过对数据库的操作, 统计出
不同时期的土地利用/覆盖数据;通过空间叠加分析,提供定
位、定量的动态变化信息,并生成其他相关专题地图[ 4] .
3 结果与分析
31 建筑和工交用地
陕北生态环境重点建设区土地利用/覆盖及其
动态变化如表 1、表2和图2所示.陕北生态环境重
图 1 遥感影像土地利用/覆盖解译标志及其动态监测
Fig. 1 Land use/ cover remote sensing image decoding symbols and dynamic monitoring.
A:延安东站 Eastern stat ion of Yan+ an 2000. 7. 31; B:延安东站 Eastern stat ion of Yan+ an 1990. 8. 29; C:汾川河 Fenchuan River 2000. 7. 31; D: 汾
川河 Fenchuan River 1990. 8. 29; E:王窑水库 Wangyao reservoir 2000. 7. 31; F:王窑水库 Wangyao reservoir 1990. 8. 29.
2188 应 用 生 态 学 报 14卷
表 1 1990年土地利用/覆盖
Table 1 Land use/ cover in 1999 ( km2)
土地利用类型
Land use type
宝塔区
Baota zone
延长县
Yanchang
子长县
Zichang
安塞县
Ansai
靖边县
J ingbian
志丹县
Zhidan
合计
T otal
1建筑工交用地 Architect and mine and t raf fic land 23. 334 11. 685 0. 000 11. 933 1. 905 0. 706 49. 563 11建筑用地 Architectural land 15. 950 1. 941 0. 000 7. 507 0. 566 0. 095 25. 699 12工交用地 Mine and traff ic land 7. 744 9. 744 0. 000 4. 426 1. 339 0. 611 23. 483
2农业用地 Agricultural land 1352. 361 895. 643 4. 336 1177. 258 323. 75 127. 38 3880. 729 21耕地 Arable land 1278. 055 882. 591 4. 266 1164. 890 320. 441 125. 75 3775. 993 22园地 Orchard land 74. 265 13. 052 0. 070 12. 368 3. 309 1. 631 104. 695 23水产养殖 Aquicultural land 0. 041 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000 0. 041
3自然半自然植被 Natural and semi- natural vegetable 2143. 392 1450. 27 4. 718 1754. 342 457. 883 225. 99 6036. 601 31天然林 Natural forest land 180. 304 137. 724 0. 000 76. 437 9. 476 2. 267 406. 208 32人工林 Art if icial forest land 225. 296 125. 514 2. 726 87. 555 19. 236 10. 374 470. 711 33灌草地 Shrub and grass land 1737. 792 1187. 036 1. 992 1590. 350 429. 171 213. 341 5159. 682
4湿地 Sw amp 0. 000 0. 129 0. 000 0. 106 0. 153 0. 000 0. 388 43滩涂 Beach 0. 000 0. 129 0. 000 0. 106 0. 153 0. 000 0. 388
5水体 Body of w ater 11. 054 17. 726 0. 059 2. 810 0. 469 0. 483 32. 601 51内陆水体 Body of w ater inland 11. 054 17. 726 0. 059 2. 810 0. 469 0. 483 32. 601
6未利用地 Unused land 6. 769 1. 047 0. 000 4. 499 3. 600 0. 000 15. 915 61沙地 Sand 4. 290 0. 706 0. 000 3. 685 3. 600 0. 000 12. 281 62裸地 Bared land 2. 479 0. 341 0. 000 0. 814 0. 000 0. 000 3. 634
表 2 2000年土地利用/覆盖
Table 2 Land use/ cover in 2000 ( km2)
土地利用类型
Land use type
宝塔区
Baota zone
延长县
Yanchang
子长县
Zichang
安塞县
Ansai
靖边县
J ingbian
志丹县
Zhidan
合计
T otal
