地形地貌對半山區(qū)土地利用動態(tài)變化影響分析
——以天津市薊縣為例

國巧真， 寧曉平， 王志恒， 蔣衛(wèi)國

(1.天津城建大學地質與測繪學院，天津 300384；2.北京師范大學環(huán)境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875)

地形地貌對半山區(qū)土地利用動態(tài)變化影響分析
——以天津市薊縣為例

國巧真1， 寧曉平1， 王志恒1， 蔣衛(wèi)國2

(1.天津城建大學地質與測繪學院，天津 300384；2.北京師范大學環(huán)境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875)

以2001年和2011年2期TM圖像為數(shù)據(jù)源，采用分類后比較法提取了10 a間天津市薊縣土地利用動態(tài)變化信息；利用空間分析算法生成地形起伏度和坡度2個地形因子，分析了不同地形特征上的土地利用類型分布及變化特征；從類型轉換和動態(tài)度2個方面定量分析土地利用變化情況，并分析土地利用變化與地形起伏度和坡度的相關關系以及土地利用變化的影響因素。結果表明： 地形地貌對土地利用的動態(tài)變化有顯著的影響，在微緩起伏地形上，居民地增加最多，其次是水域，而林地減少最多；在低起伏和中起伏地形上，居民地增加最多；在山地起伏地形上，居民地有所增加；在高山起伏地形上，只有林地和未利用地有少量變化。該結果可以為天津市薊縣的生態(tài)保護以及半山區(qū)縣土地利用規(guī)劃提供科學依據(jù)。

土地利用；動態(tài)變化；TM圖像；半山區(qū)；地形；地貌

0 引言

土地利用把土地的自然生態(tài)系統(tǒng)逐漸轉變?yōu)槿斯ど鷳B(tài)系統(tǒng)[1]，土地利用變化能夠綜合體現(xiàn)區(qū)域內部自然環(huán)境、經濟與社會發(fā)展以及人口的狀況[2]。目前，土地利用變化已經成為全球變化研究的前沿和熱點課題[3-5]。隨著遙感、地理信息系統(tǒng)和信息科學技術的發(fā)展和應用，對土地利用動態(tài)變化的研究已經成為重點研究領域之一[6-10]。變化監(jiān)測是確定土地利用變化的過程[11]，土地利用變化數(shù)據(jù)可以為環(huán)境管理提供必要的信息。

本文以天津市薊縣為研究區(qū)，大規(guī)模的經濟開發(fā)活動極大地改變了研究區(qū)內的土地利用狀況[12]。利用RS和GIS技術，對薊縣近10 a的土地利用變化特征進行分析，研究地形地貌對土地利用動態(tài)變化的影響，可為該區(qū)生態(tài)保護、土地利用規(guī)劃以及可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

薊縣位于天津市最北部，117°05′～117°47′E，39°45′～40°15′N之間，鄰近北京、天津、唐山和承德，是天津市的“后花園”，被列為全國生態(tài)示范縣和全國首家綠色食品示范區(qū)，是國務院確定的全國首批沿海對外開放縣，總面積1 593 km2。近年來，在自然因素和經濟社會因素影響下，其土地利用結構和布局發(fā)生了明顯變化。圖1為研究區(qū)2001年4月TM圖像。

圖1 研究區(qū)TM圖像Fig.1 TM image of study area

2 數(shù)據(jù)源及其預處理

本文所用數(shù)據(jù)為薊縣2001年和2011年2期TM圖像(5(R)4(G)3(B)假彩色合成)、DEM、行政區(qū)劃圖、2001—2011年薊縣社會統(tǒng)計年鑒以及其他文字資料。對TM圖像進行了幾何糾正，將行政區(qū)劃圖進行投影轉換，利用矢量邊界圖對遙感圖像進行切割，提取出研究區(qū)范圍。根據(jù)土地分類系統(tǒng)的分類原則和薊縣的實際情況，將研究區(qū)分為水域、林地、耕地、居民地和未利用地5種土地利用類型。針對薊縣北部為山區(qū)、南部為平原的特點，采用分區(qū)分類法將圖像一分為二，利用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結合的方法進行分類，提取土地利用信息，并對分類圖像進行拼接等后處理，得到分類結果圖(圖2)。

