基于模型組的黃河三角洲核心區(qū)土地利用變化特征與趨勢預測

王文倩　高明秀　朗坤

摘要：黃河三角洲作為世界上陸地資源增長最快的地區(qū)之一，一直以來都是土地利用/覆被變化研究的熱點區(qū)域。本研究以東營市墾利區(qū)為例，在解譯和分析研究區(qū)2005、2009和2015年3期遙感影像的基礎上，通過構建土地利用動態(tài)分析模型組，分析研究區(qū)土地利用動態(tài)變化特征，并預測未來的土地利用狀況。結果表明：2005-2015年間墾利區(qū)各地類均處于變動之中，2005-2009年間研究區(qū)鹽荒地所占面積比例最大，2009-2015年間耕地面積超過鹽荒地成為墾利區(qū)面積最大的地類;在空間變化劇烈程度方面，2005-2009年土地利用變化的劇烈程度稍大于后一期。耕地、水域、城鄉(xiāng)建設用地迅速增加的面積，主要由鹽荒地轉變而來。預測到2025年，建設用地進一步擴張，林地和草地進一步減少，草地將成為面積最小的地類，而耕地成為面積最大的地類。本研究為預測墾利區(qū)土地利用的發(fā)展趨勢及實現(xiàn)區(qū)域土地的可持續(xù)利用提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：黃河三角洲;土地利用/覆被變化;模型組;動態(tài)變化特征;趨勢預測

Change Characteristics and Trend Prediction ofLand Use in the Yellow River Delta Based on Model GroupWang Wengqian， Gao Mingxiu， Lang Kun

Abstract

The Yellow River Delta is one of the fastest growing areas of land resources in the world. Andit is the focus area of researches on land use and cover changes. In this article， taking Kenli district of Dongy-ing City as the research area， we analyzed the dynamic change characteristics and predicted the land use statusin the future by constructing the dynamic analysis model group of land use based on the interpretation of remotesensing images of 2005， 2009 and 2015. The results showed that all the land use types in Kenli Districtchanged in 2005 - 2015. The salt wasteland occupied the largest area during 2005 - 2009， and the cultivatedland area was the largest during 2009 - 2015. During the research period， the spatial dynamic change ampli-tude during 2005 -2009 was greater than that during 2009 - 2015. There was rapid growth in the area of con-struction land， cultivated land and water area， which were mainly transformed from salt wasteland. It was pre-dicted that in 2025 ， the construction land would expand further， while the woodland and grassland would de-crease further; the cultivated land would be the type with the largest area， and the grassland would be onewith the least area. These results would provide scientific bases for predicting the developing trend of land useand achieving the sustainable use of land in Kenli District.

Keywords

The Yellow River Delta; Land use and cover change ; Model group; Dynamic chnange char-acteristics ; Trend prediction

20世紀90年代，在“國際地圖與生物圈計劃（IGBP）”與“全球環(huán)境變化人文計劃（IHDP）”兩大國際組織的推動下，土地利用/土地覆被變化（ LUCC）研究成為全球環(huán)境變化研究領域的熱點[1]。利用RS技術提取土地利用動態(tài)變化的數(shù)據(jù)，揭示其時空變化的趨勢、驅動機制及演變特征，是該領域今后研究中的重點方向，國內(nèi)外學者已開展大量研究并取得一系列的成果[2]。1995年“土地利用/覆被變化科學計劃（LUCC）”提出土地利用/覆被變化的3個研究重點，即土地利用變化機制的案例研究、土地覆被變化機制的直接觀測和診斷模型研究以及區(qū)域和全球模型研究，旨在加深對地區(qū)土地利用動態(tài)變化的理解，分析驅動因子，通過改進現(xiàn)有模型和建立新模型來預測土地利用的變化[3]。2005年全球土地計劃（Global Land Project，GLP）啟動以后，以人類一環(huán)境耦合系統(tǒng)為核心的土地利用/覆被動態(tài)的監(jiān)測與模擬逐漸成為研究關注的焦點[4]。日本等國的科研部門和學者也開展了土地利用的驅動因子、空間特征及對策等研究[5，6]。

黃河三角洲作為中國最年輕的土地，是世界上造陸速度最快的河口三角洲之一，其地域遼闊，自然資源十分豐富，因此它的開發(fā)和利用備受矚目。東營市墾利區(qū)是黃河三角洲的核心區(qū)域，其土地利用類型的演化過程對黃河三角洲而言既有典型的代表性又有其獨有的特殊性和復雜性，已有不少學者對黃河三角洲的土地利用/覆被變化特征進行研究[7-9]。在此背景下，及時、準確地掌握這一地區(qū)的土地利用信息，摸清土地利用動態(tài)變化的特征和規(guī)律，對于采取措施合理配置和優(yōu)化利用區(qū)域土地和各種資源、推進科學發(fā)展意義重大[10]。

