貴港市土地利用變化遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究

唐 寧，楊憑波

1.廣西自然資源產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，廣西 南寧 530000

2.廣西測繪職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣西 南寧 530000

傳統(tǒng)的實(shí)地測繪方式獲取土地利用變化數(shù)據(jù)的方法存在效率低、成本高、更新速度慢等缺點(diǎn)[1]，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其快速、高效、大面積觀測等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為土地利用類型變化監(jiān)測的主要手段，并得到了廣泛應(yīng)用。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[2]利用遙感數(shù)據(jù)通過人機(jī)交互解譯方式，對2010—2015 年中國土地類型的變化進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測；劉敬杰等[3]基于多智能體方法構(gòu)建模型，定量研究了我國農(nóng)村土地變化的驅(qū)動(dòng)因子；王越等[4]通過土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用類型區(qū)域指數(shù)等評價(jià)指標(biāo)，深入分析了松嫩高平原土地利用類型變化的數(shù)量和時(shí)空格局特征。

近年來，貴港市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及城市化建設(shè)速度明顯加快。隨著城市化進(jìn)程的加快，該市土地利用類型變化顯著。研究小組基于地表覆被遙感數(shù)據(jù)，使用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動(dòng)態(tài)度、狀態(tài)指數(shù)等方法，揭示貴港市2000—2020 年土地利用類型時(shí)空變化特征，以期為合理利用區(qū)域土地提供可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

貴港市位于廣西東南部、珠江干流西江中游地區(qū)，東臨梧州市，南與玉林市、欽州市接壤，西鄰南寧市，北接來賓市。2020 年貴港市行政轄區(qū)面積為10606km2，年末常住人口為431.63 萬人。其北部與東南部地勢較高，中部地區(qū)較為平坦。市內(nèi)土地資源豐富但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要地貌類型為平原及丘陵，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨量充沛，氣候濕潤[5]。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

研究小組此次使用的數(shù)據(jù)主要來源于《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒2021》《2020 年貴港市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，遙感影像數(shù)據(jù)來源于Globe-Land30 全球地理信息公共產(chǎn)品網(wǎng)站（http：//globeland30.org）2000 年、2010 年、2020 年3 期地表覆被數(shù)據(jù)。GlobeLand30 數(shù)據(jù)主要由30m 分辨率的Landsat 多光譜遙感數(shù)據(jù)與HJ-1 多光譜數(shù)據(jù)共同制作而成，精度評價(jià)指標(biāo)采用的是總體精度及Kappa 系數(shù)。研究小組所采用的各年份影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，總體精度＞80%，Kappa 系數(shù)＞0.7，分類精度較好，符合土地利用變化監(jiān)測的要求。研究小組所使用的土地利用數(shù)據(jù)分類方式如表1 所示。

表1 土地利用類型分類表

數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，研究小組使用ArcGIS軟件分別對各年份的地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行影像鑲嵌，然后利用貴港市矢量邊界對其進(jìn)行裁剪，得到該地區(qū)各年份土地覆被數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度K是指某種用地類型在研究期間，其面積的變化狀況。其數(shù)學(xué)模型[6]為：

式（1）中，Li為某種用地類型在研究開始時(shí)的面積大??；Lj為同類土地在研究結(jié)束時(shí)的面積；T為研究期長度；當(dāng)T為年時(shí)，K為某種土地類型的年變化率。土地利用動(dòng)態(tài)度為負(fù)值時(shí)表示該類用地面積減少，為正值時(shí)表示該類用地面積增加。

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣作為土地利用類型變化的重要分析指標(biāo)，可以計(jì)算出各種土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)移的方向及面積，可以定量描述某一時(shí)期內(nèi)土地利用類型的結(jié)構(gòu)及方向變化。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[7]：

式（2）中，n為土地利用類型個(gè)數(shù)；S為土地面積；i、j分別為研究開始時(shí)和研究結(jié)束時(shí)的土地利用類型。

2.3 土地利用狀態(tài)指數(shù)

土地利用狀態(tài)指數(shù)是指在一定研究范圍內(nèi)，某種用地類型發(fā)生變化的情況及態(tài)勢，在評價(jià)區(qū)域土地利用程度方面具有顯著意義。其表達(dá)式[8]為：

