基于遙感數(shù)據的雄安新區(qū)土地利用變化

賀承偉，國巧真，付 盈，桑 瀟，謝童謠

（天津城建大學 地質與測繪學院，天津 300384）

土地作為一種具有多種功能的有限資源，在人類長時間改造利用的過程中，其利用方式和類型發(fā)生了劇烈變化，形成了復雜的人地系統(tǒng)[1-2].土地利用/土地覆被變化作為人類活動與自然環(huán)境之間最直接的表現(xiàn)形式，對其進行研究有助于促進資源管理，使土地利用類型空間配置變得合理，以達到有限的土地資源可持續(xù)利用的目的[3-5].過去幾十年來，遙感技術迅速發(fā)展，由于空間覆蓋面積大、時間快、周期短，以遙感影像為數(shù)據源，獲取土地利用信息在土地利用/土地覆被變化的研究中變得越來越重要[6-7].國內外學者利用監(jiān)督分類的方法對遙感影像進行處理來獲取土地利用信息，取得了較好的效果[8-12].由于雄安新區(qū)設立時間短，對其進行的研究相對薄弱，其地理位置的重要性，又決定需要迫切地對其土地利用/土地覆被變化進行研究分析.因此，本文以雄安新區(qū)為研究對象，分別從土地利用的類型、土地利用變化空間形式、土地利用程度、土地利用變化方向4個方面，對雄安新區(qū)土地利用/土地覆被變化進行研究，并探討驅動力因素，以期為其建設、開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護等提供參考.

1 研究區(qū)與數(shù)據源

1.1 研究區(qū)概況

雄安新區(qū)于2017年4月1日設立，介于北緯38.92°～39.06°，東經 115.86°～116.10°，區(qū)域面積為 1 576.6 km2.地處保定市的雄縣、容城、安新三縣所在地，是北京、天津、保定三市腹地，地理位置優(yōu)越，有較好的交通系統(tǒng)網.研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季氣候差異明顯.白洋淀作為河北省面積最大的淡水湖泊，其主體位于雄安新區(qū)，面積為366 km2，平均年份蓄水量為13.2億m3.圖1為研究區(qū)2016年5月OLI影像.

圖1 研究區(qū)OLI影像

1.2 數(shù)據來源及其預處理

研究區(qū)邊界來源于全國縣界矢量數(shù)據，利用ArcGIS轉換投影到WGS-84，提取出雄安新區(qū)的縣界矢量圖.采用3期衛(wèi)星影像數(shù)據，分別是1996年和2006年的Landsat TM影像，分辨率為30 m；2016年的Landsat OLI影像，分辨率為15 m，利用ERDAS軟件對影像進行預處理，經過幾何校正、研究區(qū)裁剪，利用最大似然法進行分類，最后進行分類后處理.經過精度評定，1996年、2006年和2016年3期分類結果總體精度分別達到88.28%，90.63%和94.53%，Kappa系數(shù)分別為0.768 0，0.822 9和0.902 7.土地利用分類參照國際IGBP的LUCC分類系統(tǒng)并結合雄安新區(qū)的實際情況，最終將土地利用類型劃分為6類：水域、林地、居民地、耕地、未利用地和葦田.雄安新區(qū)1996—2016年土地利用類型空間分布如圖2所示.

圖2 雄安新區(qū)1996—2016年土地利用類型空間分布

2 研究方法

為了充分探究研究區(qū)土地利用變化的空間形式和土地利用資源的變化情況，揭示土地利用變化的方向，本研究選取土地利用動態(tài)度、土地利用程度時空演變模型和土地利用轉移矩陣3種方法對研究區(qū)進行深入研究.

