基于遙感數(shù)據(jù)的舟山市土地利用時空格局研究

魯 旭，陳 超

(浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

土地是城市發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一種供不應(yīng)求的資源，土地資源的可持續(xù)利用有利于促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。土地利用信息的獲取與更新是土地管理的基本工作，也是土地資源利用中進(jìn)行科學(xué)決策與規(guī)劃的依據(jù)[3-4]。傳統(tǒng)的土地監(jiān)測以人工調(diào)查和徒步丈量為主，雖然精度較高，但費(fèi)時費(fèi)力，而遙感技術(shù)在時效性、經(jīng)濟(jì)性、準(zhǔn)確性方面都具有明顯的優(yōu)勢，自20世紀(jì)70年代以來便被廣泛應(yīng)用于土地監(jiān)測[5]。

基于遙感技術(shù)的土地利用動態(tài)變化監(jiān)測是指對多時相遙感影像進(jìn)行分類，獲得研究區(qū)域一段時間內(nèi)土地利用變化的類型、數(shù)量、空間等信息[6]。利用長時間序列的衛(wèi)星影像，遙感技術(shù)在國內(nèi)外的土地監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，例如：劉一凡等[7-10]以Landsat影像為數(shù)據(jù)對焦作市、武夷山市、上海市和濟(jì)寧市的土地利用動態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測，白曉燕等[11-14]采用SPOT影像分析了東江流域、珠江口灣區(qū)、黃河三角洲和漢川市的土地利用演變進(jìn)程；Hegazy等[15-19]利用Landsat和SPOT數(shù)據(jù)對埃及達(dá)卡利亞省、盧旺達(dá)北部地區(qū)、伊朗納加代市、美國亞特蘭大都市區(qū)、越南順化市的土地利用變化進(jìn)行了研究。

舟山市成立于1987年，是中國第一個以群島建制的地級市，2011年成立“舟山群島新區(qū)”，也是中國首個以海洋經(jīng)濟(jì)為主題的國家戰(zhàn)略層面新區(qū)。舟山市屬于海島丘陵地貌，陸域面積狹小且分散，土地資源非常稀缺。新區(qū)成立后舟山經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,常住人口持續(xù)增加，導(dǎo)致土地資源供求矛盾日益突出，因此土地資源稀缺已成為制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[20]。然而，對舟山地區(qū)長時間序列的土地動態(tài)變化的研究相對匱乏。因此，本研究對1984—2016年間7期Landsat影像進(jìn)行監(jiān)督分類，并從數(shù)量、空間、轉(zhuǎn)移特點(diǎn)三方面分析舟山市32年間的土地利用時空格局，從而有助于了解舟山市的土地利用時空格局演變特點(diǎn)，對合理配置土地資源、提高利用效率、維護(hù)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 基于多時相遙感數(shù)據(jù)的土地利用分類與時空格局分析

圖1 土地利用分類與時空格局分析技術(shù)路線Fig.1 Technical flow chart of land use classification andspatial-temporal pattern analysis

如圖1所示，基于遙感數(shù)據(jù)的土地利用時空格局研究，主要包括圖像預(yù)處理、圖像分類、時空格局分析。首先，獲取覆蓋研究區(qū)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并對原始影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪等預(yù)處理；然后，根據(jù)需求確定土地利用類別，選擇訓(xùn)練樣本，執(zhí)行監(jiān)督分類，并對分類結(jié)果進(jìn)行精度評價；最后，綜合不同時期土地利用分類結(jié)果，從數(shù)量、空間、轉(zhuǎn)移特點(diǎn)三方面分析各類土地的時空格局。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)

圖2 研究區(qū)位置Fig.2 Location of research area

舟山群島位于東海之濱，西臨杭州灣、北接上海市(見圖2)，擁有豐富的海洋經(jīng)濟(jì)資源和良好的區(qū)位優(yōu)勢。舟山群島共有大小島嶼1 390個，陸域總面積1 440.12 km2。舟山島是舟山群島新區(qū)的第一大島，東西長44 km，南北寬18 km，面積為502.65 km2，是舟山市的行政和經(jīng)濟(jì)中心。本文研究區(qū)包括舟山島以及與舟山島鄰近的開發(fā)強(qiáng)度較高的長峙島、岙山島、小干島、魯家峙島、釣山島(里釣、中釣和外釣)。

