基于Landsat數(shù)據(jù)的江蘇省土地利用變化分析

摘要：隨著人類社會生活的不斷演變，土地利用模式和土地使用形態(tài)隨之發(fā)生根本性變化。文章以江蘇省為例，通過土地利用動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法，深入研究江蘇省土地利用特征的時空變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，江蘇省耕地、未利用土地面積減少趨勢明顯，大部分轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和坑塘、灘地等用途，草地面積明顯增加。這表明江蘇省在加速城市化步伐的過程中，同步增強了對生態(tài)文明建設(shè)的重視。文章為江蘇省國土空間規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展路徑的探索以及經(jīng)濟生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展貢獻(xiàn)了多元化的思考維度。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù)；土地利用類型；Landsat數(shù)據(jù)

中圖分類號：P237文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

土地是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，土地資源的利用構(gòu)成了人類活動與自然生態(tài)系統(tǒng)間最為直觀的交互界面。它作為土地利用模式一致的資源組合體，是洞察土地功能、屬性及其空間分布法則的基礎(chǔ)構(gòu)成單位^［1-2］。土地利用類型時空變化過程與人類社會的經(jīng)濟增長、地表物質(zhì)循環(huán)、資源可持續(xù)利用以及生物多樣性等密切相關(guān)，對生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響。因此，深入探究土地利用的演變規(guī)律，并據(jù)此制定科學(xué)合理的土地利用規(guī)劃策略，對于緩和人口增長與土地資源有限性之間的沖突，推動可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程具有舉足輕重的意義^［3］。

然而，現(xiàn)階段伴隨社會經(jīng)濟的迅猛推進(jìn)、人口數(shù)量的急劇攀升以及城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進(jìn)程的不斷拓展，人類對土地資源的需求持續(xù)高漲，居住用地規(guī)模日益擴大，這在一定程度上導(dǎo)致土地利用的空間布局發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變。當(dāng)前，非理性的土地利用方式已觸發(fā)一系列環(huán)境危機，包括土壤侵蝕、土地沙化、生物多樣性銳減及生態(tài)系統(tǒng)功能退化。這些問題正成為新時代美麗中國生態(tài)文明建設(shè)征途上的重大挑戰(zhàn)。因此，在生態(tài)優(yōu)先的大趨勢下，迅速且精準(zhǔn)地捕捉土地利用類型的變化信息，深入剖析土地利用與覆蓋的演變，對于土地資源的科學(xué)規(guī)劃、合理管理以及生態(tài)環(huán)境的整體提升，具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義^［4］。然而，傳統(tǒng)的土地利用動態(tài)監(jiān)測方法主要依靠人工野外調(diào)查來發(fā)現(xiàn)變化信息，但該方法變更數(shù)據(jù)獲取速度慢，導(dǎo)致變更數(shù)據(jù)的獲取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于實際變化速度^［5］。遙感技術(shù)以其覆蓋廣泛、時序豐富的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，已成為國家獲取土地資源利用信息的強大工具，助力精準(zhǔn)管理與決策^［6］。

相較于其他監(jiān)測方法，遙感監(jiān)測展現(xiàn)出快速響應(yīng)、高精度及廣泛覆蓋的獨特優(yōu)勢。遙感技術(shù)賦能土地利用動態(tài)監(jiān)測，為國土資源管理領(lǐng)域帶來直觀且精確的信息基石，呈現(xiàn)土地利用的時空變遷。伴隨城市化進(jìn)程的加快與土地資源的日趨緊張，依托遙感衛(wèi)星影像對城市地類進(jìn)行細(xì)致分類與統(tǒng)計，進(jìn)而探究土地覆蓋類型的面積分布，已成為學(xué)術(shù)研究的聚焦點^［7］。這些研究成果不僅能夠深化對當(dāng)前土地利用狀況的認(rèn)知，還可預(yù)見未來土地利用的走向，為土地規(guī)劃提供了堅實的科學(xué)依據(jù)。同時，它們助力決策者謀劃更為科學(xué)合理的土地利用藍(lán)圖，顯著提升了土地管理的效率與品質(zhì)^［8-9］。

