基于遙感影像的昆明市土地利用時(shí)空變化研究

劉鳳蓮，楊 磊

(云南財(cái)經(jīng)大學(xué) 國(guó)土資源與持續(xù)發(fā)展研究所，云南 昆明 650221)

0 引 言

土地利用/土地覆被變化(LUCC)是指人類為了獲取生產(chǎn)生活所需資料，滿足一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)目的，通過一些措施改變土地利用和管理方式，從而引起土地覆被變化的活動(dòng)[1-2].土地利用變化特征是進(jìn)行土地利用變化和科學(xué)利用土地等研究的根本依據(jù)[3]，可以在一定程度上反映一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和自然資源狀況[4].因此，通過研究土地利用時(shí)空特征[5]，一方面可以了解各用地類型發(fā)生變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)以及導(dǎo)致這種變化的相關(guān)因素；另一方面可以找出土地利用發(fā)生變化的關(guān)鍵區(qū)域，從而優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境[6].

研究土地利用時(shí)空變化，有助于發(fā)現(xiàn)區(qū)域土地利用演變規(guī)律和土地利用行為的異常，對(duì)于制定科學(xué)的土地利用規(guī)劃，促進(jìn)土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義.國(guó)內(nèi)學(xué)者一般從以下幾個(gè)方面研究土地利用時(shí)空變化：(1)從研究尺度看，大多研究以省域[7]、城市及城市群[8-9]、流域[10]、水庫壩區(qū)[11]以及典型地區(qū)[12]等為研究區(qū)域，從而分析區(qū)域土地利用變化特征.(2)從研究時(shí)段看，當(dāng)前研究時(shí)長(zhǎng)主要在15～35年，也有個(gè)別學(xué)者選取較長(zhǎng)時(shí)段(57年)[13]，更能全面詳實(shí)地反映研究區(qū)域的土地利用覆被變化.(3)從研究?jī)?nèi)容看，關(guān)于土地利用時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)因素的研究較多[14-15]；也有研究側(cè)重土地利用變化對(duì)生態(tài)的影響，將土地利用變化與景觀格局[16]、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[17]等結(jié)合起來；還有一部分學(xué)者基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，借助數(shù)學(xué)模型對(duì)未來的土地利用變化進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)[18].(4)從研究方法看，通常是基于遙感影像獲取土地利用數(shù)據(jù)，借助土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用綜合程度指數(shù)、馬爾可夫預(yù)測(cè)模型、地學(xué)信息圖譜[19]等方法進(jìn)行相關(guān)研究.

昆明市作為西南地區(qū)中心城市之一，是我國(guó)面向南亞、東南亞的前沿和門戶.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，昆明市城鎮(zhèn)化水平不斷提高，建設(shè)用地快速擴(kuò)張，在此過程中土地不合理利用、生態(tài)環(huán)境遭到破壞等問題頻發(fā)，人地矛盾愈發(fā)突出，因此，研究昆明市近年來土地利用時(shí)空變化具有重要意義.本文基于昆明市2000—2020年的五期遙感影像，借助RS、GIS技術(shù)，分析昆明近20年土地利用時(shí)空變化特征，進(jìn)而探討土地利用結(jié)構(gòu)變化、速度變化以及轉(zhuǎn)移方向等，以期為昆明市今后土地資源的可持續(xù)利用、區(qū)域生態(tài)保護(hù)等提供參考[20].

1 研究區(qū)概況

昆明位于東經(jīng)102°10′～103°40′、北緯24°23′～26°22′，市中心海拔1891米，地處云貴高原中部，南面瀕臨滇池，其余三面群山環(huán)繞，總體地勢(shì)北高南低，中部隆起；屬于北緯低緯度亞熱帶—高原山地季風(fēng)氣候，夏季陰雨天多，日照少，是全國(guó)著名的避暑勝地；獨(dú)特的地理位置造就了昆明冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑的氣候特征，使“春城”的美譽(yù)聞名全球.昆明作為西南中心城市，下轄7區(qū)6縣1個(gè)縣級(jí)市，承擔(dān)著面向南亞、東南亞開放的重要戰(zhàn)略任務(wù).

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所用到的昆明市2000、2005、2010、2015、2020年的Landsat TM/ETM/OLI影像，來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為30m，行列號(hào)為129-42、129-43、130-42、130-43(表1)，影像的云量均在10%以下，以確保影像的清晰度.運(yùn)用遙感軟件ENVI 5.3對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合、鑲嵌裁剪.通過監(jiān)督分類提取信息，再進(jìn)行實(shí)地調(diào)查對(duì)解譯后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查修正，解譯精度均在85%以上，可以滿足研究需要.根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2017)中的分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合昆明市實(shí)際情況將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地.

