研究使用的数据主要有土地利用数据和DEM数据。土地利用数据来源于对遥感影像的解译,FAST于2011年开始建设,2016年建设完成,因此研究选取2008年、2011年、2013年以及2017年4期空间分辨率为30 m的Landsat TM/OLI影像进行解译,影像来自地理空间数据云平台。首先采用ENVI 5.3软件对影像进行几何校正、辐射校正、融合、裁剪等预处理,其次参考《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)标准,结合研究目的,通过监督分类将研究区的土地利用类型划分为耕地、建设用地、水域、林地和草地,并通过与分辨率更高的同时期Google Earth影像进行对比以检查分类精度,结果显示分类精度均达到90%,分类结果见图2。

DEM数据来源于1:50 000的地形图,通过ArcGIS软件从中提取出高程和坡度两种地形因子,根据公式(4)计算得到研究区的地形位指数,并采用自然断点法将地形位指数按值的大小进行分级^[17],划分为Ⅰ级(0.416～0.497),Ⅱ级(0.497～0.538),Ⅲ级(0.538～0.578),Ⅳ级(0.578～0.613),Ⅴ级(0.613～0.644)和Ⅵ级(0.644～0.715)6个地形位梯度(图1),通过计算得到6个梯度的面积占比分别为5.8%,9.68%,9.15%,22.67%,33%,19.7%,由此可知FSAT电磁波宁静区内Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级的分布较多,表明研究区内海拔较高且坡度较大。

图1 FAST电磁波宁静区遥感影像和地形位梯度

图2 FAST电磁波宁静区2008-2017年土地利用分布

研究利用ArcGIS软件对FAST电磁波宁静区内各土地利用类型的面积进行分区统计,得到了2008—2017年各地类在FAST电磁波宁静区不同区域的面积统计表(表2)。研究表明:总体上,研究区内人类活动较少,自然化程度较高,2017年,FAST电磁波宁静区的土地利用类型以草地和林地为主,其次为耕地,建设用地和水域,草地的面积占研究区总面积的60.77%,林地面积占比为30.73%,耕地为5.19%,建设用地为2.88%; 从空间分布上来看(图2),草地的分布较为广泛,面积占比达到了61.66%,林地主要分布在研究区中部和西北部,核心区、中间区、边远区的林地占比逐步下降; 耕地和建设用地主要分布在中间区和边远区,且二者的分布区域相同,主要分布在中间区的西北部以及边远区的西部和西南部。

表2 2008-2017年FAST电磁波宁静区各地类的面积占比%

由表2可以知,在2008—2017年,研究区内的土地利用类型均有一定程度的变化,其中面积变化幅度最大的是草地,10 a间,研究区的草地面积占比总体上增加了7.6%,其中核心区增加了4.65%,中间区增加了6.04%,边远区的增加幅度最大,增加了7.84%; 其次变化幅度较大的是林地,林地面积总体上呈现出先增后减的态势,2008—2011年林地的面积占比由36.92%增长为38.65%,增幅为1.73%,2011—2017年林地面积则下降为30.73%,降幅为7.92%; 研究区内耕地和水域的面积占比均有所下降,降幅分别为2.98%,0.14%,其中核心区和中间区的耕地面积先增后减,有较大的波动,边远区的耕地面积则持续下降,降幅为2.98%,水域面积在核心区、中间区以及边远区均有所下降,下降幅度分别为0.04%,0.31%,0.13%; 建设用地面积占比由2008年的1.17%增加为2017年的2.88%,增幅为1.77%,核心区、中间区的建设用地面积持续增加,增幅分别为1.46%,4.92%,中间区的增幅最大,主要增长地区在中间区的东北部,边远区的建设用地面积呈现出先减后增的态势,但是总体上建设用地面积增加了1.42%。

