基于RS與GIS的咸寧市土地利用變化及其驅(qū)動力研究

宛浩良 周霞 黃佳林

摘 ?要：土地利用及覆被變化的研究已經(jīng)發(fā)展成為二十世紀最重要的研究內(nèi)容之一。文章通過咸寧市2005年、2015年Landsat遙感影像圖提取2個時期的土地利用/覆被信息，利用動態(tài)模型來揭示2005-2015年間的土地利用及覆被變化特征，并對其驅(qū)動力進行分析。研究結(jié)果表明：咸寧市2005年到2015年林地由539平方公里增加到760平方公里，草地由24平方公里減少到15平方公里，水域由63平方公里增加到85平方公里，建設(shè)用地由262平方公里增加到295平方公里，耕地由616平方公里減少到347平方公里。這在一定程度上反映了人地之間的矛盾關(guān)系，咸寧市土地利用/覆被變化的主要驅(qū)動力為人口的增長，經(jīng)濟的發(fā)展以及城市化政策的推動。

關(guān)鍵詞：土地利用;驅(qū)動力;咸寧市

中圖分類號：F323 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）25-0050-04

Abstract： The study of land use and cover change has become one of the most important research contents in the 20th century. In this paper， the land use/cover information of two periods-in 2005 and 2015-was extracted through the Landsat remote sensing image of Xianning City， and the dynamic model was used to reveal the characteristics of land use and cover change from 2005 to 2015， and the driving forces were analyzed. The results show that： from 2005 to 2015， the forest in Xianning City increased from 539 square kilometers to 760 square kilometers， grassland has decreased from 24 square kilometers to 15 square kilometers， water area has increased from 63 square kilometers to 85 square kilometers， construction land has increased from 262 square kilometers to 295 square kilometers， and arable land has decreased from 616 square kilometers to 347 square kilometers. To some extent， this reflects the contradictory relationship between people and land. The main driving forces of land use/cover change in Xianning City are the growth of population， the development of economy and the promotion of urbanization policies.

Keywords： land-use; driving force; Xianning City

1 概述

土地利用/覆被變化（LUCC）是人地關(guān)系和環(huán)境變化的重要組成部分[1]，1995年，由IGBP和IHDP兩大聯(lián)合組織提出了土地利用/覆被的研究計劃[2]，即通過研究土地利用/覆被變化與人類驅(qū)動力之間相互作用的機制，從而來預(yù)測LUCC的變化。與此同時，歐盟方面的各國成員也針對他們各自的區(qū)域推出了相關(guān)的LUCC研究計劃。國際上各個組織和國家都紛紛開始投入到了LUCC的研究，并啟動著各自的項目，比如：“北美洲土地覆被變化”研究項目，日本開展的“為全球環(huán)境保護的土地利用研究”項目等[3]。動態(tài)度指數(shù)定量化模型和變化模型的研究促進土地利用變化實證研究的成功開展，奠定了土地利用變化定量研究的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)土地利用相關(guān)研究比較集中于土地利用綜合效益評價、土地規(guī)劃、土地利用時空變遷特征及其驅(qū)動力的擴展研究方面[4-6]。由于LUCC變化機制十分復(fù)雜，使得全球和區(qū)域的綜合模型的精準建立并不容易。本文土地的利用形態(tài)和時空的變遷轉(zhuǎn)型研究的重點和關(guān)鍵任務(wù)是深入解析社會市場經(jīng)濟發(fā)展和轉(zhuǎn)型過程中土地的利用類型形態(tài)的變化趨勢，從而分析土地利用轉(zhuǎn)型過程中不同土地利用類型轉(zhuǎn)型過程中的格局演變關(guān)系和驅(qū)動力。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

咸寧市位于湖北省東南部，地跨東經(jīng)113°32′-114°58′，北緯29°02′-30°19′。咸安區(qū)是市委、市政府所在地，地理坐標為東經(jīng)114°06′-114°43′，北29°39′-30°02′。東西寬58千米，南北長41千米，分別與陽新、崇陽、江夏、赤壁接壤（圖1）。2018年，咸安區(qū)下轄3個街道、9個鎮(zhèn)、1個鄉(xiāng)，另設(shè)有1個良種場、2個開發(fā)區(qū)，總?cè)丝?2.8465萬人，實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）313.02億元（含市直），從三次產(chǎn)業(yè)看，第一產(chǎn)業(yè)完成增加值28.88億元，第二產(chǎn)業(yè)完成增加值179.1億元，第三產(chǎn)業(yè)完成增加值105.04億元，一、二、三產(chǎn)業(yè)占生產(chǎn)總值比重為9.2：57.2：33.6。