圖2 2001年(左)和2011年(右)薊縣土地利用分類圖Fig.2 Land use classification of Ji County in 2001(left) and 2011(right)

結合野外實地調查和目視判讀，對分類結果進行精度評價，2001年和2011年總分類精度分別為93.46%和93.08%，Kappa系數(shù)分別為0.896 4和0.899 1，可以滿足本文對數(shù)據(jù)質量的精度要求。

3 土地利用動態(tài)變化分析

3.1 土地利用類型分布及變化特征

3.1.1 土地利用類型分布

對2期遙感解譯圖像進行統(tǒng)計分析，土地利用類型的面積及其變化狀況如表1所示。

表1 土地利用類型面積及其變化Tab.1 Area and their ratio change of land use types

由表1可見，薊縣土地利用類型以林地、耕地和居民地為主，面積占研究區(qū)總面積的90%以上。其中耕地面積最大，是分布最廣泛的土地利用類型，主要分布在薊縣南部，2001年和2011年耕地面積均占研究區(qū)總面積的40%以上；其次是林地，主要分布在北部，占總面積的30%以上；居民地占總面積的10%以上。10 a間，薊縣土地利用狀況發(fā)生了明顯變化，居民地變化最大；其次為林地；水域增加了24.59×102hm2，耕地和未利用地分別減少了22.58×102hm2和7.55×102hm2。通過以上分析可以看出，薊縣的主要土地利用類型大致呈現(xiàn)水域和居民地面積增加，林地、耕地和未利用地減少的特點。

3.1.2 土地利用類型轉換

以2期土地利用分類數(shù)據(jù)為基礎，采用空間疊加分析法，獲得土地利用變化圖(圖3)。

圖3 2001—2011年土地利用變化圖Fig.3 Land use change map from 2001 to 2011

由圖3可以看出，土地利用變化最顯著的區(qū)域為薊縣中部的平原區(qū)。該區(qū)段交通比較便利，有多條鐵路、公路貫穿于境內，沿交通干線的兩側，城鄉(xiāng)居住建設用地顯著增加，耕地面積大量減少，表明人類活動對自然景觀格局的改造作用日益加重。近10 a間，薊縣縣城的面積明顯增加，說明土地開發(fā)利用程度加強，城市化進程較迅速；青甸洼蓄洪區(qū)的建設使水域面積增加。通過建立轉換模型得到土地利用類型轉移矩陣(表2)。

表2 2001—2011年土地利用類型轉移矩陣Tab.2 Transfer matrix of land use types from 2001 to 2011 (102hm2)

從表2可知，居民地的增加主要來自于耕地和林地，水域主要來自于耕地和林地，耕地主要來自于林地和居民地；林地減少最多，其去向主要是轉為耕地和居民地；隨著經濟的發(fā)展，土地資源的開發(fā)和有效利用表現(xiàn)十分明顯，未利用地的面積在10 a間大幅度縮減，未利用地主要轉為林地和居民地。

3.1.3 土地利用類型動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度表達的是某研究區(qū)一定時間范圍內某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，即[13]

(1)

式中：R為研究時段內單一土地利用類型動態(tài)度；Ua為研究初期某種土地類型的面積；Ub為研究末期某種土地類型的面積；T為研究期時段長。動態(tài)度是一個相對值，其值的大小不僅與期間變化面積有關，還與研究初期的數(shù)值有較大關系。因此動態(tài)度大并不意味著變化的絕對面積大，僅代表在某一特定的時間段內某一土地利用類型的相對變化速度，它不能表示土地利用類型的空間轉化，但是動態(tài)度大就一定意味著該土地利用類型不穩(wěn)定。2001—2011年土地利用類型動態(tài)度對比情況見圖4。

圖4 2001—2011年土地利用類型動態(tài)度對比Fig.4 Dynamic contrast figure of land use type from 2001 to 2011

