Analysis of land cover change characteristics in the Yellow River Basin based on CLCD data

Li Junbao; Zhang Haozhe

doi:10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2026.10.014

Anhui Agricultural Science Bulletin >

2026 , Vol. 32 >Issue 10: 49 - 53

DOI: https://doi.org/10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2026.10.014

Analysis of land cover change characteristics in the Yellow River Basin based on CLCD data

Li Junbao ,
Zhang Haozhe

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Department of Surveying and Mapping Engineering, Henan College of Surveying and Mapping, Zhengzhou 450015, China

Received date: 2025-06-07

Online published: 2026-05-28

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Abstract

This study utilized land cover data of the Yellow River Basin for the years 1990, 2000, 2010, and 2020, and applied methods including land cover change rate, dynamic degree, and transition matrix to analyze the spatiotemporal evolution characteristics of land cover in the region and to explore its influencing factors. The results showed that from 1990 to 2020, the land cover types in the Yellow River Basin were dominated by cropland, forestland, and grassland. Among these, grassland was mainly distributed in the upper reaches of the Yellow River, accounting for 58.39% of the total area. The analysis based on the land cover dynamic degree model indicated that during the study period, bareland, impervious surfaces, and wetlands exhibited relatively obvious changes in dynamic degree, with wetlands showing the most significant change at a dynamic degree of 4.49%. The land cover transition matrix analysis revealed that both the outflow and inflow areas of cropland and grassland were substantial, with conversions mainly occurring among grassland, cropland, forestland, and bareland. This study provides a reference for ecological conservation and high quality sustainable development of the Basin.

Key words： Yellow River Basin; land cover; landscape pattern; spatiotemporal evolution

Cite this article

Li Junbao , Zhang Haozhe . Analysis of land cover change characteristics in the Yellow River Basin based on CLCD data[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2026 , 32(10) : 49 -53 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2026.10.014

土地是人类社会经济活动的主要载体，土地利用/地表覆被变化是人与自然相互作用的重要表现，是全球环境变化和可持续发展研究的核心内容之一^[1-2]。工业化、城镇化、市场化进程带来的地表覆被变化，已成为学术界广泛关注的研究热点^[3-4]。随着城乡建设用地持续扩张，农业和生态用地空间被不断挤压，导致人与自然、生产与生活活动以及自然生态系统内部的关系在不同空间尺度上表现出一定的不协调性，国土空间开发秩序和“三生空间（生产、生活、生态）”结构亟需优化调整^[5-7]。

黄河流域是重要的经济文化核心地区，也是生态安全的重要屏障^[8]。该流域生态保护建设、高质量发展等均需结构合理、空间有序的土地利用景观格局予以支撑^[9-11]。相关学者对该流域范围内的土地利用/地表覆被变化进行了探讨。例如，肖东洋等^[12]采用变化指数、重心迁移和弦图可视化等方法对该流域河南段地表覆被进行时空变化分析，表明其土地利用变化具有显著的集聚性、时空分异性、主导性和方向性。张佰发等^[13]采用转移矩阵和空间自相关方法，对该流域1970—2015年土地利用变化特征进行分析，提出生态保护和粮食安全生产是流域的两大主体功能。纪秋磊等^[14]利用该流域1986—2018年的土地覆被数据，采用复杂网络分析方法进行时空演变特征分析，结果表明，低植被覆盖地表、高植被覆盖草地以及落叶常绿混交林与其他地类之间的转换频率较高。

上述针对黄河流域范围内的土地利用/地表覆被变化的分析研究，在推进流域生态建设、生态保护、社会经济高质量发展等方面具有积极意义。然而，该流域上、中、下游地区的地理环境条件和社会经济发展水平存在差异^[15]。因此，从长时序、多尺度及时掌握整个流域系统内地表覆被变化的时空格局演变特征尤为重要。本研究以整个黄河流域为研究区域，基于长时序（1990年、2000年、2010年和2020年）地表覆被数据，通过地表覆被变化率、动态度和转移矩阵，分析该流域地表覆被变化特征，并探讨其驱动机制，为黄河流域生态保护和高质量发展提供参考。