2.2 數(shù)據(jù)

Landsat是美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)發(fā)射的陸地衛(wèi)星系列，從1972年以來已經(jīng)發(fā)射了8顆，具有時間序列長、應(yīng)用成熟的特點(diǎn)。根據(jù)目前數(shù)據(jù)源狀況和本文研究需求，選用了7幅云量小于5%、成像效果良好的Landsat衛(wèi)星圖像，時間間隔在5年左右，總時間跨度為32年，圖像空間分辨率均為30 m,具體信息見表1。

表1 Landsat衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)信息Table 1 Information of Landsat satellite image data

3 遙感影像分類

3.1 圖像預(yù)處理

圖3 預(yù)處理后影像(假彩色合成)Fig.3 Preprocessed image (false color synthesis)

圖像預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正和數(shù)據(jù)剪裁三部分。首先，利用定標(biāo)參數(shù)將數(shù)字量化值轉(zhuǎn)化為實(shí)際地物輻射亮度值。然后，使用FLAASH模型進(jìn)行大氣校正，消除由大氣吸收和散射引起的輻射誤差。最后，根據(jù)所需研究區(qū)對影像進(jìn)行裁剪，獲得舟山島、長峙島、岙山島、魯家峙島、小干島和釣山島的影像，剪裁后結(jié)果如圖3所示。由于研究區(qū)四周環(huán)海且存在擴(kuò)張現(xiàn)象，為了獲取研究區(qū)邊界變化情況，剪裁區(qū)域略大于實(shí)際邊界，包括邊界外部分海域，這在后期處理中剔除。

3.2 圖像分類

3.2.1 確定地物種類

在進(jìn)行圖像分類前需要先確定研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型。由于島嶼中心分布有大量丘陵，研究區(qū)內(nèi)的地物空間分布較為離散，受空間分辨率限制，將研究區(qū)內(nèi)土地利用類型整合成6類：建設(shè)用地、林地、水體、農(nóng)田/草地、裸土、灘涂。其中，建設(shè)用地包括城鄉(xiāng)居民用地、工業(yè)用地、交通水利用地，林地包括樹林、灌木、果園，水體包括湖泊、水庫、池塘、地表徑流，裸土包括裸地、裸露山體、建設(shè)中的土地，灘涂包括灘涂、鹽田、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地。

表2 分類精度列表Table 2 Classification accuracy list

3.2.2 監(jiān)督分類

采用監(jiān)督分類法對圖像進(jìn)行分類。首先，選取訓(xùn)練樣本，保證訓(xùn)練樣本可分離度在1.8以上。然后，選擇最大似然法執(zhí)行監(jiān)督分類。最后，對分類結(jié)果進(jìn)行后處理，結(jié)合手動修改，以改正明顯錯誤的分類。

3.2.3 精度評價

精度評價是檢驗(yàn)分類效果的重要手段。利用Google Earth歷史影像功能，通過對比同時期的影像選擇一組新的樣本用于精度評價。分類精度平均值為82.31%，Kappa系數(shù)均值為0.78，見表2。

4 時空格局演變分析

4.1 數(shù)量變化分析

不同時期各類型土地面積如表3和圖4所示。

表3 各土地利用類型面積Table 3 Area of each land use type km2

圖4 不同年份土地利用類別面積Fig.4 Area of each land use type in different years

研究期間，研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積持續(xù)增加，灘涂面積持續(xù)減少；農(nóng)田/草地及林地面積均有較大波動，前者總體呈減少趨勢，后者總體呈增加趨勢；水體面積在2011年之前變化較小，2011年后明顯增加；裸土面積以先增后減的趨勢波動。具體分析如下。

1)建設(shè)用地面積呈持續(xù)增長趨勢，按其增長速度可劃分為兩個階段：1984—2005年，建設(shè)用地以2.13 km2/年的速率增長，21年間面積增長幅度達(dá)228.22%；2005—2016年，以6.11 km2/年的速率增長，11年間增長幅度達(dá)104.70%。總體而言，建設(shè)用地面積增加111.86 km2,增長幅度為571.88%，年增長速率為3.50 km2，年變化率為17.87%。