依此背景，針對當(dāng)前江蘇省土地利用變化研究中存在的缺陷，本文著手深入分析江蘇省的土地利用變化情況，旨在揭示其內(nèi)在規(guī)律。這不僅夯實了土地資源高效配置與經(jīng)濟生態(tài)和諧共存的理論基礎(chǔ)，而且為政府精準(zhǔn)制定國土空間規(guī)劃策略提供至關(guān)重要的數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇?。?16°21′E～121°56′E，30°45′N～35°08′N），其坐落于中我國的東部沿海地區(qū)，東臨黃海，北接山東，西連安徽，東南與上海、浙江接壤。位于長江與淮河流域之間的江蘇省，蘊含著“吳”、“金陵”、“淮揚”及“中原”四大獨具魅力的文化與地域特色。江蘇省不僅經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，教育事業(yè)也走在前列，文化底蘊深厚，是構(gòu)成長江三角洲經(jīng)濟區(qū)不可或缺的關(guān)鍵部分。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文采用的土地利用相關(guān)數(shù)據(jù)，其來源為中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）。該數(shù)據(jù)主要是通過人工目視解譯，結(jié)合野外實地調(diào)查、測量和采集等方式獲取數(shù)據(jù)資料?；谏鲜龇椒ê图夹g(shù)手段，中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心建立了國家尺度1：10比例尺多時期土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是用來衡量特定地類在特定時間跨度內(nèi)土地類型數(shù)量變遷的指標(biāo)，分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度^［10］。

單一土地利用動態(tài)度被用于闡述給定時間范圍內(nèi)某一特定土地利用類型的變化速率。該方法主要用于對各類土地利用類型進(jìn)行獨立剖析，有效反映單一土地利用類型的年均變化率，其表達(dá)式如式（1）所示：

K=Ub-UaUa×1T×100%（1）

式（1）中，Ua、Ub為研究起始階段及研究結(jié)束階段某種特定土地利用類型的數(shù)量；T為研究時間段的跨度，單位為年。

綜合土地利用動態(tài)度是分析整個研究區(qū)總的土地利用類型變化程度，其值常用LC表示，該方法更側(cè)重于總體分析。其表達(dá)式如（2）所示：

LC=∑ni=1ΔLU_i-j2∑ni=1ΔLU_i×1T×100%（2）

式（2）中，ΔLU_i-j為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對值，ΔLU_i為i類土地利用類型在研究時間范圍起始時間的面積，T為研究時間內(nèi)區(qū)間跨度，單位為年。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，作為馬爾科夫模型在土地利用變化領(lǐng)域的應(yīng)用實例，是通過分析同一地域在不同時期的土地利用現(xiàn)狀變化而構(gòu)建的二維矩陣。該矩陣能夠定量表達(dá)各類土地之間的相互轉(zhuǎn)換情況，直觀展現(xiàn)土地利用類型轉(zhuǎn)換的方向及其數(shù)量變化，為深入理解土地利用動態(tài)提供了有力工具，土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的表達(dá)式如式（3）所示：

式（3）中，A為面積；n為土地利用的類型數(shù)；i、j分別為研究起始階段與結(jié)束階段的土地利用類型。

2 土地利用類型變化分析

2.1 土地利用類型面積變化特征

本文選取2010、2015及2020三期遙感數(shù)據(jù)，時間間隔為5年，依據(jù)中國多時序土地利用/覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類體系，利用ArcGIS軟件將二級分類整合至一級分類，最終確定六大土地利用類別：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)及工礦用地、未利用地。江蘇省2010—2020年的土地利用面積發(fā)生動態(tài)變化，主要涵蓋了上述六大類型。其中，耕地是最為主要的土地利用類型，占比超過江蘇省總面積的60%。建設(shè)用地雖在東部沿海區(qū)域分布較少，卻顯著集中于西部地區(qū)，尤以南京、無錫、蘇州等蘇南城市為核心分布區(qū)。此外，江蘇省水域面積占比達(dá)全省總面積的14%，這些水域分屬于長江與淮河兩大水系。在平原低洼地帶，河流與湖泊相互交織，形成了密集的水網(wǎng)結(jié)構(gòu)，自然分水嶺不明顯，水系的劃分往往依據(jù)自然高地、人工河堤道路以及河流的主流方向來確定。林地主要分布在徐州市、揚州市、南京市等地區(qū)，約占全省用地面積的3%。草地、未利用土地分布比較零散，根據(jù)2015—2020年土地利用類型比重對比分析，江蘇省地區(qū)未利用土地轉(zhuǎn)化為草地，說明江蘇省地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)效果顯著。

