基于GIS與RS的喀斯特山地土地利用動態(tài)變化研究

魏媛+王陽+姚晨

摘要：土地利用變化是引起喀斯特生態(tài)系統(tǒng)演變的最主要影響因素之一，隨著城鎮(zhèn)化的快速推進，城市土地利用發(fā)生了較大的變化。運用RS與GIS技術(shù)方法對2001、2013年2期的遙感影像進行處理，提取貴陽市二環(huán)內(nèi)土地利用信息，并對該區(qū)土地利用動態(tài)變化規(guī)律進行研究，以期為研究區(qū)土地資源可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。研究結(jié)果表明：（1）研究區(qū)土地利用類型以耕地、林地和建筑用地為主，三者總占比大于97%，占絕對優(yōu)勢；（2）2001—2013年研究區(qū)建筑用地面積明顯增加，水域面積略有增加；耕地面積明顯下降，林地面積和未利用地少量減少。（3）單一土地利用動態(tài)度分析表明，各地類變化速度從快到慢依次為未利用地>建筑用地>耕地>林地>水域；就綜合土地利用動態(tài)度而言，則速度從快到慢依次為：未利用地>耕地>水域>林地>建筑用地。（4）從土地利用綜合程度來看，研究區(qū)土地利用正處于發(fā)展期，土地利用集約化程度在不斷提高。

關(guān)鍵詞：RS；GIS；土地利用動態(tài)；土地利用綜合程度；喀斯特山地；貴陽市

中圖分類號： S127；F323.211 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0435-04

土地是人類活動的基本場所，是人類賴以生存的自然資源，在人類社會經(jīng)濟活動中起著不可替代的重要作用。十八大報告指出，要加快建立生態(tài)文明制度，健全資源節(jié)約、國土空間開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護的體制機制，推動人與自然和諧的新發(fā)展模式。生態(tài)文明制度建設(shè)是要求在法律制度體系的監(jiān)督下，對生態(tài)平衡、土地資源合理利用進行系統(tǒng)建設(shè)，將生態(tài)文明建設(shè)的重要載體—土地，進行合理、科學開發(fā)利用，優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)，促進土地資源的可持續(xù)發(fā)展。近年來，在國家西部大開發(fā)帶動下，貴州省貴陽市經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市化進程加快，大量的農(nóng)業(yè)人口流入城市，轉(zhuǎn)化為非農(nóng)業(yè)人口，城市建設(shè)用地不斷增加，耕地、林地不斷減少，脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境遭受破壞。為快速、客觀、準確掌握貴陽市土地利用變化情況，及時提出土地利用規(guī)劃和喀斯特生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的策略，本研究采用RS和GIS技術(shù)，選取2001年和2013年貴陽市二環(huán)內(nèi)2期TM影像，通過遙感監(jiān)督分類方法提取土地利用現(xiàn)狀圖，利用 GIS 技術(shù)進行圖像處理和數(shù)據(jù)提取。依據(jù)處理的圖象、數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)狀，對貴陽市土地利用動態(tài)變化特征進行分析，為貴陽市制定科學合理的土地利用規(guī)劃、提高城市土地利用率、實現(xiàn)土地的優(yōu)化配置提供依據(jù)，以促進貴陽市生態(tài)文明城市建設(shè)和區(qū)域喀斯特生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究范圍的界定與研究方法

1.1 研究范圍的界定

以貴陽市二環(huán)高速公路作為研究區(qū)域界線，研究范圍是貴陽二環(huán)以內(nèi)區(qū)域。因為貴陽市二環(huán)以內(nèi)區(qū)域是貴陽市城市化進程最快的地區(qū)，土地利用類型的變化速度最快、最明顯，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響最大。對其進行土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)研究的目的是為促進貴陽市區(qū)域的土地集約利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最大化。

1.2 研究方法

運用RS和GIS技術(shù)方法，利用2001年和2013年貴陽市二環(huán)內(nèi)2期TM影像，通過遙感監(jiān)督分類方法得到土地利用現(xiàn)狀圖，采用 GIS 技術(shù)處理圖像并提取數(shù)據(jù)，運用土地利用變化綜合指數(shù)和土地利用變化動態(tài)度分析研究區(qū)內(nèi)土地利用變化特征，有效揭示貴陽市二環(huán)區(qū)域土地利用變化現(xiàn)狀。

1.2.1 圖像處理與信息提取

（1）圖像的波段組合、校正與剪切。選取的數(shù)據(jù)分別為2001年Landsat-7影像和2013年Landsat-8影像。波段組合是將各波段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ERDAS IMAGINE的IMG文件，利用軟件添加同地區(qū)圖像的各個波段，合成1幅多波段圖像。為了突出水體、植被等土地利用類型，選擇543波段合成標準假彩色圖像，運用多項式模型對處理后的圖像進行幾何校正，并對校正后圖像進行AOI多邊形剪不規(guī)則剪裁，作為研究區(qū)域并保存。