2)林地面積有上下波動但總體呈增加趨勢，1984—2005年，林地面積處于波動上升階段，21年間增長39.59 km2,增長幅度為18.79%；2005—2011年面積明顯減少，減少23.48 km2,減少幅度為9.38%；2011—2016年無明顯變化。32年間林地面積增加16.07 km2，增長幅度為7.63%，年變化率為0.24%。

3)水體面積在2011年之前數(shù)量變化較小，2011年后明顯增加，2011—2016年增長5.15 km2,增長幅度為85.40%。32年間水體面積增加5.55 km2,增長幅度為98.58%，年變化率為3.08%。

4)農(nóng)田/草地面積有上下波動但總體呈減少趨勢，1984—1990年減少16.31 km2,減少幅度為7.39%；1990—1999年數(shù)量較為穩(wěn)定，增加2.92 km2,增長幅度為1.43%；1999—2005年明顯減少，減少59.41 km2,減少幅度為28.66%；2005—2011年增加30.21 km2,增長幅度為20.43%；2011—2016年減少19.07 km2,減少幅度為10.71%。32年間農(nóng)田/草地面積減少61.66 km2，減少幅度為27.94%，年變化率為-0.87%。

5)裸土面積變化波動較大，呈先增后減的波動趨勢，1984—1990年、1999—2005年、2011—2016年3個時期處于增長狀態(tài)，增長面積分別為22.62、27.34、4.37 km2，增長幅度分別為113.96%、332.20%、27.47%；1990—1999年、2005—2011年處于減少狀態(tài)，減少面積分別為34.24、19.66 km2，減少幅度為80.62%和55.27%。32年間裸土增加0.43 km2，增長幅度為2.17%，年變化率為0.07%。

6)灘涂面積不斷減少，32年間灘涂面積減少27.41 km2，減少幅度為93.39%，年變化率為-2.92%。

4.2 空間變化分析

4個時期地物空間分布如圖5所示，通過對比分析總結(jié)出研究區(qū)地物空間變化的主要特點(diǎn)如下。

圖5 土地利用分類結(jié)果Fig.5 Results of land use classification

1)建設(shè)用地沿岸擴(kuò)張，農(nóng)田/草地空間分布趨于離散。由1984年分類結(jié)果可知，舟山島南部沿岸平原有2個主要的建設(shè)用地中心點(diǎn)，北部丘陵間盆地有3個較小的中心點(diǎn)。在建設(shè)用地的擴(kuò)張過程中，首先，沿著舟山島南部兩個主要中心點(diǎn)之間的平原進(jìn)行擴(kuò)展，同時其余各個中心點(diǎn)也不斷擴(kuò)大。然后，逐漸擴(kuò)張至西南沿岸平原、東部岸線圍墾區(qū)及研究區(qū)南部諸島之上。最后，擴(kuò)張至北部沿岸平原及北部岸線圍墾區(qū)。與之相對應(yīng)的是沿岸平原連片分布的農(nóng)田/草地減少，其空間分布趨于離散。研究初期農(nóng)田/草地連片地分布于舟山島沿岸的平原和山間盆地，隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張，舟山島東部沿海平原農(nóng)田/草地迅速減少，從2016年分類結(jié)果可知，研究末期農(nóng)田/草地大多分布在舟山島的西北部及西南部沿海平原及丘陵之間的盆地，整體空間分布趨于離散。

2)林地空間變化小，裸土空間變化很大。林地是研究區(qū)內(nèi)面積占比最高(40%以上)的地物類型，廣泛地分布于各個島嶼的山地、丘陵之上，由于坡度較大，開發(fā)難度大、成本高，因此林地保護(hù)良好，空間分布變化較小。裸土往往作為土地功能轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)，因此空間分布變化很大。早期，裸土多位于丘陵之上及山間盆地；后期，隨著植樹造林及各類建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)，裸土主要分布于平原及沿海岸地區(qū)。

