基于快速評價方法的土地利用變化分析

周慧茹,孫曉莉,任秀麗,王 鑫,鄭 毅

(云南國土資源職業(yè)學(xué)院,昆明 652501)

0 引言

土地資源在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活中的作用越來越重要,但土地資源是有限的,如何合理利用有限的土地資源逐漸成為學(xué)者研究的重點課題之一[1]。隨著人口基數(shù)的不斷增長、社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及生活水平的不斷提高,土地利用面臨著一系列的問題,如亂占耕地、水土流失、植被減少、荒漠化、環(huán)境惡化等[2]。怎樣利用好空天地一體化技術(shù),快速精準(zhǔn)地對土地利用進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測及分析,有效提供各類土地資源面積及分布情況變得格外重要[3]。本研究以某一區(qū)域為例,基于快速評價方法進(jìn)行土地利用動態(tài)變化分析[4],利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及地學(xué)信息圖譜等對研究區(qū)各地類間轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行分析,以期為土地利用可持續(xù)發(fā)展及相關(guān)部門開展研究提供數(shù)據(jù)支撐及決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地跨昆明市呈貢區(qū)和玉溪市澄江縣,位于滇中地區(qū),屬北亞熱帶氣候,受季風(fēng)影響明顯,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,總面積約4230.98 hm2[5]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源:2010年、2020年兩期研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來源于遙感影像,圖像空間分辨率為0.5 m;行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)來源于第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理:通過對獲取的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像配準(zhǔn)、裁剪等處理,根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010-2017),將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、工礦倉儲用地、其他土地、水域及水利設(shè)施用地等類型,按照上述分類系統(tǒng),基于ArcGIS10.7軟件對影像進(jìn)行分割,利用目視解譯、外業(yè)檢核的方式進(jìn)行核查,獲得研究區(qū)2010年和2020年兩期土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing flowchart

圖2 研究區(qū)遙感影像Fig.2 Remote sensing images of the study area

圖3 研究區(qū)土地利用類型(影像分割+目視解譯成果)Fig.3 Land use types in the study area(image segmentation + visual interpretation result)

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態(tài)變化度

土地利用動態(tài)變化度是用來定量描述研究區(qū)域某一特定土地利用類型在面積和空間上的變化情況及在一段時間內(nèi)描述這種變化的程度及劇烈程度。土地利用動態(tài)變化度計算模型為[6]:

(1)

式中:K為研究區(qū)在某一研究時段內(nèi)土地利用單一動態(tài)變化度,Sa、Sb分別為研究區(qū)在研究初期及研究末期某一種土地利用類型的面積,T為監(jiān)測時間段。

1.3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣通過計算不同土地利用類型之間相互的轉(zhuǎn)移方向及數(shù)量,即描述不同地類之間的變化來源和流向,可以較好地表達(dá)研究區(qū)域某一時期內(nèi)不同土地利用類型相互之間的演變方向及程度,從而揭示土地利用的時空演化過程[6-8]。其表達(dá)式為:

(2)

式中:S為研究區(qū)土地總面積,n為土地利用的類型數(shù),i,j分別為研究期初期和研究期末期的土地利用類型。

1.3.3 地學(xué)信息圖譜

地學(xué)信息圖譜具有表達(dá)地理空間結(jié)構(gòu)特征及時間動態(tài)變化特征的功能[9]。采用地學(xué)信息圖譜對土地利用變化進(jìn)行分析,采用GIS和RS技術(shù)獲取土地利用地類圖斑數(shù)據(jù)[10],借助ArcGIS的空間分析方法得到研究區(qū)2010—2020年增勢圖譜和減勢圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用狀況分析

