基于多期数据集的塔吉克斯坦土地利用和土地覆盖变化分析

匡薇，马勇刚，李宏，李静

(1.新疆维吾尔自治区遥感中心，乌鲁木齐 830011；2.新疆维吾尔自治区地质勘查开发局信息中心，乌鲁木齐 830011)

1 引 言

土地利用和土地覆盖变化(Land Use and Land Cover Change，简称LUCC或LULCC)是指人类活动对自然资源的管理行为以及随后对陆表状况产生的影响。它包括两个方面：一个是因，即土地利用，指人类为达成一定目的而在一定土地上投资劳力或资本，以发挥土地的功能；另一个是果，即土地覆盖变化，指土壤和植被系统结构的改变[1]。随着人类社会的发展，土地利用的格局、深度和强度不断发生变化，由此对地球环境的各个方面产生了深刻的影响，从而加剧了持续发展的全球性环境问题，主要包括对气候[2]、土壤[3-4]、水资源和水循环[5-6]、生物多样性[7]和碳循环[8]的影响。自上世纪90年代初开始，全球地圈和生物圈计划(International Geosphere Biosphere Program，简称IGBP)和全球变化人文计划(International Human Dimensions Program，简称IHDP)积极筹划全球综合研究计划，在其推动下于1995年发表了《土地利用/土地覆被变化研究计划》，将LUCC列为核心项目之一，使得LUCC研究成为自然及社会科学共同深感兴趣的热点和前沿内容[9-14]。

塔吉克斯坦作为第三世界的国家，在近几十年来，社会动荡，特别是1991年前苏联解体，导致土地利用和土地覆盖发生了明显的变化。准确获悉塔吉克斯坦近30年来各阶段土地利用和土地覆盖信息，深入分析塔吉克斯坦土地利用和土地覆盖变化原因，有利于加深对塔吉克斯坦生态环境变化的研究。但是相关土地利用覆盖资料的缺失[15]，不利于深入进行对塔吉克斯坦土地利用和土地覆盖变化原因及对生态环境影响的理解。本研究拟利用1981年至今国际公开发布的4套土地利用/覆盖数据集进行土地利用信息提取和分析，掌握塔吉克斯坦近30年宏观上土地利用变化特征，分析土地利用覆盖变化的原因，为进一步分析气候变化和人类活动下塔吉克斯坦生态环境变化评估和可持续发展政策的制定提供参考。

2 研究区与研究方法

2.1 研究区概况

塔吉克斯坦面积为14.31万平方公里，是位于中亚东南部的内陆国。西部和北部分别同乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦接壤，东邻中国新疆，南界阿富汗。地处山区，境内山地和高原占90%，其中约一半在海拔3000米以上，有“高山国”之称。北部山脉属天山山系，中部属吉萨尔-阿尔泰山系，东南部为冰雪覆盖的帕米尔高原。北部是费尔干纳盆地的西缘，西南部有瓦赫什谷地、吉萨尔谷地和喷赤谷地等。大部分河流属咸海水系，主要有锡尔河、阿姆河、泽拉夫尚河、瓦赫什河和菲尔尼甘河等。水力资源可观。湖泊多分布在帕米尔高原。全境属典型的大陆性气候，高山区随海拔高度增加大陆性气候加剧，南北温差较大。

2.2 数据与方法

本文主要利用的数据集包括UMD(University of Maryland)土地覆盖数据集[16]、Global Land Cover 2000数据集(简称GLC2000)[17]、GlobCover全球陆地覆盖数据[18]和GlobCover全球陆地覆盖数据2009[19]这4个数据集。本文将利用这些数据集的土地利用和土地覆盖信息，分析塔吉克斯坦在4个时间段的土地覆盖结构，并通过不同分类系统类别合并的方法，综合分析近30年来塔吉克斯坦的土地覆盖变化情况。数据源信息见表1，各数据分类系统见表2。

