2007—2020年新疆額敏縣野果林時空分布和重心動態變化

胡馨月 孫倩 黃瑾依 宋庭偉 郭正宇

胡馨月，孫 倩，黃瑾依，等. 2007—2020年新疆額敏縣野果林時空分布和重心動態變化［J］. 湖北農業科學，2024，63（2）：211-218，231．

摘要：以額敏縣野果林分布區域為研究區，利用2007年快鳥（Quick bird）遙感影像、2013年和2020年高分一號衛星遙感影像、野果林野外實測數據等，實現野果林的信息解譯和面積提取，基于動態度模型、轉移矩陣模型、重心遷移模型，分析了2007—2020年研究區野果林的時空分布特征和動態變化情況，掌握了各類地物與野果林之間的相互轉換，剖析了野果林空間分布的重心偏移規律，探討了影響研究區野果林時空分布變化的原因。結果表明，2007—2020年，野果林面積增加了3.91 km²，呈持續緩慢增加趨勢，旅游景區的開發，直接導致建筑用地面積有所增加；14年間，野果林面積逐步增加，歸因于草地和裸土向野果林的轉換較為頻繁，其中草地向野果林的轉化最為顯著；野果林的重心變化幅度較小，空間分布較為穩定。

關鍵詞：野果林；隨機森林；時空變化；重心偏移；新疆額敏縣

中圖分類號：S66；TP751? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0211-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.032 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Spatiotemporal distribution and centre of gravity dynamic change of wild fruit forests in Emin County， Xinjiang from 2007 to 2020

HU Xin-yue， SUN Qian， HUANG Jin-yi， SONG Ting-wei， GUO Zheng-yu

（College of Forestry and Landscape Architecture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi? 830052，China）

Abstract： Taking the distribution area of wild fruit forests in Emin County as the research area， using the remote sensing images of Quick bird in 2007 and Gaofen-1 satellite in 2013 and 2020， and the wild fruit forests field measurement data， the information interpretation and area extraction of wild fruit forests were realized， and based on the dynamic degree model， transfer matrix model and center of gravity migration model， the temporal and spatial distribution characteristics and dynamic changes of wild fruit forests in the study area from 2007 to 2020 were analyzed， and the mutual conversion between various features and wild fruit forests was mastered. The shift of the center of gravity of the spatial distribution of wild fruit forests was analyzed， and the reasons affecting the temporal and spatial distribution of wild fruit forests in the study area were discussed. The results showed that the area of wild fruit forests increased by 3.91 km²from 2007 to 2020， which showed a continuous and slow increasing trend， and the development of tourist attractions directly led to the increase of building land area； in the past 14 years， the area of wild fruit foresst increased gradually， which was attributed to the frequent conversion of grassland and bare soil to wild fruit forests， and the transformation of grassland to wild fruit forests was the most significant； the change range of the center of gravity of wild fruit forests was small， and the spatial distribution was relatively stable.

Key words： wild fruit forests； random forest； spatial and temporal change； centre of gravity offset； Emin County， Xinjiang

野生果林中蘊藏著野生蘋果、野山楂、野生杏等60多種野生果木資源，為世界多種果樹原產地之一。就野果林的保護，國家和當地政府部門投入了一些人力、物力和財力對野果林部分分布區域采取了相應的保護措施，如設立保護區、遷地或就地保護，控制病蟲害的發生，減少人為破壞，采取人工更新措施等^［1-3］。由于野果林分布區域基本都是山區，缺乏規劃和管理，加上人為的過度干擾、自然更新極度困難等原因^［4］，為了更好地監測野果林的空間分布，遙感技術無疑具有明顯的技術優勢。相比傳統的人工現場調查，利用遙感技術來識別新疆野果林，獲取新疆野果林動態分布的變化，不僅可以快速獲得結果，而且更省時省力且更為精準。