土地利用转移矩阵可以更加详细具体地反映出研究区内土地利用类型转化的结构特点和转化方向^[21]。由表3可知,2008—2017年,核心区、中间区、边远区分别有1.392%,4.613%,4.099%的耕地转化为草地,这说明多年来研究区内的退耕政策以及FAST电磁波宁静区的保护政策取得了一定的成效,但是在10 a间,各单元分别有1.559%,5.456%,2.052%的各类土地利用类型转化为建设用地,其中核心区的主要转入源是草地和林地,结合图2可知,该地区的建设用地面积的增加主要原因是FAST工程的建设,中间区建设用地面积的主要转入源是耕地和草地,且转入面积较大,面积占比分别为2.547%,2.259%,这也是表2内中间区建设用地面积增幅较大的主要原因; 核心区、中间区、边远区的林地和草地之间均存在相互转化关系,且二者的相互转化量较大,主要是林地转化为草地,因此致使林地面积占比降低,草地面积占比上升; 水域在研究区内的变化幅度较小。

表3 2008-2017年FAST电磁波宁静区土地利用转移矩阵%

研究利用ArcGIS软件的字段计算器功能,根据公式(1)—(2)并结合表1,计算得到了FAST电磁波宁静区2008—2017年的建设用地当量面积和人类活动强度(图2),以及核心区、中间区、边远区建设用地当量面积和人类活动强度的变化情况(表4)。由图3可知,FAST电磁波宁静区内的建设用地当量面积和人类活动强度变化以2011年为界,2008—2011年,由于退耕还林,退耕还草政策的实施,致使耕地面积减少,因此在研究区内的建设用地当量面积由2008年的225.97 km²下降为2011年202.24 km²,人类活动强度由7.99%下降为7.15%; 在2011—2013年,研究区内的建设用地当量面积和人类活动强度则出现了明显的上升,2013年的建设用地当量面积为225.96 km²,人类活动强度为7.99%,2017年的建设用地当量面积为255.19 km²,人类活动强度为9.03%,建设用地当量面积增长了23.72 km²,人类活动强度增幅为0.84%; 2013—2017年,由于建设用地面积和草地面积的增加致使建设用地当量面积增长了29.23 km²,人类活动强度增加了1.04%。

图3 FAST电磁波宁静区2008-2017年建设用地当量面积和人类活动强度变化

由表4可知,建设用地当量面积主要集中在边远区,其次为中间区,核心区内最少,人类活动强度最大的区域是中间区,其次为边远区,核心区为最小。2008—2017年中间区的人类活动强度和建设用地当量面积持续增长,2008年中间区的建设用地当量面积和人类活动强度为21.53 km²和9.17%,2011年为24.61 km²和10.45%,2013年为25.92 km²和11%,2017年为30.61 km²和12.99%,结合表1可知,主要原因是建设用地和草地面积的持续增加且增幅较大; 边远区的建设用地当量面积和人类活动强度以2011年为界,前期下降,后期增加,2008—2011年,由于耕地面积的减少致使边远区的人类活动强度由8.0%减少为6.9%,2011—2017年,由于建设用地面积的迅速增加,致使边远区内人类活动强度表现为增长趋势,增幅为1.86%; 核心区的建设用地当量面积和人类活动强度在2008—2017年一直处于较低的水平,仅有略微的波动,其在2008—2013年呈现为增长态势,人类活动强度由2008年的4.2%增加为2013年的6.49%,主要原因是建设用地和草地面积的增加,然而在2013—2017年,随着2013年10月1日FAST电磁波宁静区保护办法的实施以及2016年FAST工程建设的完成,致使核心区内的人类活动强度出现了明显的下降,降幅为0.78%。

表4 FAST电磁波宁静区2008-2017年各区域建设用地当量面积和人类活动强度变化

由表5可知,2008—2017年FAST电磁波宁静区全局空间自相关Moran's I值均大于0,且p均小于0.05,说明研究区内的人类活动强度具有较为显著的空间聚集性。同时,2008—2011年、2011—2013年、2013—2017年、2008—2017年人类活动强度变化的Moran's I值在0.18浮动,表明了研究区内人类活动强度的变化也具有空间聚集性。为了进一步了解2008—2017年研究区内人类活动强度的空间格局差异,研究对人类活动强度及其变化进行了冷热点分析(图4)。