表1 Landsat TM/ETM/OLI衛(wèi)星影像信息列表

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用的動(dòng)態(tài)變化可以用土地利用動(dòng)態(tài)度這一指標(biāo)來表示[21]，它能清晰地反映各種土地利用類型面積總量的變化，從而了解研究區(qū)不同時(shí)間段土地利用變化趨勢(shì).

(1) 單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度.單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度表示研究區(qū)域在一定研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型總面積的增減變化，其表達(dá)式為：

(1)

式中K為T時(shí)間段內(nèi)某種土地利用類型的動(dòng)態(tài)度，用來衡量土地利用類型變化的大小.K值越大，說明該種土地利用類型在這一研究時(shí)段內(nèi)因受其他因素影響而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡惖臄?shù)量越多，這種土地利用類型在T時(shí)段內(nèi)越不穩(wěn)定；Ua、Ub分別對(duì)應(yīng)期初、期末該種土地利用類型的數(shù)量.

(2) 綜合土地利用類型動(dòng)態(tài)度.綜合土地利用動(dòng)態(tài)度相較于單一土地利用動(dòng)態(tài)度所能反映的內(nèi)容更加豐富，它既可以表示研究區(qū)在一定時(shí)段內(nèi)各種土地利用類型增減變化的整體情況，又可以比較局部與整體各種土地利用類型變化的差異，其表達(dá)式為：

(2)

式中LC是綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，T2代表研究期末年份，T1代表研究期初年份，T2-T1為監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)；LUi為監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非j類土地利用類型面積的絕對(duì)值.

2.2.2 土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣作為一種系統(tǒng)分析的定量研究方法，被廣泛應(yīng)用于土地利用變化的相關(guān)研究之中.該方法不僅可以全面地體現(xiàn)研究區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)各種用地類型之間轉(zhuǎn)移的方向和面積，還能體現(xiàn)研究區(qū)土地利用類型結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征[22].其優(yōu)點(diǎn)在于既能反映某個(gè)時(shí)間點(diǎn)不同土地利用類型面積這種靜態(tài)信息，又能反應(yīng)研究期初到期末各種土地類型轉(zhuǎn)變成其他地類或由其他地類轉(zhuǎn)變而來的土地流入流出情況的動(dòng)態(tài)過程信息.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

式中Sij表示研究期初到研究期末某種土地利用類型的面積變化；Sij的含義是研究期初i地類轉(zhuǎn)換成研究期末j地類的面積.n表示土地利用類型數(shù)目.

3.結(jié)果分析3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

經(jīng)遙感影像解譯得到昆明市土地利用結(jié)構(gòu)表(表2)，由表2可知，昆明市林地、草地、耕地面積較大，最大的水域集中在滇池，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，尤以滇池周邊的建設(shè)用地最為活躍，且表現(xiàn)出以滇池為中心向東南、東北擴(kuò)張的趨勢(shì)，未利用地大部分在昆明市的北部.昆明市的土地利用結(jié)構(gòu)中，林地面積最大，占總面積的比重超過45%；草地次之，約占27%；耕地約占19%，三者共同占了研究區(qū)面積的90%以上，是昆明市的主要用地類型.2000—2020年間，林地、耕地、草地均呈減少趨勢(shì)，分別減少126.60km2，251.43km2，319.96km2.水域面積在研究期間增加了42.60km2；建設(shè)用地面積增加明顯，從2000年的484.87km2，增長(zhǎng)到2020年的1 137.27km2，相當(dāng)于2000年的2.35倍；未利用地占比較小.

3.2 土地利用區(qū)域空間差異分析

通過3.1的分析可知2000—2020年間昆明市土地利用變化趨勢(shì).為了更深入研究昆明市土地利用時(shí)空變化特征，本研究疊加行政區(qū)劃，分析昆明市不同土地利用類型空間分布(表3).其中耕地主要分布在尋甸(15.28%)、祿勸(14.66%)、宜良(12.52%)和石林(11.18%)；林地主要分布在祿勸(26.33%)、尋甸(16.19%)；草地主要分布在尋甸(23.64%)、祿勸(18.55%)和東川(16.75%)；水域主要分布在西山(22.14%)、晉寧(21.58%)和呈貢(13.65%)；建設(shè)用地主要分布在官渡(18.09%)、西山(11.71%)、呈貢(11.40%)和安寧(11.15%)；未利用地主要集中在東川(76.08%).