本文遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（影像數(shù)據(jù)下載地址：http：//www.gscloud.cn）2005年、2015年Landsat衛(wèi)星遙感影像，編號分別為LT51230392005126BKT00、LC81230392015330LGN01，云量分別為6.7%和0.37%，全色波段和多光譜波段空間分辨率分別為15米和30米。研究區(qū)人口、經(jīng)濟等數(shù)據(jù)來源于2005年和2015年湖北省統(tǒng)計年鑒，行政區(qū)邊界數(shù)據(jù)由1：100萬全國基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)中提取。所有圖件投影坐標系統(tǒng)一采用Krasovsky_1940_Albers。

3 土地利用信息提取

咸寧市土地利用/覆被研究采用解譯2005年、2015年這兩個時期的Landsat遙感影像，并分別對其土地覆被信息進行提取，根據(jù)其光譜特性，確定采用4、3、2波段合成的假彩色影像來判別其土地覆被類型。圖像預(yù)處理利用EVI軟件依次進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、去條帶處理、波段融合、圖像鑲嵌、圖像裁剪。進行圖像預(yù)處理后能更方便地進行下一步驟的監(jiān)督分類。通過查閱資料，將咸寧市的土地分為：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他土地這六類（圖2）。

相比于目視解譯，計算機解譯精度相對較高，而且更為快捷，方便。計算機解譯分為監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類，由于非監(jiān)督分類隨機性較大，且不能確定類的屬性，因此本文采用前者。監(jiān)督分類需要通過選取比較典型的樣本，根據(jù)這些樣本信息來對其他未知像元進行判別。支持向量機分類能夠自動尋找對分類有較大區(qū)分能力的支持向量，它能將類與類之間的間隔最大化，且具有較高的精確度，因而本文采用此方法。

a.2005年分類精度

本文利用ENVI來計算分類結(jié)果的Kappa指數(shù)，并將其作為精度判別的依據(jù)，其中2005年分類后的Kappa指數(shù)為0.936，2015年分類后的Kappa指數(shù)為0.937，分類效果較好。

4 咸寧市土地利用轉(zhuǎn)移分析

為了更直接的觀察到各類型土地的變化信息，在ArcGIS平臺上，構(gòu)建2005-2015年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，先將2005年的土地利用類型作為轉(zhuǎn)移矩陣的行，2015年的土地利用信息作為轉(zhuǎn)移矩陣的列，其土地利用的總面積是保持不變的[7]。其相應(yīng)的面積計算公式如式1、式2所示。

P=（M-N）/Z ? ? ?（式1）

Q=（U-V）/Z ? ? ?（式2）

其中P表示某類土地向其他土地轉(zhuǎn)變的百分比，M是2005年某類土地的總面積，N表示2005年某類土地未發(fā)生變化的面積，Z為咸安區(qū)總面積。Q表示其他土地向某類土地轉(zhuǎn)變的百分比，其某類土地增加的百分比，U表示2015年某類土地的總面積，N表示2005年某類土地的總面積，Z為咸安區(qū)總面積。

由表1可知，咸寧市2005-2015年土地利用數(shù)量和結(jié)構(gòu)變化如下：林地有近6.5%轉(zhuǎn)化成其他用地，同時有近21.1%其他用地轉(zhuǎn)化為林地，其占地面積有所增加;草地有近1.5%轉(zhuǎn)化成其他用地，同時有近2.3%其他用地轉(zhuǎn)化為草地，其占地面積有所增加;水域有近0.9%轉(zhuǎn)化成其他用地，同時有近2.3%其他用地轉(zhuǎn)化為水域，其占地面積有所增加;建設(shè)用地有近4%轉(zhuǎn)化成其他用地，同時有近23%其他用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，其占地面積有所增加;耕地有近27.2%轉(zhuǎn)化成其他用地，同時有近9.4%其他用地轉(zhuǎn)化為耕地，其占地面積有所減少。而咸寧市咸安區(qū)2005年到2015年土地結(jié)構(gòu)變化為：林地由539平方公里增加到760平方公里;草地由24平方公里減少到15平方公里;水域由63平方公里增加到85平方公里;建設(shè)用地由262平方公里增加到295平方公里;耕地由616平方公里減少到347平方公里。通過以上數(shù)據(jù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地和林地均有所增加，而耕地卻有所減少。