1 研究数据和方法

1.1 研究区基本情况

研究区位于96°—119° E，32°—42° N，东西长约1 900 km，南北宽约1 100 km。流域地势大体上呈西高东低特征，西部源头地区海拔在4 000 m以上，中部为黄土地貌，海拔在1 000～2 000 m，东部海拔较低，主要是冲积平原^[16]。

1.2 数据来源与预处理

本文选取的黄河流域1990—2020年的土地覆被数据来源于武汉大学黄昕教授团队制作的CLCD全国土地覆被数据（https://zenodo.org/record/5816591#.ZAWM3BVBy5c）。该数据以Landsat遥感影像为数据源，采用随机森林方法获取。基于样本点评价，CLCD数据的总体精度达80%，可以满足本研究的要求^[17]。黄河流域土地覆被类型包括耕地、林地、灌木、草地、水体、冰雪、裸地、不透水面和湿地共9个地类，分别用字母A、B、C、D、E、F、G、H、I表示。

在开展地表覆被变化分析之前，对原始地表覆被数据进行预处理，包括数据裁剪和投影转换。首先，利用ArcGIS 10.3软件，依据黄河流域矢量边界裁剪出研究区1990年、2000年、2010年和2020年地表覆被数据，然后将所有数据的坐标统一为UTM投影，WGS84坐标系。

1.3 研究方法

1.3.1 地表覆被变化率及动态度

（1）地表覆被变化率。为更全面地表示研究区域地表覆被变化的数量特征和速率，本文参考已有研究模型^[18]，根据式（1）计算地表覆被类型的变化率。

R (%) = (S a - S b S a) × 100

（1）

式中，R表示地表覆被变化率；

S a

和

S b

表示研究前期和研究后期对应的地表覆被类型的面积。

（2）地表覆被动态度。为反映某一区域特定时期内地表覆被变化的速度，选取地表覆被动态度模型^[19]，其计算如式（2）。

K (%) = H b - H a H a 1 T × 100

（2）

式中，

K

表示地表覆被动态度；

H a

和

H b

分别表示研究前后地表覆被类型的面积；

T

为时长。

1.3.2 地表覆被转移矩阵

地表覆被转移矩阵可定量分析不同时期内某一区域地表覆被类型间的转化情况，包括数量上的转化和空间方向的转移^[20]，其计算如式（3）。

S i j = S 11 ⋯ S 12 ⋮ ⋱ ⋮ S n 1 ⋯ S n n

（3）

式中，

S i j

表示开始时期是第

i

种地类，终止时期转化为第

j

种地类的面积；

n

表示地表覆被类型的种类数量。

2 结果与分析

2.1 地表覆被现状分析

1990—2020年研究区地表覆被类型面积占比如图1所示。30年间，该流域地表覆被类型以耕地、林地和草地为主，其他类型为辅。2020年耕地、林地和草地面积占比分别为23.00%、11.43%和58.39%。流域上游地区以草地类型为主；中游地区以草地、林地和耕地类型为主，其他类型分布较少；下游以耕地和不透水面类型为主，其他类型分布很少。

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图1 1990—2020年黄河流域地表覆被利用类型占比

2.2 地表覆被类型结构变化分析

1990—2020年研究区地表覆被类型变化率如表1所示。30年来该流域地表覆被变化较显著的类型有林地、灌木、裸地、不透水面和湿地。其中，不透水面的面积增加了16 697.38 km²，地表覆被变化率最大。草地类型的变化率最低，为1.75%，表明草地覆被类型30年来在整个流域分布较稳定，受人类活动、工程建设等的影响较小。

表1 1990—2020年黄河流域地表覆被类型变化率

类型	面积/km²		比例/%		变化量/km²	变化率/%
类型	1990年	2020年	1990年	2020年	变化量/km²	变化率/%
A	258 061.36	228 909.52	25.93	23.00	-29 151.84	-11.30
B	92 643.66	113 740.76	9.31	11.43	21 097.10	22.77
C	6 778.75	4 691.46	0.68	0.47	-2 087.29	-30.79
D	570 996.12	581 012.41	57.38	58.39	10 016.29	1.75
E	6 315.70	7 424.00	0.63	0.75	1 108.30	17.55
F	337.78	294.13	0.03	0.03	-43.65	-12.92
G	47 935.85	30 768.80	4.82	3.09	-17 167.05	-35.81
H	10 938.30	27 635.68	1.10	2.78	16 697.38	152.65
I	1 102.54	633.30	0.11	0.06	-469.24	-42.56