隨著3S技術的應用與開發，大部分學者利用3S技術可以實現林地資源監測與動態變化相結合，楊存健等^［5］利用GIS提取、疊加與統計的方法探討了四川省林地動態變化特征。王飛等^［6］對矩陣模型應用于森林選擇性采伐經營管理進行了分析。杜國明等^［7］利用LUCC指數和樣本平方分析法，分析了林地變化的特征和原因。董斌等^［8］利用GIS和DEM構建三維數字森林地圖和3S進行城市森林資源監測與評價研究。唐家榮等^［9］利用3S技術對重慶市永川區的影像數據進行解譯分類，探討了林地時空動態變化。林媚珍等^{［10，11］}對廣東、海南兩省森林資源動態現狀特征開展可持續分析與驅動分析研究。趙國帥^［12］利用Landsat TM影像解譯得到1995年、2000年、2005年林地時空分布情況，并利用時空演化模型構建對福建省林地空間變化進行研究。

本研究利用2007年的快鳥（Quick bird）和2013年、2020年高分一號衛星影像數據，基于3S技術，結合野外實地考察，對野果林進行實地林地分布的定點監測，建立遙感衛星數據的信息解譯標志，運用隨機森林（Random forest）分類算法，經野外數據的驗證后，判讀野果林的空間分布，計算野果林的覆蓋面積?；趧討B度數學模型，分析多年來野果林的動態變化。在混淆矩陣和尺度分割的工作基礎上，定量剖析野果林和其他地物之間的相互轉化，了解野果林的時空變化趨勢。利用重心偏移模型計算野果林的重心，進而定量掌握野果林分布的空間變化及其重心偏移的方向與進程，探討影響野果林時空變化的原因。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

本研究選取新疆塔城額敏縣野果林為研究區。額敏縣野果林主要分布于東經80°47′—83°58′，北緯43°20′—46°21′，包含野蘋果、野山楂、野稠李等，并以野蘋果為主體。在野果林中，建設有野果林風景區，位于額敏縣東南部，占地50 km²，野果林風景區是以度假、休閑及旅游觀光的綜合性旅游景區，以滑雪、踏青、采摘的特色為主，同時也進行科研活動、徒步探險旅游、自駕車旅游、文化體育旅游等項目。

1.2 研究方法

本研究選取2007年的快鳥（Quick bird）影像數據分辨率為0.6 m、2013年和2020年的高分一號遙感影像數據分辨率為2 m以及額敏縣野果林研究區的行政邊界作為基礎數據。為了滿足柵格運算，對3期的遙感影像數據在空間尺度上進行同化處理。通過輻射校正、幾何校正、影像疊加、融合與裁剪等預處理，在ENVI 5.3軟件的支持下，輔以紋理特征的分類方法^［13-15］，在主成分變換圖像增強的基礎上，添加紋理特征的灰度共生矩陣提取方法進行影像分類，以使得參與影像分類能夠最大地提高分類精度，為野果林信息的解譯奠定了良好的精度基礎，根據顏色、形狀、大小和紋理等不同特征，采用隨機森林分類法對遙感圖像進行信息解譯。主要土地利用/覆被類型分為野果林（野蘋果、野山楂、野稠李）、非野果林的其他喬木（樺樹、青楊、白楊、柳樹等喬木）、灌木、草地、裸土、建設用地（包括道路、蒙古包、旅游景點的人工建筑等）6類。涉及的研究方法如下所示。

1.2.1 動態度模型 動態度分析可通過土地利用覆蓋特征定量研究土地類型的動態變化，也可用于預測野果林資源的變化趨勢^［16-19］。

1）單一土地利用/覆被動態度。單一土地利用/覆被動態度代表研究區域內特定地物類型在特定時期內的數量變化，其表達式為：

式中，K是研究期間給定土地利用/覆被類型的變化率；U_a、U_b分別代表各地類研究初期和末期的面積；T為研究時長。

2）綜合土地利用/覆被動態度。綜合土地利用/覆被動態度指數代表研究期間不同地物類型之間的相互轉移^［20-22］。其意義在于反映土地利用/覆被的區域變化強度，以確定不同空間尺度上的土地利用/覆被熱點地區。表達式為：

式中，LC為研究區土地利用/覆被年變化率；ΔLU_i為監測開始時的i類地物類型區域的面積；ΔLU_i-j為從i類地物類型到非i類（j類，j=1，…，n）土地利用/覆被類型監測開始期間面積的絕對值；T為監測時長。

