大英縣2002-2017年土地利用分類動(dòng)態(tài)分析

孫姣姣，王 琦，鄭 潔，劉姝伶，李 慧

（1.西南科技大學(xué) 城市學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

土地是人類生存和生產(chǎn)的基本場所與根基[1]，土地利用調(diào)查為國家土地的用途制定、資源管理、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展建設(shè)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐[2]。自“國際地圈與生物圈計(jì)劃（IGBP）”和“全球環(huán)境變化人文計(jì)劃（HDP）”提出土地利用/覆被變化（LUCC）以來，LUCC已逐漸成為學(xué)者們關(guān)注的研究熱點(diǎn)[3]。LUCC是人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的直接體現(xiàn)形式，也是影響全球環(huán)境變化的主要原因之一，與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和人類生存息息相關(guān)[4]。隨著影像分類方法的迅猛發(fā)展以及高分辨率遙感影像的應(yīng)用普及，基于遙感技術(shù)進(jìn)行土地利用分類，從而真實(shí)、客觀地反映土地利用現(xiàn)狀的方式得到廣大學(xué)者的認(rèn)可[5-6]。該方法基于地物目標(biāo)間的波段差異性及其地物紋理和顏色的區(qū)別，利用計(jì)算機(jī)解譯或目視解譯的方式來獲得不同地物屬性[7]，具有周期短、提取快速、操作性強(qiáng)等優(yōu)勢，不僅可有效減少人力物力，而且增加了土地調(diào)查數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性[8]。

近年來，由于我國經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，土地利用類型發(fā)生了大幅變化，許多學(xué)者基于遙感技術(shù)進(jìn)行了土地利用和景觀格局現(xiàn)狀的研究[9-10]。Paracchini M L[11]等創(chuàng)建了基于空間權(quán)衡評(píng)價(jià)的聚合模型，將土地利用中的部分指標(biāo)相互聯(lián)合起來對(duì)多方面的土地利用功能進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測；金石柱[12]等基于Landsat TM/ETM+遙感影像，利用最大似然法對(duì)延吉市進(jìn)行了土地利用分類，并通過時(shí)序分析得到延吉市1991年、2001年和2006年居民地面積呈快速增加趨勢，耕地和草地逐漸減少，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境惡化與土地的錯(cuò)誤利用有很大關(guān)系的結(jié)論；呂桂軍[13]收集整理了北京市海淀區(qū)1980-2010年的Landsat系列影像數(shù)據(jù)，探索了長時(shí)間序列Landsat影像在地理國情監(jiān)測中的重要作用；杜挺[14]結(jié)合Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了遙感圖像的融合算法，探索了土地利用分類在土地使用中的適應(yīng)性；陶蕊[15]等基于Landsat8和TM遙感影像，結(jié)合RS和GIS技術(shù)分析了滁州市2000年、2005年、2010年和2015年的土地利用變化情況，研究表明滁州市土地利用發(fā)生改變的原因是城鎮(zhèn)化以及退耕還林等。目前土地利用分類的研究主要集中在分類方法的比較[16]、大中城市[17]、流域[18]等方面，針對(duì)縣級(jí)小城市的研究還較少。四川省素有“天府之國”的美譽(yù)，城市擴(kuò)張使得各城市土地利用狀況發(fā)生了很大改變[19]。大英縣位于四川盆地中部，是成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈黃金分割點(diǎn)。隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大、城鎮(zhèn)化水平大幅提高，大英縣耕地等其他用地大面積減少。平衡的生態(tài)環(huán)境與人類活動(dòng)息息相關(guān)，城市發(fā)展路線將影響人類社會(huì)與自然環(huán)境的和諧相處[20]，依托可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，合理的資源配置與調(diào)整是重中之重[21]。因此，城市的土地利用規(guī)劃和調(diào)整十分重要，開展基于土地利用狀況的時(shí)空變化分析研究十分必要。本文首先對(duì)大英縣2002-2017年的地物類型進(jìn)行了分類提取，再結(jié)合土地利用面積變化、動(dòng)態(tài)變化幅度、動(dòng)態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣4個(gè)指標(biāo)分析了各地物類型的時(shí)間序列變化情況。該研究成果以期為土地利用規(guī)劃與調(diào)整提供相應(yīng)的科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