本研究以墾利區(qū)作為研究區(qū)，基于RS技術獲取和處理數(shù)據(jù)，將傳統(tǒng)數(shù)量分析模型、綜合動態(tài)分析模型與空間動態(tài)分析模型相結合，構建能夠表達土地利用系統(tǒng)復雜微觀格局的動態(tài)分析模型組，全面、深入地分析區(qū)域土地利用的時空特征，并預測土地利用的發(fā)展趨勢，為區(qū)域土地的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

墾利區(qū)是山東省東營市的轄區(qū)，位于山東省域的北部、黃河下游的人?？谔?，地處勝利油田腹地。地理坐標37024'～ 38010'N、118 015～llg。19'E。區(qū)域地形呈西南一東北走向，南北縱距55.5 km，東西橫距96.2km。該區(qū)處于暖溫帶季風性氣候區(qū)，雖瀕臨渤海，但受大陸性季風影響大，四季分明，冬季干冷，夏季濕熱，降水主要集中在夏季，春秋干旱比較嚴重[2]。地下水的礦化程度比較高，埋藏淺，極易隨毛管上升引起表層土壤的鹽漬化[11.12]，形成了以鹽化潮土為主的土壤，各地類插花分布。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取研究區(qū)2005年5月24日、2009年5月19日的Landsat 4-5的TM影像和2015年5月4日的Landsat 8的OLI影像以及墾利區(qū)行政區(qū)劃矢量圖作為基礎數(shù)據(jù)源（表1），三期遙感圖像時間間隔約為5年，成像時間均處于5月，云量均低于0.6%，圖像清晰，影像波段所含信息豐富?；诟鞑ǘ螖?shù)據(jù)進行統(tǒng)計特征分析、主成分分析和相關性分析[9]，最佳波段選擇波段5、波段4、波段3。

參考土地利用現(xiàn)狀分類標準（GB/T 21010-2007）和全國遙感監(jiān)測土地利用/覆被分類體系，結合研究區(qū)土地利用的實際情況，將墾利區(qū)的土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)建設用地、水域、灘涂和鹽荒地七種類型。其中，灘涂即沿海灘涂，鹽荒地則為除灘涂外其他用地里的鹽堿地，包括未經(jīng)開發(fā)的鹽堿荒地及雖經(jīng)開發(fā)整理后又撂荒或退化的耕地、草地等。

1.3 研究方法

傳統(tǒng)的單一數(shù)量模型雖然計算方便，但忽視了土地利用的空間區(qū)位性和獨特性[13]，沒有考慮土地利用過程中的空間變化和相關屬性。為了能夠更全面地分析墾利區(qū)土地利用變化現(xiàn)狀，預測將來的土地利用變化情況，本研究參考多個空間分析模型，應用傳統(tǒng)土地利用變化幅度模型、空間動態(tài)模型和轉移矩陣模型[7]構建成一個鏈狀模型組（表2），用以分析土地利用變化的特征。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對遙感圖像首先進行幾何精校正[14，15]，然后利用基于面向對象的支持向量機方法[16]并結合目視解譯，提取土地利用及其覆被信息特征，經(jīng)分類處理后作出精度評價。經(jīng)計算，本研究所選墾利區(qū)三幀遙感影像均符合總體精度達到80%以上的要求，其土地利用/覆被結果如圖1所示。

2 結果與分析

2.1 墾利區(qū)土地利用結構變化

利用ENVI軟件，基于3期遙感圖像統(tǒng)計墾利區(qū)的土地利用類型，并分別計算10年間各土地利用類型面積的變化幅度，結果見表3。

2005-2015年間，墾利區(qū)的主要土地利用類型所占比重都發(fā)生了不同程度的變化，耕地、水域、城鄉(xiāng)建設用地增加，而鹽荒地、草地、灘涂、林地面積縮小。未利用地（灘涂、鹽荒地）是墾利區(qū)面積最大的土地類型，各期的面積分別占全區(qū)總面積的52.20%、46.57%和44.63%。鹽荒地是時段內(nèi)減少幅度最大的土地類型，由2005年的68 789.72 h㎡縮減至2015年的53194.05 h㎡，總體降幅達到6.69%;灘涂也相應減少了2065. 86h㎡，總體降幅為0.88%。耕地是僅次于未利用地的主要用地類型，占全區(qū)總面積的比例由2005年的18.73%增長至2015年的23.17%，總體增幅4.44%.2009-2015年間耕地的增幅相對于2005-2009年間更為突出，是變化幅度第二的土地利用類型。水域是增加幅度僅次于耕地的土地利用類型，共增長了3.51%。表明，近幾年墾利區(qū)十分重視鹽荒地的改造和耕地保護，加大了對鹽荒地、灘涂等多種難利用地的開墾，為墾利區(qū)的發(fā)展提供了豐富的后備土地資源，但其難利用性也是限制墾利區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。