1.2.2 轉移矩陣模型 土地利用/覆被轉移矩陣不僅包含了研究區某一時期不同土地類型的數據，還包含了研究初期各土地類型之間以及研究末期各土地類型之間相互變換的信息，體現了研究區某一時期始末各土地類型之間相互變換的動態過程^［23-25］。土地利用/覆被轉移矩陣的一般形式為：

式中，S代表面積；n為轉移前后的土地利用/覆被類型數量；i、j（i，j=1，2，…，n）代表轉移前后的土地利用/覆被類型；S_ij表示轉換前從地類i轉換為地類j的面積。矩陣中的每一行元素表示轉換后從地類i轉換為各地類的面積，每一列元素表示轉換前從地類j到各地類的轉換面積。

在求出上式中矩陣S后，還可以進一步求出不同土地利用/覆被類型之間的相互轉移率（M）與貢獻率（N）。二者的計算表達式如式4、式5所示。

其中，轉移率M_ij表示研究初期第i種土地利用/覆被類型轉變為研究后期第j種土地利用/覆被類型所占的百分比；貢獻率N_ij表示研究后期第j種土地利用/覆被類型中是由研究前期第i種土地利用/覆被類型轉化而來的百分比。

1.2.3 重心遷移模型 重心遷移模型總體上體現了某一土地類型在空間分布中位置的變化。利用方向分布的標準差橢圓和平面重心模型，計算了土地利用/覆被重心的位置和重心在平面坐標不同時期的方向分布。由此對地理二維空間中各時段的重心位移及重心遷移速率進行了分析，并揭示了土地利用/覆被在空間上的變遷過程^［26-29］。土地利用/覆被平面重心計算模型如式（6）、式（7）所示。

式中，X_j代表j類土地利用/覆被類型重心X坐標值；Y_j代表j類土地利用/覆被類型重心Y坐標值；A_ji為j類土地利用/覆被類型中類型i的面積；X_ji為j類土地利用/覆被類型中類型i對應范圍內X坐標的平均值；Y_ji為j類土地利用/覆被類型中類型i對應范圍內Y坐標的平均值；A_j為j類土地利用/覆被類型的總面積。

重心的遷移速度更為直接地反映了土地利用/覆被類型的空間變化率^［30］。重心遷移速率計算模型如式（8）所示。

式中，P_j代表j類土地利用/覆被類型的平面重心移動速率；x_j、y_j分別為t時間j類土地利用/覆被類型的重心X、Y坐標值。

2 結果與分析

2.1 野果林信息解譯及面積變化

本研究基于像素的混淆矩陣進行精度評價，研究區每一種地物類型均選取樣本，通過對分類結果建立混淆矩陣，得到總體分類精度和Kappa系數^［31］。利用野外工作所采集的大量感興趣區數據，對3期信息解譯圖進行精度評價，總精度分別為87.84%、89.97%和90.26%，而Kappa系數分別為0.80、0.85和0.89，分類結果良好。野果林信息解譯結果如圖1和表1所示。

由表1可知，2007年、2013年，研究區內草地的面積最大，分別達11.96、11.19 km²，占研究區總面積的比例分別達45.34%、42.42%。2007年野果林面積為7.24 km²，2013年野果林面積增加至8.54 km²，在研究區總面積中的比例也由27.45%逐步上升到32.37%。2020年，研究區野果林的面積為最大，為11.15 km²，占研究區總面積的42.27%，面積有所增長。裸土的占地面積次之，達7.02 km²，在研究區總占地面積中占26.61%，面積有所增長，所占比例提高。草地的面積及所占比例有所下降。

2007—2013年，研究區不同地物類型的變化幅度存在顯著差異，其中野果林面積增加了1.30 km²，年均變化率為3.67%。非野果林的其他喬木的面積變化最小，面積增加量僅為0.01 km²，草地與裸土面積均有所減小，減少值分別為0.77、1.54 km²，年均變化率分別為-2.17%、-4.33%。建筑用地面積增加了0.06 km²，變化幅度較小，年均變化面積為0.01 km²。

