近30年大慶市土地利用變化特征分析

李 健，張文春

吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

土地資源一直是人類賴以生存的寶貴資源,在人類活動作用下,逐漸形成了復(fù)雜且穩(wěn)定的人地協(xié)調(diào)系統(tǒng)[1].隨著人口的不斷增長,人們對物質(zhì)的需求日益增加,對土地的開發(fā)利用程度也在不斷提高,與此同時，土地污染、土地荒漠化等問題也接踵而來,因此對土地利用類型的變化研究成為了炙手可熱的研究課題[2].

在開展土地資源調(diào)查時,傳統(tǒng)的人工野外調(diào)查方法費時費力效率較低,難以滿足社會發(fā)展的需求,遙感技術(shù)因其觀測范圍廣、采集信息量大、觀測時間短等特點,被廣泛應(yīng)用于土地資源數(shù)據(jù)的采集.如劉紀(jì)遠(yuǎn)等[3]人運用遙感技術(shù),對我國20世紀(jì)80年代末到90年代末的土地利用變化過程進(jìn)行了全面分析;王良健等[4]人利用航空遙感并結(jié)合GIS技術(shù),定量分析區(qū)域內(nèi)土地利用動態(tài)變化過程以及各類型之間的相互轉(zhuǎn)化狀況.

大慶市作為土地利用變化劇烈的資源型城市,近年來被廣泛關(guān)注研究,如臧淑英采用面板數(shù)據(jù)模型,重點分析了大慶市城市建設(shè)用地變化的驅(qū)動機(jī)制[5];張小虎等[6]人在GIS與RS技術(shù)支持下運用主成分分析法研究了大慶市近20年土地利用變化特征.雖然針對大慶市土地類型變化的研究較多,但研究土地類型變化周期相對較短,未能對大慶市土地類型長遠(yuǎn)發(fā)展提供依據(jù).

本文在前人已有的工作基礎(chǔ)上,以大慶市為研究區(qū),以1986年、2000年、2018年LANDSAT影像數(shù)據(jù)作為土地利用類型解譯的數(shù)據(jù)源,運用RS軟件,通過波段組合、影像融合、幾何校正等方法進(jìn)行影像預(yù)處理,基于GIS軟件平臺利用人機(jī)交互方式的目視解譯法進(jìn)行土地利用類型遙感解譯,獲得大慶市1986年、2000年以及2018年的遙感解譯數(shù)據(jù),利用土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用綜合指數(shù)等方法研究大慶市32年來土地利用的變化和特征,為大慶市未來土地資源的合理利用和生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供理論依據(jù).

圖1 研究區(qū)概況

1 研究區(qū)概況

大慶市屬于黑龍江省,位于阿穆爾河的西南部.地理坐標(biāo):北緯45°46'-46°55',東經(jīng)124°19'-125°12',東與明水縣、安達(dá)市、肇東市交界,西與齊齊哈爾市、泰來縣、鎮(zhèn)祿縣交界,北部與富?？h、依安縣相鄰,南部與吉林省隔河相望.

大慶市地處東北平原北部,深處松嫩平原腹地,西鄰蒙古高原,受其阻擋以及西風(fēng)帶影響,呈現(xiàn)典型的大陸性氣候特征,冬夏氣候干濕冷暖變化明顯,在溫度與降水量的峰谷值上也呈現(xiàn)趨同性,區(qū)內(nèi)地形多為低平原,土地類型多為耕地和草地,湖泊和堿性的土地也分布較廣.

區(qū)內(nèi)的氣候以及地形地貌條件有利于農(nóng)作物及草場的生長,盛產(chǎn)玉米、高粱、大豆等作物,是黑龍江省花生種子生產(chǎn)基地.

2 數(shù)據(jù)來源、處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文以LANDSAT影像數(shù)據(jù)作為大慶市土地利用類型解譯的數(shù)據(jù)源,基于RS軟件平臺對遙感影像進(jìn)行波段組合、影像融合以及幾何校正等預(yù)處理,根據(jù)GB/T 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)內(nèi)的土地劃分為耕地、草地、林地、住宅用地、水域以及其他土地6類[7],基于GIS軟件平臺,利用人與機(jī)器交互方式的目視解釋法進(jìn)行土地利用類型的遙感翻譯,在大慶市獲取1986年、2000年、2018年的土地利用類型數(shù)據(jù).

