2005—2020年甘州區(qū)和臨澤縣土地利用動態(tài)變化研究

馮媛媛 王世航

摘 要：監(jiān)測和分析土地資源利用現(xiàn)狀及其變化趨勢，對當?shù)亟?jīng)濟和生態(tài)文明建設可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?；赗S和GIS技術，對甘州區(qū)和臨澤縣2005—2020年四期的遙感影像進行土地利用分類，通過土地利用動態(tài)度變化掌握該區(qū)各土地利用類型變化去向，利用轉移矩陣對礦區(qū)土地利用變化特征進行分析。研究結果表明：①由面積占比來看，未利用地最大，耕地、草地、建設用地次之，林地和水體的所占比例均很小。②2005—2020年各地類單一土地利用動態(tài)度的差異性較大，較為突出的是林地，年變化率為45.7%;其他地類的動態(tài)度均表現(xiàn)出小規(guī)模減少甚至還有上升的趨勢，綜合動態(tài)度為0.44%，變化呈現(xiàn)出階段性。③各土地利用類型的轉出面積及比例從大到小依次為草地>居民地>耕地>水體>林地>未利用地。總體而言，該研究區(qū)趨于良好的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：土地利用變化;動態(tài)度變化;轉移矩陣;甘州區(qū)和臨澤縣

中圖分類號：F301.24 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0116-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.027

Abstract： Monitoring and analyzing the current situation of land resource utilization and its changing trend is of great significance to the sustainable development of local economy and ecological civilization construction. Based on RS and GIS technology， the land use classification of ganzhou district and Linze County from 2005 to 2020 was carried out by using remote sensing images. The change direction of land use types in the region was determined by the change of land use dynamic attitude， and the characteristics of land use change in the mining area were analyzed by using transfer matrix. The results show that ：① in terms of area proportion， the unused land is the largest， followed by cultivated land， grassland and construction land， and the proportion of forest land and water body is very small. ② From 2005 to 2020， there was a great difference in dynamic attitude of single land use in different regions， especially forestland. The annual change rate was 45.7%， and the other land types showed a small decrease or even an increase trend. The comprehensive dynamic attitude was 0.44%， and the change showed stages. ③ The transfer area and proportion of each land use type in descending order were grassland > residential land > cultivated land > water body > forest land > unused land. In general， the study area tends to have a good development trend.

Keywords： land use change; dynamic attitude change; transfer matrix; Ganzhou District and Linze County

0 引言

位于張掖市的甘州區(qū)和臨澤縣，屬溫帶半荒漠地區(qū)，是典型的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)[1，2];同時，作為我國青藏高原的生態(tài)安全屏障和北方防沙帶的關鍵區(qū)域，甘州區(qū)和臨澤縣的生態(tài)環(huán)境安全，不僅事關人民的生存環(huán)境和社會的經(jīng)濟發(fā)展，也是關系民族團結、社會安定、國防穩(wěn)固的大事[3]。

目前，許多學者利用GIS或RS技術、空間分析技術和數(shù)理統(tǒng)計方法，對中國土地利用變化研究進行分析。鄭永超等[4-6]通過分析2000—2016年寧夏土地利用類型數(shù)據(jù)和能源消費數(shù)據(jù)，構建碳排放模型，結果顯示建設用地的增加是碳排放的主要因素，并且在土地流轉矩陣的基礎上探討了土地利用的演變[4-6];童威等利用2000—2019年武漢市Landsat影像，揭示了武漢市各土地利用類型變化的幅度及土地利用的狀態(tài)[7];吳旭影等以長春市2009—2018年的城市用地為研究對象，以土地利用動態(tài)度和土地利用結構信息熵的方法為研究手段，分析土地利用類型變化和土地利用結構的穩(wěn)定性[8]。筆者基于RS和GIS技術，對甘州區(qū)和臨澤縣2005—2020年四期的遙感影像進行土地利用分類，通過土地利用動態(tài)度變化掌握該區(qū)各土地利用類型變化去向，利用轉移矩陣對礦區(qū)土地利用變化特征進行分析，以期為該研究區(qū)的經(jīng)濟建設和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域是張掖市甘州區(qū)和臨澤縣。甘州區(qū)地理位置介于100°06′—100°52′E，38°32′-39°24′N，臨澤縣地處99°51′—100°30′E，38°57′—39°42′N。該研究區(qū)大部分地區(qū)氣候干燥，屬大陸性溫帶季風氣候。據(jù)2020年甘肅省統(tǒng)計年鑒可知，甘州區(qū)土地總面積約為4 242.12 km2，臨澤縣土地總面積為2 167.71 km2。

1.2 數(shù)據(jù)源的選取

本次試驗數(shù)據(jù)選取2005年、2010年、2015年、2020年甘州區(qū)和臨澤縣影像質(zhì)量較好、云量較低、季相較近的遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎原始數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，重訪周期為16 d，輔助數(shù)據(jù)為張掖市行政邊界矢量數(shù)據(jù)和其他統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。具體遙感影像信息見表1。