式（3）中，R為某一用地類型的狀態(tài)指數(shù)，值域范圍在[-1，1]之間；ΔSin為研究時(shí)間范圍內(nèi)，其他用地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榈趇類土地的面積；ΔSout為第i類土地轉(zhuǎn)換成其他用地類型的面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 貴港市2000—2020 年土地利用總體特征

研究小組使用ArcGIS10.2 軟件對貴港市2000 年、2010 年、2020 年3 期地表覆被遙感影像數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，得到相應(yīng)年份的土地利用類型空間分布情況。

（1）在數(shù)量結(jié)構(gòu)方面，貴港市土地利用類型面積占比最大的是林地和耕地。其中，2000年、2010 年、2020年林地及耕地面積總和占所有用地類型面積總和的比例分別為95%、94%、90%，總體呈下降趨勢。

（2）在空間分布方面，林地主要分布于貴港市北部、東北部及東南部地區(qū)；耕地大部分分布于中部、中西部及中東部地區(qū)；草地分布于北部部分區(qū)域；建設(shè)用地部分主要分布于貴港市區(qū)，部分零星散亂分布于中部地區(qū)；水域主要為黔江、郁江及潯江的水面；濕地面積占比較小，各年份不超過土地利用總面積的1%。

（3）2000—2020 年，貴港市林地及耕地面積持續(xù)下降。其中，林地面積下降趨勢較為平穩(wěn)，而耕地面積下降幅度呈遞增趨勢；水體及建設(shè)用地面積表現(xiàn)為持續(xù)增長的趨勢，建設(shè)用地面積增長速度在2000—2010 年期間較慢，在2010—2020 年期間增長加速；草地面積表現(xiàn)為先減少后增加，總體減少的趨勢；濕地面積持續(xù)增加，但面積占比不超過1%。

3.2 單一土地利用動(dòng)態(tài)度分析

研究小組根據(jù)公式（1）分別計(jì)算出2000—2010 年、2010—2020 年各年份土地利用類型變化面積及動(dòng)態(tài)度（見表2）。計(jì)算結(jié)果顯示，2000—2010 年、2010—2020 年2 個(gè)時(shí)間段，耕地與林地的單一土地利用動(dòng)態(tài)度都是負(fù)值，分別為-0.006%、-1.61%，-0.30%、-0.14%，這表明2000—2020 年貴港市耕地與林地的面積在減少，耕地面積減少的速度增大，林地面積減少的速度逐漸降低。2000—2010 年、2010—2020 年2 個(gè)時(shí)間段，草地與水體的動(dòng)態(tài)度先為負(fù)值后為正值，分別為-4.64%、1.22%，-16.91%、1.88%，這表明草地及水體的面積表現(xiàn)為先減少后增加，總體減少的趨勢。2000—2010 年、2010—2020 年，建設(shè)用地土地利用動(dòng)態(tài)度分別為1.42%、35.34%，其面積變化及面積變化速度增大。各年份單一土地利用動(dòng)態(tài)度最大的是濕地，分別為73.46%、267.82%，其面積增加了620.1 hm2。

3.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移分析

研究小組根據(jù)式（2）及地圖信息可視化方法[9]，得到2000—2020 年貴港市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（見表3）。

從時(shí)段變化特征來看，2000—2010 年，草地轉(zhuǎn)出面積為2503.71 hm2，其中79.5%轉(zhuǎn)換為耕地，5.18% 轉(zhuǎn)為林地，15.06% 轉(zhuǎn)為水體；草地轉(zhuǎn)入面積為260.55 hm2，其中59.48% 由林地轉(zhuǎn)入，31.36% 由耕地轉(zhuǎn)入。耕地轉(zhuǎn)出面積為25975.80hm2，其中51.65%轉(zhuǎn)為林地，35.24%轉(zhuǎn)為水體，12.63%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；由其他用地類型轉(zhuǎn)為耕地的面積為24376.68 hm2，其中76.23%由林地轉(zhuǎn)入，8.35%由水體轉(zhuǎn)入，8.17%由草地轉(zhuǎn)入，7.25%由建設(shè)用地轉(zhuǎn)入。建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積為2122.20 hm2，主要轉(zhuǎn)為耕地，占比為83.33%；建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積為3584.88hm2，主要由耕地轉(zhuǎn)入。林地轉(zhuǎn)出面積為22176.09 hm2，其中大部分轉(zhuǎn)為耕地，占比為83.80%，14.35%轉(zhuǎn)為水體；林地轉(zhuǎn)入面積為14311.35 hm2，主要由耕地轉(zhuǎn)入。水體轉(zhuǎn)出面積為2735.55 hm2，其中74.40%轉(zhuǎn)為耕地，23.40%轉(zhuǎn)為林地；水體轉(zhuǎn)入面積為12945.51 hm2，主要由耕地及林地轉(zhuǎn)入。濕地面積沒有明顯變化。