1建筑工交用地 Architect and mine and t raff ic land 37. 407 11. 783 0. 000 13. 011 1. 904 0. 825 64. 930 11建筑用地 Architectural land 20. 017 2. 039 0. 000 8. 585 0. 565 0. 214 31. 420 12工交用地 Mine and t raf fic land 17. 390 9. 744 0. 000 4. 426 1. 339 0. 611 33. 510
2农业用地 Agricultural land 1367. 031 906. 783 3. 868 1231. 622 319. 500 129. 940 3958. 744 21耕地 Arable land 1273. 234 789. 158 3. 868 1168. 038 308. 876 119. 776 3662. 950 22园地 Orchard lan d 93. 574 117. 625 0. 000 63. 584 10. 624 10. 164 295. 571 23水产养殖 Aquicultural land 0. 223 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000 0. 000 0. 223
3自然半自然植被 Natural and seminatural vegetable 2121. 184 1441. 720 5. 245 1698. 296 465. 71 223. 667 5955. 825 31天然林 Natural forest land 268. 813 143. 067 0. 000 51. 823 9. 369 4. 527 477. 599 32人工林 Art ificial forest land 586. 560 168. 75 3. 049 124. 643 20. 316 7. 595 910. 958 33灌草地 Shrub and grass land 1265. 811 1129. 906 2. 151 1521. 83 436. 025 211. 545 4567. 268
4湿地 Sw amp 0. 104 0. 000 0. 000 0. 298 0. 000 0. 000 0. 402 43滩涂 Beach 0. 104 0. 000 0. 000 0. 298 0. 000 0. 000 0. 402
5水体 Body of w ater 7. 573 14. 917 0. 000 5. 498 0. 646 0. 130 28. 764 51内陆水体 Body of w ater inland 7. 573 14. 917 0. 000 5. 498 0. 646 0. 130 28. 764
6未利用地 Unused land 3. 611 1. 298 0. 000 2. 223 0. 000 0. 000 7. 132 61沙地 Sand 2. 437 1. 298 0. 000 1. 602 0. 000 0. 000 5. 337 62裸地 Bared land 1. 174 0. 000 0. 000 0. 621 0. 000 0. 000 1. 975
图 2 1990~ 2000年土地利用/覆盖动态变化
Fig. 2 Dynamic change on land use/ cover f rom 1999 to 2000., .建筑用地 Architectural land; − .工交用地 Mine and traff ic land;
. .耕地 Arable land; /.园地 Orchard; 0 .天然林 Natural forest ; 1 .
人工林 Artif icial forest ; 2 .灌草地 Sh rub and grass land; 3 .内陆水体
Body of w ater inland; 4 .未利用地 Unused land.计算方法: ( 2000年
面积- 1990年面积) / 1990年面积. + 增加 - 减少 Calculate m ethod:
( area of land cover in 2000 area of land cover in 1990) / are of land cover
in 1990, + express area of land cover increase, - express area of land
cover decreased.
点建设区建筑和工交用地占地比率很小, 大大低于
经济发达地区同类用地的比重, 各区县中以延安市
所在的宝塔区建筑和工交用地总面积和占地比率较
大. 1990年~ 2000年的 10年间,随着社会经济的快
速发展和人类生活水平的逐步提高, 建筑和工交用
地增长了 31% ,其中建筑用地增加 5. 721 km2,交通
用地增加 9. 646 km2.变化最明显的是市区的扩展,
西延、神延铁路的建成通车和公路网的建设.
32 农业用地
农业用地是生态系统的重要组成部分,其利用
合理与否直接影响着区域的环境质量.该区 1990年
农业用地占土地总面积的 38. 75% , 其中旱地是主
体,占该类用地的 92%以上, 广泛分布在全区的各
种地貌部位,由于田面坡度陡峻, 切割破碎,水土流
失相当严重,是河流泥砂的主要源地.水浇地和果园
分别占农业用地的 4. 69%和 2. 70% ,仅有极小面积
218912 期 常庆瑞等: 基于 RS 与 GIS 的黄土丘陵沟壑区土地覆盖动态研究
的水田和菜地, 其中灌溉地主要分布在延河、汾川河
两岸的阶地和河漫滩,菜地则集中在城区周围.
