1962—2019年巢湖流域土地利用變化遙感監(jiān)測及驅(qū)動因素分析

熊竹陽 崔力鵬

（安徽省巢湖管理局湖泊生態(tài)環(huán)境研究院，合肥 230071）

0 引 言

土地利用類型是土地利用方式相同的土地資源單元，反映土地用途、性質(zhì)和分布規(guī)律的基本單元。土地利用類型變化與人類社會的經(jīng)濟(jì)增長、生產(chǎn)制造、可持續(xù)發(fā)展等都息息相關(guān)，對生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響[1]，從流域尺度開展土地利用類型變化及驅(qū)動因素分析對流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展影響深遠(yuǎn)[2-3]。開展長時序巢湖流域土地利用類型變化及驅(qū)動因素分析，可為巢湖流域下墊面及河湖水系動態(tài)變化分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，給巢湖流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供參考。

近年來，學(xué)者開展了大量基于遙感影像的土地利用類型變化研究。劉浩等[4]基于30 m Landsat8 遙感影像通過人工目視解譯得到的2010 年與2015 年全國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了流域生態(tài)系統(tǒng)格局變化的驅(qū)動因素；楊應(yīng)贈等[5]使用監(jiān)督分類和人機(jī)交互判讀方法得到赤水河流域1990 年、1999 年、2010 年和2018 年土地利用數(shù)據(jù)，分析了流域28年土地利用變化特征，研究了土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的影響；裴石誠[6]基于長治市近10 年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、長治市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020）調(diào)整方案及統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)得到長治市近10年土地利用變化結(jié)果，得出長治市人地矛盾突出、土地利用率不高的結(jié)論。本文基于1962—2019 年巢湖流域10 期遙感影像，利用人工目視解譯方法，研究近60 年巢湖流域土地利用類型變化及驅(qū)動因素，為巢湖綜合治理、流域保護(hù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1 流域概況

巢湖流域位于安徽省中部，屬長江下游左岸水系，流域范圍介于東經(jīng)117°00'—118°29'、北緯30°56'—32°02'。巢湖流域東瀕長江，西北為江淮分水嶺，東北鄰滁河流域，南與陳瑤湖、菜子湖及皖河流域毗連，流域總面積13 544.7 km2。巢湖流域年平均地表水資源總量為53.6億m3，其中年平均入湖水量34.9億m3。巢湖流域東西長、南北短，有西高東低、中間低洼平坦、形成巢湖盆地的態(tài)勢，屬于江淮丘陵中心地帶（資料來自合肥市水務(wù)局《巢湖岸線保護(hù)與利用規(guī)劃》）。巢湖流域涉及合肥市、六安市、安慶市、蕪湖市、馬鞍山市5市17縣（市、區(qū)）。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)與處理

本文收集了1962—2019 年巢湖流域10 期遙感影像，對原始影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、鑲嵌拼接[7]，以2019年影像為基準(zhǔn)對前9期影像進(jìn)行校正配準(zhǔn)，同時基于巢湖流域范圍界線裁剪影像，得到10期巢湖流域遙感影像。影像數(shù)據(jù)情況如表1 所示，坐標(biāo)系為2000 國家大地坐標(biāo)系。

表1 巢湖流域10期遙感影像數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計表

2.2 研究方法

研究方法包括遙感解譯方法、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動態(tài)度。利用遙感解譯方法生成1962—2019年巢湖流域10 期遙感影像解譯成果，通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動態(tài)度開展土地利用變化分析、土地利用動態(tài)度變化分析和驅(qū)動機(jī)制分析。