(a)1986年 (b)2000年 (c)2018年

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)度

為研究在某個時間范圍內(nèi)各類土地資源利用類型的變化傾向,使用土地利用動態(tài)度來表示土地的變化狀況.

K=(Ub-Ua)/Ua×1/T×100%

式中,K代表土地利用動態(tài)度;Ua，Ub分別是研究期初和期末的土地利用數(shù)量;T是研究周期[8].當(dāng)K代表研究時段內(nèi)土地利用的年變化率時,T當(dāng)以年為單位.

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)換矩陣

當(dāng)對同一地區(qū)內(nèi)不同時間維度上的土地資源利用情況進(jìn)行分析時,首要應(yīng)該掌握各土地資源類型的轉(zhuǎn)換趨勢,使用轉(zhuǎn)移矩陣的分析方法[9],對該地區(qū)土地資源類型之間轉(zhuǎn)化趨勢進(jìn)行量化,可以將土地資源利用類型的變化,直觀準(zhǔn)確地表達(dá)出來,其公式如下:

式中,P為土地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣;n為土地類型數(shù);i,j代表研究期初和期末的土地類型[10].

2.2.3 土地利用綜合指數(shù)體系

本次研究通過計算土地利用綜合指數(shù),對區(qū)內(nèi)的土地資源利用狀況和土地資源利用的變化情況進(jìn)行定量分析,分析土地利用綜合指數(shù)的變化情況,明確大慶市土地開發(fā)利用程度以及土地利用總體研究期間內(nèi)的綜合水平和變化趨勢[11-12].方法以及表達(dá)式如下:

(1)土地利用程度指數(shù)

式中,L是土地利用程度指數(shù);n是土地利用程度等級數(shù);Ai為等級指數(shù),隨著i的不同其等級指數(shù)不同;Ci為對應(yīng)土地利用程度等級類型占研究區(qū)總面積的比例[13].

(2)土地利用程度變化量

式中,La,Lb分別是研究時間開始和結(jié)束的土地利用程度指數(shù);Cia和Cib分別對應(yīng)a時間和b時間第i級土地利用面積占研究區(qū)總面積的比例[14].

(3)土地利用程度變化率

式中,R表示土地利用程度變化率,若R>0,那么表示該地區(qū)土地利用正在發(fā)展時期,若R<0,那么則代表該地區(qū)土地利用正在調(diào)整或者處在衰退期[15].

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用面積數(shù)量變化分析

基于土地利用類型遙感解譯數(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)計計算得到大慶市各個時期土地利用類型的面積和比重,如圖3、表1所示.觀察圖表可以看出研究區(qū)內(nèi)主要為耕地、草地和水域3種土地利用類型,此3種土地利用類型的總面積達(dá)到大慶市總面積的80 %以上,林地、住宅用地以及其他土地比例較小.面積不及研究區(qū)總面積的20 %.1986年,研究區(qū)草地面積在研究區(qū)總土地面積中占近40 %,面積達(dá)到7 803.23 km2.隨著時間的增長耕地所占比例不斷攀升,至2000年,耕地面積已超過研究區(qū)總土地面積的40%,面積達(dá)到9 255.03 km2,居住用地在研究區(qū)總土地面積中所占最小,面積僅為552.85 km2.2018年,研究區(qū)半數(shù)以上的土地類型均為耕地,面積為12 249.45 km2,占研究區(qū)總面積的57.92 %,其他土地類型面積最小,面積為967.69 km2,比重為4.58 %.