表2 2000—2020年昆明市土地利用結(jié)構(gòu)表 km2、%

表3 昆明市不同土地利用類型空間分布 %

從昆明市各轄區(qū)不同用地類型2000—2020年間面積變化(表4)看，近20年間官渡區(qū)、呈貢區(qū)和安寧市耕地的減少以及建設(shè)用地的增加相對(duì)較多；宜良縣、尋甸縣林地減少相對(duì)較多；呈貢區(qū)的草地減少最多(-94.88km2).根據(jù)各縣(市、區(qū))土地利用特征和城市定位.五華區(qū)、官渡區(qū)、盤龍區(qū)、西山區(qū)、呈貢區(qū)作為昆明的城市功能核心區(qū)，建設(shè)用地占比達(dá)54.64%，是整個(gè)昆明的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，承擔(dān)著提升城市品質(zhì)、完善城市功能的重要任務(wù).安寧市、嵩明縣作為現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)基地助力昆明發(fā)展，其建設(shè)用地近20年來增長(zhǎng)較多，尤其是安寧2000—2020年間建設(shè)用地增加112.32km2.祿勸縣、尋甸縣、東川區(qū)耕地、林地、草地較多，生態(tài)環(huán)境敏感，是昆明市重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，在生態(tài)修復(fù)、生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)上，筑牢昆明生態(tài)安全屏障.

表4 昆明市各轄區(qū)不同用地類型2000—2020年間面積變化 km2

3.3 土地利用動(dòng)態(tài)度分析

從昆明市不同時(shí)段各用地類型土地利用動(dòng)態(tài)度(表5)可以看出2000—2020年間四個(gè)不同時(shí)段耕地、林地、草地的土地利用動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值，表明在研究期間這三種土地利用類型的面積都在不斷減少.耕地、林地土地利用動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值在2015—2020年最大，表明耕地和林地在這一時(shí)期變化速度相對(duì)較快.而草地變化速度最快的時(shí)期在2005—2010年.水域變化速度呈加速趨勢(shì).建設(shè)用地的土地利用動(dòng)態(tài)度在2000—2020年間均為正值，且2015—2020年值最大，表明其在這一時(shí)段擴(kuò)張速度最快.未利用地在研究期間變化幅度不大.從總體上看，所有地類中建設(shè)用地土地利用動(dòng)態(tài)度最大，表明建設(shè)用地變化最劇烈.綜合土地利用動(dòng)態(tài)度在四個(gè)時(shí)期分別是0.03%，0.18%，0.07%，3.99%，表明2015—2020年間各種用地類型變化漸趨活躍.

表5 昆明市不同時(shí)段各用地類型土地利用動(dòng)態(tài)度 %

3.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

將各時(shí)期土地利用圖進(jìn)行疊加分析，得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表6).

2000—2005年土地轉(zhuǎn)移面積較少，土地利用類型相對(duì)穩(wěn)定.草地主要轉(zhuǎn)成了林地(14.82 km2)、耕地(6.54km2)和建設(shè)用地(5.87km2)；耕地共計(jì)轉(zhuǎn)出38.31km2，以建設(shè)用地為主(24.05km2)；林地主要轉(zhuǎn)成了草地(17.51km2)和耕地(8.63km2)；水域和未利用地較為穩(wěn)定.

2005—2010年土地轉(zhuǎn)移面積(1 353.88km2)要遠(yuǎn)大于2000—2005年(98.84km2).草地的主要去向仍是林地、耕地和建設(shè)用地，草地轉(zhuǎn)出為這三種用地類型的面積(520.03km2)約為2000—2005年草地轉(zhuǎn)為這三種地類面積(27.23km2)的二十倍；耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積為138.09km2，約占耕地轉(zhuǎn)出總面積的42%；建設(shè)用地轉(zhuǎn)出72.81km2，其中有超過一半(47.62km2)轉(zhuǎn)為了耕地，這與國(guó)家規(guī)定的增減掛鉤、占補(bǔ)平衡有關(guān)；林地轉(zhuǎn)出面積較大(402.33km2)，去向主要是草地(264.75km2)和耕地(87.79km2)，還有一部分建設(shè)用地(32.77km2)；水域主要轉(zhuǎn)為耕地(13.78km2)和建設(shè)用地(5.86km2)；未利用地變化不大.