2.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度能反映出土地利用變化的劇烈程度，揭示不同土地利用類型變化速度的差異，利于分析土地利用動態(tài)變化.考慮到之前的動態(tài)度模型對時間變量的處理過于簡單[13]以及本文對時間尺度的劃分是均勻的，現(xiàn)將3種模型表示如下

式（1）-（3）中：ΔUin和ΔUout分別是該時段內該類型土地轉入面積和轉出面積；Ua是該類型土地在研究起始時期的面積；Rst，Rsst，Pst分別是該土地利用類型的時段變化速率、空間變化度、變化趨勢指數(shù).

2.2 土地利用程度時空演變模型

土地利用程度時空演變模型，能夠定量地描述研究區(qū)土地利用的綜合水平和變化趨勢，包括土地利用程度指數(shù)和時空演變指數(shù).土地利用程度指數(shù)的計算需要將土地利用類型按照其在人類因素影響下的自然平衡狀態(tài)分級，參考劉紀遠[14]提出的土地利用程度分級方法并結合研究區(qū)土地利用特點，分級如下：未利用地為1級，水域和林地為2級，耕地和葦田為3級，居民地為4級.土地利用程度指數(shù)和時空演變指數(shù)表達式如下

式（4）-（5）中：L 是土地利用程度指數(shù)；Ai是第 i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci是第i級土地利用面積占總面積的百分比；Q是時空演變指數(shù)，Q值大于1，說明研究區(qū)土地利用處于發(fā)展期，反之處于衰退期；Lb是較晚時間的土地利用程度指數(shù)；La是較早時間的土地利用程度指數(shù).

2.3 土地利用轉移矩陣

為了描述不同土地利用類型之間相互的轉變，采用能夠系統(tǒng)顯示研究區(qū)各種土地類型變化的細節(jié)特征和轉化方向的土地利用轉移矩陣方法[15-16].研究中采用土地利用面積作為土地利用狀態(tài)轉移矩陣中的向量，制作1996—2006年，2006—2016年兩個時期的土地利用轉移矩陣.

3 結果與分析

3.1 土地利用時空變化

1996—2016年雄安新區(qū)的土地利用變化見表1.

表1 1996—2016年雄安新區(qū)土地利用變化

由表1可知，近20 a間，雄安新區(qū)的居民地面積急劇增加：1996年，居民地面積為13 083.35 km2，占總面積的8.37%；2006年，增加到 19 604.09 km2，占總面積的12.53%；2016年，增加到27 049.34 km2，占總面積的17.30%，每十年增長在4%以上.耕地面積平穩(wěn)減少，1996年耕地面積為112 509.05 km2，占總面積的71.93%；2006年，減少到 111 591.27 km2，占總面積的71.35%；2016年減少到103 168.73 km2，占總面積的65.97%，2006—2016年減少明顯，減少比例達到5.38%，但耕地仍是研究區(qū)最主要的土地利用方式.林地面積在1996—2006年期間，從351.18 km2增加到3 827.39 km2，變化明顯.

以3期土地利用分類數(shù)據為基礎，采用空間疊加分析的方法，生成土地利用變化軌跡圖，如圖3所示.

圖3 1996—2016年土地利用變化軌跡圖

研究區(qū)在1996—2006年間，變化區(qū)域面積為338.67 km2，占總面積的 21.48%；2006—2016 年間，變化區(qū)域面積為310.58 km2，占總面積的19.70%，相較于1996—2006年，2006—2016年研究區(qū)變化面積有所減少.從圖3可以看出，1996—2006年間，研究區(qū)變化劇烈的部分主要是白洋淀的水域轉化為葦田，以及中部和南部水域轉化為耕地.整體來看，整個研究區(qū)存在明顯的耕地向居民地轉化的現(xiàn)象，且居民地呈環(huán)狀擴張，少量的未利用地在此期間轉化為耕地.2006—2016年間，中部的耕地轉化為水域和葦田，白洋淀區(qū)域大量葦田轉化成水域，葦田與水域的分布趨于合理，居民地的環(huán)狀擴張仍然很明顯，耕地面積持續(xù)減少.