2010、2015、2020這三年的土地利用類型面積見表1。由表1可知，研究區(qū)2010—2020年江蘇省主要土地利用類型以耕地、建設(shè)用地以及水域的面積為主，2010年、2015年、2020年平均占比分別為61.31%、20.21%、14.36%，近10年江蘇省土地利用類型的主要結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大的變化，多年的土地利用類型變化保持動態(tài)平衡狀態(tài)，整體表現(xiàn)為耕地、林地和未利用土地的面積減少，水域、草地和建設(shè)用地的面積增加。

2010—2015年，研究區(qū)耕地、未利用土地有下降趨勢，建設(shè)用地有上升趨勢。其中，耕地面積比重由62.05%下降至61.32%，面積減少了753.84 km²；未利用土地面積比重由0.22%下降至0.18%，面積減少了43.74 km²；建設(shè)用地面積比重由19.46%上升至20.30%，面積增加了862.33 km²；林地、草地面積比重下降了0.01%，水域下降了0.05%，幅度較小，基本趨于平緩。2015—2020年，江蘇省的草地、水域、建設(shè)用地面積有所增加，其中建設(shè)用地增加的比重最大，由20.30%增加到20.87%，面積增加了600.15 km²，耕地面積下降趨勢明顯，占比從61.32%下降至60.57%，面積減少了739.99 km²，草地、水域面積略有上漲，基本趨于平緩，林地面積略有減少，從3.02%下降至2.97%。

2.2 土地利用動態(tài)變化特征分析

表2為土地單一動態(tài)度和綜合動態(tài)度統(tǒng)計。由表2可知，從2010年至2020年，未利用土地面積變化速率最為明顯，其單一土地利用動態(tài)度指數(shù)值為-6.19%，這表明未利用土地在這段時間內(nèi)總體面積呈現(xiàn)減少的趨勢，且減少的速度相對較快，這可能與江蘇省持續(xù)推進(jìn)的城市化進(jìn)程有關(guān)。其次是草地土地變化速率和建設(shè)用地土地變化速率比較明顯，分別是3.09%、1.46%，表明草地、建設(shè)用地總體面積呈現(xiàn)增長趨勢，并且增長趨勢較快。因此，在過去10年中，草地和建設(shè)用地的面積都有所增加，且草地的增長趨勢更快。其他類型如耕地、林地面積呈現(xiàn)減少趨勢，其單一土地利用動態(tài)度分別為-0.47%和-0.39%，但由于其變化較小，呈現(xiàn)出的結(jié)果變化不明顯，這意味著這兩種類型的土地面積減少的速度相對較慢。水域的面積變化最小，其單一土地利用動態(tài)度指數(shù)為0.10%，這表明在過去10年中，水域的面積基本保持穩(wěn)定。

此外，由表2可知，江蘇省在2010年—2015年、2015年—2020年兩個時間段的綜合土地利用動態(tài)度分別為0.17%和0.16%。這表明這10年來江蘇省的土地利用強度變化不明顯，基本趨于平緩。結(jié)合江蘇省統(tǒng)計年鑒和公報數(shù)據(jù)，截至2010年年底，江蘇省城鎮(zhèn)人口已經(jīng)達(dá)到4767.6萬人，城市化率提高到60.6%。到2020年，江蘇省常住人口城鎮(zhèn)化率是73.44%，高于全國平均水平近10個百分點。這表明江蘇省在2010年城鎮(zhèn)化率超過60%以后，再次實現(xiàn)了13個百分點以上的提升。由此可知，江蘇省土地利用變化狀態(tài)達(dá)到了一個相對平穩(wěn)的時期，同時，江蘇省在土地管理和利用上注重平衡和可持續(xù)發(fā)展。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移變化特征分析

由表3可知，2010—2015年，江蘇省耕地轉(zhuǎn)出面積約為2264.71 km²，轉(zhuǎn)入面積約為1510.78 km²。由此可知，江蘇省耕地凈減少面積約為753.93 km²，其中耕地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地和水域，分別是1837.11 km²、334.33 km²，但耕地轉(zhuǎn)為草地、林地的面積較少，分別為10.04 km²、80.82 km²，基本沒有向未利用土地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的耕地多用于進(jìn)行現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)以及灘地和坑塘等用途。