2010—2020 年，該市草地轉(zhuǎn)出面積為976.32 hm2，其中72.18%轉(zhuǎn)為林地，18.01%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；草地轉(zhuǎn)入面積為1428.03 hm2，主要由林地及耕地轉(zhuǎn)入。耕地轉(zhuǎn)出面積為43795.53 hm2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、林地、水體的面積占比分別為81.00%、10.11%、7.88%；其他用地類型轉(zhuǎn)為耕地的較少。建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積為39734.19 hm2，主要由耕地轉(zhuǎn)入；建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積較小。林地轉(zhuǎn)出為草地、耕地、建設(shè)用地、水體的面積占比分別為10.98%、33.56%、39.56%、15.19%；林地轉(zhuǎn)入面積為5417.19 hm2，主要由耕地轉(zhuǎn)入。水體轉(zhuǎn)出面積較小，其他用地類型轉(zhuǎn)為水體的面積為5023.98 hm2。濕地面積變化較小。上述各地類轉(zhuǎn)移占比數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 2000—2020 年貴港市土地利用類型轉(zhuǎn)移百分比（轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入）表 （%）

從表3 整體變化特征來看，貴港市各時(shí)段耕地轉(zhuǎn)出面積持續(xù)增加，耕地由主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值馗臑橹饕D(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，轉(zhuǎn)化為林地的面積呈下降態(tài)勢，同時(shí)轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地的面積呈上升趨勢。研究小組對比觀察2000—2010 年、2010—2020 年2 期數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，只有建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積增加幅度較為明顯，其他用地類型面積都表現(xiàn)為減少或平穩(wěn)增長趨勢。可以看出，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地類型的土地主要集中于貴港市原城市建設(shè)區(qū)附近，主要由耕地、林地轉(zhuǎn)入。耕地轉(zhuǎn)入面積主要來源于林地、水體、草地等，表現(xiàn)為快速減少趨勢。林地轉(zhuǎn)入面積大部分來自于耕地。貴港市土地利用類型主要變化發(fā)生在2010—2020年期間，主要表現(xiàn)為建設(shè)用地面積大幅增加，說明該市城鎮(zhèn)化進(jìn)程主要發(fā)生在2010—2020 年間。

表3 2000—2020 年貴港市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣表 （單位：hm2 ）

3.4 土地利用狀態(tài)分析

研究小組根據(jù)式（3）計(jì)算出貴港市各年份土地利用類型狀態(tài)指數(shù)（見表5）。由表5 可知，2000—2010 年、2010—2020 年2 個(gè)時(shí)間段，耕地與林地的狀態(tài)指數(shù)為負(fù)值，表明這兩類土地的轉(zhuǎn)入速度小于轉(zhuǎn)出速度，且在該時(shí)期內(nèi)面積在減少。其中，2000—2010 年期間，耕地狀態(tài)指數(shù)為-0.03%，接近于0，表明在此期間耕地面積轉(zhuǎn)入速度與轉(zhuǎn)出速度差距較?。?010—2020 年期間，耕地狀態(tài)指數(shù)為-0.80%，與-1%接近，表明其轉(zhuǎn)出速度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入速度，土地利用處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 2000—2020 年貴港市土地利用類型狀態(tài)指數(shù)表 （% ）