2.2.1 遙感解譯方法

基于預(yù)處理后的10期巢湖流域遙感影像，對照土地利用分類系統(tǒng)，利用遙感軟件，以人工目視解譯方法為主，輔助自動解譯，提取和解析影像中包含不同地物圖斑界限，并附類型屬性，最終生成1962—2019 年巢湖流域10 期遙感影像解譯成果，包括矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。從解譯成果中抽取待驗(yàn)證樣本集開展外業(yè)核檢，根據(jù)外業(yè)核檢和調(diào)查結(jié)果進(jìn)行內(nèi)業(yè)圖斑屬性核檢和修改、圖斑邊界吻合度核檢和修改、漏檢圖斑的補(bǔ)充、矢量數(shù)據(jù)的拓?fù)錂z查和修改，整理形成土地利用解譯最終成果。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能定量化不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移情況[8]，利用軟件疊加分析可得到多期巢湖流域影像數(shù)據(jù)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，轉(zhuǎn)移矩陣通用表達(dá)式[9]為：

式中：i,j(i,j= 1,2,…,n)分別為變化前后土地利用類型；n為土地利用類型數(shù)；S為面積，Sij為變化前i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為j類土地利用類型的面積，當(dāng)i=j時，表示該土地利用類型未變化的面積。

2.2.3 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度表示一定時間范圍內(nèi)巢湖流域某一土地利用類型數(shù)量變化情況，可以反映不同土地利用變化的劇烈程度[10]，計算公式[11]為：

式中：U2為變化后某一土地利用類型面積；U1為變化前某一土地利用類型面積；t2-t1為某一土地利用類型變化前后時間長度；U2-U1為t2-t1時間內(nèi)某一土地利用類型變化面積；K為t2-t1時間內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度。

3 結(jié)果和分析

3.1 土地分類結(jié)果

綜合考慮影像分辨率和解譯精度，將1962—2019年影像土地利用類型劃分為耕地、林草及未利用土地、水域、建設(shè)用地4 類，其中林草及未利用土地包括林地、草地、未利用土地，建設(shè)用地包括城鄉(xiāng)居民用地、工礦用地、交通用地?；谕恋乩媒庾g最終成果得到1962—2019年巢湖流域各土地利用類型面積分布情況如表2所示。其中2019年巢湖流域土地利用類型分布和土地利用結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。

圖1 2019年巢湖流域土地利用類型分布和土地利用結(jié)構(gòu)特征圖

表2 1962—2019年巢湖流域各土地利用類型面積分布表km2

從表2 中可以看出，巢湖流域土地利用性質(zhì)主要以耕地為主。建設(shè)用地面積不斷增加，到2019 年面積接近林草及未利用土地。

3.2 土地利用變化分析

基于1962—2019年巢湖流域各土地利用類型面積，利用軟件疊加分析功能，得到巢湖流域近60年各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，如圖2至圖10所示。

圖2 1962—1974年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖3 1974—1981年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖4 1981—1985年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖5 1985—1990年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖6 1990—1995年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖7 1995—2000年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖8 2000—2005年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖9 2005—2010年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

圖10 2010—2019年巢湖流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

1962—1974 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：473.92 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；408.74 km2建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地。

1974—1981 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：299.42 km2水域轉(zhuǎn)為耕地。

1981—1985 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：410.23 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

1985—1990 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：348.98 km2水域轉(zhuǎn)為耕地。

1990—1995 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：301.06 km2耕地轉(zhuǎn)為水域。

1995—2000 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：337.75 km2水域轉(zhuǎn)為耕地。

2000—2005 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：450.59 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；251.65 km2耕地轉(zhuǎn)為水域。

2005—2010 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：793.66 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；519.24 km2耕地轉(zhuǎn)為林草及未利用土地；505.12 km2建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地。

2010—2019 年巢湖流域土地利用類型主要變化為：479.73 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；418.74 km2水域轉(zhuǎn)為耕地；402.15 km2耕地轉(zhuǎn)為水域。

