基于RS與GIS的黃岡市土地利用時空變化分析

汪宏晨　李暢　王清

摘要：以黃岡市為研究區(qū)域，利用RS和GIS技術(shù)對 Landsa5 TM影像進行處理。采用監(jiān)督分類方法提取了黃岡市2001年和2009年兩期土地利用信息，生成土地利用類型轉(zhuǎn)置矩陣，應(yīng)用單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度模型分析土地利用類型的時空變化規(guī)律，并對黃岡市土地利用的未來時空變化的趨勢進行了預(yù)測。結(jié)果表明，9年間黃岡市耕地、建設(shè)用地和其他類型一直處于增長趨勢，耕地和建設(shè)用地增幅較大，其他類型增幅較??；林地、裸地和水體面積處于下降趨勢，其中林地下降最快，其次是裸地，而水體下降較小。黃岡市各土地利用類型總變化面積大小為：其他類型>耕地>建設(shè)用地>>裸地>林地>水體>沙洲，沙洲、耕地和林地的變化速度快，其他3種類型的變化速度相對較慢；沙洲、裸地和水體的年變化率較大，其中沙洲最大。

關(guān)鍵詞：黃岡市；TM影像；土地利用結(jié)構(gòu)；時空變化

中圖分類號：F301.24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）19-4709-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.013

Abstract： By processesing landsat5 TM images of Huanggang city with RS and GIS technology， the land use information of Huang gang in the year 2001 and 2009 was extracted by supervised classification. Spatio-temporal variation rules were explored by counting area and building change matrix. Through calculating discrete land use dynamic degree and integrated land use dynamic degree， the future change tendency of land use structure in Huanggang city was forecasted. The results showed that area of cultivated land， building land and other land in Huanggang city increased in the last 9 years； and the increasing amplitude of cultivated land and building land was larger than the others. Area of forest land， bare land and water body decreased in the past 8 years； and the reducing speed of forest land was the highest among them， followed by bare land， while the water just decreased a little. In addition， the absolute change area of land use types ranked as otherland >cultivated land>building>bare land>forest land>water body>sandbar. Change speed of sandbar， cultivated land and forest land was higer than the others； and the annual change rate of sandbar， bare land and water body was all comparatively higher， among which sandbar was the highest.

Keywords： Huanggang City； TM image； landuse structure； spatio-temporal variation

土地是人類賴以生存的基礎(chǔ)。土地利用的變化不僅改變了自然景觀面貌，而且對氣候、土壤、水資源等均會產(chǎn)生深刻影響。同時，土地利用變化過程蘊涵了大量人類活動的信息，開展土地利用變化研究對揭示區(qū)域人地關(guān)系演變規(guī)律具有重要意義[1]。利用遙感影像、遙感軟件和GIS技術(shù)對這一問題的研究得到了長足發(fā)展，擺脫了傳統(tǒng)方法（需要耗費大量人力、物力去實地收集數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)計分析）的桎梏，節(jié)省了大量的人力、物力和時間，使研究的手段更加多元化、規(guī)范化和定量化。同時使研究者能及時地掌握土地利用發(fā)展過程中新的、具體的、細微的變化信息，進行合理規(guī)劃和科學(xué)的引導(dǎo)。國內(nèi)外利用這一技術(shù)做了大量卓有成效的工作。

近年來黃岡地區(qū)經(jīng)濟得到迅猛發(fā)展，但是在經(jīng)濟發(fā)展的同時也對“山水城市”黃岡的環(huán)境造成了許多的負面效應(yīng)，其中土地利用手段粗放導(dǎo)致土地質(zhì)量下降是其中一個重要表現(xiàn)。因此，本研究對黃岡地區(qū)行政邊界內(nèi)的土地利用類型，應(yīng)用ERDAS軟件和黃岡市遙感影像，并充分利用現(xiàn)代科技對空間信息的整體把握和綜合分析，深入探討了黃岡市2001～2009年土地轉(zhuǎn)換的方向及原因，提出相關(guān)建設(shè)性的意見，為黃岡市的土地利用提供借鑒，對今后黃岡市土地合理規(guī)劃有一定的實用價值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

