基于地形梯度的礦業(yè)城市土地利用格局變化特征分析

摘要 以礦業(yè)城市雞西市為例，在RS和GIS支持下，運(yùn)用地形位指數(shù)、分布指數(shù)和土地利用變化圖譜等方法，定量分析礦業(yè)城市土地利用格局的變化特征。結(jié)果表明：受采礦活動(dòng)和城市擴(kuò)張的影響，礦業(yè)城市土地利用類型在不同地形上的分布具有較強(qiáng)烈的差異性；耕地和建設(shè)用地在低地勢區(qū)域的變化頻率較高，且逐漸向高地勢區(qū)域拓展；在中地勢區(qū)域多發(fā)生耕地、林地和草地的交替轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞 土地利用變化；地形梯度；礦業(yè)城市；RS；GIS

中圖分類號 F301；P901 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 0517-6611（2024）13-0055-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of Change Characteristics of Land Use Pattern in Mining City Based on Terrain Gradient—Taking Jixi City as an Example

DONG Lun，YE Xin

（School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science & Technology，Harbin，Heilongjiang 150022）

Abstract Taking Jixi City， a typical mining city as an example， this paper quantitatively analyzed the changing characteristics of land use patterns in mining cities by using the methods of terrain location index， distribution index and land use change map under the support of RS and GIS. The results showed that affected by mining activities and urban expansion， land use types had strong differences in different terrain gradients;arable land and construction land had a high frequency of change in low-lying areas， and gradually expanded to high-lying areas;alternate transformation of arable land， forest land and grassland occurs frequently in topographic areas.

Key words Land use change;Terrain gradient;Mining city;RS;GIS

基金項(xiàng)目 黑龍江省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目（YQ2019D006）；黑龍江省普通本科高校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（UNPYSCT-2020032）。

作者簡介 董倫（1996—），男，黑龍江雞東人，助教，碩士，從事3S技術(shù)集成與應(yīng)用研究。*通信作者，講師，博士，從事土地信息技術(shù)應(yīng)用與地理信息系統(tǒng)研究。

收稿日期 2023-11-30；修回日期 2023-12-25

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地利用格局變化對全球氣候、環(huán)境、生態(tài)等都產(chǎn)生了一定影響［1-2］。地形是影響土地利用格局變化的重要因素之一［2］，對區(qū)域內(nèi)的水、熱、營養(yǎng)起到再分配的作用［3-5］，區(qū)域土地利用的方式和發(fā)展方向在很大程度上也受到了地形的影響［6］。分析土地利用類型的分布與地形梯度之間的相互關(guān)系，對探究城市土地利用格局的空間結(jié)構(gòu)和土地利用類型在不同地形上的分布規(guī)律具有重要作用［4，7-8］。近年來，許多學(xué)者對典型城市不同地形上土地利用的分異特征進(jìn)行了定量研究，分析其內(nèi)在規(guī)律［9-13］，但以礦業(yè)城市為對象的研究比較少見。作為以礦山為主導(dǎo)發(fā)展要素的城市，礦業(yè)城市的地形具有一定特殊性：一方面，采礦活動(dòng)使礦業(yè)城市土地形成了大量采空區(qū)，對區(qū)域地表土地利用變化造成了極大影響［14］；另一方面，大量土地、植被資源遭到礦山占壓和破壞，剝離了煤層上覆巖土層［15］，改變了礦區(qū)原有的地形地貌。因此，從地形的視角研究礦業(yè)城市的土地利用格局演變特征，對后續(xù)礦業(yè)城市的土地利用規(guī)劃和轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要的科學(xué)參考價(jià)值。筆者以典型礦業(yè)城市雞西市為研究區(qū)，在RS和GIS支持下，運(yùn)用地形位指數(shù)、分布指數(shù)和土地利用變化圖譜等方法，定量分析礦業(yè)城市土地利用格局的變化特征和分布特征，探討變化原因，以期為礦業(yè)城市土地利用規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

雞西市位于黑龍江省東南部，市域總面積2.25萬km2，下轄雞冠區(qū)、麻山區(qū)、恒山區(qū)等6個(gè)區(qū)。雞西市地形以山地、丘陵、平原為主，境內(nèi)礦產(chǎn)資源十分豐富，曾經(jīng)在黑龍江省“四大煤城”中位居第一。截至2020年，雞西市煤炭儲(chǔ)存量約為59.12億t。然而，由于礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)和土地資源的濫用，部分合理的景觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境受到破壞，極大影響了區(qū)域地表的土地利用格局。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究數(shù)據(jù)來源于Landsat系列遙感影像，空間分辨率為30 m，其中1990、1998、2009年影像數(shù)據(jù)來源于Landsat 4-5 TM衛(wèi)星，2016、2020年影像數(shù)據(jù)來源于Landsat 8 OLI衛(wèi)星。通過目視解譯方法，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地、草地、未利用地6類。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，用于提取高程和坡度信息。

