近30年來江蘇海岸帶土地利用/覆被變化研究

張曉祥 , 唐彥君 嚴(yán)長清, , 徐 盼 朱晨曦, , 戴煜暄

(1. 河海大學(xué) 地理信息科學(xué)與工程研究所, 江蘇 南京 210098; 2. 國土資源部海岸帶開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210024; 3. 江蘇省土地勘測規(guī)劃院, 江蘇 南京 210024)

土地利用/覆被變化(Land use/cover change,LUCC)研究是可持續(xù)發(fā)展和全球變化研究的重要方法和手段[1-2]。通過近20年的發(fā)展, LUCC研究已形成基于遙感和 GIS的研究范式, 逐步走向土地變化科學(xué)[3-4]。海岸帶作為海洋、陸地和大氣交互作用的區(qū)域, 其環(huán)境具有復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn), 海岸帶土地利用/覆被變化研究對(duì)于海岸帶制圖與監(jiān)測[5],分析變化的驅(qū)動(dòng)力[6], 了解海岸帶歷史變遷[7], 促進(jìn)海岸帶的開發(fā)、利用與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在國際上, 美國海洋與大氣局(NOAA)曾采用遙感和 GIS技術(shù)分析美國太平洋沿岸、大西洋沿岸、墨西哥灣以及五大湖區(qū)的海岸帶變化[8]。文獻(xiàn)[9]分析了新英格蘭南部海岸帶的歷史土地利用變化情況;文獻(xiàn)[5]分析了埃及北部海岸帶土地利用變化情況。國內(nèi), 研究人員也對(duì)我國海岸帶地區(qū)土地利用變化進(jìn)行了深入研究, 比較有影響的是對(duì)環(huán)渤海區(qū)域的土地利用類型動(dòng)態(tài)變化的研究[10]。在江蘇海岸帶研究方面, 文獻(xiàn)[11]和[12]分別研究了連云港土地利用變化和江蘇海岸帶的景觀格局變化情況, 文獻(xiàn)[13]和[14]分別對(duì)江蘇海岸帶近1 000 a來海岸線的歷史演變和近100 a來沿海灘涂的圍墾進(jìn)行了深入研究。但總的來說, 在利用遙感影像對(duì)江蘇海岸帶開展序列土地利用變化方面目前還缺乏系統(tǒng)的研究。本研究選擇整個(gè)江蘇海岸帶作為研究區(qū), 在參考美國NOAA海岸變化分析計(jì)劃(C-CAP)研究的基礎(chǔ)上,制定了江蘇海岸帶土地利用/覆被變化分類系統(tǒng),利用該地區(qū) 1978年改革開放以來 5期序列遙感影像進(jìn)行遙感分類與變化監(jiān)測, 獲取江蘇海岸帶LUCC信息, 揭示近30 a來江蘇海岸帶土地利用變化的規(guī)律和趨勢。

1 概述

1.1 研究區(qū)概況

江蘇海岸帶地處江淮下游, 在歷史上曾是我國長江和黃河的入?？? 長江和古黃河帶來的大量泥沙造就了本地區(qū)非常特殊的沖積平原地貌, 江蘇海岸帶外側(cè)也發(fā)育了世界罕見的范圍巨大的黃海輻射沙脊群[15]。江蘇海岸帶從北到南超過700 km, 空間范圍介于 119°00′～120°00′E、31°30′～33°30′N, 岸線主要包括砂質(zhì)海岸、基巖質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸, 大部分岸線為淤泥質(zhì)海岸。在行政區(qū)劃上, 一般將江蘇省沿海的連云港市、鹽城市和南通市 3個(gè)地級(jí)市所轄24個(gè)縣(市、區(qū))作為江蘇海岸帶區(qū)域(圖1)。

江蘇海岸帶分布有廣闊的灘涂, 根據(jù)2011年江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)(江蘇 908專項(xiàng))的調(diào)查[16], 江蘇沿海未圍灘涂總面積 5 001.67 km2(750.25萬畝), 約占全國灘涂總面積的 1/4, 居全國首位, 后備土地資源十分豐富。

圖1 江蘇海岸帶區(qū)位圖Fig.1 The location of Jiangsu coastal area

1.2 遙感數(shù)據(jù)

