基于GIS遙感平臺的重慶市主城區(qū)土地利用演變分析

毛禹 張嬌嬌 郭瑾 馮坤鈺

摘要：重慶市主城區(qū)人口密集，城市化程度高，分析其土地利用變化尤為重要。以重慶市2000年Land-sat7 ETM SLC-on影像、2006年及2010年Landsat 4-5 TM影像為主要數(shù)據(jù)源，對主城區(qū)10 a來的土地利用演變情況進(jìn)行了分析。結(jié)合土地利用動態(tài)度模型，分析了2000-2010年各類土地利用類型的年變化率和綜合年變化率。結(jié)果表明：2000-2010年主城區(qū)各類土地利用類型的面積均有變化;2000-2006年及2006-2010年的土地利用程度變化值分別為5和4，說明城市處于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展期。采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析了各類土地利用類型的具體變化情況，分別得出了各類型土地轉(zhuǎn)化（接收）為其他類型土地的面積。結(jié)合景觀指數(shù)分析了人類活動對各景觀類型的影響程度。

關(guān)鍵詞：土地利用：土地轉(zhuǎn)換;GIS遙感平臺;重慶市主城區(qū)

中圖法分類號：F301.24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.014

1 研究背景

土地資源是人類最寶貴的自然資源，是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一切社會生產(chǎn)活動存在的物質(zhì)載體和源泉。許多學(xué)者運用了不同方法或從不同角度分析了重慶市主城區(qū)的土地利用情況。李艷麗等[1]利用GIS與RS信息獲取技術(shù)、空間分析技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計方法，分析了重慶市主城區(qū)土地利用時空變化特征，明確了土地利用變化的主要類型和方向。房力川等[2]利用支持向量機分類等方法，分析了主城區(qū)土地利用（覆被）變化及其熱環(huán)境效應(yīng)之問的關(guān)系。魯春陽等[3]在SPSS軟件的支持下，基于重慶市主城區(qū)自然及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用主成分分析法，對引起主城區(qū)土地利用變化的驅(qū)動力進(jìn)行分析。李陽兵等[4]從土地利用變化和土地利用綜合程度變化等方面，分析了重慶市主城區(qū)的土地利用空間分異特征，并對土地利用變化驅(qū)動因子進(jìn)行剖析。李宇等[5]基于地學(xué)信息圖譜分析方法，合成了一系列土地利用格局變化圖譜及轉(zhuǎn)移矩陣，定量分析了重慶市主城區(qū)土地利用空間格局和變化過程。買曉森等[6]從重慶市主城區(qū)土地利用的數(shù)量變化、空間變化和效益等方面，分析了1996-2005年重慶市主城區(qū)土地利用變化情況及其機制。韓賾等[7]基于“4E”土地利用績效評價框架，采用層次分析等方法對主城區(qū)2007年、2009年和2011年土地利用績效區(qū)際差異和空間格局的演變進(jìn)行了評價分析。賈靜濤等[8]在RS和CIS技術(shù)的支持下，運用景觀生態(tài)學(xué)原理研究了近20 a來重慶主城區(qū)土地利用和景觀格局的動態(tài)變化。涂建軍等[9]以主城區(qū)近30 a的遙感影像數(shù)據(jù)，利用景觀擴(kuò)展指數(shù)及分形維數(shù)指數(shù)，對主城區(qū)生態(tài)服務(wù)價值的變化進(jìn)行了評價，得出了在2002-2011年主城區(qū)生態(tài)服務(wù)價值發(fā)展尤為迅速的結(jié)論。本文將在前人的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析重慶市主城區(qū)的土地利用演變及利用程度。以重慶市的9個主城區(qū)為研究區(qū)域，選取了2000年、2006年、2010年這3個不同時期的Landsat影像數(shù)據(jù)，于2019年8-10月，結(jié)合遙感技術(shù)，分析了2000-2010年研究區(qū)域的土地利用演變過程。利用轉(zhuǎn)移矩陣、變化檢測重點分析了各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移情況，并結(jié)合景觀指數(shù)分析了人類活動對各景觀類型的影響程度。