1.3 研究方法

1.3.1 地形位指數(shù)。

地形和高程作為地形條件會(huì)影響土地利用類型的分布，為體現(xiàn)兩者的綜合影響，將高程與坡度2個(gè)因子進(jìn)行組合，得到地形位指數(shù)（T），以此劃分研究區(qū)的地形梯度［2，16-17］。

T=log［（E+1）（S+1）］（1）

式中：E為任意一點(diǎn)的高程；S為任意一點(diǎn)的坡度；為平均高程；為平均坡度。

1.3.2 分布指數(shù)。

不同地形梯度上的各種土地利用類型的分布情況可以用分布指數(shù)P來表示，見公式（2），它可以消除由于面積比例不同而產(chǎn)生的量綱差異［2，16-17］。當(dāng)P<1時(shí)，表明在此梯度上該土地利用類型呈劣勢分布。

P=（SieSi）/（SeS）（2）

式中：Sie為在e級梯度上第i種土地利用類型分布的面積；Si為第i種土地利用類型的總面積；Se為e級梯度的總面積；S為研究區(qū)的總面積。

1.3.3 土地利用變化圖譜。

土地利用變化圖譜是一種土地利用類型空間結(jié)構(gòu)特征和時(shí)間相結(jié)合的專題地圖，它可以反映出土地利用類型變化的屬性和過程［17-18］。參考相關(guān)研究［19-20］，結(jié)合該研究的實(shí)際情況改進(jìn)得到土地利用變化圖譜Y的計(jì)算公式：

Y=（G1990）×104+（G1998）×103+（G2009）×102+（G2016）×10+G2020（3）

式中，Gn表示為第n期的土地利用柵格屬性值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用格局分布特征分析

將研究區(qū)的地形梯度進(jìn)行分類（表1），其中1～3級為低地勢區(qū)，4～6級為中地勢區(qū)，7～10級為高地勢區(qū)（圖1），從表1來看，研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)為中低地形區(qū)域，其中1～6級面積占比達(dá)到91.39%；7～10級面積占比僅為8.61%，說明研究區(qū)內(nèi)有較少的高地勢區(qū)域。并且土地利用類型分布面積占比隨梯度的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。從圖1來看，研究區(qū)內(nèi)地勢總體上表現(xiàn)為南低北高。

從土地利用類型在地形梯度上的分布情況（圖2）來看，耕地、建設(shè)用地和水域集中分布于低地勢區(qū)域，隨著時(shí)間的增加，耕地和建設(shè)用地的分布指數(shù)減小，在高地勢區(qū)域，這2種類型的分布均有所增加，一方面，由于城市化建設(shè)活動(dòng)的推進(jìn)侵占了部分低地勢區(qū)域的耕地，使耕地向高地勢區(qū)域移動(dòng)；另一方面，隨著人民生活品質(zhì)逐漸提高，增加了對綠色生態(tài)環(huán)境的需求量，減少了單一建設(shè)用地的無序擴(kuò)張［17］，但隨著城市轉(zhuǎn)型發(fā)展工作的需要，建設(shè)用地開始向高地勢區(qū)域擴(kuò)張。林地集中分布于高地勢區(qū)域，1990—2016年退耕還林等保護(hù)環(huán)境的政策使林地的分布指數(shù)持續(xù)增加，2016年起，雞西市轉(zhuǎn)型發(fā)展工作推進(jìn)，城市現(xiàn)代化建設(shè)活動(dòng)使林地的分布指數(shù)減小。草地主要分布在中高地勢區(qū)域。未利用地分布指數(shù)的變化情況相對復(fù)雜，但整體表現(xiàn)為隨著地形梯度的增加呈逐漸下降的趨勢，煤炭資源的開采活動(dòng)和土地復(fù)墾活動(dòng)決定了采煤廢棄地?cái)?shù)量的增加和減少，進(jìn)而影響了未利用地的變化。

2.2 土地利用類型變化特征分析

借助ArcGIS 10.6軟件，采用公式（3）計(jì)算得到土地利用變化圖譜，根據(jù)相關(guān)研究［21］，1990—2020年雞西市的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段，其中1990—1998年為導(dǎo)入期，1999—2008年為成長期，2009—2015年為成熟期，2016—2020年為轉(zhuǎn)型期［17］，基于此劃分結(jié)果，該研究將圖譜分為5種模式，并統(tǒng)計(jì)出各圖譜模式中主要變化圖譜的面積（表2）。

由表2可知，1990—2020年，穩(wěn)定型是研究區(qū)的主要圖譜模式，面積比例為66.91%，其主要變化圖譜類型為“F-F-F-F-F”和“A-A-A-A-A”，說明林地和耕地是雞西市的主要土地利用類型。反復(fù)變化型主要表現(xiàn)為“F-F-A-A-F”和“A-A-F-F-A”，受早期的毀林開荒活動(dòng)和后期的退耕還林政策的綜合影響，部分林地和耕地發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。前期變化型主要為“G-G-A-A-A”和“A-A-C-C-C”，后期變化型主要為“A-A-A-A-C”，反映出為滿足人們生活的需求，部分草地轉(zhuǎn)化為耕地，而由于城市現(xiàn)代化建設(shè)的需要，部分耕地也受到其他土地類型的侵占。持續(xù)變化型面積占比僅為1.27%，以“G-G-F-F-A”變化為主，說明部分原始草地轉(zhuǎn)化為林地后又轉(zhuǎn)化為人們所需要的耕地。