2013—2020年，野果林面積增加了2.61 km²，年均變化面積為0.37 km²，年均變化率為5.29%，野果林變化幅度較大。非野果林的其他喬木（包括樺樹、青楊、白楊等）與灌木面積分別減少了0.07、0.37 km²，年均變化率僅為-0.14%和-0.71%。草地占地面積減少了4.56 km²，年均變化率為-9.29%，變化幅度最大。裸土面積增加了2.34 km²，年均變化率為4.71%，建筑用地的年際變化相對較弱。

2.2 野果林動態變化

由表2可知，2007—2013年野果林、灌木和建筑用地的面積逐步增加，建筑用地的面積從0.01 km²逐步增加至0.07 km²；其次為灌木，面積由0.81 km²增加至1.75 km²，單一土地利用/覆被動態度為16.25%；非野果林的其他喬木變化微弱，僅增加了0.01 km²，草地和裸土的面積均呈減少趨勢，其單一土地利用/覆被動態度分別為-0.90%、-3.47%。2013—2020年野果林、裸土和建筑用地變化均呈逐步上升的變化趨勢，從增加速度來看，建筑用地增速較快，且其單一土地利用/覆被動態度為8.93%，裸土次之，單一土地利用/覆被動態度為6.25%；再次之為野果林，單一土地利用/覆被動態度為3.82%；而非野果林的其他喬木、草地和灌木均呈現減速的狀態，單一土地利用/覆被動態度分別為-5.83%、-5.09%、? ? -2.64%，非野果林的其他喬木的面積急速減少。

綜合土地利用/覆被動態度由1.23%增加到2.37%，說明研究區域土地利用/覆被的格局變化的穩定性有所降低。雖然野果林的保護力度增大了，但是草地和裸土的動態變化較為劇烈，導致研究區的綜合動態度略有上升。

2.3 野果林多年間時空轉移變化

通過各類地物相互轉化的面積計算和土地利用/覆被不同地類轉換圖能直觀地表現出不同地物相互轉化的劇烈程度，從而闡明各類地物與野果林的變化、相互轉化的關聯性，如圖2、圖3所示。

2007—2013年，草地是主要的土地利用/覆被類型，其面積由2007年的45.34%減少至2013年的42.42%，大多轉化為裸土及灌木，轉移率分別是40.81%、33.71%，貢獻率分別為15.97%、4.93%。7年間，野果林與其他各類地物之間的相互轉化較頻繁。野果林面積由2007年的27.45%增加至2013年的32.37%，主要由草地和裸土轉換而來，其轉換面積分別為2.58、1.65 km²。灌木面積略有增加，其中草地和野果林轉化為灌木的面積分別為0.59、0.75 km²。裸土面積的減少，主要是向草地和野果林轉換，建筑用地面積的增加主要由草地、灌木和裸土轉換而來，其轉化面積分別為0.04、0.01、0.01 km²。

2013—2020年，野果林的面積由32.37%增加到42.27%，草地向野果林的轉化最為顯著，轉移率為30.76%。灌木向其他各類地物轉換的量較小，但灌木轉換為野果林占灌木向其他各類地物轉移的比例較高，貢獻率達50.86%。非野果林的其他喬木與灌木的空間分布較為穩定，與其他各類地物之間均無明顯轉換變化。各土地利用/覆被類型轉移率和貢獻率均不大，其中野果林轉化為非野果林的其他喬木的轉移率為37.5%。灌木面積占比由6.63%下降至5.23%，其向野果林和建筑用地均有所轉化，轉移率分別為7.98%、8.33%。2013—2020年草地面積減少，草地面積占比由42.42%下降至25.13%，同樣集中在草地與裸土之間的變化，其中草地轉化為裸土的轉移率為40.60%。裸土面積增加，貢獻率較大的為非野果林的其他喬木33.33%、草地25.47%。建設用地呈增加趨勢，占比由0.27%增至0.45%，其中草地和野果林的轉化最為突出，轉化率分別高達33.33%、25.00%。草地的空間分布變化與非野果林的其他喬木的轉化關系密切，非野果林的其他喬木向草地轉化的貢獻率高達13.33%。

