基于遙感與GIS的銅陵縣土地利用變化特征分析

唐 炎，馬 麗 (安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽蕪湖241000)

隨著人口增長以及資源逐漸短缺等諸多全球性問題的出現(xiàn)，土地利用/覆被變化(LUCC)對人類生產(chǎn)活動以及生態(tài)環(huán)境的影響越來越受到國內(nèi)外研究學者的關(guān)注［1－3］。在遙感以及GIS的技術(shù)支持下，對典型區(qū)域進行土地利用/覆被變化研究是認識區(qū)域土地利用/覆被變化與資源、環(huán)境問題關(guān)系的關(guān)鍵，也是協(xié)調(diào)人地關(guān)系保持區(qū)域持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［4］，對于區(qū)域土地資源有效利用和管理具有重要意義。

遙感以其宏觀性、多光譜性、多時相性等特點，可以快速、準確地反映土地利用時空變化過程，在不同區(qū)域空間尺度土地利用動態(tài)監(jiān)測研究中具有明顯優(yōu)勢［5－9］。筆者以安徽省銅陵縣為研究對象，通過對Landsat TM的2000、2005、2010年3期影像進行遙感解譯，結(jié)合GIS技術(shù)和相關(guān)數(shù)學方法，對研究區(qū)2000～2010年的土地利用變化特征進行分析，以期為研究區(qū)土地資源利用和管理提供決策參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 銅陵縣(117°42'～ 118°10'E，30°45'～31°07'N)位于安徽省中南部地區(qū)，總面積807.8 km2，屬亞熱帶季風區(qū)域，全年氣候溫和，降雨充足。境內(nèi)河流屬長江水系，長江由西南往北再東折，西南以青通河與池州市分界，東北隔黃滸河與蕪湖市為鄰。銅陵縣位于長江中下游平原與皖南山區(qū)的中間地帶，在新構(gòu)造運動的影響下，地貌景觀上存在明顯地域差異性，主要被分為3個類型區(qū)，從北到南分別依次是洲圩區(qū)、丘陵區(qū)、低山區(qū)，總體地勢北低南高，中間為地勢過渡地帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源 以銅陵縣2000、2005、2010年3期Landsat TM遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參考1∶10萬的地形圖，對遙感影像進行幾何校正。土地利用分類參照我國現(xiàn)行的土地利用類型編碼［10］，并結(jié)合遙感影像解譯的可行性，將銅陵縣土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、居民點及工礦用地、交通用地、未利用地等7類。在Envi 4.7環(huán)境下，采用人機交互的監(jiān)督方式對3期遙感影響數(shù)據(jù)進行解譯。經(jīng)檢驗，3期遙感影像解譯精度均達到90%以上，滿足后期分析要求。3期圖像的解譯結(jié)果如圖1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型動態(tài)度。土地利用動態(tài)度(Land Use Dynamic Degree，LUDD)是能夠反映出在一定研究時段中研究區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化率［11］。其計算公式為:

式中，KS為土地利用動態(tài)度;At1、At2分別為t1、t2時某一類土地利用類型的面積。利用此公式可以反應(yīng)出不同土地利用類型之間變化速率的差異。

1.3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣是研究土地利用格局變化的一種非常重要的方法，它來源于系統(tǒng)分析理論中對系統(tǒng)狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，可以動態(tài)地反映各種土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的過程。土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣不但包括面積數(shù)據(jù)，而且還包含各種土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)入及轉(zhuǎn)出的信息，其一般形式為［12］:

式中，S代表各種土地利用類型面積;n代表轉(zhuǎn)移前后地類數(shù)目;i，j(i，j=1，2，…，n)代表轉(zhuǎn)移前后土地利用類型。矩陣橫行代表開始時期土地利用類型轉(zhuǎn)化為終止時期的其他類型的面積，縱行則表示開始時期其他類型轉(zhuǎn)換為終止時期土地類型的面積。

1.3.3 土地利用程度綜合指數(shù)。土地利用程度指數(shù)是通過數(shù)量指標體系的方法，來反映多種土地利用類型結(jié)構(gòu)的總體變化，以期了解研究期內(nèi)區(qū)域土地利用變化趨勢以及土地開發(fā)利用水平。依據(jù)莊大方等提出的土地利用程度綜合體系［13］，按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)對土地利用類型進行分級賦值(表1)。由于不同的土地利用級依據(jù)其自身類型占據(jù)面積比例的不同，對土地利用程度具有不同的影響。因此，區(qū)域土地利用程度在上述基礎(chǔ)上進行數(shù)學綜合，通過綜合指數(shù)的大小來反映土地利用程度的高低。土地利用程度綜合指數(shù)公式如下:

式中，La為土地利用綜合指數(shù)，Ai為土地利用程度分類值(表1);Ci為第i級土地利用面積占研究區(qū)總面積的百分比;n為土地利用分類數(shù)。

表1 土地利用分級值

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化的總體特征 據(jù)遙感解譯結(jié)果，銅陵縣2000、2005、2010年3期土地利用數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，2010年銅陵縣耕地面積21 027.16 hm2，占26.03%;林地面積25 350.52 hm2，占 31.38%;水域面積 18 598.76 hm2，占23.02%;居民點及工礦用地面積 1 200.77 hm2，占 15.72%;交通用地面積1 450.74 hm2，占1.8%;草地面積980.67 hm2，占1.21%;未利用地面積 671.38 hm2，占 0.83%。

研究時段內(nèi)，銅陵縣耕地面積減少了4 883.29 hm2，其中，2000～2005年耕地面積減少2 999.10 hm2，2005～2010年耕地面積減少1 884.19 hm2。水域面積減少了590.80 hm2，其中，2000～2005年水域面積減少438.56 hm2，2005～2010年水域面積減少152.24 hm2。居民點及工礦用地面積2000～2005年增加了 2 500.95 hm2，2005 ～2010年增加了1 576.65 hm2，共增加了4 077.60 hm2。交通用地與林地的面積均有一定的增長，其中交通用地面積2000～2005年增加了521.86 hm2，2005 ～2010年增加了 150.54 hm2。林地面積2000～2005、2005～2010年2個時段增長數(shù)值分別為559.54和288.32 hm2。2000～2010年銅陵縣草地以及未利用地面積變化幅度不大，分別減少了76.92和46.85 hm2。

表2 銅陵縣土地利用類型統(tǒng)計hm2

2.2 土地利用變化的動態(tài)分析 利用公式(1)計算得出2000～2010年銅陵縣不同時段的土地利用動態(tài)度(表3)。整體上看，總體趨勢與2000～2005和2005～2010年2個時段土地利用類型面積變化趨勢相一致，并且前5年的土地利用類型動態(tài)度變化的絕對值均大于后5年，說明銅陵縣2000～2005年土地利用變化最強烈，而2005～2010年這種變化強度有所減弱。從具體數(shù)值上看，耕地的土地利用動態(tài)度絕對值在2個時段內(nèi)分別為2.31%和1.64%，水域的動態(tài)度絕對值為0.46%和0.16%，這說明二者在2005～2010年的土地面積變化速率大于2000～2005年的變化速率，這反映了隨著可持續(xù)發(fā)展理念的推進以及生態(tài)農(nóng)業(yè)的大力倡導，人們對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護意識也在不斷增強，同時隨著國家基本農(nóng)田保護政策的實施，減緩了上述兩者的下降趨勢。與之相應(yīng)的是，隨著人口增長以及經(jīng)濟的發(fā)展，居民點及工礦用地、交通用地雖一直處于增長狀態(tài)，但上述兩者在2000～2005和2000～2010年2個時段的土地利用動態(tài)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，其中居民點及工礦用地的土地利用類型動態(tài)度在2個時段內(nèi)分別為5.80%和2.83%。這是因為銅陵縣一直在進行城鎮(zhèn)化建設(shè)，同時該地是個礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)，2000～2005年當?shù)氐牡V產(chǎn)資源得到充分開發(fā)，工礦用地飛速增長，但由于過度無序開采，導致一些地方礦產(chǎn)資源耗盡，加上政府大力整治、關(guān)閉小礦山等因素，致使居民點及工礦用地的增速得到一定緩解;交通用地的土地利用動態(tài)度分別為13.41%和2.32%，這是由于2005年前國家完成了“村村通”工程，銅陵縣2000～2005年交通用地增長較快，而2005～2010年交通道路體系已經(jīng)完善，所以交通用地土地利用類型動態(tài)度較小。草地以及未利用地的情況和耕地變化情況類似，2000～2005年中受城鎮(zhèn)化進程的影響，土地利用動態(tài)度變化較大，2005～2010年則變化較小，整體變化整體趨于平穩(wěn)。