土地利用狀況往往可以通過土地利用結(jié)構(gòu)來評價[11],基于ArcGIS 10.7軟件對2010年、2020年兩期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分割,獲取研究區(qū)土地利用類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計算得到不同時期土地利用類型的面積及各地類所占的比重。結(jié)果表明:2010年,研究區(qū)耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、公共管理與公共服務(wù)用地、工礦倉儲用地、其他土地、水域及水利設(shè)施用地、住宅用地的面積分別為1074.26 hm2、463.37 hm2、1906.16 hm2、104.38 hm2、123.82 hm2、4.21 hm2、9.14hm2、19.32hm2、400.68 hm2、125.64 hm2;2020年分別為811.45 hm2、386.47 hm2、2150.98 hm2、73.66 hm2、141.37 hm2、14.56 hm2、8.60 hm2、14.28 hm2、434.29 hm2、195.32 hm2。

2010—2020年,耕地、園地、草地、其他土地及工礦倉儲用地面積減少,林地、水域及水利設(shè)施用地、住宅用地、交通運輸用地、公共管理與公共服務(wù)用地面積增加。受退耕還林政策實施及住宅用地增加等因素的影響,耕地面積大幅度減少,減少面積達(dá)262.81 hm2;林地面積顯著增加,增加面積達(dá)244.81 hm2。隨著學(xué)校及周邊配套設(shè)施的建設(shè),公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地及住宅用地增加明顯,共達(dá)97.59 hm2;水域及水利設(shè)施用地小幅度增加,達(dá)33.60 hm2。

根據(jù)圖4可以看出,土地利用類型主要為林地和耕地,二者面積占總面積的比例為70%左右。其中林地面積占比最大,2010年林地面積占總面積的比例達(dá)45%,2020年林地面積占總面積的比例達(dá)50%。其次為耕地,2010年占總面積的比例達(dá)25%,2020年占總面積的比例達(dá)19%。此外,園地占總面積的比例均在9%以上,說明研究區(qū)以農(nóng)林產(chǎn)業(yè)為主,水域用地充足,隨著周邊學(xué)校、溫泉水上公園、濱海生態(tài)濕地等的建設(shè),公共管理與公共服務(wù)用地、住宅用地、交通運輸用地呈現(xiàn)逐年增加趨勢。

圖4 研究區(qū)2010—2020年土地利用類型面積占比Fig.4 Proportion of land use type area in the study area from 2010 to 2020

2.2 土地利用動態(tài)變化度分析

根據(jù)獲取的2010年和2020年土地利用數(shù)據(jù),通過土地利用動態(tài)變化度公式得到各地類動態(tài)變化度情況,如圖5所示。

圖5 研究區(qū)2010—2020年土地利用動態(tài)變化度Fig.5 Dynamic changes in land use in the study area from 2010 to 2020

從圖5可以看出,水域及水利設(shè)施用地、 公共管理與公共服務(wù)用地、林地、住宅用地、交通運輸用地表現(xiàn)為正向增長。其中公共管理與公共服務(wù)用地變化極為突出,達(dá)到24.62%,呈現(xiàn)明顯的增長趨勢,其次是住宅用地和林地的變化,分別達(dá)到5.55%、1.28%,呈現(xiàn)小幅度的增長趨勢。由于學(xué)校建設(shè)等促使公共管理與公共服務(wù)用地增加,草地、耕地、其他土地、工礦倉儲用地、園地表現(xiàn)為反向增長,其中草地、耕地、其他土地三者的減勢較為明顯,分別為-2.94%、-2.45%、-2.61%。

2.3 地學(xué)信息圖譜及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過地學(xué)信息圖譜可以分析出土地利用變化,主要包括增勢圖譜及減勢圖譜兩種類型。增勢圖譜是指土地利用從其他土地利用類型轉(zhuǎn)移至各個土地利用資源的部分,即土地被使用的新來源。減勢圖譜指不同土地利用資源轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷牟糠?即土地被使用的減少流向[12]。各土地利用類型增加來源及減少流向如圖6所示。

圖6 研究區(qū)2010—2020年地學(xué)信息圖譜Fig.6 Geological information atlas of the study area from 2010 to 2020