大英縣位于四川省中部，是成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈黃金分割點(diǎn)，經(jīng)緯度范圍為 30°29′～30°44′N、105°15′～105°40′E?？h域東西長約為32 km，南北長約為26 km，交通便利、水系發(fā)達(dá)、河流縱橫；地形主要由3個(gè)區(qū)域合構(gòu)而成，南北方向地勢高，中間區(qū)域低緩，西北沿東方向微微傾斜；土地類型以中、小丘陵為主，土壤類型為棕黃色黏土、亞黏土和紫色土[22]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）的Landsat系列遙感影像。該數(shù)據(jù)在可見光—近紅外（VNIR）波段光譜范圍大，波譜對(duì)地物響應(yīng)敏感，可較好地分辨地物變化情況[23]。本文選用2002年、2006年、2009年、2014年和2017年5景遙感影像，影像質(zhì)量良好，研究區(qū)無云，如表1所示。遙感數(shù)據(jù)的成像過程會(huì)受傳感器、大氣氣溶膠等其他客觀因素的影響，為獲取地表真實(shí)反射率，本文對(duì)Landsat系列數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理[24]。

表1 各年份影像信息

2 研究方法

2.1 分類方法

本文根據(jù)GB/T 21010-2017《土地利用現(xiàn)狀分類》[25]和大英縣土地利用實(shí)際情況[26]，利用最大似然法將研究區(qū)分為耕地、建設(shè)用地、林地、水域和其他用地5種土地利用類型。各土地利用類型解譯所選取的訓(xùn)練樣本分離度均大于1.8，屬于合格樣本。土地利用分類結(jié)果通過聚類處理對(duì)小圖斑進(jìn)行修正，Kappa系數(shù)均大于82.33%，滿足判別要求。

2.2 土地利用面積變化

本文根據(jù)土地利用分類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了2002年、2006年、2009年、2014年和2017年相鄰兩期的土地利用類型面積，并計(jì)算其面積變化情況，計(jì)算公式為；

式中， ΔS為相鄰兩期土地利用類型面積差值；S1為前期土地利用類型面積，單位為km2；S2為后期土地利用類型面積，單位為km2。

2.3 土地利用動(dòng)態(tài)變化

土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)幅度能反映不同年份土地利用面積的變化情況，揭示各土地利用類型在各年份的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化[27]；土地利用動(dòng)態(tài)度是表示區(qū)域土地利用變化劇烈程度和變化差異的指標(biāo)，反映了階段時(shí)間中土地利用變化的速度[28]。其計(jì)算公式為；

式中，RS為土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)幅度；DS為土地利用動(dòng)態(tài)度；S1為前期土地利用類型面積；S2為后期土地利用類型面積；T為相鄰兩期時(shí)間差。

2.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是表征一段時(shí)間內(nèi)土地利用類型穩(wěn)定轉(zhuǎn)移方向、結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，能反映各土地利用類型的轉(zhuǎn)移情況[29]。其計(jì)算公式為；

式中，i、j為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型；n為轉(zhuǎn)移前后土地利用類型的數(shù)目；Sij為期間內(nèi)i類土地利用類型轉(zhuǎn)移為j類土地利用類型的面積。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 土地利用分類與面積變化

本文根據(jù)2002-2017年5期遙感影像數(shù)據(jù)，解譯得到各時(shí)期土地利用狀況的分類結(jié)果，如圖1所示，可以看出，15 a來大英縣的林地與建設(shè)用地面積逐漸增加，耕地面積逐漸減少。

圖1 大英縣土地利用分類結(jié)果

結(jié)合分類結(jié)果和式（1），得到各期各土地利用類型的面積及其變化情況，如圖2、表2所示，可以看出，大英縣的耕地面積最大，占比65%以上，其次是林地和建設(shè)用地，分別占比12%和14%以上；2002-2017年耕地面積逐年減少，由505.33 km2減少至461.78 km2，減少了8.6%；建設(shè)用地面積逐年增加，15 a間增量為3.23 km2，面積占比由11.94%上升至12.4%，這與大英縣近年來加大城市基礎(chǔ)建設(shè)力度、城鎮(zhèn)用地需求增加的現(xiàn)狀相一致；2002-2017年在國家倡導(dǎo)退耕還林和植樹造林、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的政策基礎(chǔ)上，大英縣的林地面積也呈逐年增加的趨勢，增加了41.25 km2，漲幅為42.33%，面積占比由13.9%上升至19.8%；2002-2006年水域面積減小了0.51 km2，2006-2014年水域面積呈增加趨勢，增加至13.8 km2，2017年又減少至13.24 km2；2002-2014年其他用地面積持續(xù)增加，增加了0.5 km2，隨后減少至2017年的0.34 km2，降幅為62.5%；水域和其他用地呈波動(dòng)變化趨勢，除土地利用類型存在轉(zhuǎn)移外，還可能源于影像采集時(shí)間的不一致，豐水期和平水期時(shí)涪江、郪江的水位會(huì)快速上升或下降，導(dǎo)致灘涂消退或顯現(xiàn)，影響面積的變化。