美国马里兰大学地理系于1998年制作UMD土地覆盖数据集，数据来源于AVHRR卫星获得的1981年到1994年之间影像。UMD基于AVHRR数据的5个波段及NDVI数据经过重新组合建立数据矩阵，用分类树的方法将全球土地覆盖分为14类，分类系统很大程度上采用了IGBP的分类方案，与IGBP相比少了永久湿地、农田与自然植被镶嵌、冰雪这3类。有研究结果表明，UMD分类图像的总体精度为61.03%[20]。UMD分类系统见表2。

欧盟联合研究中心(JRC)空间应用研究所(SAI)联合全球多个国家和地区利用2000年VGT数据，共同开展全球土地覆盖制图研究(GLC2000)。其目的在于更新已有的全球土地覆盖数据，为环境变化研究提供2000年的全球土地覆盖本底资料。GLC2000数据集分类采用LCCS(Land Cover Classification System)分类系统(表2)，经历了气候分层和数据准备、非监督分类和标定、精度评价和成图3个阶段，将全球土地覆盖分为22类，并利用高分辨率遥感影像进行验证，该数据集的分类精度为65%，对于纯像元的验证精度高达82%。

表1 全球土地覆盖数据集详细信息列表

表2 3种土地覆盖分类系统

GlobCover为全球陆地覆盖数据，分辨率300米，数据格式为TIF。GlobCover全球陆地覆盖数据的原始数据来自ENVISAT卫星，由MERIS(Medium Resolution Imaging Spectrometer)传感器拍摄完成。目前共有两期，GlobCover(Global Land Cover Map)2009和GlobCover(Global Land Cover Product)2005～2006。GlobCover 2009数据生成过程中，主要选取了MERIS传感器在2009年1月1日至12月31日期间所接收的较高质量的影像数据，来进行图像合成。GlobCover 2005全球陆地覆盖数据拍摄时间为2005年～2006年。GlobCover全球陆地覆盖数据采用“美国食品和农业组织的地表覆盖分类系统(UN Food and Agriculture Organisation’s Land Cover Classfication)”(表2)作为图例生成标准，将全球陆地覆盖共分为22类。与IGBP分类系统相比，GlobCover把永久湿地进一步划分为森林湿地和沼泽湿地[15]。该数据总体验证精度为67.10%。

塔吉克斯坦不同数据产品土地覆盖分类列表见表3。

表3 塔吉克斯坦不同数据产品土地覆盖分类列表

3 数据分析

3.1 1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆盖结构

1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆盖结构见表4和图1。塔吉克斯坦在1981年～1994年土地覆盖类型主要有4类：稀疏灌丛、裸地、草地和农田，它们占塔吉克斯坦总面积的91.5597%。其中稀疏灌丛最多，面积约为4.8248×104km2，占塔吉克斯坦总面积的32.8881%；其次是裸地，面积约为3.4670×104km2，占塔吉克斯坦总面积的23.6328%；然后是草地，面积约为3.2195×104km2，占塔吉克斯坦总面积的21.9459%；农田面积约为1.9208×104km2，占塔吉克斯坦总面积的13.0929%。

表4 1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆盖构成

数据来源：马里兰大学UMD土地覆盖数据集

图1 1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆盖构成示意图

3.2 2000年塔吉克斯坦土地覆盖结构

2000年塔吉克斯坦土地覆盖结构见表5和图2。塔吉克斯坦在2000年土地覆盖类型主要有3类：裸地、草地和冰雪，它们占塔吉克斯坦总面积的87.6909%。其中裸地最多，面积约为4.8582×104km2，占塔吉克斯坦总面积的33.1158%；其次是冰雪，面积约为4.0166×104km2，占塔吉克斯坦总面积的27.3791%；然后是草地，面积约为3.9898×104km2，占塔吉克斯坦总面积的27.1960%。与1981年～1994年相比，裸地和草地大幅增加，农田面积大幅减少，究其主要原因是1991年苏联解体，导致大的政策变动，大量农田弃耕，一部分弃耕农田长杂草，成为草地，另一部分则转变为裸地。