借助ArcGIS 10.7模型構(gòu)建技術(shù),獲得各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣,如表1所示。

從表1可知,2010—2020年土地利用各類型面積均發(fā)生了變化,既有增加,也有減少。從整體變化來看,耕地、園地、草地、工礦倉儲用地及其他土地面積減少,其中耕地和園地面積減少較大,分別為262.81 hm2、76.90 hm2。草地、工礦倉儲用地、其他土地減少規(guī)模較小,三者共36.29 hm2。林地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地及水域及水利設(shè)施用地增加,其中林地面積增加較大,為244.81 hm2。住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地及水域水利設(shè)施用地小幅增加,分別為69.68 hm2、10.36 hm2、17.55 hm2、33.60 hm2。

從圖6及表1可知,2010—2020年10年間,耕地主要流向的地類為林地和園地,二者占比76.93%,主要集中在研究區(qū)的中部,主要原因是受到退耕還林政策的影響。園地主要流向的地類為林地和耕地,二者占比90.57%,主要分布在研究區(qū)東南和西北部地區(qū),主要受當(dāng)?shù)厝罕姺N植果園及農(nóng)作物的影響。林地主要流向的地類是耕地、園地及住宅用地,三者占比71.00%,主要分布在研究區(qū)東部地區(qū),雖然當(dāng)?shù)貙嵤┝送烁€林政策,但將林地開墾為耕地的情況依然存在,此外還受到學(xué)校建設(shè)占用林地的影響。草地主要流向的地類為林地,占比81.64%,主要分布在研究區(qū)的西南部地區(qū),在影像分割及目視解譯的過程中容易受到林下草的影響,導(dǎo)致判讀過程中將未成年林地判讀為草地,使得新增草地來源于林地,而當(dāng)樹木生長茂盛時則會出現(xiàn)草地被林木遮蓋的情況,使得影像判讀為林地,出現(xiàn)草地流向林地的情況[13]。工礦倉儲用地主要流向的地類為園地和林地,但整體變化不大。住宅用地主要流向的地類是耕地和林地,二者占比80.36%,主要分布在研究區(qū)的東部地區(qū),存在部分破舊危房拆除后被人們復(fù)墾為耕地等的重新利用。公共管理與公共服務(wù)用地主要流向的地類是交通運輸用地,是為了完善基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)將少部分公共管理與公共服務(wù)用地改建成交通運輸用地,方便人們出行。交通運輸用地主要流向的地類是耕地、園地和林地,三者占比86.82%,主要由西北到東南貫穿整片區(qū)域,主要原因是部分老舊道路被復(fù)墾為耕地、部分轉(zhuǎn)化為園地及林地。水域及水利設(shè)施用地主要流向的地類是耕地和林地,二者占比91.47%,主要分布在研究區(qū)偏東部地區(qū),主要原因是圍湖造田使得部分水域轉(zhuǎn)化為耕地及部分農(nóng)村居民點占據(jù)了原有的坑塘水面。其他土地主要流向的地類是耕地和住宅用地,二者占比74.13%,主要分布在研究區(qū)偏北地區(qū),表現(xiàn)為部分空閑地被復(fù)墾成耕地、林地及園地。