表2 各土地利用類型面積的總量變化

圖2 各期各土地利用類型的面積變化情況

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

本文利用式（2）、（3）計(jì)算得到土地利用變化幅度和土地利用動(dòng)態(tài)度，結(jié)果如表3所示，可以看出，耕地面積變化幅度均為負(fù)值，即土地面積逐期減少，但減少速度呈由快到慢的趨勢；2002-2006年、2006-2009年、2009-2014年耕地變化幅度分別為-1.44%、-2.21%和-3.5%，2014-2017年土地面積減小速度變慢，變化幅度上升至-1.75%，說明大英縣近年來在堅(jiān)守18億畝耕地紅線政策實(shí)施上有所成效；2002-2014年林地面積的變化幅度逐期增大，分別為6.93%、9.11%、14.35%，而2014-2017年其變化幅度有所下降，下降幅度為7.66%，這是由于在四川省耕地保護(hù)系列措施中，林地作為耕地被建設(shè)用地占用后“占補(bǔ)平衡”的補(bǔ)充用地，總體來說林地面積在15a間整體變化幅度均為正值，呈持續(xù)增加趨勢；建設(shè)用地面積的增加速度在2002-2009年持續(xù)變快，變化幅度由1.23%增至1.38%，2009-2014年減至0.52%，2014-2017年又回升至0.67%，這是由于在城鎮(zhèn)化發(fā)展背景下，農(nóng)村建設(shè)用地發(fā)生了大量轉(zhuǎn)移，繼而影響建設(shè)用地面積的占比，大英縣響應(yīng)節(jié)約集約利用荒棄土地政策，減少建設(shè)用地的浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

表3 各土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化/%

2002-2017 年大英縣耕地和其他用地動(dòng)態(tài)度呈負(fù)值變化，建設(shè)用地、林地和水域動(dòng)態(tài)度呈正值變化，其中林地面積變化最劇烈，在2002-2009年增長速度達(dá)到最大值，動(dòng)態(tài)度從1.73%上升至3.04%，2009-2017年增長速度減緩，降至2.23%；其次為建設(shè)用地，各時(shí)段的動(dòng)態(tài)度分別為0.31%、0.46%、0.10%、0.22%，建設(shè)用地面積變化劇烈程度先增后減，直至平穩(wěn)；耕地面積逐期減小，縮減速度先由2002-2006年的0.36%上升至2006-2009年的0.74%，然后在2014-2017年逐漸減小為0.58%，土地面積動(dòng)態(tài)變化劇烈程度緩慢減?。凰蛎娣e由于受降水、干旱等外因影響較大，不參與動(dòng)態(tài)度分析。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

土地利用類型不僅在面積上有所增減，還存在各土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)移。本文利用5景土地利用分類數(shù)據(jù)，分別對(duì)相鄰兩期土地利用類型面積進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析，得到各土地利用類型的面積轉(zhuǎn)化情況，如表4～7所示。