2.3 地表覆被类型动态度分析

由表2可知，1990—2000年研究区地表覆被动态度变化较明显的类型包括裸地、不透水面和湿地，其动态度分别为1.27%、4.33%和4.49%。2000—2010年，地表覆被动态度变化较明显的类型包括冰雪、不透水面和湿地，其动态度分别为8.95%、3.92%和5.59%，其中不透水面与1990—2000年变化一致，呈增长趋势。2010—2020年，耕地、林地、草地、水体和裸地类型的动态度变化较小，其值均在1%以下，尤其是草地类型，动态度为0.15%。上述变化表明，2000年以来，随着该流域经济的快速发展，不透水面扩张迅速，到2020年情况有所好转。

表2 1990—2020年黄河流域地表覆被类型动态度

类型	1990—2000年		2000—2010年		2010—2020年
类型	变化量/km²	动态度/%	变化量/km²	动态度/%	变化量/km²	动态度/%
A	-6 112.15	0.24	-1 7491.20	0.69	-5 548.49	0.24
B	4 920.42	0.53	6 860.17	0.70	9 316.51	0.89
C	-310.41	0.46	-1 055.83	1.63	-721.05	1.33
D	3 843.13	0.07	14 859.90	0.26	-8 686.74	0.15
E	-538.74	0.85	1 173.57	2.03	473.48	0.68
F	34.98	1.04	333.71	8.95	-412.33	5.84
G	-6 078.40	1.27	-10 491.21	2.51	-597.44	0.19
H	4 736.03	4.33	6 150.62	3.92	5 810.72	2.66
I	-494.87	4.49	-339.72	5.59	365.36	13.64

2.4 地表覆被类型转移矩阵分析

由表3可知，1990—2000年研究区耕地和草地类型的面积转出较明显，转出面积分别为31 861.70和36 897.51 km²。草地类型转入面积最明显，主要是耕地（27 177.47 km²）和裸地（10 389.10 km²）。

表3 1990—2000年黄河流域地表覆被类型的转移矩阵

类型	A	B	C	D	E	F	G	H	I	转出
A	179 535.90	945.76	21.92	27 177.47	380.21	0	24.72	3 311.40	0.22	31 861.70
B	1 098.61	74 600.43	959.63	143.17	0.41	0	0	4.27	0	2 206.09
C	21.30	825.22	3 277.68	1 416.25	0	0	0	0	0.02	2 262.79
D	24 501.47	4 479.68	1 033.56	423 989.67	297.68	0.89	6 157.15	326.59	100.49	36 897.51
E	724.39	3.88	0	246.09	3 853.14	0.04	63.66	267.47	0.03	1 305.56
F	0	0	0	3.49	1.82	210.48	58.40	0	0	63.71
G	411.00	0.06	0	10 389.10	92.65	90.75	26 542.08	126.98	0	11 110.54
H	11.19	0.01	0	1.40	82.48	0	0.30	8 999.47	0	95.38
I	1.93	0.76	0	509.73	0.14	0	0	0	404.87	512.56
转入	26 769.89	6 255.37	2 015.11	39 886.70	855.39	91.68	6 304.23	4 036.71	100.76

2000—2010年，研究区耕地、草地和裸地3种类型的面积转出较明显，分别为34 219.80、28 901.70和12 094.68 km²，其他类型转出较少，冰雪转出面积为15.50 km²（表4）。2000—2010年各地表覆被类型转入面积由高到低依次为草地、耕地、林地、不透水面、裸地、水体、灌木、冰雪和湿地，其中转入面积最大的草地类型主要由耕地和裸地类型转入。