2010—2015年土地利用類型相對(duì)穩(wěn)定，地類之間轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積較小.其中草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積(30.58km2)占草地總轉(zhuǎn)出面積(58.57km2)的比例較大(52.21%)；耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積最多；建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積僅為5.1km2；水域轉(zhuǎn)出24.43km2，其中絕大部分(96.5%)轉(zhuǎn)為耕地和草地.

2015—2020年草地、耕地、林地轉(zhuǎn)出面積依次是375.06km2、431.10km2、347.14km2，而建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積(416.97km2)最多.草地的去向以林地(143.35km2)、建設(shè)用地(113.37km2)、耕地(90.96km2)為主；耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積占耕地轉(zhuǎn)出總面積的(50.39%)；林地轉(zhuǎn)為草地面積(137.15km2)最多，耕地(116.88km2)、建設(shè)用地(68.32km2)次之；水域轉(zhuǎn)出31km2，主要去向是建設(shè)用地(17.35km2)；未利用地轉(zhuǎn)出4.14km2，去向較為分散.

表6 昆明市2000—2020年間不同時(shí)間段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4 結(jié)論和討論

本文基于RS和GIS技術(shù)，采用土地利用結(jié)構(gòu)分析、土地利用區(qū)域空間差異分析、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法，研究昆明市近20年的土地利用時(shí)空變化特征.得出如下結(jié)論：

(1)從土地利用結(jié)構(gòu)來看，昆明市2000—2020年間的土地利用結(jié)構(gòu)以林地、草地、耕地為主，這三種用地類型占昆明市總面積的90%以上.林地、草地、耕地面積呈減少趨勢(shì)；建設(shè)用地面積顯著增加，占比從2000年的2.31%增長(zhǎng)到2020年的5.41%；水域集中分布在滇池，其他水域面積較??；未利用地占比較小.

(2)從土地利用區(qū)域空間差異來看，祿勸縣和尋甸縣的耕地、林地、草地面積較多；建設(shè)用地占比較高的是官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢區(qū)和安寧市；水域主要集中在西山區(qū)、晉寧區(qū)和呈貢區(qū)；未利用地大部分在東川區(qū).昆明市各轄區(qū)因其土地利用類型分布和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境的不同，形成了各具特色的功能定位，從提升城市功能、開發(fā)拓展、生態(tài)涵養(yǎng)幾個(gè)方面為昆明的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供支撐.

(3)從土地利用動(dòng)態(tài)度來看，昆明市土地利用變化經(jīng)歷了兩次高峰，分別是2005—2010年和2015—2020年.其中耕地、林地在前三個(gè)時(shí)期緩慢減少，2015—2020年減少速度較快；草地的變化速度在2005—2010和2015—2020年間相對(duì)較快；水域在研究期內(nèi)變化速度呈加快趨勢(shì)；建設(shè)用地表現(xiàn)出先加速、再減速、再加速的特征.2015—2020年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度最高，說明這一時(shí)期昆明市整體土地利用變化最劇烈.

(4)從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來看，六大用地類型中耕地、林地、草地、建設(shè)用地相互轉(zhuǎn)移面積較多.2000—2020年間耕地轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地的面積占耕地總轉(zhuǎn)出面積的比例最大.在2000—2020年間的四個(gè)時(shí)期中，每個(gè)時(shí)期草地轉(zhuǎn)出的主要去向均是耕地、林地和建設(shè)用地.建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出面積，主要來源是耕地(414.06km2)、草地(217.04km2)和林地(121.06km2).水域和未利用地在研究時(shí)段內(nèi)轉(zhuǎn)移面積較小.

基于本文研究，發(fā)現(xiàn)昆明市在2000—2020年間，建設(shè)用地大幅增加，增加方式主要是通過占用耕地、草地和林地，其中占用耕地面積最多.隨著國(guó)家越來越重視耕地保護(hù)，未來城市發(fā)展很難再繼續(xù)占用優(yōu)質(zhì)耕地，城市的發(fā)展與可用土地有限性之間的矛盾將愈發(fā)突出.在此背景下，昆明應(yīng)在城市發(fā)展上轉(zhuǎn)變思路，一方面可以向周邊縣(市、區(qū))延伸，既能促進(jìn)鄉(xiāng)村振興和城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，又有助于培育新的增長(zhǎng)極.另一方面可以通過城市土地的節(jié)約集約利用，深度挖掘城市潛力，提高城市土地利用效率，促使昆明由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變.