考慮到數(shù)據(jù)系統(tǒng)的完整性與遙感數(shù)據(jù)對應的一致性及可獲取性，通過搜集張掖市統(tǒng)計年鑒、甘州區(qū)和臨澤縣統(tǒng)計年鑒、土地利用總體規(guī)劃等相關資料，對研究區(qū)2005—2020年的各類社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，以便了解和掌握甘州區(qū)自然環(huán)境和社會經(jīng)濟狀況[1]。土地利用分類依據(jù)已有土地利用分類標準，再借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有土地利用覆被變化研究成果[9]，結合研究區(qū)的實際情況，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、居民地、水體、未利用地六類，最終形成了甘州區(qū)和臨澤縣土地利用遙感分類體系[2]（見表2）。

2 研究方法與過程

2.1 監(jiān)督分類

首先在ENVI5.3中對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像增強和幾何精度校正等圖像預處理，對同期影像做圖幅鑲嵌處理，再按研究區(qū)矢量邊界范圍對圖像進行裁剪;然后通過4、3、2波段通道進行假彩色合成，選取ROI樣本，采用最大似然法進行監(jiān)督分類[10]，并結合目視解譯對分類結果進行修改，通過混淆矩陣對分類結果進行評價得出變化檢測結果[11];最后利用ArcGIS10.5軟件提取各土地利用類型信息，通過對結果的分析得出土地利用變化的范圍和數(shù)量[12]，基于此得到甘州區(qū)和臨澤縣2005—2020年四期土地利用類型圖。

2.2 土地利用動態(tài)度模型

土地利用動態(tài)度模型分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度[13]，可從定量分析的角度闡明土地利用變化的速度，對比分析不同時期的土地利用變化差異和依據(jù)當前的發(fā)展趨勢預測未來土地利用變化作用明顯。

2.2.1 單一動態(tài)度。依據(jù)某個研究區(qū)在一個或多個時期中某一土地利用類型表現(xiàn)出數(shù)量上的變化情況[13]。計算公式如式（1）。

式中：[K]為單一土地利用動態(tài)度，[u1]為初始面積，[u2]為末期面積，[t1]為初始面積對應的初始時間，[t2]為末期面積對應的時間[13]。

2.2.2 綜合動態(tài)度。研究區(qū)內(nèi)各種土地利用類型數(shù)量變化的總體速度[13]。其計算公式如式（2）。

式中：[LC]為綜合土地利用動態(tài)度，[?LA（ij）]為[t2～t1]時期內(nèi)第[i]類土地利用類型轉變?yōu)榉荹i]類土地利用類型面積的絕對值，[LA（i，t1）]為第[i]類土地類型在監(jiān)測開始階段[t1]時期的面積數(shù)據(jù)，[t2～t1]為研究時長[13]。

2.2.3 土地利用轉移矩陣。通過對土地利用結構及動態(tài)度分析僅能反映變化面積及速率，構建轉移矩陣[14]則可以明確地類之間的轉化規(guī)律，從而判斷不同地類的流轉方向，結合實際可對內(nèi)部規(guī)律進行分析。

3 結果與分析

土地利用變化分析是多角度和多方面的。本文從土地利用類型數(shù)量變化、結構變化和轉移方向三個角度分析了2005—2020年甘州區(qū)和臨澤縣的土地利用變化特征，并在此基礎上研究土地利用類型及結構變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。

3.1 土地利用現(xiàn)狀分析

研究期間甘州區(qū)和臨澤縣的土地利用變化總體較為穩(wěn)定，個別地類數(shù)量變化緩慢起伏，城市擴張較為迅速，林地面積變化顯著。

通過分析2005、2010、2015和2020年的土地利用現(xiàn)狀圖，利用ArcGIS10.5軟件得到該研究區(qū)四個年份的土地利用類型面積變化及所占比例變化情況（表3）。

由表3可知，研究區(qū)總面積為6 409.834 2 km2，土地利用變化首先反映在不同土地利用類型數(shù)量變化幅度上，近年來甘州區(qū)和臨澤縣大部分土地利用變化類型的變化幅度顯著。其中，未利用地的面積所占比例最大，耕地、草地、建設用地次之，林地和水體面積所占比例均很小。

2005年，未利用地的數(shù)量為4 300.991 1 km2，占總面積比例最高，為67.10%;其次為耕地，面積為1 136.247 3 km2，占比為17.73%;草地、居民地的面積相當，面積分別為365.073 3 km2、330.193 8 km2，占總面積的5.70%和5.15%;再次，林地的面積為217.548 km2，占比為3.39%;水體的面積相對較小，占比總和不足1%，是研究區(qū)面積最小的土地利用類型。

2010年，未利用地的數(shù)量為4 220.664 3 km2，仍居于主導地位，占土地總面積的65.84%;耕地和草地面積增加明顯，分別為1 398.248 1 km2、441.315 9 km2，二者占比21.81%和6.89%;居民地和林地在這五年間下降速度最明顯，總的占比不足5%;水體面積不斷減少，但幅度并不大，說明水域對土地利用變化擾動作用逐漸減弱，這種情況針對甘州區(qū)和臨澤縣主要是因為地形因素和綠洲連年干涸等原因。