表4 2000—2010年黄河流域地表覆被类型的转移矩阵

类型	A	B	C	D	E	F	G	H	I	转出
A	172 086.00	1 939.79	7.19	27 528.77	706.60	0	17.28	4019.55	0.62	34 219.80
B	614.31	79 572.05	462.73	191.14	0.32	0	0	15.21	0.03	1 283.74
C	12.14	906.46	3 250.15	1 123.94	0.01	0	0	0.03	0.08	2 042.66
D	18 722.60	4 096.78	709.37	434 974.68	502.57	39.91	3 784.46	989.27	56.74	28 901.70
E	385.16	8.20	0	121.39	4 019.56	0.26	30.37	143.56	0.05	688.99
F	0	0	0	1.39	1.57	286.66	12.54	0	0	15.50
G	154.86	0.02	0	11 343.57	164.78	246.06	20 751.64	185.39	0	12 094.68
H	28.97	0.07	0	1.11	277.67	0	0.51	12 727.84	0	308.33
I	3.07	4.23	0	331.19	1.74	0	0	0	165.40	340.23
转入	19 918.04	6 951.32	1 179.29	40 311.31	1 653.52	286.23	3 845.16	5 353.01	57.52

2010—2020年，各地表覆被类型转出面积由高到低依次为草地、耕地、裸地、林地、灌木、水体、冰雪、不透水面和湿地，其中草地主要转化为耕地、林地和裸地类型，3种类型转出面积分别为23 139.56、7 445.74和6 474.02 km²（表5）。2010—2020年各类型转入面积由高到低依次为草地、耕地、林地、裸地、不透水面、水体、灌木、湿地和冰雪，其中转入面积最大的草地类型主要由耕地和裸地转入。

表5 2010—2020年黄河流域地表覆被类型的转移矩阵

类型	A	B	C	D	E	F	G	H	I	转出
A	162 062.54	1747.94	2.87	23 813.43	556.70	0	49.23	3 773.77	0.61	29 944.55
B	1 473.65	84 369.62	553.33	103.60	1.62	0	0.02	25.75	0	2 157.97
C	19.04	631.63	2 675.45	1 103.17	0.06	0	0.07	0.02	0.01	1 754.00
D	23 139.56	7 445.74	606.27	436 340.49	375.31	1.64	6 474.02	864.03	370.12	39 276.69
E	447.84	3.77	0	196.28	4 771.77	0.38	62.17	192.56	0.04	903.04
F	0	0	0	9.95	0.95	197.86	364.14	0	0	375.04
G	252.46	0.03	0	6 815.26	121.10	37.64	17 199.34	170.98	0	7 397.47
H	21.89	0.01	0	2.53	224.90	0	1.04	17 830.50	0	250.37
I	0.09	1.65	0.01	63.59	1.55	0	0	0	156.02	66.89
转入	25 332.55	9 829.12	1 162.47	32 044.22	1 280.64	39.66	6 950.69	5 027.11	370.78

3 结论

本文以黄河流域1990年、2000年、2010年和2020年地表覆被数据为数据源，利用地表覆被变化率、动态度和转移矩阵方法，对该区域地表覆被时空演变特征进行分析，得到以下结论。

（1）1990—2020年，该流域地表覆被类型以耕地、林地和草地为主，其他类型为辅。30年间，林地、灌木、裸地、不透水面和湿地类型的变化较明显，其中不透水面的变化率最大，草地类型的变化率最小。可能是人类活动对区域地表覆被类型影响较大，流域人口增长、社会经济的快速发展以及生活空间需求的扩大，共同推动了不透水面的不断扩张。

（2）基于地表覆被动态度模型，发现裸地、不透水面和湿地类型在1990—2000年的动态度变化较明显，尤其是湿地，动态度为4.49%。2000—2010年不透水面类型的动态度变化呈现较明显增加趋势，这可能是随着区域经济发展，建设用地需求不断扩张。2010—2020年，草地类型的动态度变化较小，为0.15%，可能受黄河流域生态保护工程建设影响。该工程的实施为区域植被恢复、生态系统服务功能提升等作出了巨大贡献。

（3）地表覆被转移矩阵分析表明，耕地和草地类型转出和转入面积在1990—2000年、2000—2010年和2010—2020年3个时间段内均较明显，主要是草地、耕地、林地和裸地之间的相互转化。

本研究在数据精度、时间分辨率等方面存在一定的局限性。在未来的研究中，可通过采用更高精度的数据、增加数据的时间密度等，来提高研究结果的准确性和可靠性。

References

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