從圖4中可以看出，水域和居民地的動態(tài)度為正，表示有增加的趨勢。其中水域的正動態(tài)度最大，表明在10 a間，由于青甸洼蓄洪區(qū)的建成使水域面積顯著增加；其次為居民地，表明隨著經濟發(fā)展，居民地增長迅速，城市化現(xiàn)象較為顯著；林地、耕地和未利用地的動態(tài)度為負，表明這3種土地利用類型面積有減少的變化趨勢。由于耕地面積基數(shù)大，動態(tài)度僅為-0.30%，變化不十分明顯；林地和未利用地呈現(xiàn)了較大的負動態(tài)度，表明隨著經濟發(fā)展、人口增加和城鎮(zhèn)發(fā)展水平進一步的提高，許多林地被占用，未利用地則不斷得到開發(fā)。

3.2 基于地形地貌的土地利用類型分布情況

3.2.1 不同起伏度的土地利用類型分布

地形起伏度是在指定分析區(qū)域內最高點和最低點之差，反映宏觀區(qū)域內地表起伏特征,是定量描述地貌形態(tài)、劃分地貌類型的重要指標[14]，即

R=Hmax-Hmin,

(2)

式中：R為分析區(qū)域內的地形起伏度；Hmax和Hmin分別為分析區(qū)域內最高和最低點的高程。利用3像元×3像元正方形鄰域分析計算地形起伏度，根據(jù)分類標準和薊縣的地形特點，將地形起伏度分為5級(表3)。

表3 地形起伏度分級Tab.3 Grading of relief

薊縣DEM圖如圖5(a)所示，地形起伏度圖如圖5(b)所示。

圖5 薊縣DEM(左)和地形起伏度(右)

Fig.5 DEM(left) and relief(right) of Ji County

從表3和圖5(b)可以看出，薊縣北高南低，以微緩起伏為主，其次是低起伏，高山起伏最少。其中，在20 m以下的最多，主要分布在南部和中部平原地帶；20～200 m主要分布在北部和五百戶鎮(zhèn)和西龍虎峪鎮(zhèn)；600 m以上的很少。對地形起伏進行分級統(tǒng)計，不同地形起伏度的土地利用的類型分布及變化狀況見表4所示。

表4 2001—2011年間不同地形起伏度的土地利用類型分布Tab.4 Land use type distribution of different relief from 2001 to 2011

從表4可以看出，2001年微緩起伏區(qū)耕地分布最多，其次為居民地；低起伏區(qū)林地面積最多，水域最少；中起伏區(qū)林地分布最多；山地起伏區(qū)只有林地、居民地和未利用地；高山起伏區(qū)只有林地這種土地利用類型。2011年水域主要分布在微緩起伏區(qū)，在低起伏區(qū)和中起伏區(qū)有較少分布，而在山地起伏區(qū)和高山起伏區(qū)沒有分布；林地主要分布在低起伏區(qū)和中起伏區(qū)，高山起伏區(qū)也有分布；耕地主要分布在微緩起伏區(qū)和低起伏區(qū)；居民地在微緩起伏區(qū)分布最多，除高山起伏外，其他起伏區(qū)都有一些分布；未利用地在低起伏區(qū)分布最多，其他起伏區(qū)也有分布。在微緩起伏上，居民地增加最多，為28.99×102hm2；其次是水域，為23.99×102hm2；林地減少最多，為28.99×102hm2；未利用地減少最少，為7.71×102hm2。通過以上數(shù)據(jù)的對比分析，表明在低起伏區(qū)，居民地增加最多，耕地減少最多。在中起伏區(qū)，居民地增加最多，而耕地減少最少。山地起伏區(qū)，居民地增加了0.04×102hm2。在高山起伏區(qū)，林地減少了0.01×102hm2，未利用地增加了0.01×102hm2。在小于200 m起伏度范圍內，各土地利用類型變化較大；而大于等于200 m起伏度范圍內，各土地利用類型變化較小。