3)沿海岸地區(qū)，灘涂減少，水體增加。研究初期，舟山島的北部沿岸及研究區(qū)南部各個島嶼周圍都分布有大量灘涂，經(jīng)過32年的圍墾開發(fā)，灘涂面積銳減，現(xiàn)存的少量灘涂主要位于舟山島的西北部及小干島的西部。研究區(qū)內(nèi)水資源匱乏，地表徑流短促，水資源補(bǔ)給主要靠水庫儲存降水，水體大多為水庫水體。研究初期水體主要位于林地之間，部分平地水庫位于平原；2011年后圍海造田進(jìn)程加快，部分通過圍填海新增的土地轉(zhuǎn)化為水體，舟山島西北部及東北部沿岸地區(qū)水體明顯增多。

4.3 土地轉(zhuǎn)移分析

4.3.1 土地利用類型轉(zhuǎn)換面積分析

利用疊加分析，獲得1984—2016年研究區(qū)內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，見表4。矩陣中，“海水”表示研究區(qū)邊界外的海水，受潮汐影響，邊界提取時存在一定誤差，因而出現(xiàn)部分地物1984年在研究區(qū)內(nèi)，而2016年不在研究區(qū)內(nèi)。

表4 1984—2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land use transition matrix from 1984 to 2016 km2

注：矩陣中數(shù)字表示各個土地類型間相互轉(zhuǎn)化面積，行表示2016年時各土地類型的轉(zhuǎn)入構(gòu)成，列表示1984年各土地類型的轉(zhuǎn)出構(gòu)成。

由表4可知，研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地和水體面積明顯增加，農(nóng)田/草地和灘涂面積明顯減少，研究區(qū)內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)換主要特征是由農(nóng)田/草地和灘涂轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地，農(nóng)田/草地與林地間的相互轉(zhuǎn)換，以及通過圍填海將海水轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、裸土、水體，具體分析如下。

1)2016年建設(shè)用地中，45.97%來自農(nóng)田/草地，22.74%來自圍填海新增的土地，14.67%來自灘涂，這表明建設(shè)用地?cái)U(kuò)增主要手段是侵占農(nóng)田/草地和圍填海。

2)林地轉(zhuǎn)出18.49 km2，轉(zhuǎn)出類型主要是農(nóng)田/草地(72.36%)和建設(shè)用地(19.74%)。有34.56 km2的其他類型轉(zhuǎn)入為林地，來源絕大部分是農(nóng)田/草地(75.90%)和裸土(22.71%)。

3)2016年水體中，41.50%來自圍填海新增土地，14.94%來自農(nóng)田/草地，3.22%來自灘涂，可見，水體面積的增加方式主要是圍填海和開發(fā)農(nóng)田/草地。

4)農(nóng)田/草地轉(zhuǎn)出96.01 km2，主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地(62.93%)、林地(27.32%)和裸土(7.76%)，有34.35 km2其他類型轉(zhuǎn)入為農(nóng)田/草地，其中林地、裸土、灘涂、建設(shè)用地分別占38.95%、25.62%、15.4%、9.46%，還有9.17%來自圍墾新增土地。

5)灘涂轉(zhuǎn)出28.44 km2，主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地(67.79%)、農(nóng)田/草地(18.6%)和裸土(11.08%)。

4.3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)換空間分析

主要的土地利用類型轉(zhuǎn)換空間分布如圖6所示，由于島內(nèi)丘陵地區(qū)不易開發(fā)，研究區(qū)內(nèi)土地轉(zhuǎn)移大多位于各個島嶼沿海岸地區(qū)。農(nóng)田/草地轉(zhuǎn)建設(shè)用地主要發(fā)生在舟山島南、北部沿岸，中部平原，以及其余島嶼的沿海岸平原，其中舟山島南部岸線范圍最大，是這一轉(zhuǎn)移類型的主要分布區(qū)域。灘涂轉(zhuǎn)建設(shè)用地在各個島嶼沿海岸均有分布，大范圍的轉(zhuǎn)移主要位于舟山島北部、長峙島、小干島和岙山島。農(nóng)田/草地與林地之間的轉(zhuǎn)換在舟山島丘陵邊緣地區(qū)最為明顯，總體而言，林地轉(zhuǎn)農(nóng)田/草地主要位于舟山島南部，而農(nóng)田/草地轉(zhuǎn)林地主要位于舟山島西部。海水轉(zhuǎn)建設(shè)用地和裸土主要位于舟山島東部以及東北、西北部，海水轉(zhuǎn)水體主要位于舟山島的東北、西北部以及長峙島的東南部。

