基于RS和GIS的方正縣土地利用變化分析

李 瑞，杜 崇，劉福全，韓 旭

（黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

土地資源是不可再生的寶貴資源，土地作為生產(chǎn)資源是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的至關(guān)因素。自20世紀(jì)下半葉開(kāi)始，全世界范圍內(nèi)的人口急劇增長(zhǎng)和人為的高強(qiáng)度生產(chǎn)活動(dòng)，使得城市化進(jìn)展加快，人們對(duì)土地的利用和管理方式的改變致使土地覆被產(chǎn)生變化，土地利用/覆被變化（Land Use/Cover Change，LUCC）使氣候、地形、土壤、植被和地質(zhì)也產(chǎn)生變化。

隨著地理信息系統(tǒng) （Geographic Information System，GIS）和遙感（Remote Sensing，RS）技術(shù)的不斷發(fā)展，土地利用數(shù)據(jù)得到持續(xù)優(yōu)化，為土地利用變化的監(jiān)測(cè)與研究提供了技術(shù)支撐[1]。范少貞等運(yùn)用GIS和RS技術(shù)，基于主成分回歸分析法對(duì)莆田市鳳凰山風(fēng)景區(qū)的LUCC進(jìn)行定性和定量研究[2]。崔國(guó)屹等運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)分析法在基于土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化過(guò)程中的土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究[3]。李梅娜等以長(zhǎng)江三角洲海岸帶為例，利用Landsat遙感衛(wèi)星影像，采用監(jiān)督分類(lèi)法對(duì)研究區(qū)土地利用特征和趨勢(shì)進(jìn)行分析[4]。

近些年來(lái)，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)展的加劇和不合理的土地利用導(dǎo)致研究區(qū)土地退化，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，降低了糧食產(chǎn)量和質(zhì)量。黑龍江省作為糧食大省，方正縣更是黑龍江省的優(yōu)質(zhì)糧食重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)，所以，以RS和GIS技術(shù)對(duì)土地利用變化和驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究對(duì)于修復(fù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和保護(hù)區(qū)域糧食安全具有極為重要的意義。

1 研究區(qū)概況

方正縣地處松花江中上游，地理坐標(biāo)為東經(jīng)128°13′36″—129°33′23″，北緯45°32′44″—46°09′12″，歸省會(huì)城市哈爾濱市管轄，北臨通河縣與依蘭縣，南臨牡丹江，全縣行政面積為2 976km2；方正縣屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。方正縣植被資源十分豐富，其中森林面積達(dá)1 915km2，地勢(shì)呈從中部向東西兩側(cè)逐漸升高，縱觀(guān)全勢(shì)，呈現(xiàn)由西向東，由南向北傾斜之勢(shì)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本研究選取了方正縣2005年、2010年、2015年、2020年四期遙感影像進(jìn)行解譯，選取的Landsat 4-5 TM傳感器分辨率為30m，Landsat 8 OLI傳感器分辨率為15m，利用ENVI和ArcGIS軟件對(duì)下載的四期數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、圖像配準(zhǔn)、掩膜裁剪和監(jiān)督分類(lèi)等處理。方正縣的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于哈爾濱市統(tǒng)計(jì)局編寫(xiě)的哈爾濱統(tǒng)計(jì)年鑒，借助SPSS軟件完成定量分析。

2.2 分析方法

2.2.1 土地利用變化幅度分析

土地利用幅度的變化代表了土地利用類(lèi)型面積的變化，定量分析某一時(shí)段內(nèi)土地利用類(lèi)型面積的變化，能從時(shí)間上揭示土地利用結(jié)構(gòu)的變化以及土地利用類(lèi)型總體數(shù)量變化體的特征[5]。計(jì)算公式如下：

式中，Rb-a為某一時(shí)間段內(nèi)土地利用類(lèi)型變化總幅度；Ra和Rb分別為土地利用變化初期和末期的面積。

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用變化速度常用單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分析，單一土地利用動(dòng)態(tài)度是表征某一土地利用類(lèi)型在一段時(shí)間內(nèi)面積變化的趨勢(shì)[6]，計(jì)算公式如下：