（2）圖像的增強處理。增強目的是改變圖像灰度等級，提高圖像對比度，針對給定圖像的不同應(yīng)用，強調(diào)圖像的整體或局部性，將圖像變得清晰或增強區(qū)域特征，擴大不同物體特征差距，滿足分析需要。本研究采用輻射增強中的直方圖均衡化對圖像進行增強處理，通過灰度變換將隨機分布的圖象直方圖變換成均勻分布的直方圖，即在每個灰度級上都具有相同的像元點數(shù)，使得分類的視覺效果更加明顯。

（3）圖像分類和信息提取。首先建立研究區(qū)影像判讀解譯標志：通過影像特征（色調(diào)、紋理和形狀等）與研究區(qū)土地利用類型特征（表1）和自然景觀的比較分析[1]，建立土地利用類型的遙感影像判讀解譯標志（表2），作為室內(nèi)判讀的依據(jù)；其次建立分類模板：2期遙感影像的分類模板有5個土地利用類型，包括水體、建筑用地、林地、未利用地和耕地；再次根據(jù)解譯標志和分類模板進行監(jiān)督分類；最后提取貴陽市二環(huán)土地利用變化信息。應(yīng)用GIS的地統(tǒng)計模塊，對修改合并后的土地利用矢量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以提取2001年和2013年2期圖像的建筑用地、林地、耕地、水體、未利用地等土地利用信息，統(tǒng)計分析結(jié)果見表3和表4。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化總量分析

人類活動與自然界間的互動最直接的表現(xiàn)為土地利用類型面積變化[7]。土地利用面積的整體變化情況在對土地利用變化的研究中有著非常重要的作用，通過對土地利用面積的變化狀況分析，可以有效反映出各種土地類型和土地面積在總量上的變化情況。貴陽市二環(huán)內(nèi)2001年、2013年土地利用現(xiàn)狀分類如圖1。根據(jù)式（1）計算出2001年、2013年研究區(qū)土地利用變化情況（表5），根據(jù)表5的分析結(jié)果得出研究區(qū)土地利用面積對比圖（圖2）。

表5分析結(jié)果表明：研究區(qū)土地利用類型以耕地、林地和建筑用地為主，三者總占比大于97%，占絕對優(yōu)勢。2001—2013年研究區(qū)土地利用變化顯著，2001年研究區(qū)各類土地利用面積占總面積的比重由大到小依次為：建筑用地>耕地>林地>未利用地>水域，建筑用地面積最大，占總面積的33.41%，水域面積最小，占總面積的0.83%。2013年研究區(qū)各類土地利用面積占總面積的比重由大到小依次為：建筑 用地>林地>耕地>水域>未利用地，建筑用地面積最大，占總面積的54.84%，未利用地面積最小，占總面積的0.06%。

從圖2中可以看出，2001—2013年12年間研究區(qū)各類土地利用面積發(fā)生了明顯的變化。其中耕地、林地、未利用地面積下降，其中耕地面積減少得最多，12年間一共減少了20.473 km2，年均遞減1.706 km2，年變化率為4.364%；林地面積減少3.407 km2，年變化率為0.759%；未利用地面積一共減少1.696 km2，年變化率為7.985%；建筑用地面積和水域面積增加，其中建筑面積在12年間增加了25.505 km2，年均增加2.13 km2，年變化率為5.346%。水域面積12年間共增加了0.035 km2，年變化率為0.297%，2001—2013年間，研究區(qū)土地利用變化以耕地和建設(shè)用地的變化最為顯著，這與毛騰等的研究結(jié)果相似[8-9]，建筑用地增加量超出了耕地面積減少量，說明研究區(qū)建筑用地的擴張除了占用了大量的耕地外還導致了林地面積、未利用地面積的減少[10]。

2.2 土地利用程度綜合指數(shù)分析

土地利用程度綜合指數(shù)能夠有效反映出土地利用的集約化程度，根據(jù)Liu等提出的土地利用程度的綜合分析方法[7]，進行土地利用分級（表6） 。

根據(jù)公式（2）和表6中的不同土地利用類型分級指數(shù)計算得出貴陽市二環(huán)內(nèi)的土地利用程度綜合指數(shù)，2001年和2013年分別為298.18和325.30，計算結(jié)果表明從2001年到2013年研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)在不斷提高，說明隨著貴陽市社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地利用集約化程度在不斷提高。

2.3 土地利用變化量分析

土地利用變化量可以通過土地利用程度指數(shù)表示，可以有效地體現(xiàn)出土地利用所處的發(fā)展階段，并衡量城市土地利用發(fā)展水平，促進城市土地利用可持續(xù)發(fā)展。當ΔLb-a<0時，則表示該區(qū)域的土地利用處于調(diào)整或者衰退時期，當土地利用程度變化量ΔLb-a>0時，表示該區(qū)域土地利用處于發(fā)展時期[11]。

根據(jù)公式（3）計算出土地利用程度綜合指數(shù)，2001—2013年研究區(qū)土地利用變化量為27.12，說明貴陽市二環(huán)內(nèi)的土地正處于發(fā)展期，并且由于土地利用程度最高值為400，可見貴陽市二環(huán)地區(qū)土地發(fā)展和開發(fā)程度屬于中、高速開發(fā)狀態(tài)。