3.3 土地利用動態(tài)度變化分析

根據(jù)土地利用動態(tài)度公式，計算得到1962—2019年巢湖流域各土地利用類型土地利用動態(tài)度，如表3所示。建設(shè)用地動態(tài)度每年均為正值，變化幅度最大，面積逐年增加，其中1981—1985 年動態(tài)度增加7.39%；耕地、水域動態(tài)度每年均為負(fù)值，耕地動態(tài)度絕對值大于水域，面積逐年減少;林草及未利用土地動態(tài)度總體為負(fù)值。

表3 1962—2019年巢湖流域土地利用動態(tài)度（%）

3.4 驅(qū)動機(jī)制分析

土地利用變化驅(qū)動因素包括自然和社會經(jīng)濟(jì)兩個方面[12]，其中社會因素是主要原因，城鎮(zhèn)擴(kuò)張、生態(tài)恢復(fù)、農(nóng)業(yè)開發(fā)是影響巢湖流域土地利用變化的3 個重要因素。研究表明，不同土地利用類型的生態(tài)級別有高低之分，從高到低分別是林地、草地、耕地、建設(shè)用地[13]。根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，計算得到1962—2019年人為影響下巢湖流域生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移方向，如表4 所示。表中轉(zhuǎn)移方向“+”指土地利用類型由低生態(tài)級別向高生態(tài)級別轉(zhuǎn)移，屬于生態(tài)恢復(fù)；“-”指土地利用類型由高生態(tài)級別向低生態(tài)級別轉(zhuǎn)移，屬于生態(tài)退化。

表4 1962—2019年人為影響下巢湖流域生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移方向

1962—2019 年，巢湖流域內(nèi)5 市17 縣（市、區(qū)）GDP 和人口持續(xù)增長，水利工程設(shè)施、建筑設(shè)施不斷建設(shè)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城鎮(zhèn)范圍逐步擴(kuò)張，城鎮(zhèn)擴(kuò)張占用生態(tài)用地面積3 559.92 km2，占受人類活動影響生態(tài)系統(tǒng)變化面積的41.52%；隨著近年來各縣（市、區(qū)）林草地修復(fù)、植被修復(fù)、濕地恢復(fù)等政策的實(shí)施，巢湖流域共恢復(fù)林草及未利用土地面積1 719.07 km2，占受人類活動影響生態(tài)系統(tǒng)變化面積的20.05%；農(nóng)業(yè)是巢湖流域重要產(chǎn)業(yè)，受農(nóng)業(yè)聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制等政策的影響，巢湖流域通過農(nóng)業(yè)開發(fā)形成耕地3 294.7 km2，其中生態(tài)恢復(fù)占20.92%，生態(tài)退化占17.50%。生態(tài)恢復(fù)和農(nóng)業(yè)開發(fā)對巢湖流域土地利用類型變化正向轉(zhuǎn)移比例大于負(fù)向轉(zhuǎn)移比例，產(chǎn)生正向影響。

4 結(jié) 論

通過收集1962—2019 年巢湖流域10 期遙感影像，解譯并分析土地利用數(shù)據(jù)及變化情況，得到以下結(jié)論。

（1）巢湖流域各種土地利用類型面積從大到小依次為耕地、林草及未利用土地、建設(shè)用地、水域。2019年數(shù)據(jù)中，耕地面積占比52%，是巢湖流域主要土地利用類型。

（2）建設(shè)用地動態(tài)度最大，面積逐年增加；耕地、水域面積逐年減少，耕地動態(tài)度絕對值大于水域。

（3）1962—2019 年，城鎮(zhèn)擴(kuò)張是影響土地利用變化的最主要驅(qū)動因素，生態(tài)恢復(fù)、農(nóng)業(yè)開發(fā)也對土地利用變化產(chǎn)生影響，以上3 個驅(qū)動因素分別占受人類活動影響生態(tài)系統(tǒng)變化量的41.52%、20.05%、38.43%。生態(tài)恢復(fù)和農(nóng)業(yè)開發(fā)對土地利用類型變化產(chǎn)生正向影響。