林地轉(zhuǎn)出面積約為132.7 km²，轉(zhuǎn)入面積約為120.53 km²，因此，江蘇省林地的凈減少面積約為12.27 km²，林地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地和耕地，轉(zhuǎn)出面積分別約為33.46 km²、82.86 km²，幾乎沒有向草地、水域以及未利用土地進(jìn)行轉(zhuǎn)換；江蘇省建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積大約為1226.94 km²，轉(zhuǎn)入面積大約為2090.8 km²，建設(shè)用地的凈增加面積為863.86 km²，其中建設(shè)用地最多的轉(zhuǎn)出對象是耕地，轉(zhuǎn)出面積為1125.33 km²，轉(zhuǎn)出為林地、水域的面積較小，幾乎沒有轉(zhuǎn)化為草地和未利用土地，轉(zhuǎn)化后的建設(shè)用地多用于進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕種。

江蘇省水域轉(zhuǎn)出面積約為507.68 km²，轉(zhuǎn)入面積約為460 km²，因此，研究區(qū)內(nèi)水域凈減少面積約為47.68 km²，水域轉(zhuǎn)出對象大多為建設(shè)用地和耕地，轉(zhuǎn)出為草地的面積較小，幾乎沒有轉(zhuǎn)換為林地和未利用土地；草地轉(zhuǎn)出面積約為66.39 km²，轉(zhuǎn)入面積約為59.99 km²，草地轉(zhuǎn)出對象面積變化不明顯，其中轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地、耕地、水域的面積較多，幾乎沒有轉(zhuǎn)換為未利用土地和林地；未利用土地轉(zhuǎn)出面積為56.48 km²，轉(zhuǎn)入面積為12.79 km²，未利用土地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地、耕地以及水域，這表明未利用土地，轉(zhuǎn)換面積多用于城鎮(zhèn)建設(shè)、農(nóng)業(yè)耕作以及灘涂、池塘的建設(shè)。

表4為2015—2020年江蘇省土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)。由表4可知，2015—2020年，研究區(qū)內(nèi)耕地轉(zhuǎn)出面積約為2809.74 km²，轉(zhuǎn)入面積約為2069.42 km²，因此，研究區(qū)耕地凈減少面積約為740.32 km²。其中，耕地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地和水域，耕地轉(zhuǎn)為草地、林地的面積較少?；緵]有向未利用土地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的耕地多用于進(jìn)行現(xiàn)代化的城市建設(shè)以及灘地和坑塘等用途。

林地的凈減少面積約為48.53 km²，研究區(qū)內(nèi)林地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地和耕地，幾乎沒有向草地、水域以及未利用土地進(jìn)行轉(zhuǎn)換；研究區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地的凈增加面積為574.71 km²，其最多的轉(zhuǎn)出對象是耕地、水域，轉(zhuǎn)出為草地、林地的面積較小，幾乎沒有轉(zhuǎn)化為未利用土地，轉(zhuǎn)換后的建設(shè)用地多用于進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕種和坑塘灘地的建設(shè)。

江蘇省內(nèi)水域凈增長面積約為94.37 km²，水域轉(zhuǎn)出對象大多為草地、建設(shè)用地和耕地，轉(zhuǎn)出為未利用土地的面積較小，面積約為60.99 km²，幾乎沒有轉(zhuǎn)換為林地；草地凈增加面積約為149.20 km²，草地轉(zhuǎn)出對象大多為耕地和水域，其轉(zhuǎn)出面積分別為83.38 km²、127.85 km²，轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的面積較小，幾乎沒有轉(zhuǎn)換為未利用土地和林地；未利用土地轉(zhuǎn)出面積約為108.62 km²、轉(zhuǎn)入面積約為79.18 km²，未利用土地凈減少面積約為29.44 km²，未利用土地轉(zhuǎn)出對象多為草地、耕地。這表明研究區(qū)在追求社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，也重視生態(tài)經(jīng)濟的平衡，能夠通過有效復(fù)墾部分土地，積極推動生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與改善。