3.2 土地利用動態(tài)度

1996—2016年期間各種土地利用類型3種單一變化指數(shù)如表2所示.

表2 1996—2016年各土地利用類型單一變化指數(shù)%

從表2可以看出，1996—2006年間，林地的3種單一變化指數(shù)均高于其他土地利用類型，這與2002年國家實行的退耕還林政策有很大關系，退耕還林政策的開展使得研究區(qū)林地面積大量增加；未利用地的空間變化度僅小于林地，且時段變化速率為負數(shù)，說明未利用地在此時段變化劇烈，且面積減少.居民地在兩個時段的時段變化速率和變化趨勢指數(shù)均是正值，說明居民地面積持續(xù)增加，且未來還有增加趨勢，兩個時間段空間變化度為73.18%和64.69%，表明居民地的變化較劇烈；耕地的時段變化速率為負數(shù)，說明耕地面積在持續(xù)減少，其空間變化度較小，說明耕地的變化不劇烈，但考慮到耕地面積總量大，因此減少的面積數(shù)值較大；水域和葦田在兩個階段的時段變化速率和變化趨勢指數(shù)相反，二者之間發(fā)生了較為明顯的轉變，但兩種土地利用類型的空間變化度在2006—2016年均有減小，說明二者之間的轉化漸趨平穩(wěn).

3.3 土地利用程度變化分析

根據將未利用地分為1級，水域和林地分為2級，耕地和葦田分為3級，居民地分為4級的分級方法以及土地利用程度時空演變模型計算方法進行分級并計算，得到表3.

表3 土地利用程度指數(shù)

由表3可知，研究區(qū)1996年、2006年和2016年土地利用程度指數(shù)分別為291.26，302.05和304.33.20 a間，由于未利用地面積持續(xù)減少，所以1級地類持續(xù)減少，由1996年的1.36%減少到了2016年的0.85%；雖然林地面積持續(xù)增加但受水域面積先減少后增多的影響較大，所以2級地類先減少后增多；3級地類先增多后減少是因為葦田面積在1996—2006年有較多的增加而耕地面積減少不多，且在2006—2016年葦田和耕地面積都有所減少；4級地類持續(xù)增加，由1996年的8.37%增加到2016年的17.30%，這是由居民地面積持續(xù)增加導致的，由于研究區(qū)內土地資源受人類影響越來越嚴重，耕地面積在研究區(qū)占了很大比例，所以土地利用程度指數(shù)呈遞增趨勢，且以3級地類為主，研究區(qū)土地利用程度逐漸變高.1996—2006年和2006—2016年兩個階段的土地利用時空演變指數(shù)分別為1.037和1.006，說明兩個階段研究區(qū)土地利用均處于發(fā)展期.

3.4 土地利用轉換

利用ArcGIS軟件對3期影像的解譯結果進行疊加分析，獲得了1996—2006年和2006—2016年各種土地利用類型的轉移矩陣，如表4和表5所示.

表4 1996—2006雄安新區(qū)土地利用轉移矩陣km2

表5 2006—2016雄安新區(qū)土地利用轉移矩陣km2

從表4和表5的數(shù)據可以看出，1996—2006年，水域面積減少較多，主要轉化為耕地和葦田，分別為7 148.97 km2和6 396.84 km2，兩項相加占水域減少面積的92.99%.林地面積的增多主要是由耕地轉化來的，為3 435.39 km2，占轉化至林地變化總面積的90.27%.居民地面積的增多主要是由耕地轉化來的，為6 799.95 km2，占轉化至居民地總面積的84.46%.2006—2016年，水域面積有明顯增加，主要是由耕地和葦田轉化而來的，其中由耕地轉化來的面積為3 005.64 km2，由葦田轉化而來的面積為3 998.07 km2，分別占轉換至水域總面積的41.48%和55.18%.居民地面積的增多主要由耕地轉化而來的，為8 048.16 km2，占轉化至居民地總面積的79.95%.葦田面積的減少主要轉化為了水域，為3 998.07 km2，占葦田減少總面積的78.96%.