2 研究區(qū)概況

重慶市主城區(qū)共有9個區(qū)，包括渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)。重慶主城區(qū)位于三峽水庫庫區(qū)尾部，坐落在縉云山和東溫泉山之間的低山丘陵地帶，地處東經(jīng)106°14' 47”- 106°59 ' 54”，北緯29°07'46”- 30°07' 44”，轄區(qū)面積5 473 km2㈨。

3 土地利用及景觀分析

3.1 主城區(qū)土地利用分析

3.1.1 土地利用動態(tài)度模型

土地利用動態(tài)度可分為單一土地利用度和綜合土地利用度。

（1）單一土地利用度。本文分析了2000-2006年、2006-2010年的土地利用類型年變化率。圖1為2000年、2006年和2010年土地利用類型，表1為2000-2006年主城區(qū)土地利用類型變化率。

由表1可知，2000-2006年城鄉(xiāng)、水域、未利用土地、草地、林地、耕地利用面積分別為明顯增加、減少、減少、明顯減少、顯著增加和減少。其中，以耕地的年變化率最小，林地的年變化率最大，這說明2000-2006年耕地面積總體減少不明顯，林地面積顯著增加。

表2為2000-2006年各土地利用類型變化率。由表2可知：2010年的城鄉(xiāng)、水域、未利用土地、草地、林地、耕地的利用面積分別較2006年減少、增加、減少、顯著增加、減少和增加，但是除了草地、水域面積有顯著變化之外，其他面積變化并不太大，以耕地總面積變化最小。

（2）綜合土地利用度。綜合土地利用度所分析得到的綜合年變化率反映了某種土地利用類型的變化程度。十地利用綜合年變化率為

綜合年變化率越大，說明在研究時段內(nèi)該土地利用類型變化越顯著、越復(fù)雜，在各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化越活躍。

由表3可知：在2000-2006年重慶市主城區(qū)各土地利用類型中，林地和城鄉(xiāng)變化較明顯，而水域、未利用土地、耕地、草地的變化不顯著。在2006-2010年，水域、未利用土地、草地的綜合年變化率較大，變化較顯著，其中，以草地的變化情況最為復(fù)雜，而耕地、林地、城鄉(xiāng)的變化情況并不顯著。

3.1.2 土地利用程度變化指數(shù)及相關(guān)分析

區(qū)域內(nèi)土地利用程度在一定程度上反映著人類活動對生活區(qū)域的土地生態(tài)系統(tǒng)作用強度，影響區(qū)域土地利用效果[11]。為土地利用程度的定量化公式為式中，AL為土地利用程度變化值;Lb和La分別為研究期末和期初的區(qū)域土地利用程度值。土地利用程度評價指標(biāo)為：若△L>0，則研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)狀況處于發(fā)展期;若△L/<0，則研究區(qū)處于社會發(fā)展進(jìn)程中的調(diào)整期。

本文分析得到了主城區(qū)2000，2006年及2010年的土地利用程度評分及土地利用程度變化值（見表4和表5）。2000，2006，2010年的土地利用程度值分別為271，276和280。2000-2006年，土地利用程度變化值為A/=5，而2006-2010年，土地△L=4，即△L 2000-2006與△L 20062010均為正值，說明在2000-2010年重慶市主城區(qū)、社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正處于發(fā)展期。

3.1.3 土地利用面積變化及轉(zhuǎn)化情況

圖2顯示了2000-2006年及2006-2010年各土地利用類型面積的總體變化。由圖2可知：重慶市主城區(qū)耕地在2000年，2006年，2010年的面積占比依次為69%，57%和63%，呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢;城鄉(xiāng)、工礦、居民用地在這3a的面積占比依次為5%，11%，9%，面積表現(xiàn)為先增大后減小的特征;林地面積也表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，3a的面積占比分別為7%.26%，16%;草地在3a的面積占比依次為6%、1%、6%，面積也體現(xiàn)為先減小后增大;水域在3a的面積占比依次為3%，2%，5%;而未利用土地3a的面積占比為12%，3%，1%，整體呈減小趨勢。