2.2 墾利區(qū)土地利用空間變化

傳統(tǒng)的土地利用變化分析模型（變化幅度模型）僅限于對土地利用面積進行單純的數(shù)量分析，動態(tài)度模型只考慮土地變化的某一方面，無法測算土地利用變化的綜合活躍度?？臻g分析模型是由劉盛和等[13]提出的一種基于轉移矩陣的測算模型，是在土地動態(tài)度模型的基礎上進行修正，加入了對土地新增部分的測算。

利用ENVI軟件，從3期土地利用現(xiàn)狀圖中提取出轉移矩陣，基于模型2計算2005-2015年間各種土地利用類型的動態(tài)變化情況，如表4所示：

（1）草地是10年間總變化速率排名第一的土地利用類型，但因其初期基數(shù)小，總體變化面積并不是最高的。其轉出速率較高，明顯高于其他土地利用類型，但轉入速率較低，僅1.34%，屬于高速衰減型。

（2） 2005-2015年間鹽荒地轉移速度較快，轉出面積及其所占比例最大，且轉出速率遠大于轉入速率，也屬于高速衰減型，表明鹽荒地是其他用地類型的主要新增來源;但由于其初期總體基數(shù)較大，總體的變化速率較低。林地、灘涂的變化趨勢同鹽荒地一致，也是轉出部分大于轉入部分，均屬于衰減型，但轉出面積占轉移總面積的比例均不足10%。

（3）城鄉(xiāng)建設用地、耕地、水域三種用地類型新增部分均遠遠大于轉出部分，且轉出速率遠小于新增速率，均屬于高速擴展型。耕地是新增面積及其占比最高的土地利用類型，其新增面積是轉出面積的3倍以上，是研究區(qū)其他用地轉出的主要接收者;水域作為新增面積排名第二的土地利用類型，其新增面積是同期轉出面積的6. 25倍，新增速率也遠大于轉出速率;城鄉(xiāng)建設用地的新增面積占區(qū)域新增總面積的12.24%，遠遠大于同期的轉出面積，轉入速率是其轉出速率的34.58倍。

墾利區(qū)2005-2015年土地利用變化的空間分析模型測算結果如表5所示，可以看出，在2005-2009年間，墾利區(qū)土地利用變動的劇烈程度由大到小依次為水域>鹽荒地>林地>草地>城鄉(xiāng)建設用地>耕地>灘涂;而在2009-2015年，變化劇烈程度的排序略有不同，依次為草地>林地>鹽荒地>耕地>城鄉(xiāng)建設用地>水域>灘涂。

兩階段中，林地和草地的空間動態(tài)度不降反升，尤其是草地，由前一期的5.39%增長至7.65%;其余類型用地的空間動態(tài)度則均降低，表明這些土地利用類型在2005 -2009年階段的利用變化更為強烈，其中最明顯的是水域，由6.58%降至1.79%，反映出水域經(jīng)過2005-2009年間的劇烈變動后，在2009-2015年間逐漸趨于穩(wěn)定。此外，鹽荒地的動態(tài)度也由6.10%降至4.22%，其開發(fā)利用的困難性是造成其動態(tài)度降低的主要原因。

2.3 墾利區(qū)土地利用流轉分析

為了更清楚地了解各類土地利用類型之間的流轉關系，本研究引入了轉移矩陣模型[17]，轉移矩陣能夠清晰地反映出某種土地利用類型的增加來源和消失去向，可為土地規(guī)劃和決策提供數(shù)據(jù)來源和依據(jù)。