表5 2000年塔吉克斯坦土地覆盖构成

数据来源：欧空局(ESA)Global Land Cover 2000数据集

图2 2000年塔吉克斯坦土地覆盖构成示意图

3.3 2005年～2006年塔吉克斯坦土地覆盖结构

2005年～2006年塔吉克斯坦土地覆盖结构见表6，图3。塔吉克斯坦在2005年～2006年土地覆盖类型主要有4类：草地、永久冰雪、裸地和水淹或灌溉农田，它们占塔吉克斯坦总面积的86.0150%。其中草地最多，占塔吉克斯坦总面积的32.5793%；其次是永久冰雪，占塔吉克斯坦总面积的28.0092%；然后是裸地，占塔吉克斯坦总面积的12.8383%；水淹或灌溉农田，占塔吉克斯坦总面积的12.5882%。与2000年相比，农田面积大幅增加，裸地面积大幅减少，这是由于塔吉克斯坦政局逐渐稳定，自1997年开始经济逐渐回暖，大量弃耕农田复垦。

表6 2005年～2006年和2009年塔吉克斯坦土地覆盖构成

数据来源：欧空局(ESA)ClobCover全球陆地覆盖数据

3.4 2009年塔吉克斯坦土地覆盖结构

2009年塔吉克斯坦土地覆盖结构见表6和图4。塔吉克斯坦在2009年土地覆盖类型主要有4类：裸地、草地、永久冰雪和水淹或灌溉农田，它们占塔吉克斯坦总面积的83.0572%。其中裸地最多，占塔吉克斯坦总面积的30.6393%；其次是草地，占塔吉克斯坦总面积的24.5946%；然后是永久冰雪，占塔吉克斯坦总面积的14.3516%；水淹或灌溉农田，占塔吉克斯坦总面积的13.4717%。与2005年～2006年相比，裸地和永久冰雪面积大幅增加，草地面积大幅减少，农田面积有所增加，这可能由于近年来发生的气候变暖导致冰雪融化，草地植被干枯，同时，塔吉克斯坦在本世纪以来，政局稳定，政府重视农业生产，继而使得农田面积得到增加。

图4 2009年塔吉克斯坦土地覆盖构成示意图

3.5 近30年来(1981年～2009年)塔吉克斯坦土地覆盖变化分析

3.5.1 土地利用趋势分析

4种土地覆盖产品旨在提供塔吉克斯坦土地利用和土地覆盖信息，但其分类系统不同，不能直接将原始数据进行比较和分析，所以本文将不同分类系统的土地覆盖数据产品进行类别合并，详情参照表7。将土地覆盖类别分为6类：自然林木、自然草本、农田、裸地、水体和其他。自然林木包括郁闭/稀疏的落叶/常绿的阔叶林/针叶林和混交林；自然草本包括草地、有林草地以及稀树草原；农田包括灌溉农田、旱作农田和以农田为主的镶嵌体；裸地包括裸地；水体包括水体；其他包括冰雪/永久冰雪、人工表面和相关区域/城市和建筑以及各种镶嵌体。统计结果见表8。虽然这种合并方法不可能完全提取出自然林木、自然草本和农田的信息，有些镶嵌体不能完全将这几类区分开，但这几类覆盖范围广，镶嵌体占地面积相对较小，不影响对总体趋势的判断。

表9和图5揭示了塔吉克斯坦土地覆盖的变化趋势。1981年～1994至2000年，农田面积大幅减少，从1.9208×104km2减至0.4648×104km2，净减1.4559×104km2，减幅达75.80%。而2000年至2005年～2006年，农田面积大幅增加，比1981年～1994年还多0.7852×104km2。但2005年～2006年至2009年，农田面积只有小幅增长。裸地则体现出了与农田大致相反的趋势，裸地面积变化剧烈，先大幅增多1.3912×104km2，再大幅减少2.9748×104km2，最后又大幅增多2.6115×104km2。自然草本在经历了连续两个阶段的小幅增加，最后阶段的减少之后，最终2009年与1981年～1994年面积相差不大。自然林木和水体则几乎没有什么太大变化。这说明在1981年～1994至2000年，由于农田弃耕，农田转变为裸地、自然草本和自然林木；在2000年至2005年～2006年，随着弃耕地的复垦，裸地又转变为农田；在2005年～2006年至2009年，随着全球气候变暖，植被死亡，冰川融化，自然草本、自然林木和其他(主要是冰雪，由表6可知)又转变为裸地。