2015年，未利用地的面積有小幅度的下降，但仍居主導地位;耕地和草地有所減少，面積為1 291.069 8 km2、309.502 8 km2，占比為20.14%和4.83%;同時，居民地和林地的面積分別為354.961 8 km2、278.128 8 km2，相較于2010年增長幅度很大;水體的面積為64.515 6 km2，占比為1.01%。

2020年，除林地面積大幅度增加外，其余五種土地利用類型的面積都有一定程度的下降;耕地和水體的下降速度明顯，面積為1 011.222 9 km2、37.249 2 km2，占比分別為15.78%和0.58%;林地面積由原來的278.128 8 km2增加到現(xiàn)在的814.008 6 km2，占比由不足5%增長到12.70%;居民地和未利用地的面積不斷減少，但變化幅度不明顯，總的占比為67.34%，未利用地依舊占比最大。

3.2 土地利用動態(tài)度變化分析

本研究基于2005—2020年土地利用現(xiàn)狀圖，通過土地利用單一動態(tài)度（變化率）以及綜合動態(tài)度來描述2005—2020年土地利用類型變化速度。

由表4可知，2005—2020年各種地類變化差異較大，較為明顯的是林地。2005—2010年，水體為-5.23%，林地為-9.35%，未利用地為-0.31%，居民地為-5.91%，草地為3.48%，耕地為3.84%，此時段各地類大幅度變化，耕地和草地緩慢增加，而其他地類則表現(xiàn)出大規(guī)模減少。2010—2015年，水體為9.54%，林地為31.89%，未利用地為-0.43%，居民地為11.09%，草地為-4.98%，耕地為-1.28%，此時段居民地和林地變化顯著，未利用地單一動態(tài)度緩慢降低，草地和耕地的變化率先增加在降低。2015—2020年，只有林地年變化率呈現(xiàn)明顯增長，年變化率為32.11%，未利用地和草地的年變化率分別為-0.42%和-4.25%;耕地、水體和居民地年變化率持續(xù)下降，其中水體和居民地的年變化速度最快為-7.04%、-2.12%，其次是耕地-3.61%。2005—2020年增長速度最快依舊是林地，年變化率為45.70%，其他地類動態(tài)度均表現(xiàn)出小規(guī)模減少甚至還有上升的趨勢。綜合土地利用動態(tài)度在2005—2010年達到0.88%，然后在2010—2015年增加到0.91%，在2015—2020年達到峰值1.39%，近15年其綜合動態(tài)度為0.44%，呈現(xiàn)出階段性變化。

3.3 土地利用類型轉移分析

基于甘州區(qū)和臨澤縣2005年、2020年的分類結果，依靠ArcGIS中的相交工具將兩期數(shù)據(jù)疊加，添加字段計算地圖單元面積（取整），并將結果導出至Excel，利用數(shù)據(jù)透視表得到轉移矩陣表（表5），通過建立甘州區(qū)和臨澤縣2005—2020年的土地利用轉移矩陣來分析，各類土地利用變化趨勢。

從表中可以得出：2005—2020年，耕地轉換為其他地類的面積比例順序為林地>草地>未利用地>居民地>水體，共轉出46.75%;草地轉換為其他地類的面積比例順序為耕地>林地>未利用地>居民地>水體，共轉出89.04%;居民地轉換為其他地類的面積比例順序為耕地>未利用地>林地>草地>水體，共轉出78.48%;未利用地轉換為其他地類的面積比例順序為林地>耕地>居民地>草地>水體，共轉出11.76%;林地轉換為其他地類的面積比例順序為耕地>草地>居民地>未利用地>水體，共轉出13.2%;水體轉換為其他地類的面積比例順序為林地>居民地>耕地>草地>未利用地，共轉出33.70%。

4 結語

根據(jù)甘州區(qū)和臨澤縣2005年、2010年、2015年和2020年土地利用現(xiàn)狀圖，該研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型主要以耕地和未利用地為主。在整個研究時期內(nèi)，未利用地的占地面積一直居于主導地位，占比在60%以上;耕地面積居于第二位，占總面積的15%以上;草地、居民地的面積次之，兩者總和占比例為10%左右;林地面積在2020年急劇增加，占比從3.39%提升至12.70%;水體面積不斷減少，但幅度并不大。

四個時期，研究區(qū)主要地類為未利用地、耕地和林地，三者占整個研究區(qū)的85%以上。其中，未利用地所占比例最大，平均為64.90%，水體所占比例最小，平均比例不超過1%。林地面積總體增大，主要原因是國家實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和政府頒布的退耕還林政策。居民地面積先減少后增加，原因是社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高造成中心城區(qū)與居民住宅不斷向未利用地擴張，用地面積增加。耕地的面積平穩(wěn)減少且變化不大，主要向林地和草地轉移。草地面積連續(xù)減少，這與人類活動、城市的急速擴張緊密相連。水體面積不斷減少，很大原因是地理環(huán)境和氣候變化導致的。未利用地在所有土地利用類型中所占比例最大，但比例持續(xù)下降，這是因為社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市擴張速率增快。

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