圖3 土地利用類型面積統(tǒng)計

表1 1986年～2018年土地利用類型面積及比重

3.2 土地利用動態(tài)變化分析

基于土地利用類型遙感解譯數(shù)據(jù),利用土地利用動態(tài)度模型,計算得到1986年～2018年大慶市土地利用類型動態(tài)度(見表2).分析表2可以得出,在1986年～2018年間,大慶市的耕地動態(tài)度達(dá)到2.73 %,即在這32年間,大慶市的耕地面積一直呈不斷擴(kuò)大發(fā)展趨勢,其中在1986年～2000年時段內(nèi)動態(tài)度較大,動態(tài)度為2.97 %,說明該時段耕地的需求量較大,對耕地的開發(fā)較多;住宅用地的動態(tài)度為5.44 %,且2000年～2018年大于1986年～2000年,說明大慶市的城市化進(jìn)程不斷增大,住宅用地面積始終處于增大的趨勢且其城鎮(zhèn)化發(fā)展不斷進(jìn)步;其他土地動態(tài)度最大,達(dá)到8.67 %,說明其他土地面積在不斷增加,且增長速率最快,在1986年～2000年的14年間,研究區(qū)其他類型用地動態(tài)度達(dá)到9.02 %,增長幅度較大,該時期環(huán)境破壞較為嚴(yán)重,在2000年～2018年時段內(nèi)動態(tài)度變?yōu)?.71 %,雖然其他土地面積還在增加,但增長速度大幅降低,說明在該時期人類開始注重保護(hù)環(huán)境,遏制了其他土地的增長速率.

表2 1986年～2018年土地利用類型動態(tài)度

研究區(qū)草地、林地、水域等自然土地形態(tài)的利用動態(tài)度均呈現(xiàn)負(fù)增長的趨勢,其中草地負(fù)增長趨勢尤為突出,達(dá)到了-1.76 %;其次為水域,動態(tài)度為-1.49 %,林地動態(tài)度為-0.98 %,說明在1986年～2018年間,草地、林地和水域的面積略有減少,在2000年～2018年時段草地內(nèi)動態(tài)度最小,動態(tài)度為-2.75 %,草地減小的速率最為劇烈;在1986年～2000年時段內(nèi)水域動態(tài)度為-2.41 %,說明在該時段內(nèi)水域面積減少的速度最快,這可能是由于在該時段內(nèi)人類對資源的過度開發(fā)導(dǎo)致環(huán)境遭到破壞,進(jìn)而導(dǎo)致水域面積驟減;在1986年～2000年時段內(nèi)林地動態(tài)度最小,達(dá)到-2.81 %,說明在該時段內(nèi)人類對林地的開發(fā)較大,林地在研究區(qū)土地資源中面積不斷下降,而在2000年～2018年的近20年間,林地資源的動態(tài)度由負(fù)轉(zhuǎn)正,這是由于國家開始重視保護(hù)生態(tài)環(huán)境,減少了對林地的開發(fā),大規(guī)模的植樹造林導(dǎo)致林地面積略有增加.

3.3 土地利用轉(zhuǎn)換特征分析

基于GIS軟件平臺,對大慶市3個時期的土地數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析,將結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計,獲得了大慶市1986年～2000年和2000年～2008年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(見表3、表4).

表3 1986年～2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2000年～2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從表3可以看出,在1986年～2000年的14年間,研究區(qū)各類土地類型轉(zhuǎn)出面積以草地面積為主,水域、林地以及耕地次之,住宅用地最少.草地、水域以及林地轉(zhuǎn)出面積較大,轉(zhuǎn)出面積分別為2 973.85 km2,1 772.03 km2及1 028.22 km2;耕地與其他土地轉(zhuǎn)出面積較少,面積為431.56 km2與149.90 km2;住宅用地轉(zhuǎn)出面積最小,面積僅為4.71 km2.研究區(qū)各類土地類型轉(zhuǎn)入面積以耕地面積為主,草地、其他類型用地、林地、水域次之,住宅用地最少.耕地的轉(zhuǎn)入面積最大,面積達(dá)到3 151.48 km2,是其轉(zhuǎn)出面積的3倍;其次是草地,轉(zhuǎn)入面積為1 926.76 km2;其他土地、林地、水域的轉(zhuǎn)入面積較少,面積分別為473.69 km2,381.45 km2以及240.52 km2;住宅用地轉(zhuǎn)入面積最小,面積為186.37 km2.