3.5 土地利用變化驅動力分析

為了探究影響研究區(qū)土地利用變化的因素，利用主成分分析法對研究區(qū)各種影響因素間的相互關系進行研究.共選取15個變量，其中X1表示總人口（人），X2表示農業(yè)人口（人），X3表示國民生產總值（萬元），X4表示第一產業(yè)生產總值（萬元），X5表示第二產業(yè)生產總值（萬元），X6表示第三產業(yè)生產總值（萬元），X7表示地方財政收入（萬元），X8表示農民人均收入（元），X9表示社會消費品零售總額（萬元），X10表示人均GDP（元），X11表示人均糧食產量（kg），X12表示農用機械總動力（kW），X13表示年末耕地總資源（hm2），X14表示農業(yè)產值（萬元），X15表示畜禽存欄量（千只）.運用SPSS22.0軟件計算得出旋轉載荷矩陣如表6所示.

表6 旋轉載荷矩陣

由表6 可以看出，第一主成分與 X5，X7，X8，X12，X13有較大的正相關，這5個變量與經濟發(fā)展水平有很大關系；第二主成分與 X2，X4，X14，X15有較大正相關，這 4個變量與研究區(qū)農業(yè)人口有很大關系.因此，研究區(qū)土地利用變化主要的影響因子可以概括為經濟因素和人口因素.

1996—2015年，雄安新區(qū)經濟快速增長，1996年GDP為482 362萬元，2006年GDP為961 603萬元，2015年GDP為 2 121 906萬元，近 20 a間 GDP增長了1 639 544萬元，增幅達到3.4倍.人均GDP也在不斷提高，1996年人均GDP為4 743元，2006年為9 853元，2015年達到20 291元.雄安新區(qū)人口保持穩(wěn)定的增長趨勢，從1996年的98.598 4萬人增長到2015年的113.035 2萬人，凈增14.436 8萬人，增幅為14.64%.在總人口持續(xù)增長的同時，農業(yè)人口也在增長，但農業(yè)人口占總人口的比例在不斷下降，由1996年的93.42%下降到2015年的88.13%，下降了5.29%（見表7）.經濟的發(fā)展和人口增長使得居民地面積不斷擴大并占據耕地，改變了研究區(qū)的土地利用結構.

表7 農業(yè)人口變化

4 結論

（1）利用最大似然法，從1996年、2006年TM影像和2016年OLI影像中提取出了3年的土地利用信息，并通過疊加分析的方法，獲得20 a間的土地利用變化信息.20 a間，雄安新區(qū)最主要的土地利用類型是耕地，其所占比例一直在65%以上.林地面積在1996—2006年間劇烈增長，這與國家的退耕還林政策有很大關系.研究區(qū)土地利用的總體特征表現(xiàn)為耕地面積持續(xù)減少，居民地面積持續(xù)增多，水域面積先減少后增多，葦田面積先增多后減少，未利用地面積持續(xù)減少.

（2）雄安新區(qū)土地利用程度越來越高，區(qū)域內的土地資源受人類活動的影響越來越大，兩個階段土地利用時空演變指數(shù)均大于1，說明雄安新區(qū)土地利用處于發(fā)展階段.1996—2006年，林地是變化最為劇烈的土地利用類型，其增加的面積主要由耕地轉化而來，居民地面積的持續(xù)增加主要來源于耕地面積的持續(xù)減少，且居民地呈現(xiàn)明顯的向四周環(huán)狀擴散，水域和葦田之間的相互轉化主要表現(xiàn)為1996—2006年水域轉化為葦田，2006—2016年葦田轉化為水域.

（3）人口快速增長、經濟飛速發(fā)展是雄安新區(qū)的土地利用/土地覆被變化的主要驅動力因素，政策因素對研究區(qū)的土地利用也產生了一定的影響.