3.2.2 不同坡度的土地利用類型分布

將研究區(qū)按坡度劃分為平地、緩坡、中坡、陡坡4級。薊縣坡度圖如圖6所示。

圖6 薊縣坡度圖Fig.6 Slope map of Ji County

將屬性表按照坡度的分級標準進行統(tǒng)計，得到不同坡度的土地利用分布狀況，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 薊縣不同坡度的土地利用分布情況Tab.5 Land use distribution of different slope in Ji County (102hm2)

從表5可知，在坡度[0°,5°)的區(qū)域內，耕地分布面積最大，其次為居民地，說明耕地和居民地分布受坡度的影響較大，反映了兩者分布與坡度的關系；居民地變化最大，其次為林地，居民地絕大部分分布在坡度較小的平地上，在該坡度范圍內變化趨勢最為明顯，其變化主要受人口因素和經濟因素的影響，其中，人口因素是其發(fā)展的主導因素，而經濟發(fā)展是其直接因素。林地、耕地和未利用地面積在各坡度均呈減少的趨勢，人口的急速增長是耕地面積減少的主導因素，在某種程度上，資源開發(fā)、經濟利益和政策等因素對耕地減少也有一定的影響。水域主要分布在坡度[0°,5°)的區(qū)域內，除在≥25°的坡度范圍內沒有變化外，在其他各坡度范圍均有一定的增加，可見自然因素是水域面積趨于增加的前提，而人為因素是其增加的主導因素。在坡度[5°,15°)的區(qū)域，林地占主導地位。水域、耕地與居民地的面積趨勢是隨坡度增大而減少。隨著坡度增加，林地面積先增加后減少。未利用地在2001年是隨著坡度增加面積呈減少趨勢；2011年隨著坡度增加面積先增加后減少。在<25°坡度范圍內，各土地利用類型變化較大；而≥25°坡度范圍內，各土地利用類型變化較小?？傊?，坡度越小，各土地利用類型的變化越大；而坡度越大，各土地利用類型的變化則越小。

3.2.3 土地利用變化與地形地貌的相關分析

為了充分研究土地利用類型變化與地形地貌的相關關系，對土地利用變化量取絕對值，制作了土地利用類型變化與地形起伏度(圖7(左))和與坡度關系圖(圖7(右))，并得到了土地利用類型與地形起伏度和坡度的關系式與相關系數(shù)(表6)。

圖7 土地利用類型變化與地形起伏度(左)和坡度(右)關系圖Fig.7 Relational graph between change of land use types and relief (left) and slope(right)

表6 土地利用類型與地形起伏度和坡度的相關性Tab.6 Correlation between land use types and relief and slope

由圖7可以看出，在微緩起伏到中起伏度之間和平地到中坡之間土地利用類型變化較大，而中起伏到高山起伏之間和中坡到陡坡之間變化相對較小。表明在低起伏度和低坡度區(qū)域，土地利用類型變化頻率快，而隨著地形起伏度和坡度增加，土地利用受人類活動的影響減少，土地利用變化較慢。

由表6可以看出，地形因子對耕地和居民用地變化具有顯著的影響，對未利用地變化的影響程度比地形起伏度大。

3.2.4 地形特征影響分析

土地利用變化的影響因素主要為自然因素和人為因素。從長時間尺度上看，自然和人為因素都驅動著土地利用變化；但在短時間尺度上，土地利用變化主要是由社會經濟等人為因素造成，而包括氣候波動在內的自然因素只是土地利用變化的背景條件[15]。從地形起伏度、坡度2方面進行分析可以看出，耕地、水域和居民地在微緩起伏區(qū)分布最多，林地主要分布在低起伏區(qū)和中起伏區(qū)，增加的居民地主要分布在微緩起伏區(qū)和低起伏區(qū)。在微緩起伏上，居民地增加最多，其次是水域；而林地減少最多，未利用地減少最少。在低起伏區(qū)，居民地增加最多，耕地減少最多。在中起伏區(qū)，居民地增加最多，林地減少最少。坡度越小，各土地利用類型的變化越大；坡度越大，各土地利用類型變化越小。