表3 銅陵縣土地利用動態(tài)度 %

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移分析 利用ArcGIS 10.1的空間疊置分析功能得到銅陵縣土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)量統(tǒng)計(表4)。從2000～2005和2005～2010年2個時期的土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)量分析來看，銅陵縣的耕地、水域、居民地及工礦用地、交通用地、林地相互間轉(zhuǎn)移量較多。從土地利用轉(zhuǎn)移方向來看，2000～2005年耕地向居民點及工礦用地流失的面積為4 140.85 hm2，而2005～2010年僅為 2 577.51 hm2，這是由于 2000 ～2005年銅陵縣城鎮(zhèn)化和能源、交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進程的不斷加快，各項建設(shè)占用耕地面積較大，耕地受到一定的侵占，2005～2010年強化了對耕地特別是基本農(nóng)田的保護，耕地侵占情況的得到一定緩解，耕地的使用趨于合理;水域同耕地相互轉(zhuǎn)換較為頻繁，結(jié)合當?shù)亟y(tǒng)計年鑒以及實地調(diào)查，其中大部分屬于可調(diào)整的坑塘用地，部分耕地用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，導致水域及耕地的面積有所變化;林地、耕地之間的土地轉(zhuǎn)移主要是由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整以及生態(tài)退耕因素等造成的;居民點及工礦用地2000～2005年向耕地轉(zhuǎn)移面積僅為79.20 hm2，而2005 ～2010年達到了 3 751.11 hm2，這說明銅陵縣在控制了建設(shè)用地總規(guī)模的基礎(chǔ)上，加大了土地整理以及尾礦復墾的力度，有效地補充了耕地面積，緩解了耕地資源緊張的情況，同時隨著城鎮(zhèn)用地布局進一步優(yōu)化以及“村村通”工程的實施，原先分散的居民點進行集中，實現(xiàn)了土地資源節(jié)約利用，增加了有效耕地面積。2005～2010年銅陵縣交通用地向耕地轉(zhuǎn)移了1 565.98 hm2，這是由于一些交通路線隨著居民點集中集聚以及相關(guān)礦山的關(guān)閉失去其運輸功能，被復墾為耕地。

表4 銅陵縣土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)量 hm2

2.4 土地利用程度分析 通過對2000～2010年的土地動態(tài)度以及土地轉(zhuǎn)移分析得出，銅陵縣各種土地利用類型在研究時段內(nèi)面積一直保持變化，不同類型之間的土地進行相互流轉(zhuǎn)，而這種土地利用類型的轉(zhuǎn)移同時也引起了土地利用強度的變化。利用公式(2)計算得到銅陵縣2000、2005、2010年的土地利用程度綜合指數(shù)及相應(yīng)的變化量，結(jié)果顯示:2010年銅陵縣的土地利用程度指數(shù)為260.24，高于全國平均水平(231.92)［14］，表明銅陵縣總體土地利用程度較高，土地呈集約利用。從變化量來看，2000～2010年銅陵縣土地利用程度指數(shù)受到人口增長以及城鎮(zhèn)化進程的影響，整體呈上升趨勢，其中在2000～2005年變化較快，由254.46增加到258.31，增加了3.85，這是由于居民點及工礦用地、交通用地等分級指數(shù)較大的土地利用類型面積增長較快有關(guān)，導致整體土地利用程度不斷提高，2005～2010年土地利用程度變化量增速放緩，土地利用綜合指數(shù)由258.31增加到260.24，增加了1.93，說明銅陵縣的整體土地利用變化趨于平緩。

3 結(jié)論

隨著銅陵縣社會經(jīng)濟發(fā)展與城鎮(zhèn)化進程的影響，耕地作為銅陵縣主要土地利用類型，其面積在2000～2010年內(nèi)減少最多，水域面積在研究期內(nèi)也有一定的減少;居民地以及工礦用地、交通用地面積得到增加;林地、草地和未利用地面積變化幅度不大。研究時段內(nèi)居民地以及工礦用地、交通用地動態(tài)度一直保持增長趨勢，2005～2010年的增速較2000～2005年有所降低;而耕地、水域土地利用動態(tài)度總體雖然一直在減少，但減少速率有所放緩。耕地在2000～2005年主要轉(zhuǎn)移方向是居民地及工礦用地及交通用地，2005～2010年居民地及工礦用地及交通用地逐漸向耕地進行轉(zhuǎn)移，表明在隨著銅陵縣在嚴格控制建設(shè)占用耕地、加大土地整理復墾力度、優(yōu)化居民地以工礦用地的結(jié)構(gòu)，使得耕地資源得到了一定補充。但隨著土地后備資源有限整理復墾開發(fā)難度逐年增大，使得耕地總體補充資源及質(zhì)量均不夠，耕地面積仍舊持續(xù)下降。從土地利用程度綜合指數(shù)可以得出，銅陵縣整體土地利用程度較高且逐漸趨于集約化、高效化及合理化。今后在發(fā)展中仍要協(xié)調(diào)好農(nóng)用地與非農(nóng)用地間的矛盾，合理規(guī)劃和調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和布局，充分挖潛存量用地潛力，改善土地生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)土地利用可持續(xù)發(fā)展。

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