黃岡市地處湖北省東部，大別山南麓，長江中游北岸，位于東經(jīng)114°25′-116°8′，北緯29°45′-31°35′。下轄黃州區(qū)和紅安、羅田、英山、浠水、蘄春、黃梅、團風7個縣以及一個縣級龍感湖農(nóng)場，代管武穴、麻城兩個縣級市，版圖面積17 429 km2，總?cè)丝诩s743萬。北部和東部為大別山低山丘陵區(qū)，海拔500～800 m；中部為海拔100～250 m的丘陵崗地；南部為長江沖積平原。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)主要是從國際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺上下載的30 m分辨率的美國陸地資源衛(wèi)星Landsat5 的多波段光譜影像，條帶號為122-38、122-39、123-38，接收日期分別為2001-11-01和2009-11-02以及2007-10-03。此外利用了2010年黃州部分地區(qū)0.5 m分辨率的航空影像照片和Google Earth 2001年及2009年的歷史影像作為選擇訓(xùn)練場的參照。通過選取多個典型地物作為控制點，進行遙感影像的配準和幾何精校正。根據(jù)相關(guān)研究[2-8]，本研究只選取了最佳組合波段3、4、5波段融合在一起，這樣可以減小遙感影像信息提取和解譯的難度。然后利用1∶400萬全國邊界矢量地圖、縣界和州界矢量圖提取黃岡市矢量邊界對影像進行裁剪，得到研究區(qū)域的兩期遙感圖像（圖1、圖2）。再借助ERDAS9.2定義分類模板和進行模板評價（表1、表2），利用最大似然法對影像進行監(jiān)督分類（將黃岡市土地利用類型分為7類，即林地、耕地、水體、建設(shè)用地、裸地、沙洲以及其他類型土地），在ArcGIS10中統(tǒng)計各種類型土地的面積，并且制作專題地圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用面積統(tǒng)計結(jié)果

通過預(yù)處理所得的兩期專題圖如圖3和圖4，兩期各種土地利用類型的面積如表3和表4。

從表3和表4可知，林地、水體和裸地面積呈下降趨勢，其中林地類型下降最明顯，在9年中，由7 810.416 km2下降到6 066.300 km2，減少面積為1 744.116 km2，減少22.33%；裸地面積減少也較明顯，由2001年的1 806.446 km2減少到2009年的925.602 km2，減少48.76%；水體面積減少了203.942 km2，減少26.488%。面積增加的土地利用類型有耕地、建設(shè)用地和其他類型的用地，其中耕地增加最明顯，由2001年的3 257.465 km2增加到2009年的5 497.860 km2，增加面積2 240.395 km2，增加68.77%；建設(shè)用地面積也有較明顯的增加，由1 629.846 km2增加到2 045.089 km2，增加面積為415.243 km2，增加25.48%。其他類型的用地面積有小幅增加，增加面積為110.584 km2，增加5.17%。

2.2 土地利用的空間位置轉(zhuǎn)換和數(shù)量變化

由表5可知，黃岡市各土地利用類型總變化面積大小為耕地>其他類型>林地>裸地>建設(shè)用地>水體>沙洲。從變化形式上，耕地的空間位置轉(zhuǎn)換量和數(shù)量變化都較其他類型大，說明在研究期內(nèi)黃岡市耕地在空間位置和數(shù)量上均發(fā)生了很大的改變。這與黃岡市耕地面積的增加主要來自土地后備資源的開墾，以及其他類型的土地改造的情況相符合。開發(fā)土地后備資源和其他類型的土地改造會導(dǎo)致耕地范圍在空間上的急劇擴展和數(shù)量上的快速攀升。林地在空間位置和數(shù)量上同樣發(fā)生了較大的改變，導(dǎo)致其出現(xiàn)的原因主要有“退耕還林”和“封山育林”政策的實施以及森林資源的大量采伐和建設(shè)用地的擴展對林地的破壞等。建設(shè)用地、其他類型用地以及裸地在空間位置上的變化明顯大于數(shù)量上的變化。這說明黃岡市城市化因為城鎮(zhèn)建設(shè)用地后備資源充足而在空間上急劇擴展，正處在“鋪攤子，攤大餅、圈地”的發(fā)展階段。而裸地和其他類型的用地在空間上的穩(wěn)定性本來就相對較差，變化大，所以其空間上的變化大于數(shù)量上的變化屬于正常情況。沙洲在數(shù)量上的變化較其在空間上的變化要大很多，這說明在研究期內(nèi)黃岡市原有沙洲因為自然沉積等原因面積在繼續(xù)擴大，而位置未發(fā)生較大的改變。

2.3 土地利用類型轉(zhuǎn)化分析

利用ERDAS9.2中的GIS分析功能，生成2001～2009年的土地利用轉(zhuǎn)換矩陣，并利用生成的原始矩陣計算各土地類型間的轉(zhuǎn)移率和貢獻率，得到土地利用轉(zhuǎn)移率矩陣和貢獻率矩陣，其所得結(jié)果如表6[3]。