為了解在上述時間段內(nèi)各土地利用類型向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化情況，需要借助轉(zhuǎn)移矩陣來分析研究時段內(nèi)各土地利用類型的流失去向及來源方向。圖3為2000-2006年及2006-2010年重慶市主城區(qū)的土地利用變化圖譜，利用GIS軟件對圖3影像進(jìn)行變化檢測分析操作，可得2000-2006年及2006-2010年各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（見表6和表7）。

根據(jù)表6可知：

（1） 2000-2006年水域面積凈減少了31.660 km2，變化率為-22.45%。主要原因是水域向耕地及城鄉(xiāng)轉(zhuǎn)移了較大面積，轉(zhuǎn)移量分別為16.808 km2、19.046km2，分別占轉(zhuǎn)移面積總量的37.68%，42.69%。

（2）2000-2006年城鄉(xiāng)面積凈增加了364.444 km2，變化率為147.4go-/o。主要原因是耕地和未利用土地向其大面積轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)移量分別為329.442 km2、111.906 km2，二者分別占城鄉(xiāng)用地面積接收總量的68.21%、23.17%。

（3） 2000-2006年林地面積呈現(xiàn)顯著增加的態(tài)勢，凈增加量為1072.389 km2，變化率為297.65%。主要原因是耕地大量轉(zhuǎn)化為林地，轉(zhuǎn)化面積為941.735 km2，占總接收面積的85.15%。

（4）2006年草地面積較2000年的顯著減少，凈減少面積為288.379 km2.變化率為- 89.74%。主要原因是草地向耕地轉(zhuǎn)移了254.524 km2，占總轉(zhuǎn)移面積的80.77%。

（5）2000-2006年耕地面積凈減小了648.509 km2，變化率為-17.18%。主要原因是耕地向林地及城鄉(xiāng)的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移量分別為941.735，329.442 km2，分別占總轉(zhuǎn)移面積的66.42%，23.23%。

（6） 2000-2006年未利用土地面積凈減小了468.474 km2，變化率為-73.08%。主要原因為向林地、耕地、城鄉(xiāng)用地轉(zhuǎn)移了較大部分面積，轉(zhuǎn)移量分別為105.027. 392.545，111.906 km2，分別占總轉(zhuǎn)移面積的17.07%.63.79%，18.19%。

根據(jù)表7可知：

（1） 2006-2010年水域面積凈增加了161.795km2，變化率為147.92%。主要原因是耕地及林地向其的大量轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積分別為84.055，51.211 km2，分別占總量的48.3%、29.4%。

（2）2006-2010年城鄉(xiāng)用地面積凈減少了110.464km2，變化率為-18.06%。主要原因是向耕地和林地的大面積轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)移面積分別為181.149，56.919 km2，分別占總量的54.65%，17.17%。

（3） 2006-2010年林地面積呈現(xiàn)顯著減少的態(tài)勢，面積凈減少了566.032km2，變化率為-39.416%。主要原因是林地大量轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積為774.224 km2，占總量的90.76%。

（4）2010年草地面積較2006年顯著增加，凈增加面積為285.671 km2.變化率為865.33%。主要原因是耕地大量轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)化面積為264.774km2，占總量的86.18%。

（5）2010年耕地面積較2006年顯著增加，凈增加面積為323.260 km2，變化率為10.33%。主要原因是林地大量轉(zhuǎn)化為耕地，其轉(zhuǎn)化面積為774.224kⅡi2，占總接收面積的71 .58%。

（6）2010年的未利用土地面積較2006年顯著減少，凈減少面積為96.538 km2，變化率為55.90%。主要原因是未利用土地大量轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積為109.966 km2，占總轉(zhuǎn)移面積的65.28%。

3.2 景觀分析

通過遙感影像進(jìn)行土地利用的監(jiān)督分類后，得到重慶市主城區(qū)多時相的變化特征。景觀指數(shù)共有兩類指標(biāo)數(shù)據(jù)：①斑塊級別的指標(biāo)，包括斑塊面積（Ai）、斑塊個數(shù)（NP）;②景觀級別的指標(biāo)，包括形狀指數(shù)（Di）和景觀破碎度（C）。本文重點分析形狀指數(shù)Di及景觀破碎度C，研究主城區(qū)的景觀格局演變特征。