表5 FAST电磁波宁静区全局空间自相关指标结果

图4 2008-2017年FAST电磁波宁静区人类活动强度变化热点

由图4可知,2008—2017年,FAST电磁波宁静区内人类活动强度热点区域和冷点区域的面积占比均随着时间的推移而有所变化,次热点(90%置信度)、较热点(95%置信度)以及热点(99%置信度)区域的范围逐渐减少,次冷点(90%置信度)区域在2011年以后在研究区内消失,增加的区域只有无显著区域。总体上,热点区域的面积占比由2008年的13.02%下降为2017年的10.77%,冷点区域在2008年的面积占比为3.73%,至2011年则完全消失,这表明研究区内人类活动强度的聚集程度在逐步下降,但是人类活动强度在整体提高; 从空间分布格局来看,热点地区主要分布在平塘县西部、东南部以及罗甸县南部、中部和西部,且以罗甸县分布最多,主要是因为罗甸县的县城驻地在研究区的南部,且该地区的地势相对较低,易于人类的聚集性活动; 从空间分布变化来看,2008—2017年研究区内人类活动强度的变化热点主要分布在中间区(罗甸县)和边远区(平塘县),具体是分布在罗甸县的南部、西部以及平塘县的西南部、东部,该区域主要是城镇和耕地聚集的低海拔区域,核心区仅有小部分的热点变化区域,其主要集中在FAST工程的建设区。

FAST电磁波宁静区内人类活动的变化是自然因素和社会经济因素共同作用的结果。自然因素对人类活动通常起到宏观的影响作用,而社会经济因素主要影响人类活动的变化趋势和变化速度,因此研究将从自然和社会经济两个方面来探讨研究区内人类活动变化的影响因素。

(1)FAST工程的建设是研究区内人类活动变化的基本原因。FAST工程于2011年开始修建,2016年建设完成,在修建期间,核心区的建设用地面积占比在2008—2017年增加了1.46%,其中大部分是由林地、草地以及耕地转化而来,因此致使核心区内的人类活动出现了较为明显的上升。

(2)移民活动和经济发展等社会经济因素是推动研究区内人类活动变化的重要因素。移民活动将核心区内的居民迁出至中间区和边远区内的城镇进行安置,因此中间区和边远区在2008—2017年建设用地面积占比分别增加了4.92%,1.43%,其中大部分由耕地和草地转化而来; 研究区内的经济发展主要以第三产业为主,以平塘县为例,在2011—2017年,其第三产业占比均在40%以上,尤其在FAST工程建设完成以后,依靠天文旅游的发展优势,使得第三产业得到了迅猛发展,其旅游收入在2016—2017年,增加了近一倍,因此致使中间区和边远区内的人类活动在此期间依旧保持上升的态势。

(3)政府政策对研究区内人类活动的变化具有重要影响作用。核心区、中间区和边远区在2008—2017年耕地面积均呈现出不同程度的下降态势,下降幅度分别为0.68%,3.69%,2.98%,草地面积则大幅度增长,这是由于政府引导实施的退耕还林还草工程、水土保持工程以及石漠化治理工程发挥的作用,尤其是在FAST工程建立之后,政府为保障其正常运行而制定的FAST电磁波宁静区保护办法在更大程度上限制了研究区内的人类活动,使得核心区内的人类活动在2017年出现了较为明显的下降,说明政府的保护政策可以有效地减少研究区内的人类活动。