由表6可以看出，林地、耕地、水體、沙洲主要由原有類型轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)移率和貢獻率均相對較大。其中林地和水體表現(xiàn)得最為明顯，林地的轉(zhuǎn)移率和貢獻率分別為64.057%和82.474%；水體的轉(zhuǎn)移率和貢獻率分別為55.132%和74.997%。建設(shè)用地和裸地的轉(zhuǎn)移率均大于對自身的轉(zhuǎn)移率，但是貢獻率均小于對自身的貢獻率，這說明建設(shè)用地和裸地存在較大量的轉(zhuǎn)化。對耕地的轉(zhuǎn)移率遠遠大于建設(shè)用地、水體等其他幾種用地類型的轉(zhuǎn)移率，貢獻率也是最大的，這說明黃岡市耕地的增長主要通過毀林開荒獲得的。耕地對其他類型用地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移貢獻率小于對耕地自身的貢獻率，但是遠遠大于對水體、裸地、沙洲的貢獻率。這說明黃岡市耕地資源喪失的主要原因是經(jīng)濟發(fā)展帶來建設(shè)用地擴長和其他類型用地（如果園，花卉種植用地等）不斷增長。水體對建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移率遠遠大于建設(shè)用地對水體的轉(zhuǎn)移率，但是建設(shè)用地對水體的貢獻率卻大于水體對建設(shè)用地的貢獻率。這說明水體面積下降速度快的一個原因是建設(shè)用地大量侵占水體，但同時也說明建設(shè)用地的主要來源不是水體，而是林地。林地對裸地的貢獻率為28.417%，相對較大，盡管轉(zhuǎn)移率只有8.185%，說明林地被破壞是黃岡裸地生成的一個重要原因[17]，如果不加以保護，未來黃岡的林地由于不同原因的破壞將成為沒有利用價值的裸地。

2.4 土地利用類型變化速度分析

利用單一土地利用動態(tài)度公式和綜合土地利用動態(tài)度公式分別計算黃岡市各土地利用類型的動態(tài)變化指數(shù)[4]，結(jié)果如表7所示。

從表7可知，7種土地利用類型中沙洲變化最快，其單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度均最高，分別為3.333%和0.178%；林地單一土地利用動態(tài)度為-0.018%，其綜合土地利用動態(tài)度為第二，這說明林地的面積年變化率小，但是變化速度和活躍程度較高；耕地單一土地利用動態(tài)度在正方向較小，綜合土地利用動態(tài)度較大，這說明耕地的年變化率小，但是變化速度快，強度和活躍程度高；水體的單一土地利用動態(tài)度在負方向較大，說明水體面積下降較快，其綜合土地利用動態(tài)度為0.139%，說明水體面積減少的年變化率較大，而且變化的速度和活躍程度都較大；建設(shè)用地的單一土地利用動態(tài)度為0.255%，在土地利用類型中為第二，其綜合土地利用動態(tài)度為0.080%，在類別中最小，說明建設(shè)用地年變化率較大，但是年變化速率較??；裸地處于下降狀態(tài)；其他類型用地兩種動態(tài)度都很低，說明其在研究期內(nèi)的變化不是很大，基本處于平衡狀態(tài)。

3 結(jié)論與展望

本研究通過利用遙感和GIS技術(shù)對黃岡市2001年和2009年兩期遙感影像進行處理獲得土地利用類型的分布和數(shù)量信息，通過對比和分析，可以得出以下結(jié)論：

1）進入新時期，黃岡市土地利用的活躍程度明顯增加，位置和數(shù)量的明顯變化反應(yīng)出土地利用方式隨著經(jīng)濟的活躍呈現(xiàn)一年一變甚至一年幾變的狀況。

2）黃岡市城市化進程處在快速發(fā)展階段，生態(tài)環(huán)境惡化的壓力越來越大，糧食安全和耕地紅線問題也逐漸突出。這表現(xiàn)在建設(shè)用地急劇擴張，林地和水體面積下降，雖然耕地數(shù)量在增加，但是在糧食壓力加大且大面積開發(fā)耕地后備資源的情況下增加的。

3）未來黃岡市城市化的速度和經(jīng)濟建設(shè)的速度將大幅提升，所以建設(shè)用地將迅速增長，但在達到一個臨界值之后又會迅速下降；林地的面積將繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢；水體年變化率和變化速度均較大，所以在未來水體面積的波動將會增大，但是下降趨勢短時間內(nèi)無法改變。

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