区内农业用地在最近 10年间仅增加了 78. 015
km
2
,增长率只有 2% .农业用地的主要变化是进行
内部结构调整, 其中耕地减少 120. 073 km2,果园则
大面积增加, 达到了 190. 876 km2, 是 1990 年的
2. 82倍.反映出陕北地区土地利用方式正在发生变
化,产业结构与布局日趋合理.
33 自然/半自然植被
植被是维持生态系统稳定, 决定生态系统功能
和控制环境质量的主体. 1990 年该地区自然/半自
然植被合计 6 036. 601 km2, 占区域土地总面积的
60. 27%. 其中主要是覆盖度不到 5%的荒野地, 面
积高达3 132. 732 km2;真正具有良好生态效益的森
林仅 876. 919 km2,占土地总面积的 8. 76% ,其中天
然林集中分布在南部的汾川河流域,是黄土高原现
存的主要天然次生林之一; 人工林零散分布在沟谷
阴坡和谷底.适宜于本地生境条件,且具有良好水土
保持效应的灌草地 1. 923 km2, 远未达到应该有的
面积. 2000 年与 1990 年相比植被减少了 80. 776
km
2
,质量却有所提高, 其中林地面积净增511. 638
km2,森林覆盖率达到了 13. 88% ;灌木林是 1990年
的 6. 83倍;只有覆盖度< 5%的荒野地大幅度减少,
面积降到 1990 年的 76. 34% .表明近 10 年水土保
持综合治理工作成绩显著,自然植被得到明显恢复,
生态环境质量正在逐步提高.
34 湿地与水体
湿地是维护生物多样性, 调节气候的重要生态
支系统.黄土丘陵沟壑区因地势起伏大, 排水良好,
仅在河流沿岸分布着小块滩涂, 对生态环境质量不
发生重大影响. 该区 1990 年湿地面积只有 0. 388
km
2
, 2000年增加到 0. 402 km2, 其中宝塔、安塞有
所增加,延长、靖边则相对减少.
水体是生态系统的生命线, 在该区占地面积很
小. 1990 年共有水域面积 32. 601 km2, 其中河流
21. 911 km
2
,主要包括延河下游和黄河在延长县内
的河段;水库 10. 690 km2, 集中分布在安塞县和宝
塔区. 2000年水体面积减少到 28. 764 km2, 其中河
流减少 2. 071 km2, 水库减少 1. 766 km2.不同区域之
间差异较大,宝塔和延长减少,安塞增加(图1) .
4 讨 论
随着国家西部大开发和生态环境建设工程的实
施,黄土高原作为重点开发建设区域,近 10年土地
利用/覆盖发生了显著变化.建筑和工交用地明显增
加,森林覆盖率大幅度提高,生态环境和社会经济条
件得到显著改善. 然而,建筑和工交用地主要是占用
条件好、肥力高的基本农田,今后要加强土地规划与
管理,严格控制占用耕地.
本地区自然条件适宜于灌草植被生长,森林植
被受到严重限制. 但是由于传统观念和认识问题,目
前灌木林和人工草地都很少,资源优势未能充分发
挥.因此, 应大力栽植灌木和人工牧草, 为实现山川
秀美奠定基础.
黄土丘陵沟壑区土地的开发利用程度很高, 能
够利用的土地几乎被开发殆尽, 可供新开发的土地
资源非常有限.今后土地开发利用必须通过产业结
构和内部用地结构调整,挖掘自身潜力进行解决.
应用遥感和地理信息系统相结合的方法进行土
地利用/覆盖动态研究,速度快、精度高, 能够提供空
间定位信息,进行实时监测;并且直接形成数字化产品,
便于成果传输和交流.是一种值得推广的高新技术.
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作者简介 男, 1959 年生,教授, 博士生导师, 主要从事资源
环境与信息技术研究, 发表论文 60 余篇, 主编和参编专著 7
部. T el: 0297092140, Email: Changqr@ public. x a. sn. cn
2190 应 用 生 态 学 报 14卷