2.3 土地利用類型變化分布特征分析

從主要變化圖譜在不同地形梯度上的分布情況（圖3）可以看出，穩(wěn)定型“F-F-F-F-F”圖譜在高地勢區(qū)域分布較多，“A-A-A-A-A”圖譜在低地勢區(qū)域分布較多，這表明林地和耕地變化的分布嚴(yán)格受到地形的限制；反復(fù)變化型“F-F-A-A-F”和“A-A-F-F-A”優(yōu)勢分布于中地勢區(qū)域，且變化趨勢相同，均表現(xiàn)為先上升后下降；前期變化型“A-A-C-C-C”圖譜主要分布在低地形區(qū)域，“G-G-A-A-A”圖譜主要分布于中地勢區(qū)域；后期變化型“A-A-A-A-C”圖譜優(yōu)勢分布于低地勢區(qū)；持續(xù)變化型“G-G-F-F-A”圖譜主要分布于中地勢區(qū)域。可見，研究區(qū)土地利用類型的變化主要分布于低地勢和中地勢區(qū)域，較少分布于高地勢區(qū)域，隨著礦業(yè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，采礦活動(dòng)和城市建設(shè)活動(dòng)增加，且多發(fā)生在低地勢區(qū)域，對低地勢區(qū)域原有土地類型造成較大影響，使土地變化向其他地勢區(qū)域蔓延，具體表現(xiàn)為林地與耕地在中地勢區(qū)域的相互轉(zhuǎn)化，耕地在低地勢區(qū)域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地以及草地在低地勢區(qū)域轉(zhuǎn)化為耕地。

3 結(jié)論與討論

該研究以雞西市1990、1998、2009、2016和2020年5期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用土地利用變化圖譜、地形位指數(shù)和分布指數(shù)等方法，分析了礦業(yè)城市土地利用格局的變化特征，結(jié)果表明：

（1）土地利用類型在不同地形梯度上的分布具有明顯的差異性。耕地主要分布于低地勢區(qū)域，林地則主要分布于高地勢區(qū)域。建設(shè)用地主要分布于低地勢區(qū)域，說明在礦業(yè)城市中，不僅住宅、商業(yè)等各類城市用地的建設(shè)受地形條件約束，一些煤炭開采、礦物加工等大型生產(chǎn)基地也多集中于地勢平坦區(qū)域［22］。水域主要分布于低地勢區(qū)域。草地主要分布在中高等級地形梯度上，未利用地分布無明顯規(guī)律，這2種土地利用類型的分布受采礦活動(dòng)強(qiáng)度的影響較大。

（2）土地利用類型之間轉(zhuǎn)化的頻率在不同地形梯度上也具有明顯的差異性。在中地勢區(qū)域多發(fā)生耕地和林地的交替轉(zhuǎn)化以及草地向耕地的轉(zhuǎn)化；在低地勢區(qū)域多發(fā)生耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化［17］，且土地利用類型轉(zhuǎn)化現(xiàn)象多出現(xiàn)在2016年之前。1999—2015年，雞西市礦業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步上升，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨著礦產(chǎn)資源開采規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，生態(tài)景觀和地質(zhì)環(huán)境受到嚴(yán)重影響，而中地勢區(qū)域作為耕地和林地優(yōu)勢區(qū)域的交界區(qū)域，容易發(fā)生二者的相互轉(zhuǎn)化，并且為了滿足礦業(yè)生產(chǎn)的需要，新增的城市基礎(chǔ)設(shè)施用地也對其他土地類型造成了干擾和侵占。2016年，雞西市開始進(jìn)入轉(zhuǎn)型期，一方面，隨著礦業(yè)產(chǎn)業(yè)的衰落，采礦活動(dòng)對地表的破壞作用逐漸減弱，政府實(shí)施的土地復(fù)墾等宏觀調(diào)控手段使得部分耕地與林地面積得以恢復(fù)，但另一方面，隨著新的城市建設(shè)活動(dòng)的增加，在低地勢區(qū)依然存在建設(shè)用地侵占耕地的現(xiàn)象。

（3）采煤等礦產(chǎn)資源開發(fā)利用活動(dòng)使得礦業(yè)城市土地利用類型在不同地形梯度上分布的差異性更加明顯。在礦業(yè)城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展中，首先，應(yīng)當(dāng)保護(hù)和合理利用農(nóng)用地，增加林地面積，充分發(fā)揮其生態(tài)效益，節(jié)約集約利用建設(shè)用地，合理配置新增建設(shè)用地；其次，加大礦業(yè)廢棄地整治及復(fù)墾力度，對廢棄地進(jìn)行適宜性評價(jià)和布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對土地的再利用［14］；最后，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的治理，改善生存空間，有助于控制人口流失并吸引外來投資。

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