4 結論

1)利用遙感和GIS技術，結合Landsat TM圖像，提取了天津市薊縣2001年和2011年土地利用信息，運用疊加分析方法，獲得近10 a間土地利用變化信息。2001年和2011年間薊縣均以林地、耕地和居民地為主，從兩期圖像可知10 a間3者之和比例均超過了90%，耕地所占比例最大，變化最為明顯的為居民地，隨著經濟的快速發(fā)展未利用土地面積有了明顯地下降。

2)薊縣土地利用類型轉換主要表現(xiàn)為居民地來自于耕地和林地；水域主要來自于耕地和林地，水域的增加主要是因為青甸洼蓄洪區(qū)的建立；耕地主要來自于林地和居民地；林地減少的去向主要是耕地和居民地；隨著經濟的發(fā)展、城市化進程加快、土地資源的開發(fā)和有效利用，導致未利用地的面積在10 a間大幅度縮減。

3)基于DEM數(shù)據(jù)，獲得地形起伏度和坡度。薊縣土地利用變化主要受地形起伏度和坡度的影響，不同起伏地段土地利用類型變化不同，其中，在微緩起伏地段居民地增加最多，林地減少最多；在高起伏地形區(qū)域，林地減少較少。在低起伏度和低坡度區(qū)域，土地利用類型變化大，而隨著地形起伏度和坡度增加，土地利用變化變慢，說明地形地貌對土地利用動態(tài)變化具有一定的制約作用。

[1] 宗瑋.上海海岸帶土地利用/覆蓋格局變化及驅動機制研究[D].上海:華東師范大學,2012. Zong W.Research on Land Use/Land Cover Change and Driving Forces Mechanism in Coastal Zone of Shanghai[D].Shanghai:East China Normal University,2012.

[2] 馬士彬,張勇榮,安裕倫.山區(qū)城市土地利用動態(tài)空間分布特征——以貴州省六盤水市為例[J].自然資源學報,2012,27(3):489-496. Ma S B,Zhang Y R,An Y L.Spatial pattern of urban land use in the mountain area:A case study of Liupanshui in Guizhou Province[J].Journal of Natural Resources,2012,27(3):489-496.

[3] 彭建,蔡運龍,何鋼,等.喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)貓?zhí)恿饔蛲恋乩?覆被變化研究[J].山地學報,2007,25(5):566-576. Peng J,Cai Y L,He G,et al.Land use/cover change in ecologically fragile kast areas:A case study in Maotiaohe river basin, Guizhou China[J].Journal of Mountain Science,2007,25(5):566-576.

[4] 方秀琴,任立良,李瓊芳.近40年老哈河流域土地利用變化監(jiān)測與分析[J].國土資源遙感,2012,24(2):125-131. Fang X Q,Ren L L,Li Q F.The detection and analysis of land use change in the Laoha River Basin during the past four decades[J].Remote Sensing for Land and Resources,2012,24(2):125-131.

[5] 吳莉,侯西勇,徐新良,等.山東沿海地區(qū)土地利用和景觀格局變化[J].農業(yè)工程學報,2013,29(5):207-216. Wu L,Hou X Y,Xu X L,et al.Land use and landscape pattern changes in coastal areas of Shandong Province,China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(5):207-216.

[6] Michishita R,Jiang Z B,Xu B.Monitoring two decades of urbanization in the Poyang Lake area,China,through spectral unmixing[J].Remote Sensing of Environment,2012,117:3-18.

[7] Singh R B,Kumar D.Remote sensing and GIS for land use/cover mapping and integrated land management:Case from the middle Ganga plain[J].Front Earth Sci,2012,6(2):167-176.

[8] Yin J,Yin Zhane,Zhong H D,et al.Monitoring urban expansion and land use/land cover changes of Shanghai metropolitan area during the transitional economy(1979—2009) in China[J].Environ Monit Assess,2011,177(1-4):609-621.

[9] 張玉虎,賈海峰,于長青.永定河流域典型區(qū)土地利用/覆被變化[J].山地學報,2009,27(5):564-572. Zhang Y H,Jia H F,Yu C Q.Study on land use/cover change in typical areas of Yongding River watershed[J].Journal of Mountain Science,2009,27(5):564-572.