表7 塔吉克斯坦3种数据产品土地覆盖分类合并表(类型编码参照表2)

表8 塔吉克斯坦不同数据产品土地覆盖合并数据构成

图5 塔吉克斯坦土地覆盖走势图

3.5.2 土地利用地域差异分析

图6展示了1981年～2009年塔吉克斯坦的土地利用变化的特征和空间分布规律。由于4种数据产品分类系统存在差异，本文仅分析分类合并后的自然林木、自然草本、农田、裸地、水体的空间分布规律。从图6中可以看出，自然林木较少，几乎未见分布。1981年～2009年，自然草本有先增后减的趋势，并且从2000年至2009年，自然草本的空间分布明显由主要分布于塔吉克斯坦西部转为东部，自然草本的增加主要是由人类活动影响，自然草本空间分布的变化则主要由气候控制。农田在近30年来经历了先减少后增多的变化，且农田主要分布在塔吉克斯坦西部平原以及丘陵地带，政策变动引起的人类活动变化是导致农田数量变化的主要因素。裸地也经历了由少到多再到少的变化，空间上，裸地由主要分布在塔吉克斯坦西部和东北部转变为主要分布在塔吉克斯坦东北部。裸地在1981年～1994年至2000年减少是由人类活动土地弃耕影响，裸地空间分布的转移则是由气候变暖所控制。水体在数量上没有太多变化，空间上主要分布于塔吉克斯坦东北部和西部的高寒地区，主要是湖泊和河流，未处于人类活动密集区，影响较小，且水体有巨量冰川水补给，总体大致平衡。

图6 不同时期塔吉克斯坦土地覆盖分布图

4 结束语

本文利用全球多种土地覆盖数据产品获得塔吉克斯坦土地覆盖数据，尽管分类系统存在差异，但仍能体现塔吉克斯坦地表覆盖情况，这有利于深入了解塔吉克斯坦历史土地利用覆盖变化状况。通过对分类系统的合并，将塔吉克斯坦的土地覆盖类型分为自然林木、自然草本、农田、裸地、水体和其他6类，基本能反映出该地区土地利用和土地变化趋势。塔吉克斯坦土地覆盖变化分析表明，草地、裸地、农田和冰雪占绝对优势。1981年～1994年至2000年农田面积的急剧下降，主要是耕地弃耕转变为草地和裸地。与此同时，草地和裸地面积有所增加。这种变化与1991年前苏联解体导致的经济政策变动有关。而1981年～2009年近30年来，草地在空间上的东移和裸地在空间上的西移则是由气候变化引起，气候变暖导致冰川融化，位于塔吉克斯坦东部高寒地区的裸地也逐渐长出草本。从这些变化中可看出，人类活动和气候变化是影响塔吉克斯坦土地覆盖分布的主要原因，虽然塔吉克斯坦经济逐渐恢复，但该地区受全球变暖影响明显，冰川融化带来的水资源逐渐减少、土地沙化、林木资源减少等一系列问题，说明该地区的生态环境还有待改善，以实现生态环境与经济发展相协调的可持续发展。同时，本文利用土地覆盖数据集分析土地覆盖变化以及将不同分类系统的类别合并的方法能够在宏观上把握塔吉克斯坦近30年来的土地覆盖变化趋势，说明该方法可以适用于宏观分析某地区土地覆盖变化，对以后土地覆盖变化的分析和研究提供借鉴。

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