形狀指數(shù)為

表8為景觀指數(shù)計算結(jié)果。通過觀察2000年各土地利用類型的形狀指數(shù)（Di）及景觀破碎度（C）可知，2000年城鄉(xiāng)、耕地、草地、未利用土地、林地的Di值較大，說明這些景觀的斑塊周邊比較復(fù)雜。其中，未利用土地最為復(fù)雜、不規(guī)則;水域和耕地的C值較小，故其受到的人類活動影響較小;而城鄉(xiāng)居民用地、草地、未利用土地、林地的C值都比較大，說明這些景觀受到了顯著的人為干預(yù)和其他干預(yù)，如占用土地進(jìn)行城市擴(kuò)展、工業(yè)發(fā)展以及改為耕地等。

通過觀察2006年各土地利用類型的Di及C值可知：城鄉(xiāng)、耕地、未利用土地及林地的Di值比較大，景觀的斑塊周邊比較發(fā)達(dá)、比較不規(guī)則;草地、未利用土地的C值比較大，說明這兩種土地利用類型受到的人類活動影響較大，耕地的C值最小，故其受到的干預(yù)最小。

通過觀察2010年各土地利用類型的Di及C值可知：耕地、草地、林地的Di值較大，說明耕地、草地、林地的斑塊周邊較不規(guī)則、比較發(fā)達(dá)，這可能與人們的生產(chǎn)活動有關(guān)，如對林地、耕地的改造、人工草地的建設(shè)等;草地、未利用土地、林地的C值較大，故受到人類活動的干預(yù)較大，其中，未利用土地受到的影響最大;耕地C值最小，故其受到的影響最小，與2010年結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文基于CIS及RS技術(shù)分析了重慶市主城區(qū)2000-2006年及2006-2010年2個時段內(nèi)的土地利用情況，得出了如下結(jié)論。

（1）根據(jù)對主城區(qū)單一土地利用度及綜合土地利用度分析可知：在2000-2006年間，城鄉(xiāng)、水域、未利用土地、草地、林地、耕地面積的變化為明顯增加、減少、減少、明顯減少、顯著增加和減少;在2006-2010年間，城鄉(xiāng)、水域、未利用土地、草地、林地、耕地的面積變化情況為減少、增加、減少、顯著增加、減少、增加。

（2）根據(jù)對重慶市主城區(qū)土地利用程度指數(shù)分析可知：2000-2006年土地利用程度變化值為5，2006-2010年土地的利用程度變化值為4，均為正值，說明2000-2010年重慶市主城區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)狀況處于發(fā)展期。

（3）根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣的結(jié)果可知：2000-2006年間，耕地、草地、水域未利用土地減小，城鄉(xiāng)及林地增大;2010年耕地、草地及水域增加，城鄉(xiāng)、林地及未利用土地減小。除了人為干預(yù)之外還存在各種土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化。其中，面積增大主要是因為大量的其他土地利用類型向其的轉(zhuǎn)換，面積減小主要是因為該種土地利用類型向其他土地利用類型發(fā)生了大面積的轉(zhuǎn)化。

（4）根據(jù)對主城區(qū)景觀指數(shù)分析可知：2000年城鄉(xiāng)、耕地、草地、未利用土地、林地的形狀指數(shù)Di值較大，斑塊周邊較復(fù)雜、不規(guī)則，這可能與人們的生產(chǎn)活動有關(guān)，如對林地、耕地的改造、人工草地的建設(shè)等;水域和耕地的景觀破碎度C值較小，說明其受到的人類影響較小;而城鄉(xiāng)、草地、未利用土地、林地的C值都比較大，即受到的人類干擾程度大，如占用這些土地擴(kuò)展城市、發(fā)展工業(yè)、改為耕地等。2006年的城鄉(xiāng)、耕地、未利用土地及林地的Di值較大，草地、未利用土地的C值較大。2010年的耕地、草地、林地的Di值較大，草地、未利用土地、林地的C值較大。

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（編輯：李慧）

作者簡介：毛禹，女，主要研究方向為地理信息處理、河床演變及水文水資源等。E-mail：157529069l@qq.com