(4)地形地貌因素是影响研究区内人类活动空间分布及其变化的重要自然因素。FAST电磁波宁静区内主要以喀斯特山地丘陵为主,地势起伏较大,平地较少,难以开展人类活动,因此研究区内的人类活动总体上一直处较低水平。且由于研究区内不同区域间存在地形分布的差异,因此不同区域内的人类活动在空间分布上也存在差异。核心区、中间区和边远区内Ⅳ—Ⅵ级地形梯度的面积占比分别为68.37%,48.63%,52.08%,因此核心区内的人类活动一直处于最低水平,其次为边远区,人类活动最高的区域为中间区。

(1)2008—2017年,研究区域内的土地利用类型以林地和草地为主,二者面积占比之和均在80%以上,耕地、建设用地和水域的面积占比之和不足10%,在研究时段内,建设用地和草地面积出现明显的增加,而耕地、林地以及水域面积则呈现出明显的下降态势; 研究时段内各地类均有一定程度上的互相转化,其中建设用地和草地主要为转入地类,耕地和林地为主要的转出地类。

(2)2008—2017年,研究区内人类活动强度的变化总体上以2011年为界,前期人类活动强度表现为缓慢的下降趋势,后期则表现为上升趋势,但是研究区内的人类活动强度总体上处于较低的水平,研究时段内,人类活动强度均在10%以下。

(3)空间自相关分析表明,研究区内的人类活动强度具有较为明显的空间聚集性,主要分布在中间区和边远区内,人类活动强度热点地区主要分布在平塘县西部、东南部以及罗甸县南部、中部和西部,且以罗甸县分布最多; 在研究时段内,人类活动强度的变化热点也主要分布罗甸县和平塘县内,具体集中在罗甸县的南部、西部以及平塘县的西南部、东部。

(4)地形因子分析表明,研究期间,研究区的建设用地主要分布在海拔较低,地势较为平坦的Ⅰ—Ⅱ级地形梯度区域,; 耕地和水域的优势分布区主要集中在中低地形位梯度内(Ⅰ—Ⅳ级); 草地集中分布在中地形位梯度区域,其优势分布区为Ⅱ—Ⅳ级地形位梯度; 林地的优势分布区虽有一定的变化,但也多集中在高地位梯度区域(Ⅴ级—Ⅵ级); 总体上研究区内的人类活动强度与地形位梯度呈现为反比的关系,但是2011—2017年,由于FAST工程的建设,致使人类活动强度在Ⅳ级地形位梯度上有所增加。

(5)研究发现,研究区内人类活动的变化是由自然因素和社会经济因素共同驱动的,其中后者为主要驱动力。地形地貌因素、FAST工程的建设与保护、移民活动、旅游开发以及政府政策等因素均在一定程度上对研究区内人类活动的变化过程中起到重要作用。

研究针对不同区域内人类活动的时空分布特征,提出了相应的保护建议。核心区是FAST的重点保护区,因此应该加强对核心区域的监测力度,不仅要开展常规的电磁波干扰监测,还要结合遥感技术的优势,充分应用卫星遥感监测技术,构建“天空地一体化”全天候的综合监测管理系统,以便可以准确地掌握核心区内的电磁波和人类活动的变化情况,为FAST的正常运行保驾护航; 中间区和边远区是研究区内人类活动的主要集中地,因此在该地区政府要加强引导,加强对电磁波宁静区电磁环境以及监测设施的保护宣传,提高当地群众的保护意识及其对FAST功能和保护工作的了解,使群众自发遵守保护条例,形成自我约束,共同维护FAST的正常运转。

研究利用遥感和地理信息技术,从土地利用的角度分析了FAST电磁波宁静区内人类活动及其变化的时空分布特征,并对相关影响因素进行了探讨研究,但是当前的研究中也存在不足之处。在人类活动强度计算方法方面,研究以土地利用数据来构建人类活动强度模型,该方法虽然可以快速对区域内的人类活动进行定量化评价,但是其只能对研究区内人类活动的现状进行识别,并不能对其进行预测,因此在今后的研究中,将着重探寻人类活动的预测方法,为FAST电磁波宁静区的保护工作提供支持。