由表4可以看出,在2000年～2018年間,大慶市總體變化程度較1986年～2000年有所上升,在此期間大慶市各土地利用類型轉(zhuǎn)出面積從大到小排序依次為:草地>水域>耕地>林地>其他土地>住宅用地.草地的轉(zhuǎn)出面積最大,面積達(dá)到4 465.89 km2,超過所有土地類型總轉(zhuǎn)化面積的50 %;水域以及耕地的轉(zhuǎn)出面積較大,分別為1 150.84 km2以及1 065.13 km2;林地、其他土地、住宅用地的轉(zhuǎn)出面積較少,轉(zhuǎn)出面積分別為952.04 km2,377.49 km2以及204.32 km2.研究區(qū)各類土地類型轉(zhuǎn)入面積以耕地面積為主,草地、林地、其他類型用地、居住用地次之,水域最少.耕地面積的轉(zhuǎn)入面積最大,面積為4 059.55 km2;草地和林地的轉(zhuǎn)入面積較大,轉(zhuǎn)入面積分別為1 122.25 km2,1 083.49 km2;其他土地、住宅用地以及水域的轉(zhuǎn)入面積較少,面積依次為764.93 km2,668.77 km2以及516.70 km2.

3.4 土地利用程度分析

為展開區(qū)域土地利用程度定量分析,將區(qū)域土地按照社會經(jīng)濟(jì)因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為4級[16],分級類型以及劃分情況如表5所示,等級指數(shù)依次為1,2,3,4.

表5 土地利用分級賦值

依據(jù)土地利用分級,利用土地利用程度綜合指數(shù)模型,得到大慶市各地區(qū)土地利用變化程度如表6所示.

表6 1986年～2018年各行政區(qū)土地利用變化程度

從表6可以看出,在1986年～2018年間大慶市土地利用情況呈緩慢上升趨勢,1986年整個研究區(qū)土地利用程度指數(shù)是2.331,2000年土地利用程度指數(shù)為2.462,2018年變?yōu)?.630.在1986年～2000年間大慶市土地利用程度總體變化較小,在2000年到2018年間變化差異略微增大,并且各市縣土地利用程度參差不齊,研究區(qū)各市縣土地利用程度均大于2,其中,肇州縣住宅用地占比較大,耕地面積較大,其土地利用程度最高,土地利用程度指數(shù)均大于2.7.土地利用程度最低的是杜爾伯特縣,其土地利用程度指數(shù)分別是2.067,2.255以及2.535,這是由于杜爾伯特縣住宅用地占比較小,人口較少,林草水用地面積較大,因此土地利用程度低.

同時,根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出大慶市下轄各市縣在土地利用率上均有變化,大慶市土地利用仍有較大發(fā)展空間.在1986-2000年間,土地利用程度變化量和變化率最大是杜爾伯特縣,分別為0.188和0.091;而土地利用程度變化量和變化率最小的肇州縣僅為0.032和0012.2000年～2018年間,杜爾伯特縣土地利用程度變化量和變化率也最大,分別為0.280和0.124.林甸縣最小,其變化量和變化率為0.033和0.013.

4 結(jié)論

通過分析大慶市32年來土地利用變化的特征和規(guī)律,可以得出以下結(jié)論：

(1)大慶市的已利用土地達(dá)到了80 %以上,主要類型為耕地、草地和水域.在1986年～2018年間,大慶市土地各利用類型數(shù)量變化特征較為明顯,耕地、住宅用地以及其他土地面積不斷增加,草地和水域面積不斷減少,林地面積先減少后略有增加.其中，其他土地面積增加速率最快,草地面積減少速率最快.

(2)在研究時段內(nèi),大慶市的土地利用轉(zhuǎn)換特征較為明顯,研究區(qū)各類土地類型轉(zhuǎn)出面積以草地為主,轉(zhuǎn)入面積以耕地為主.不同土地類型面積的增加或減少主要是因為它們之間的相互轉(zhuǎn)換,其中草地和其他類型之間的轉(zhuǎn)換最為頻繁,在2000年～2018年間,草地轉(zhuǎn)出面積超過所有土地類型總轉(zhuǎn)化面積的50 %.

(3)大慶市土地利用程度在1986年～2018年間處于中等偏上的水平,整體而言呈上升的趨勢,但上升的幅度不明顯.各市縣土地利用程度參差不齊,土地利用程度最高的是肇州縣,最低的為杜爾伯特縣,從土地利用程度變化量及變化率來看,大慶市土地利用處于發(fā)展期,但發(fā)展較為緩慢,其中杜爾伯特縣較其它市縣發(fā)展相對較快,肇州縣發(fā)展最為緩慢.