2.4 野果林重心偏移變化分析

野果林重心轉移方向及距離定量地表達野果林時空分布的方向性和向心力的程度，通過研究野果林的轉移距離和轉移角度，探究隨著時間變化的空間分布特征及變化規律。野果林的重心分布、重心轉移的距離與角度，如表3和圖4所示。

由表3可知，野果林的重心變化幅度較小，2007—2013年野果林重心偏移了0.17 km，野果林重心北偏東45°14′32″，表明野果林的空間分布更趨向于南北縱向分布，重心遷移速度為0.03 km/年，遷移速率較緩慢。2013—2020年野果林重心偏移了0.33 km，重心偏移軌跡相對較小，非均衡程度增強，野果林重心北偏西41°39′28″，表明野果林空間分布的高密度區指向西北方向，重心遷移速度為0.04 km/年，遷移速率依然非常緩慢。

根據野果林標準差橢圓長短軸的變化情況（圖4）可知，2007—2013年長軸增加，短軸減小，表明野果林的空間分布呈現東西方向收縮，南北方向擴張的態勢。2013—2020年長軸減小，短軸增大，表示野果林的空間分布呈現南北方向收縮，東西方向擴大趨勢。

3 結論

本研究以額敏縣野果林分布區域為研究區，選用2007年快鳥遙感影像、2013年和2020年高分一號遙感影像為基礎數據，結合主成分分析、影像增強，添加紋理特征，利用隨機森林算法實現野果林的信息解譯，進而基于動態度模型、轉移矩陣、重心遷移模型，從空間、時間變化兩個角度探究研究區野果林變化規律及野果林的時空動態變化與時空分布格局。主要結論如下。

1）2007—2013年，野果林面積呈緩慢增加趨勢，面積所占比例逐漸增大，由27.45%增長至42.27%。2007—2013年，野果林呈增加趨勢，但是增加的幅度非常微弱，僅為1.30 km²；而2013—2020年，野果林面積的增加速度略有所上升。非野果林的其他喬木的面積有所減少，但變化幅度微弱，歷經14年，僅減少了0.06 km²?；﹫龅慕ㄔO、景區道路的修建，導致建筑用地面積持續增加，累計增加了0.11 km²。綜合土地利用/覆被動態度由1.23%增加到2.37%，盡管野果林的保護力度增大了，但是草地和裸土的動態變化較為劇烈，導致研究區的景觀格局的穩定性有所降低。

2）2007—2020年，各類土地利用/覆被之間的相互轉移比較頻繁，但變化幅度較小，野果林的空間分布較為穩定，與其他各類地物的轉移變化相對均較為微弱。野果林面積的增加主要是由草地和裸土轉化而來，野果林面積增加的原因與人為保護措施得當緊密相關，在一些政策的積極指引下，使得野果林防護措施更加完善，促使野果林面積呈緩慢增加的趨勢。非野果林的其他喬木（包括樺樹、青楊、白楊、柳樹等）與各類地物的轉化情況不明顯。草地與裸土之間的相互轉化較為頻繁，裸土的增加大多是草地轉化而來，這也導致草地的面積有所減少。旅游風景區建設加劇，導致建筑用地與灌木、草地、裸土之間的相互轉化格外頻繁，使得建筑用地面積呈現出平穩增加趨勢。

3）由重心偏移的空間變化可知，野果林在南北方向呈擴張趨勢，在東西方向呈收縮趨勢，空間分布特征變化幅度較小，空間差異波動較小。旅游業的發展雖然阻礙了野果林的增加，但是自然因素的驅動起到了重要的作用，加上人工維護，野果林依然持續緩慢地增加。

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收稿日期：2023-02-20

基金項目：新疆維吾爾自治區林業發展項目（2220LCTXM）；新疆維吾爾自治區自然科學基金項目（2020D01B34） ； 國家自然科學基金面上基金項目（31971713）

作者簡介：胡馨月（1997-），女，遼寧本溪人，碩士，主要從事林業生態工程與管理研究，（電話）18789797963（電子信箱）h18789797963@163.com；通信作者，孫 倩（1986-），女，新疆烏魯木齊人，副教授，博士，主要從事干旱區資源環境與RS應用研究，（電話）13999853764（電子信箱）sq061@163.com。