江蘇省在2010—2020年耕地、林地和未開發(fā)土地的轉(zhuǎn)出面積明顯超過了轉(zhuǎn)入面積，呈現(xiàn)一種負(fù)增長的趨勢。這種變化主要體現(xiàn)在土地用途的轉(zhuǎn)變上，大部分土地被轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、水域和草地。這種土地利用的變化反映了江蘇省在過去10年的開發(fā)和建設(shè)重點。隨著城市化的推進(jìn)，大量的耕地和林地被轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，以滿足城市擴張和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求。這一過程無疑加速了江蘇省的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，使得城市人口增加，城市規(guī)模擴大，城市功能更加完善。草地面積的增長也相當(dāng)明顯，這一變化與中國近年來深化改革、大力支持生態(tài)文明建設(shè)的政策導(dǎo)向密切相關(guān)。當(dāng)前，江蘇省迅速響應(yīng)國家綠化倡議，強力推進(jìn)綠化建設(shè)。城市綠地顯著增加，同時綠化項目也廣泛深入農(nóng)村。這些積極舉措不僅大幅提升了江蘇省的綠化覆蓋率，更促進(jìn)了生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展，為民眾創(chuàng)造了更多親近自然的休閑場所，也為生物多樣性的保護(hù)營造了更加優(yōu)越的環(huán)境。

綜上所述，本文通過對江蘇省2010—2020年土地利用變化的分析，可知該省在過去10年的開發(fā)建設(shè)中，主要側(cè)重于城市化發(fā)展，同時注重生態(tài)文明建設(shè)，實現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的雙贏。

3 結(jié)論

江蘇位于中國東部沿海的核心地帶，其發(fā)展動態(tài)一直備受關(guān)注。城市建設(shè)中土地利用的時空演變，對于深入理解城市問題具有關(guān)鍵意義。本文依托2010—2020年的Landsat遙感數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)提取土地利用信息，并運用土地利用動態(tài)度分析、轉(zhuǎn)移矩陣等方法，深入剖析江蘇省土地利用特征的時空變遷情況，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

（1）2010—2015年，江蘇省主要土地類型是耕地，約占江蘇省面積的60%以上，建設(shè)用地主要集中分布在西部，在東部沿海地區(qū)分布較少，江蘇省水域占全省面積的14%，林地約占全省用地面積的3%，草地、未利用土地分布比較零散。

（2）2010—2015年，江蘇省未利用土地總體面積呈現(xiàn)減少的趨勢，草地、建設(shè)用地總體面積呈現(xiàn)增長趨勢，并且增長趨勢較快。其他類型如耕地、林地面積呈現(xiàn)減少趨勢，這可能與江蘇省持續(xù)推進(jìn)的城市化進(jìn)程有關(guān)，其提高了土地的利用率。

（3）2010—2015年，耕地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地和水域，多用于進(jìn)行現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)以及灘地和坑塘等用途，林地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地和耕地，幾乎沒有向草地、水域以及未利用土地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，建設(shè)用地最多的轉(zhuǎn)出對象是耕地，幾乎沒有轉(zhuǎn)化為草地和未利用土地，轉(zhuǎn)化后的建設(shè)用地多用于進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕種，未利用土地轉(zhuǎn)出對象多為建設(shè)用地、耕地以及水域，表明未利用土地，轉(zhuǎn)換面積多用于城鎮(zhèn)建設(shè)、農(nóng)業(yè)耕作以及灘涂、池塘的建設(shè)。

本文為土地資源的合理利用以及經(jīng)濟與生態(tài)的和諧共生提供了多維度的見解和堅實的理論支撐，同時也為政府科學(xué)制定國土空間規(guī)劃貢獻(xiàn)了寶貴的數(shù)據(jù)參考。然而，當(dāng)前研究在探究土地利用動態(tài)變化的影響因素及內(nèi)在動力機制方面尚存不足。因此，未來的研究需進(jìn)一步深化，全面挖掘影響江蘇省土地利用變化的關(guān)鍵因素，以完善這一領(lǐng)域的知識體系。

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（編輯 李春燕）

Analysis of land use change in Jiangsu province based on Landsat data

ZHANG Ling¹， ZHANG Wenhui²

（1.Jiangsu Maritime Institute， Nanjing 211199， China; 2.Taizhou University， Taizhou 225300， China）

Abstract：As human society evolves， the land-use patterns and land-use forms also undergo fundamental changes. This paper adopted land use dynamic attitude， land use transfer matrix and other methods to deeply study the temporal and spatial changes of land use characteristics in Jiangsu province. Through research and analysis， the area of cultivated land and unused land in Jiangsu province decreased significantly， most of which turned to construction land， pits， beaches and other uses， and the area of grassland also increased significantly. The results show that Jiangsu province has simultaneously enhanced the importance of ecological civilization construction in the process of accelerating the pace of urbanization. This study contributes a diversified thinking dimension to the territorial spatial planning， the exploration of sustainable development path and the coordinated development of economic ecology of Jiangsu province.

Key words：remote sensing; land use types; Landsat data