式中，T為年時(shí)；Ra和Rb同上；U為某一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度是表征全部土地利用類(lèi)型在在一段時(shí)間內(nèi)面積變化的趨勢(shì)[7]，計(jì)算公式如下：

式中，ΔLRi-j為某段時(shí)間內(nèi)地類(lèi)i轉(zhuǎn)移為地類(lèi)j的面積絕對(duì)值；LRi為初期第i類(lèi)地類(lèi)面積；T同上；n為土地利用類(lèi)型的個(gè)數(shù)；LC為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。

2.2.3 土地利用轉(zhuǎn)移圖譜

土地利用轉(zhuǎn)移圖譜是對(duì)土地利用轉(zhuǎn)移的定量描述，能從空間上清晰表達(dá)出土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移[8]，利用GIS技術(shù)將2005與2010、2010與2015、2015與2020年土地利用數(shù)據(jù)分別相交分析，計(jì)算公式如下：

式中，N為新生成的土地利用圖譜單元類(lèi)型；Ma和Mb分別為土地利用變化前期和后期的類(lèi)型編碼值。

土地利用變化的比例可以量化土地利用圖譜單元的轉(zhuǎn)移并分析其演變的規(guī)律[9]，計(jì)算公式如下：

式中，W為變化比例；n同上；Mij為某段時(shí)間內(nèi)地類(lèi)i轉(zhuǎn)移為地類(lèi)j的土地利用圖譜單元面積。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

根據(jù)方正縣2005、2010、2015和2020年四期土地利用類(lèi)型資料，得到了四個(gè)不同時(shí)期的土地利用類(lèi)型面積（圖1），面積變化量（表1）。

通過(guò)表1和圖1分析得出方正縣15年間土地利用類(lèi)型的變化：

圖1 2005-2020年土地利用類(lèi)型面積柱狀圖

表1 方正縣各土地利用類(lèi)型面積變化量

方正縣2005—2020年土地利用類(lèi)型以林地和耕地為主，其中林地面積最大，林地以有林地和灌木林地為主，大部分分布在東西兩側(cè)的山地丘陵地帶，四年間林地占比分別為66.58%、65.33%、65.31%、65.05%。耕地面積次之，耕地主要以平原旱地和水田為主，分布在中部的平原及河流兩側(cè)，耕地面積為林地的1/3，四年間耕地占比分別為22.92%、24.61%、24.61%、22.23%。

2005年土地利用類(lèi)型中林地最多，其面積為1 960.50km2，然后為水域＞草地＞耕地＞未利用地。2010年水域面積變化最大，減幅了55.41km2，而耕地的增幅最大，增加了49.74km2，占比順序?yàn)榱值兀靖兀舅颍疚蠢玫兀窘ㄔO(shè)用地＞草地。2015年較2010年各土地利用類(lèi)型面積相差不大，其中主要土地利用類(lèi)型還是林地與耕地，面積轉(zhuǎn)化最大的為水域和林地。2020年各土地利用類(lèi)型面積變化較大，未利用地面積增幅最大，增加了105.77km2；土地利用結(jié)構(gòu)變化為林地＞耕地＞未利用地＞水域＞草地＞建設(shè)用地。

15年間，水域面積一直呈現(xiàn)為較少的趨勢(shì)，主要是水庫(kù)坑塘和灘地面積減少，面積從2005年的198.92km2降到了2020年的98.11km2，一共減少了112.02km2；由于沼澤地面積的增加，未利用地呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2005—2020年一共增加了100.81km2。耕地、林地和草地之間也存在著相互轉(zhuǎn)化，草地總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，建設(shè)用地的面積變化較為平穩(wěn)。