耕地增加來源的主要地類是林地和園地,二者占比81.07%,在研究區(qū)內(nèi)基本均有分布,部分園地在10年間的經(jīng)濟(jì)收益并不理想,從而轉(zhuǎn)變?yōu)楦胤N植其他作物;園地增加來源的主要地類是耕地和林地,二者占比92.73%,主要分布在研究區(qū)中部,受當(dāng)?shù)伛R郎櫻桃文化旅游節(jié)的影響,帶動群眾種植櫻桃等當(dāng)?shù)厮?使耕地流向園地。林地增加來源的主要地類是耕地、園地及草地,三者占比88.43%,在研究區(qū)內(nèi)均有分布,主要受退耕還林政策及林下草的影響。草地增加來源的主要地類是耕地和林地,二者占比91.82%,主要分布在研究區(qū)東部地區(qū),部分耕地由于距離居民地較遠(yuǎn),種植條件較差,久而久之便轉(zhuǎn)化為草地。工礦倉儲用地增加來源的主要地類是林地,整體變化較小。住宅用地增加來源的主要地類是耕地和林地,二者占比85.12%,主要分布在研究區(qū)東部和北部地區(qū),是因為學(xué)校的建設(shè)帶動了周邊村子的發(fā)展,如農(nóng)民新建房屋后,除自己居住外,還將一部分用來作為農(nóng)家樂、賓館、KTV 等進(jìn)行經(jīng)營。公共管理與公共服務(wù)用地增加來源的主要地類是耕地和林地,二者占比95.03%,主要分布在東部地區(qū)是因為學(xué)校建設(shè)占用了部分耕地及林地。交通運輸用地增加來源的主要地類是耕地和林地,二者占比80.72%,主要由西北到東南貫穿整片區(qū)域,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,交通運輸用地面積不斷增加,且未來可能有持續(xù)增加的趨勢。水域及水利設(shè)施用地增加來源的主要地類是耕地,占比71.53%,主要表現(xiàn)在坑塘水面及部分退耕還林還湖促使水域及水利設(shè)施用地面積增加。其他土地增加來源的主要地類是園地、林地及住宅用地,三者占比76.29%,主要分布在研究區(qū)的西南地區(qū),包括耕種條件較差、距離居民地較遠(yuǎn)等原因?qū)е赂鼗膹U及受到天氣等因素影響而退化為其他土地的林地等。

3 討論

如何高效精準(zhǔn)地獲取土地利用數(shù)據(jù)一直是研究的熱點。傳統(tǒng)的獲取方式主要依靠目視解譯,但當(dāng)研究區(qū)域范圍較大時,使用目視解譯往往需要花費較長時間。采用ArcMap 10.7軟件中的影像分割技術(shù)可快速獲取研究區(qū)各土地利用類型的邊界,通過目視解譯及外業(yè)核查方式進(jìn)行核實以確保數(shù)據(jù)精度。通過ArcGIS模型構(gòu)建技術(shù),利用緩沖、相交等空間分析功能可快速制作地學(xué)信息圖譜及轉(zhuǎn)移矩陣,較全面地掌握各地類變化情況及相互間轉(zhuǎn)換的劇烈程度。通過快速評價方法進(jìn)行土地利用變化分析,與以往利用傳統(tǒng)目視解譯方法相比縮短了數(shù)據(jù)獲取時間,提高了數(shù)據(jù)處理分析效率。但在數(shù)據(jù)處理過程中,由于受到同物異譜、同譜異物及林下草等因素的影響,影像分割結(jié)果可能會存在一定的誤差,今后將通過嘗試對比不同的分割方法以便在不同土地利用結(jié)構(gòu)下選擇分割精度更高的方法。

4 結(jié)論

從整體來看,研究區(qū)在2010—2020年各地類既有增加也有減少,用地類型以林地、耕地、水域及水利設(shè)施用地為主,其中2020年耕地總面積相較于2010年呈現(xiàn)大幅減少趨勢,2020年林地總面積相較于2010年呈現(xiàn)大幅增加趨勢。及時準(zhǔn)確掌握土地利用變化情況是加強(qiáng)國土資源管理、切實保護(hù)耕地的必要前提。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的健全完善及人口的不斷增長,受當(dāng)?shù)卣烁€林還草政策的影響,耕地面積發(fā)生變化,出現(xiàn)了大幅減少趨勢,應(yīng)重視保護(hù)耕地。此結(jié)果可為未來研究區(qū)土地利用類型合理布局及可持續(xù)發(fā)展等提供數(shù)據(jù)支持及決策依據(jù)。