2.4 土地利用變化動態(tài)度分析

2.4.1 單一土地利用動態(tài)度 單一動態(tài)度可以分析某一區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化，動態(tài)度是說明土地利用類型相對的穩(wěn)定度，即數(shù)值絕對值越大，對應(yīng)的土地利用類型越不穩(wěn)定；反之，數(shù)值絕對值越小，對應(yīng)的土地利用類型越趨于穩(wěn)定。由表7分析可得，單一土地利用動態(tài)度數(shù)值絕對值由大到小的順序依次為未利用地>建筑用地>耕地>林地>水域，表明研究區(qū)未利用地變化速度最顯著，土地類型數(shù)量不穩(wěn)定，其次是建筑用地，水域面積變化不大，在5種土地利用類型中最穩(wěn)定。

2.4.2 綜合土地利用動態(tài)度 綜合土地利用動態(tài)度側(cè)重于土地利用類型變化的速度和年變化率，計算結(jié)果見表7。從表7中可以看出，綜合土地利用動態(tài)度數(shù)值由大到小的順序依次為未利用地>耕地>水域>林地>建筑用地，說明2001—2013年間研究區(qū)域未利用地的變化強度最大，反映了人類與土地之間進行物質(zhì)、能量、信息交流的強度也最大，其次為耕地，建筑用地變化強度最小，表明建筑用地轉(zhuǎn)為其他類土地利用面積的絕對值最小，建設(shè)用地的增加是耕地、林地、未利用地面積減少的主要原因。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

運用RS與GIS技術(shù)方法對貴陽市2001、2013年2期的遙感影像進行處理，提取貴陽市二環(huán)內(nèi)土地利用變化信息；運用土地利用動態(tài)度、土地利用程度等分析方法，對研究區(qū)土地利用數(shù)量變化及利用程度進行分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）2001—2013年研究區(qū)土地利用類型以耕地、林地和建筑用地為主，三者總占比大于97%，占絕對優(yōu)勢；12年間研究區(qū)耕地、林地、未利用地面積下降，其中耕地面積減少得最多，12年間一共減少了20.473 km2；林地面積減少 3.407 km2；未利用地面積一共減少1.696 km2；建筑用地面積和水域面積增加，其中建筑面積在12年間增加了 25.505 km2，水域面積12間共增加了0.035 km2。2001—2013年間，研究區(qū)土地利用變化以耕地和建設(shè)用地的變化最為顯著，建筑用地增加量超出了耕地面積減少量，說明研究區(qū)建筑用地的擴張除了占用了大量的耕地外還導致了林地面積、未利用地面積的減少。

（2）貴陽市二環(huán)內(nèi)的土地利用程度綜合指數(shù)由2001年的298.18上升到2013年的325.30，說明從2001年到2013年隨著研究區(qū)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，其土地利用方式逐漸由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，土地利用集約化程度在不斷提高。2001—2013年研究區(qū)土地利用變化量為27.12，說明貴陽市二環(huán)內(nèi)的土地正處于發(fā)展期，進入了利用方式逐漸由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變土地開發(fā)利用的新階段。

（3）土地利用變化速度研究結(jié)果表明，研究區(qū)未利用地變化速度最顯著，從單一土地利用動態(tài)度來看，各地類變化速度從快到慢依次為未利用地>建筑用地>耕地>林地>水域，說明土地類型數(shù)量不穩(wěn)定，其次是建筑用地，水域面積變化不大，在5種土地利用類型中最穩(wěn)定；就綜合土地利用動態(tài)度而言，則速度從快到慢依次為未利用地>耕地>水域>林地>建筑用地，表明建筑用地轉(zhuǎn)為其他類土地利用面積的絕對值最小，建設(shè)用地快速增加是耕地、林地、未利用地面積減少的主要原因。

3.2 討論

隨著喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，快速推進的城鎮(zhèn)化必然帶來建設(shè)用地不斷增加，耕地、林地、未利用地面積下降，人地矛盾日趨緊張，影響城市的綠色可持續(xù)發(fā)展。因此，研究區(qū)必須協(xié)調(diào)城市發(fā)展與土地利用之間的關(guān)系，緩解人地矛盾。首先適度控制人口數(shù)量，提高人口素質(zhì)，確保土地的集約化程度和利用效率的提高；其次以土地集約高效利用為目標，加強林地、耕地和基本農(nóng)田保護，減少建設(shè)用地的擴張；科學規(guī)劃和開發(fā)利用土地，加強土地資源的宏觀調(diào)控和用途管制，優(yōu)化土地資源配置。在區(qū)域宏觀政策與喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)發(fā)展政策的指導下開發(fā)與保護并重，使土地利用格局變化與研究區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)[12]。

喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)土地利用變化是一個復雜、綜合的動態(tài)過程，驅(qū)動因素很多[12]，本研究只對2期的遙感影像數(shù)據(jù)進行了分析，運用多期的遙感影像數(shù)據(jù)對土地利用動態(tài)變化信息進行提取和預測，并對其土地利用驅(qū)動因素進行全面深入分析有待于進一步研究。

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