[10]吳見,彭道黎.多倫縣土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測[J].國土資源遙感,2010,22(3):86-91. Wu J,Peng D L.Land use dynamic monitoring based on remote sensing in Duolun County[J].Remote Sensing for Land and Resources,2010,22(3):86-91.

[11]Kelarestaghi A,Jeloudar Z J.Land use/cover change and driving force analyses in parts of northern Iran using RS and GIS techniques[J].Arab J Geosci,2011,4(3/4):401-411.

[12]石玉勝,肖捷穎,沈彥俊,等.土地利用與景觀格局變化的空間分異特征研究——以天津市薊縣地區(qū)為例[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2010,18(2):416-421. Shi Y S,Xiao J Y,Shen Y J,et al.Spatial variation in land use and landscape pattern:A case study of Ji County of Tianjin City[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2010,18(2):416-421.

[13]王秀蘭,包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87. Wang X L,Bao Y H.Study on the methods of land use dynamic change research[J].Progress in Geography,1999,18(1):81-87.

[14]張錦明,游雄.地形起伏度最佳分析區(qū)域研究[J].測繪科學技術學報,2011,28(5):369-373. Zhang J M,You X.Investigating optimum statistical unit of relief[J].Journal of Geomatics Science and Technology,2011,28(5):369-373.

[15]劉曉,李衛(wèi)忠,張伐伐,等.基于RS/GIS的鄉(xiāng)級土地利用/覆蓋變化及驅動力研究[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2010,38(7):118-122,128. Liu X,Li W Z,Zhang F F,et al.Research on township LUCC and the driving forces based on RS & GIS[J].Journal of Northwest A & F University:Nat Sci Ed,2010,38(7):118-122,128.

(責任編輯： 李瑜)

Impact analysis of landform for land use dynamic change of the partly mountainous area: A case study of Jixian County in Tianjin City

GUO Qiaozhen1, NING Xiaoping1, WANG Zhiheng1, JIANG Weiguo2

(1.SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China; 2.KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisaster,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Jixian County in Tianjin City is a national ecological demonstration county. In order to study the influence of landform on land use dynamic change, the authors extracted the change information of land use in Jixian County for 10 years on the basis of TM images in 2001 and 2011 with post-classification comparison. Two terrain factors for relief degrees of land surface and slope were generated using spatial analysis algorithms. The distribution and variation features of the two land use types in different terrain features and the land use change were analyzed quantitatively in two aspects of type conversion and dynamic degree. The correlation between the change of land use type and the relief and slope was also analyzed. In addition, the influencing factors of land use change were investigated. The results show that the area of waters, farmland and residential land which expanded by 2.46% has been increased in the past 10 years. The conversion of land use type are mainly from woodland to farmland and residential land, from farmland to woodland and residential land, and from unused land to farmland and residential land. The landform has a significant influence on the dynamic change of land use. The residential land has increased most conspicuously, followed by water area, whereas woodland decreases most obviously. In low relief and moderate relief landform, residential land has increased most obviously; in mountainous relief, residential land has somewhat increased; in high mountain relief landform, only woodland and unused land has changed a little. The research on geographic and geomorphic impact on land use dynamic change is of guidance significance for ecological protection. The results achieved by the authors can provide a scientific basis for land use in partly mountainous districts and counties.

land use; dynamic change; TM image; partly mountainous area; topography; geomorphology

2013-12-05；

2014-01-23

天津市自然科學基金項目(編號： 13JCQNJC08600)。

10.6046/gtzyyg.2015.01.24

國巧真，寧曉平，王志恒，等.地形地貌對半山區(qū)土地利用動態(tài)變化影響分析——以天津市薊縣為例[J].國土資源遙感，2015,27(1)：153-159.(Guo Q Z,Ning X P,Wang Z H,et al.Impact analysis of landform for land use dynamic change of the partly mountainous area:A case study of Jixian County in Tianjin City[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：153-159.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0153-07

國巧真(1979-)，女，副教授，主要從事資源與環(huán)境遙感監(jiān)測研究。Email: gqiaozhen@tcu.edu.cn。