圖6 土地轉(zhuǎn)移空間分布示意Fig.6 Spatial distribution of land transfer

4.4 圍填海分析

圖7 1984—2016年圍填海擴(kuò)增區(qū)域位置示意Fig.7 Location of reclaimed land fromsea from 1984 to 2016

舟山市陸域總面積小，土地資源匱乏，圍填海是緩解土地供給壓力的重要手段。通過圍填海(包括灘涂圍墾及促淤后再圍墾)，研究區(qū)內(nèi)灘涂被轉(zhuǎn)移成以建設(shè)用地為主的其他土地利用類型，各個島嶼沿海岸存在不同程度的向海擴(kuò)張。32年間，研究區(qū)內(nèi)灘涂面積減少27.41 km2，減少幅度為93.39%，同時，新增土地面積45.28 km2,研究區(qū)總面積增加，增長幅度為8.87%。圍填海新增土地的空間位置如圖7所示，舟山島的西北部、北部、東部以及研究區(qū)南部各個島嶼沿海岸有明顯的擴(kuò)張。新增土地中，65.99%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，14.44%轉(zhuǎn)化為裸土，10.25%轉(zhuǎn)化為水體，6.96%轉(zhuǎn)化為農(nóng)田/草地，灘涂和林地的比例分別為1.88%和0.49%。圍填海為舟山市建設(shè)發(fā)展提供了寶貴的土地資源，但對海洋生態(tài)環(huán)境及近岸水動力環(huán)境具有明顯影響。灘涂是多種生物的棲息地，大規(guī)模圍墾使得濱海濕地減少，生物多樣性遭到破壞[21]。圍墾區(qū)沿海岸新增大量臨港工業(yè)，其生產(chǎn)過程均會不同程度地對近岸海水產(chǎn)生污染[22]。此外，圍墾工程會改變附近區(qū)域的潮汐、波浪等水動力條件，進(jìn)而影響泥沙輸運(yùn)格局、改變沿岸沖淤趨勢，不合理的圍墾工程影響灘涂資源的可持續(xù)開發(fā)，并給周圍港口水道的航運(yùn)功能帶來負(fù)面影響[23]。

5 結(jié) 論

以遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用監(jiān)督分類的方法獲得舟山市土地利用信息，通過7個時期分類結(jié)果對比分析了舟山市近32年來土地利用時空格局演變特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：1)研究區(qū)內(nèi)林地?cái)?shù)量眾多，舟山市發(fā)展過程中林地保護(hù)良好，總體而言，面積略有增加，空間分布變化很??；2)研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積持續(xù)增加，32年間增幅達(dá)到571.88%，建設(shè)用地由舟山島南部平原2個主要中心點(diǎn)，以“先南、后東、再北”的趨勢逐步擴(kuò)展至舟山島沿海岸的各個平原及研究區(qū)南部島嶼之上，侵占農(nóng)田/草地和圍海造地是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要途徑；3)隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張，分布于舟山島沿海岸平原及山間盆地的連片農(nóng)田/草地逐步被侵占，總面積減少27.94%，現(xiàn)存的農(nóng)田/草地主要位于舟山島西半部沿海岸平原及中心區(qū)域的山間盆地，空間分布趨于離散，農(nóng)田/草地的數(shù)量及空間分布合理性均有下降；4)通過圍填海，研究區(qū)內(nèi)灘涂面積減少93.35%，主要轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地，同時，新增土地45.28 km2，研究區(qū)總面積增長8.87%，圍填海是舟山市擴(kuò)展發(fā)展空間的重要方式，但對沿海岸生態(tài)及環(huán)境產(chǎn)生了較大負(fù)面影響。

需說明的是，本研究受圖像分辨率及研究區(qū)地物分布特點(diǎn)的限制，草地與農(nóng)田無法分離，海陸邊界處分類精度較低；同時未深入探討土地利用變化對區(qū)域環(huán)境及社會生產(chǎn)活動產(chǎn)生的影響，因此，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。