本研究的土地利用/覆被變化信息主要是通過江蘇海岸帶5期美國Landsat TM遙感影像分類結(jié)果獲得(表 1)。遙感具有同步性好、成本低等特征, 可以快速獲取區(qū)域土地利用變化信息。除遙感數(shù)據(jù)以外,其他數(shù)據(jù)還包括研究區(qū)1∶1萬的土地利用現(xiàn)狀圖、1∶5萬歷史地形圖, 主要用于衛(wèi)星圖像幾何校正。所有的數(shù)據(jù)都采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系和投影系統(tǒng)等空間基準(zhǔn)。

1.3 分類系統(tǒng)

本研究參照了美國 C-CAP 的海岸帶土地覆被分類系統(tǒng)[8]以及我國2008年2月發(fā)布的土地利用分類國家標(biāo)準(zhǔn)——《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2007)[17], 同時(shí)結(jié)合研究區(qū)江蘇海岸帶的地理特征,確定了江蘇海岸帶土地利用/覆被類型。表2所示為江蘇海岸帶土地利用/覆被分類系統(tǒng), 主要包括 5個(gè)一級(jí)類; 考慮到江蘇海岸帶的實(shí)際以及便于分析的需要, 我們又區(qū)分為8個(gè)二級(jí)類。

表1 研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)Tab.1 Data used in the study

表2 江蘇海岸帶土地利用/覆被變化分類系統(tǒng)Tab.2 Land use/cover change classification schema of Jiangsu coastal area.

1.4 研究框架

如圖 2所示為本研究的研究框架, 遵循常見的遙感數(shù)據(jù)處理與分析方法, 主要包括4個(gè)部分: 影像預(yù)處理、影像分類、變化檢測、數(shù)據(jù)分析[18-19]。

利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析土地利用/覆被變化過程, 需要對(duì)原始影像根據(jù)研究的需要進(jìn)行一系列圖像處理工作, 包括幾何糾正、輻射校正、影像鑲嵌和裁剪等。本研究在數(shù)據(jù)整合中, 選用統(tǒng)一的北京1954平面坐標(biāo)系、1956國家高程基準(zhǔn)、高斯-克呂格投影系統(tǒng), 并以江蘇海岸帶 1∶5萬地形圖為基準(zhǔn),結(jié)合地面實(shí)測點(diǎn)位, 對(duì)1978年Landsat MSS影像以及1990年、2000年、2004年和2007年的Landsat TM影像進(jìn)行像元對(duì)像元的幾何精校正。

圖2 研究框架圖Fig.2 Research framework of the study

遙感影像分類是獲取土地利用/覆被變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究首先采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類, 并且結(jié)合1∶5萬地形圖以及其他輔助數(shù)據(jù)提高影像數(shù)據(jù)的分類精度。在本研究中, 1990年、2000年、2004年和2007年4景TM影像分辨率相對(duì)較高, 直接采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類。1978年的MSS影像的空間分辨率和光譜分辨率都較低, 地物分類非常容易出現(xiàn)誤分或者混分。針對(duì)這些問題, 本研究采用多步驟分層分類法, 將明顯能夠分出來的類別掩模剔除, 降低分類像元的個(gè)數(shù)和光譜混淆。對(duì)難以區(qū)分的地類, 單獨(dú)提取, 選擇盡可能多的訓(xùn)練區(qū), 進(jìn)行細(xì)分類。對(duì)于實(shí)在無法通過光譜差異分類的像元, 參考1∶5萬地形圖及其他輔助圖件, 進(jìn)行人工交互解譯,通過劃定矢量層, 進(jìn)行合理的歸屬, 對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

變化檢測是通過多期遙感觀測來自動(dòng)進(jìn)行變化對(duì)象的提取的重要步驟[20-21]。在變化檢測技術(shù)上, 本研究采用分類后比較法對(duì)江蘇海岸帶不同時(shí)相的遙感影像的進(jìn)行變化檢測, 進(jìn)一步得出1978～1990年、1990～2000年、2000～2004年、2004～2007年四個(gè)時(shí)段的變化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析是對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 目的是從數(shù)據(jù)中提取信息, 以找出所研究對(duì)象的內(nèi)在規(guī)律。本研究數(shù)據(jù)分析包括土地利用結(jié)構(gòu)分析及土地利用變化分析。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)圖2所示的研究框架, 可以計(jì)算獲取如圖3所示的江蘇海岸帶 1978～2007年的土地利用變化分類結(jié)果。