表4 2002-2006年大英縣土地利用類型轉(zhuǎn)移情況

表5 2006-2009年大英縣土地利用類型轉(zhuǎn)移情況

表6 2009-2014年大英縣土地利用類型轉(zhuǎn)移情況

表7 2014-2017年大英縣土地利用類型轉(zhuǎn)移情況

2002-2017 年大英縣土地利用類型發(fā)生了較大變化。耕地面積變化以轉(zhuǎn)出為主，轉(zhuǎn)出類型主要是林地和建設(shè)用地，2002-2006年的轉(zhuǎn)出量為12.66 km2，耕地分別向林地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了8.33 km2和2.78 km2，分別占轉(zhuǎn)出總面積的65.7%和21.96%；2006-2009年、2009-2014年和2014-2017年3期耕地轉(zhuǎn)出為林地的面積占比最大，轉(zhuǎn)出量分別為12.9 km2、19.67 km2和11.15 km2，分別占轉(zhuǎn)出總量的86.12%、93.62%和93.78%；15a內(nèi)轉(zhuǎn)出為水域的累計(jì)面積為2.12 km2，存在旱地轉(zhuǎn)水田的可能，耕地與其他用地之間幾乎無轉(zhuǎn)移關(guān)系。林地面積變化以轉(zhuǎn)入為主，15a間轉(zhuǎn)入林地最多的是耕地，各期轉(zhuǎn)入面積分別占轉(zhuǎn)入總量的87.41%、90.53%、96.28%和91.77%；同時(shí)林地每個(gè)時(shí)期也有不同程度地轉(zhuǎn)出為耕地，可能是在城鎮(zhèn)化發(fā)展占用耕地時(shí)，為保證耕地紅線而采取的林耕轉(zhuǎn)移以達(dá)到“占補(bǔ)平衡”的措施；林地轉(zhuǎn)出為水域的面積較小，僅為1.45 km2，且在2014-2017年無相互轉(zhuǎn)移，林地和其他用地之間幾乎無相互轉(zhuǎn)移關(guān)系。建設(shè)用地面積變化以轉(zhuǎn)入為主，耕地、林地、水域和其他用地均有轉(zhuǎn)入，其中耕地貢獻(xiàn)量最大，累計(jì)轉(zhuǎn)入面積為6.7 km2，貢獻(xiàn)率為64.05%，其次是林地，轉(zhuǎn)入面積為2.99 km2，貢獻(xiàn)率為28.59%，建設(shè)用地與水域、其他用地的轉(zhuǎn)移關(guān)系較微弱。2002-2017年水域主要轉(zhuǎn)出為耕地和林地，累計(jì)轉(zhuǎn)出量分別為3.75 km2和1.45 km2，其中2014-2017年水域和林地?zé)o相互轉(zhuǎn)移；其他用地由于影像時(shí)相的原因，表現(xiàn)出轉(zhuǎn)移較頻繁且轉(zhuǎn)移對(duì)象不盡相同的現(xiàn)象，但總體相互轉(zhuǎn)移面積較小。

4 結(jié) 語

本文以2002年、2006年、2009年、2014年和2017年5期大英縣遙感影像為數(shù)據(jù)源，從土地利用面積變化、土地利用動(dòng)態(tài)變化幅度、動(dòng)態(tài)度和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣4個(gè)方面對(duì)大英縣2002-2017年土地利用時(shí)空變化情況進(jìn)行了分析，得出的結(jié)論為；

1）大英縣土地利用類型以耕地為主，占全縣面積的65%以上；其次是林地和建設(shè)用地，分別占比12%和14%以上；水域和其他用地面積較小。各土地利用類型面積變化差異較大，耕地面積逐期減少，凈減少量為43.55 km2；建設(shè)用地和林地面積則逐期增加，分別凈增長了3.23 km2和41.25 km2；水域面積先減后增；其他用地面積先增后減。

2）2002-2017 年不同時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)變化幅度和動(dòng)態(tài)度變化存在較大差異。耕地面積變化幅度為負(fù)值，即土地面積逐期減少，面積縮減率先增后減；林地和建設(shè)用地面積變化幅度為正值，面積增長率先增后減。15a間動(dòng)態(tài)度變化較為劇烈的是耕地和林地，建設(shè)用地面積變化劇烈程度先增后減，然后至平穩(wěn)。

3）耕地向建設(shè)用地和林地轉(zhuǎn)移、林地和耕地相互轉(zhuǎn)移是2002-2017年大英縣的主要土地利用轉(zhuǎn)移類型。15 a間耕地向林地的轉(zhuǎn)移量最多，其次是建設(shè)用地和水域；林地轉(zhuǎn)出為耕地各期面積比重較大，轉(zhuǎn)出為水域面積較??；建設(shè)用地轉(zhuǎn)入土地類型中耕地貢獻(xiàn)量最大，其次是林地；水域主要轉(zhuǎn)移為耕地和林地；其他用地相互轉(zhuǎn)移面積較小。