3.2 土地利用變化速度分析

由公式1、2計(jì)算土地利用動(dòng)態(tài)度，計(jì)算結(jié)果如表2。

表22005 -2020年方正縣土地利用動(dòng)態(tài)度

由 表3分 析 可 以 看 出，2005—2010、2010—2015和2015—2020的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別為2.56%、0.03%和3.78%，2010—2015年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度最低，說(shuō)明方正縣整體土地利用變化速率先減小后上升。

從單一土地利用動(dòng)態(tài)度結(jié)果來(lái)看，2005—2010年未利用地變現(xiàn)為快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率為146.15%，其次是建設(shè)用地和耕地，增長(zhǎng)速率分別為1.68%和1.47%；而水域、草地和林地為減少趨勢(shì)，水域減少速率最大，為-5.57%，草地和林地變化速率分別為-3.26%和-0.37%。

表32005 -2020年土地利用變化主要圖譜單元排序表

2010—2015年整體來(lái)看各地類(lèi)呈現(xiàn)緩慢增加和緩慢減少的趨勢(shì)，增加速率最大的是草地，為0.32%，其次為未利用地、林地和耕地；建設(shè)用地和水域呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。2015—2020年各地類(lèi)變化速度增快，增加速率最大的是建設(shè)用地，為35.06%，其次是草地；而水域、耕地、建設(shè)用地和林地都為減少的趨勢(shì)，水域減少趨勢(shì)最為明顯。從15年地類(lèi)變化整體來(lái)看，草地、建設(shè)用地和未利用地表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，水域、林地和耕地表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移圖譜分析

由公式3構(gòu)建土地利用圖譜模型，基于A(yíng)rcGIS10.2軟 件 對(duì)2005—2010、2010—2015和2015—2020數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，得到三個(gè)時(shí)期土地利用轉(zhuǎn)移圖譜，如圖2。

圖2 2005-2020年土地利用單元時(shí)空轉(zhuǎn)移圖譜

由公式4、5計(jì)算得出2005—2020年土地利用圖譜單元排序和比例變化，結(jié)果見(jiàn)表3。2005—2010年土地利用轉(zhuǎn)移總面積為410.53km2，土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移也集中在林地、耕地和草地之間，其中林地的變化最為明顯，林地的轉(zhuǎn)出面積最大。2010—2015年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，各地類(lèi)轉(zhuǎn)移較上一階段明顯較少，轉(zhuǎn)移速度趨于平緩，土類(lèi)轉(zhuǎn)移總面積為18.45km2，轉(zhuǎn)移主要集中在林地、耕地和建設(shè)用地。2015—2020年各圖譜單元類(lèi)型變化較大，土地利用轉(zhuǎn)移總面積為847.70km2，其中林地、耕地、未利用地和草地之間的轉(zhuǎn)化進(jìn)一步擴(kuò)張，林地仍以轉(zhuǎn)出為主。

4 結(jié)論

（1）方正縣的土地利用類(lèi)型以林地、耕地和水域?yàn)橹?，其中以林地面積最為突出，四年面積占比分別為66.58%、65.33%、65.31%和65.05%。15年間，草地、建設(shè)用地和未利用地面積整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，水域、林地和耕地面積整體呈減少趨勢(shì)。

（2）2005—2010年土地利用轉(zhuǎn)移集中在林地、耕地和草地之間，轉(zhuǎn)移總面積為410.53km2，其中林地的轉(zhuǎn)移面積最大，以轉(zhuǎn)出為主，轉(zhuǎn)出的主要類(lèi)型為耕地、草地和未利用地。2010—2015年各土地利用類(lèi)型變化轉(zhuǎn)移大幅減小，轉(zhuǎn)移總面積為18.54km2，土類(lèi)轉(zhuǎn)移集中在林地、耕地和建設(shè)用地之間，主要轉(zhuǎn)移方向?yàn)榱值亍?、耕地→林地和耕地→建設(shè)用地。2015—2020年土地利用轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移總面積達(dá)847.7km2，土類(lèi)轉(zhuǎn)移集中在林地、耕地和未利用地之間，轉(zhuǎn)移集中在林地→耕地、耕地→林地和耕地→未利用地?！?/p>