5 咸寧市土地利用影響因素分析

咸寧市地處湖北省東南部，地形主要分為山地、丘陵以及平原，地勢南高北低，氣候溫潤，降水量充足，冬冷夏熱，因而為咸寧市的農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造出一定的條件，但同時也制約了其他土地的一些利用。然而通過分析2005-2015的各項用地數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)耕地有所減少，而林地和建設(shè)用地均有明顯的增加，這說明咸寧市正在由一個以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的城市向其他方向發(fā)生轉(zhuǎn)變。人口是社會發(fā)展的重要組成成分，也是影響土地利用/覆被變化的驅(qū)動力。人口的增長會導(dǎo)致土地的需求量增加，從而導(dǎo)致土地結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土地利用程度也相對變大。2005年，咸寧市人口為277萬人，而在2015年咸寧市人口已經(jīng)增長至288萬以上，并且還保持著緩步的增長，這種增長趨勢必然會導(dǎo)致建設(shè)用地增加，通過數(shù)據(jù)可以看到耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變了132平方公里，同樣，林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變了22平方公里，這是由于人口增多導(dǎo)致的，在一定程度上反映出咸寧市人地矛盾的嚴重性。

近年來，咸寧市經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，在2014年，咸寧市的生產(chǎn)總值已經(jīng)達到了1000億元，其中作為咸寧市第一產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)牧漁及服務(wù)業(yè)，其生產(chǎn)總值便已經(jīng)達到260.7億元，其人均GDP更是達到了5689.6美元。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推動，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)正在逐漸的發(fā)展，城鎮(zhèn)的范圍在進一步的擴大，咸寧市的經(jīng)濟開發(fā)也在逐步的深入，這些都需要對土地加以開發(fā)利用，2005年，咸安市耕地總面積為616平方公里，在2005年-2015年這10年里，由于經(jīng)濟發(fā)展方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，耕地總面積減少了269平方公里，而建設(shè)用地面積增加了32平方公里，這以后將會是咸寧市未來經(jīng)濟發(fā)展的一種必然趨勢。

政策作為政府實現(xiàn)自己階層利益與意志的一種措施手段，它能根據(jù)土地利用的情況，直接快速作用于土地的利用方式，從而來影響土地利用的結(jié)構(gòu)。從數(shù)據(jù)中，我們發(fā)現(xiàn)林地增加了14.71%，建設(shè)用地增加了2.11%，而耕地減少了19.84%，這正是政府對土地利用調(diào)整的一種具體表現(xiàn)（退耕還林、城市化等），反映了政策宏觀調(diào)控對土地利用類型的影響。

6 結(jié)論

本文選取湖北省咸寧市作為土地利用/覆被變化的研究區(qū)，以2005年、2015年兩期的Landsat衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，運用RS/GIS工具來對所獲取的影像進行分析處理，提取土地利用/覆被信息，從而得到咸寧市咸安區(qū)不同年份的各項用地數(shù)據(jù)，之后對這兩期的數(shù)據(jù)進行疊加分析，制作土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，獲取各項用地之間的轉(zhuǎn)化信息。通過兩期數(shù)據(jù)的比較分析可知，隨著土地利用程度的增加，土地覆被面積在逐步的減少，建設(shè)用地、林地增長較為明顯，而耕地的面積卻有所減少。自然條件決定了咸寧市的發(fā)展是以農(nóng)業(yè)為主，但近年來有向其它方向過渡的趨勢。人口的增長導(dǎo)致土地需求量變大，使得人地矛盾趨于嚴重。經(jīng)濟的發(fā)展離不開對土地的利用開發(fā)，導(dǎo)致用地關(guān)系更為緊張，而政策的調(diào)控能在一定程度上緩解人地關(guān)系，也是控制生態(tài)平衡的主要手段。

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