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大清河流域土地利用变化的地形梯度效应分析(6)

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1 研究区概况

大清河流域属海河五大支流之一，位于38°10′～40°00′N，113°40°～117°00′E之间，地理位置如图1所示，总面积达43 296 km2，大清河发源于山西省任丘市，流经河北保定、石家庄、廊坊等多地后在天津汇入海河干流注入渤海，其中主体部分位于河北保定市。高程由西北向东南递减，其中东部平原面积22 946 km2，西部丘陵山区面积为20 349 km2。有南北2支水系，呈扇形分布。内部主要河流包括拒马河及大清河等，均汇入白洋淀内[13]。流域地处温带大陆性季风气候区，年平均气温11.8 ℃，年平均降水量为490.2 mm。西北太行山区呈“八山一水一分田”，生态环境脆弱，农耕条件较差，水土流失现象严重，成为大清河主要泥沙来源。大清河降水量年内分布不均，呈雨热同期趋势，东部平原地区年降水量集中在400～600 m之间，西部山区年平均降水量仅为390.1 mm。

图1 研究区高程和坡度Fig.1 Altitude and slope map of study area

2 数据与方法

2.1 数据获取与处理

研究选用空间分辨率为30 m的ASTER GDEM作为高程数据，土地利用数据以1974、2001和2019年的Landsat影像为数据源，在影像选取过程中主要选用6－9月植被茂盛期遥感影像，并避免极端天气与云层干扰，并进行辐射定标、大气校正、几何纠正等影像预处理工作。

2.2 方法

2.2.1 面向对象的土地利用信息提取与变化结构

根据研究区实际情况，结合现行土地利用现状分类标准的分类体系，设立耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种地类。首先，利用eCognition将遥感影像分割为若干个分类对象，即若干个互不相交的非空子区域；之后，通过波段计算得到改进后的归一化水体指数（MNDWI）、归一化植被指数（NDVI）等特征信息，结合高程、坡度等地形信息建立适用于大清河流域的决策树分类模型；最后，根据面向对象的土地利用信息提取规则进行分类，并结合少量人工判读方法，获取1974、1988、2001和2019年4期的大清河流域土地利用分类结果。进行精度验证时，首先在Arcgis软件中在不同年份的分类结果中生成500个随机验证点，而后对Landsat原始影像的的图谱信息所体现的地物实际特征进行判读，可以得到基于人机交互方法的不同年份随机验证点数据集，经过精度检验制图精度均在88.46%以上，平均制图精度达93.62%。

2.2.2 地形梯度等级划分

根据地形因子对土地利用变化影响程度的显著性，分别从地形起伏度、坡度和地形位分析地形对土地利用类型变化的影响[14]。地形起伏度可以宏观描述区域地形变化，直观反应地形起伏特征，通过邻域计算得到一定范围内高程最大值与最小值的差值[15]。坡度是描述地表单元陡缓的重要指标，是地面高程相对于水平方向的变化，反应地形剖面的曲率信息[16]。地形位是复合地形因子，反应高程和坡度的综合影响[17]，公式为

（1）

式中T为地形位；S和E分别为坡度(°)与高程（m）；S0与E0分别为坡度(°)与平均高程（m）。因此，坡度越大、高程越高的区域则对应的地形位数值越大[18]。

根据图1高程与坡度图，结合该流域土地利用类型的实际情况，将高程在1 600 m以上的单一类型土地单独归为一级，200～1 600 m之间的高程区，按间隔200 m进行分级。当坡度大于35°时，对土地利用限制作用强烈，为此35°以上单独归为一级，35°以下，按间隔5°进行分级，坡度缓、高程低则对应的等级较低，坡度陡、高程高则对应的等级较高，由此得到1～8级地形位梯度[19]。

2.2.3 地形梯度效应

根据分布指数（Distribution Index, DI）可以得到不同土地利用类型及结构变化特征在不同地形梯度上的分布特征[14]，公式为

（2）

其中DI为分布指数，Ai、Aij分别表示第i种地类的总面积（km2）和在第j级地形区的分布面积（km2），Aj为第j级地形区面积（km2），TA为研究区面积（km2）。若DI>1，该类型土地在某等级地形中呈优势分布，优势度越大则对应的分布指数越高；若DI<1，呈劣势分布，优势度越低则对应的分布指数越小[20]。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化的地形梯度差异

3.1.1 土地利用结构变化的地形起伏度差异

1974－2019年的4期大清河流域土地利用分类结果如图2所示。2019年大清河流域建设用地在平原地区呈现“棋盘式”分布，在西部山区呈不规则聚集分布，总面积可达6 923 km2。耕地呈现先增后减趋势，分布在东部、中部平原以及中西部居民点周围，面积为17 881 km2；水体面积受降水、蒸发以及下垫面等的综合影响，最终面积约为979 km2；草地面积多年来基本稳定，多分布在耕地、林地周围，面积约为2 501 km2；林地主要分布在山区与低山丘陵区，在前期垦荒与后期保护的双重影响下，面积为14 868 km2；未利用地区多分布于东部平原的居民点周围，面积约为140 km2。

文章来源：《遥感学报》网址: http://www.ygxbzz.cn/qikandaodu/2021/0722/742.html