2000—2010 年，草地狀態(tài)指數(shù)為-0.81%，表明在此期間轉(zhuǎn)入速度小于轉(zhuǎn)出速度，草地面積大量減少；2010—2020 年，草地狀態(tài)指數(shù)為0.19%，略大于0，說明轉(zhuǎn)入速度略大于轉(zhuǎn)出速度，草地面積有所增加。

2000—2010 年、2010—2020 年2 個(gè)時(shí)間段，水體、濕地、建設(shè)用地的土地利用狀態(tài)指數(shù)＞0，表明這3 類土地在此期間的轉(zhuǎn)入速度大于轉(zhuǎn)出速度，面積持續(xù)增加。其中，2010—2020 年，建設(shè)用地的狀態(tài)指數(shù)為0.96%，接近于1，表明其轉(zhuǎn)入速度大于轉(zhuǎn)出速度，建設(shè)用地面積增加，土地利用狀態(tài)不穩(wěn)定。

總體來看，2000—2020 年，貴港市耕地、林地、草地的狀態(tài)指數(shù)分別為-0.46%、-0.25%、-0.36%，均為負(fù)值，表明這3 類用地類型整體面積變化呈減少趨勢；水體、濕地、建設(shè)用地的狀態(tài)指數(shù)分別為0.78%、0.97%、0.92%，均為正值，表明其整體面積變化呈增加趨勢。所有用地類型面積變化趨勢與土地利用類型轉(zhuǎn)移的分析結(jié)果趨于一致。土地利用狀態(tài)從穩(wěn)定到不穩(wěn)定依次為林地、草地、耕地、水體、建設(shè)用地、濕地。

4 結(jié) 語

研究小組以貴港市為研究區(qū)，基于該市2000—2020 年3 期地表覆被遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動(dòng)態(tài)度、狀態(tài)指數(shù)等研究方法，揭示該市近20 年土地利用類型變化方向、各類用地類型結(jié)構(gòu)以及面積變化趨勢。研究結(jié)果表明：（1）2000—2020 年，耕地與林地的動(dòng)態(tài)度是負(fù)值，建設(shè)用地及濕地的動(dòng)態(tài)度是正值，草地及水體的動(dòng)態(tài)度為先負(fù)值后正值，具有同步性。（2）過去20 年間，該市耕地、林地面積持續(xù)減少，林地面積減少速度較為平穩(wěn)，面積從2000 年的525339.90 hm2減少為2020 年的513772.74 hm2；耕地面積減少速度呈遞增趨勢，面積從487175.94 hm2減少為446552.10 hm2；建設(shè)用地面積大幅度增長，面積從2000 年的20590.29 hm2增長為2020年的61021.44 hm2，其增加的面積主要來源于對耕地和林地的占用。（3）耕地、林地、草地的土地利用狀態(tài)指數(shù)＜0，整體面積變化較??；水體、濕地、建設(shè)用地狀態(tài)指數(shù)＞0，整體面積增加。

根據(jù)研究結(jié)果及貴港市的實(shí)際，筆者提出以下3 個(gè)建議：（1）提升衛(wèi)星遙感技術(shù)支撐能力，進(jìn)一步增強(qiáng)遙感應(yīng)用氛圍，建立空天地一體化自然資源監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)，提升遙感影像人工智能解譯技術(shù)，對地物分類、變化檢測、目標(biāo)識(shí)別等能快速發(fā)現(xiàn)、快速處理，形成“發(fā)現(xiàn)、核查、整改、復(fù)核”閉環(huán)管理。（2）強(qiáng)化耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量占補(bǔ)平衡，推行“田長制”以及建立激勵(lì)機(jī)制，整治耕地“非農(nóng)化”“非糧化”，嚴(yán)格耕地用途管制，嚴(yán)格非農(nóng)建設(shè)占用耕地，嚴(yán)格管控耕地轉(zhuǎn)為園地、林地、草地等其他農(nóng)用地。（3）建立“多規(guī)合一”的國土空間規(guī)劃體系，統(tǒng)籌劃定落實(shí)生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界3 條控制線。加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)資源節(jié)約集約利用，推進(jìn)耕地、林地及低效建設(shè)用地的規(guī)劃治理，加大批而未供和閑置土地的處置力度，盤活城鎮(zhèn)低效用地，努力建設(shè)山清水秀、人與自然和諧相處的生態(tài)文明城市。