由表6可見，研究區(qū)城鄉(xiāng)建設用地面積的增加主要來源于鹽荒地，2005-2015年間城鄉(xiāng)建設用地的轉入面積為4606.97h㎡，其中由鹽荒地轉入的面積為3 088.45h㎡，占總體的67.04%;其次來源于耕地，占總體的25.98%。耕地面積增加的主要來源同樣為鹽荒地，10年間由鹽荒地轉入的面積達9450.63 h㎡，占總體的68.02%，另有少量水域（內(nèi)陸?zhàn)B殖用地）、少數(shù)農(nóng)村居民點、部分自然生長的林草地被開墾為耕地;在轉出方面.耕地主要與城鄉(xiāng)建設用地、鹽荒地之間存在流轉關系，城市發(fā)展占用耕地，不當?shù)耐恋乩梅绞狡茐母貙е峦恋赝嘶?。水域（水體及水利設施用地）面積的增加主要來自鹽荒地和沿海灘涂，10年間由這兩種地類轉入的面積占總體的84.35%，還有少部分耕地、林草地被開發(fā)用于內(nèi)陸?zhàn)B殖業(yè)。鹽荒地作為轉移面積最大的用地類型，主要轉移至耕地、水域、城鄉(xiāng)建設用地，占轉移總體的92.33%，還有少部分被整理為林地和草地;在轉入方面，草地、林地、耕地與鹽荒地的流轉比較密切，可見，鹽荒地的整改在近些年初見成效，但難度增加，同期的土地退化現(xiàn)象同樣嚴重。

2.4 未來10年墾利區(qū)的土地利用趨勢預測

土地利用轉移矩陣除了能夠分析土地利用類型的空間變化和流轉情況，還能夠根據(jù)矩陣算出它的轉移概率矩陣，進而預測今后土地利用可能的變化結果。利用軟件導出2005-2015年墾利區(qū)的土地利用轉移矩陣（表6），并通過模型4計算出10年間土地利用的轉移概率矩陣，據(jù)此來推測2015-2025年墾利區(qū)的土地利用狀況。由表7可見，2015-2025階段，墾利區(qū)的城鄉(xiāng)建設用地進一步擴展，由2015年的6.68%上漲至2025年的8.40%，增加了4013.03h㎡;耕地擴張速度明顯減慢，2015 -2025年的增加量比2005-2015年少3889. 26h㎡，但耕地將成為墾利區(qū)所占比例最大的土地利用類型，占比達25.94%;林地和草地進一步減少，到2025年，草地僅占2.64%，林地占4.33%，成為墾利區(qū)面積最少的兩種土地利用類型;鹽荒地進一步減少，占比由2015年的22.82%下降到2025年的17.86%，表明未來鹽荒地的開發(fā)利用前景仍十分廣闊。上述結果僅僅是以2005-2015年間的情況為基準推測出來的，而新時期政策、科學技術等的變化都會引起未來土地利用類型改變，因此本研究結果僅作為對未來用地規(guī)劃的參考使用。

3 結論

本研究利用2005、2009、2015年三期遙感影像，通過簡單的變化幅度模型及復雜的空間分析和轉移矩陣模型，分別從時間和空間的角度上分析了黃河三角洲核心地墾利區(qū)近10年間土地利用/覆被的變化特征，主要結論如下：

（1）相較于傳統(tǒng)的單一模型，基于模型組對黃河三角洲墾利區(qū)的分析能更加詳細地反映當?shù)氐耐恋乩每臻g變化特征及變化趨勢，可以有效兼顧土地利用的空間區(qū)位性和獨特性，并能直觀反映土地利用過程中的空間變化和相關屬性。

（2）該地區(qū)在2005-2009年間以鹽荒地為主要用地類型，且很大一部分鹽荒地被開墾整理成耕地，還有部分被開發(fā)為建設用地，到2015年，耕地超越鹽荒地成為最主要的用地類型，說明鹽荒地得到了有效地開發(fā)與治理。目前該區(qū)仍有大面積的鹽荒地未得到有效利用，同時又有大量土地鹽荒化，說明墾利區(qū)土地荒蕪與鹽堿化問題仍十分嚴峻，但也反映了該區(qū)土地利用的較大潛力。

（3）墾利區(qū)城鄉(xiāng)建設用地一直表現(xiàn)為高速擴張的態(tài)勢，土地利用空間動態(tài)度一直處于較高位置，體現(xiàn)了研究區(qū)快速城鎮(zhèn)化的趨勢。城市擴張對土地的需求及粗放式的土地管理是目前保護耕地所要面臨的首要問題。

本研究為及時掌握黃河三角洲地區(qū)土地利用情況及地類變化的動態(tài)信息提供了有效的技術手段與方法，同時系統(tǒng)探討了墾利區(qū)的土地利用空間變化特征及變化趨勢，為進一步土地規(guī)劃與可持續(xù)利用提供了科學依據(jù)。

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