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

土地利用結(jié)構(gòu)分析主要是分析土地利用類型及覆被狀況, 本研究在獲得土地利用/覆被變化結(jié)果后,計(jì)算出研究區(qū)1978～1990年、1990～2000年、2000～2004年和 2004～2007年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣, 得出江蘇海岸帶各類土地利用型面積、比例, 具體如表3所示。

近30年來, 耕地是江蘇海岸帶三個(gè)地級(jí)市最主要的土地利用類型, 耕地從1978年占比80%以上到2007年占比仍然有70%左右; 而城鎮(zhèn)建設(shè)用地1978年約 1%, 至 2007年城鎮(zhèn)建設(shè)用地的比重已占到研究區(qū)總面積的 3.61%, 農(nóng)村建設(shè)用地已達(dá) 4.11%, 雖然占比總量不大, 但是考慮到城鎮(zhèn)建設(shè)用地基數(shù)較低,實(shí)際上城鎮(zhèn)建設(shè)用地一直處于快速增長的狀態(tài); 30年來沿海圍墾不斷加劇, 江蘇沿海土地總面積大量增加, 累計(jì)為江蘇沿海增加各類用地總計(jì)達(dá)到近1 000 km2, 相當(dāng)于江蘇蘇南地區(qū)一個(gè)縣的總面積。在土地資源越來越寶貴的今天, 大規(guī)模的圍墾為江蘇沿海地區(qū)提供了廣闊的發(fā)展空間。

2.2 土地利用變化分析

圖3 江蘇海岸帶遙感分類圖(1978～2007年)Fig.3 Remote sensing classification results of Jiangsu coastal area (1978～2007)

表3 江蘇海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)分析(1978～2007年)Tab.3 The land use structure analysis of Jiangsu coastal area (1978～2007)

土地利用變化分析通過土地利用結(jié)構(gòu)狀況, 主要從變化數(shù)量、變化速率上來分析土地利用變化情況。本研究根據(jù)江蘇海岸帶的土地利用結(jié)構(gòu)情況, 利用空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 得出1990～2007年間3個(gè)時(shí)間段江蘇海岸帶各土地利用類型的變化量以及變化速率, 具體如表4所示。需要說明的是, 由于1978年的遙感數(shù)據(jù)來源為 Landsat MSS數(shù)據(jù), 其分辨率比較低, 分類結(jié)果誤差相對(duì)比較大。因此, 為保證研究結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性, 表4沒有將1978～1990年的研究區(qū)間的土地利用變化數(shù)量數(shù)據(jù)和速率數(shù)據(jù)列入。

1990～2000年間, 這一時(shí)期的土地利用格局仍以耕地為主, 土地開發(fā)利用程度加大, 未利用地減少顯著, 變化速率大; 2000～2004年, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地的面積增加非常明顯, 至2004年城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積已超過1 000 km2; 2004～2007年, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地等一直在持續(xù)增長, 這一時(shí)期耕地減少得比較多, 盡管如此, 耕地仍然是江蘇海岸帶的主要土地利用類型, 仍占70%左右。

3 結(jié)論

本研究通過序列遙感影像分類, 獲取了江蘇海岸帶1978、1990、2000、2004、2007年等5期土地利用/覆被變化信息, 計(jì)算分析了江蘇海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)以及土地利用的變化數(shù)量、變化速率, 揭示了江蘇海岸帶地區(qū) 30年來土地利用/土地覆被變化的特征和過程。研究得到以下兩個(gè)結(jié)論: (1)從江蘇海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)來看, 江蘇海岸帶土地利用類型以耕地、建設(shè)用地、水域?yàn)橹? 其中, 耕地占比最大, 該地區(qū)一度占比 80%以上為耕地, 近年來雖然有所減少, 也穩(wěn)定在 70%以上; (2)從江蘇海岸帶土地利用變化來看, 雖然建設(shè)用地占比總量不算大, 但是增長數(shù)量和增長速度驚人, 這主要是由于開發(fā)區(qū)和各類園區(qū)建設(shè), 建設(shè)用地大量增加, 比例也不斷提升,特別地, 沿海地區(qū)新圍墾土地大多為建設(shè)用地。

表4 江蘇海岸帶土地利用類型面積年均變化量及變化速率(1990～2007年)Tab.4 Change amount and change rate of various coastal land use types in Jiangsu (1990～2007)

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