基于RS和GIS的方正縣土地利用變化分析

李 瑞，杜 崇，劉福全，韓 旭

（黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150080）

0 引言

土地資源是不可再生的寶貴資源，土地作為生產資源是社會可持續發展的至關因素。自20世紀下半葉開始，全世界范圍內的人口急劇增長和人為的高強度生產活動，使得城市化進展加快，人們對土地的利用和管理方式的改變致使土地覆被產生變化，土地利用/覆被變化（Land Use/Cover Change，LUCC）使氣候、地形、土壤、植被和地質也產生變化。

隨著地理信息系統 （Geographic Information System，GIS）和遙感（Remote Sensing，RS）技術的不斷發展，土地利用數據得到持續優化，為土地利用變化的監測與研究提供了技術支撐[1]。范少貞等運用GIS和RS技術，基于主成分回歸分析法對莆田市鳳凰山風景區的LUCC進行定性和定量研究[2]。崔國屹等運用地統計分析法在基于土地利用數據的基礎上，對秦嶺地區生態環境變化過程中的土地利用類型的轉換進行研究[3]。李梅娜等以長江三角洲海岸帶為例，利用Landsat遙感衛星影像，采用監督分類法對研究區土地利用特征和趨勢進行分析[4]。

近些年來，由于我國經濟的不斷發展，城鎮化進展的加劇和不合理的土地利用導致研究區土地退化，生態環境遭到破壞，降低了糧食產量和質量。黑龍江省作為糧食大省，方正縣更是黑龍江省的優質糧食重點產區，所以，以RS和GIS技術對土地利用變化和驅動機制的研究對于修復區域生態系統和保護區域糧食安全具有極為重要的意義。

1 研究區概況

方正縣地處松花江中上游，地理坐標為東經128°13′36″—129°33′23″，北緯45°32′44″—46°09′12″，歸省會城市哈爾濱市管轄，北臨通河縣與依蘭縣，南臨牡丹江，全縣行政面積為2 976km2；方正縣屬于大陸性季風氣候，四季分明。方正縣植被資源十分豐富，其中森林面積達1 915km2，地勢呈從中部向東西兩側逐漸升高，縱觀全勢，呈現由西向東，由南向北傾斜之勢。

2 研究方法

2.1 數據獲取

本研究選取了方正縣2005年、2010年、2015年、2020年四期遙感影像進行解譯，選取的Landsat 4-5 TM傳感器分辨率為30m，Landsat 8 OLI傳感器分辨率為15m，利用ENVI和ArcGIS軟件對下載的四期數據進行幾何校正、圖像配準、掩膜裁剪和監督分類等處理。方正縣的經濟數據來源于哈爾濱市統計局編寫的哈爾濱統計年鑒，借助SPSS軟件完成定量分析。

2.2 分析方法

2.2.1 土地利用變化幅度分析

土地利用幅度的變化代表了土地利用類型面積的變化，定量分析某一時段內土地利用類型面積的變化，能從時間上揭示土地利用結構的變化以及土地利用類型總體數量變化體的特征[5]。計算公式如下：

式中，Rb-a為某一時間段內土地利用類型變化總幅度；Ra和Rb分別為土地利用變化初期和末期的面積。

2.2.2 土地利用動態度

土地利用變化速度常用單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度分析，單一土地利用動態度是表征某一土地利用類型在一段時間內面積變化的趨勢[6]，計算公式如下：

式中，T為年時；Ra和Rb同上；U為某一土地利用類型動態度。

綜合土地利用動態度是表征全部土地利用類型在在一段時間內面積變化的趨勢[7]，計算公式如下：

式中，ΔLRi-j為某段時間內地類i轉移為地類j的面積絕對值；LRi為初期第i類地類面積；T同上；n為土地利用類型的個數；LC為綜合土地利用動態度。

2.2.3 土地利用轉移圖譜

土地利用轉移圖譜是對土地利用轉移的定量描述，能從空間上清晰表達出土地利用類型的轉移[8]，利用GIS技術將2005與2010、2010與2015、2015與2020年土地利用數據分別相交分析，計算公式如下：

式中，N為新生成的土地利用圖譜單元類型；Ma和Mb分別為土地利用變化前期和后期的類型編碼值。

土地利用變化的比例可以量化土地利用圖譜單元的轉移并分析其演變的規律[9]，計算公式如下：

式中，W為變化比例；n同上；Mij為某段時間內地類i轉移為地類j的土地利用圖譜單元面積。

3 數據分析

3.1 土地利用時空動態變化分析

根據方正縣2005、2010、2015和2020年四期土地利用類型資料，得到了四個不同時期的土地利用類型面積（圖1），面積變化量（表1）。

通過表1和圖1分析得出方正縣15年間土地利用類型的變化：

圖1 2005-2020年土地利用類型面積柱狀圖

表1 方正縣各土地利用類型面積變化量

方正縣2005—2020年土地利用類型以林地和耕地為主，其中林地面積最大，林地以有林地和灌木林地為主，大部分分布在東西兩側的山地丘陵地帶，四年間林地占比分別為66.58%、65.33%、65.31%、65.05%。耕地面積次之，耕地主要以平原旱地和水田為主，分布在中部的平原及河流兩側，耕地面積為林地的1/3，四年間耕地占比分別為22.92%、24.61%、24.61%、22.23%。

2005年土地利用類型中林地最多，其面積為1 960.50km2，然后為水域＞草地＞耕地＞未利用地。2010年水域面積變化最大，減幅了55.41km2，而耕地的增幅最大，增加了49.74km2，占比順序為林地＞耕地＞水域＞未利用地＞建設用地＞草地。2015年較2010年各土地利用類型面積相差不大，其中主要土地利用類型還是林地與耕地，面積轉化最大的為水域和林地。2020年各土地利用類型面積變化較大，未利用地面積增幅最大，增加了105.77km2；土地利用結構變化為林地＞耕地＞未利用地＞水域＞草地＞建設用地。

15年間，水域面積一直呈現為較少的趨勢，主要是水庫坑塘和灘地面積減少，面積從2005年的198.92km2降到了2020年的98.11km2，一共減少了112.02km2；由于沼澤地面積的增加，未利用地呈現持續增長的趨勢，2005—2020年一共增加了100.81km2。耕地、林地和草地之間也存在著相互轉化，草地總體呈現增長的趨勢，建設用地的面積變化較為平穩。

3.2 土地利用變化速度分析

由公式1、2計算土地利用動態度，計算結果如表2。

表22005 -2020年方正縣土地利用動態度

由 表3分 析 可 以 看 出，2005—2010、2010—2015和2015—2020的綜合土地利用動態度分別為2.56%、0.03%和3.78%，2010—2015年綜合土地利用動態度最低，說明方正縣整體土地利用變化速率先減小后上升。

從單一土地利用動態度結果來看，2005—2010年未利用地變現為快速增長的趨勢，增長速率為146.15%，其次是建設用地和耕地，增長速率分別為1.68%和1.47%；而水域、草地和林地為減少趨勢，水域減少速率最大，為-5.57%，草地和林地變化速率分別為-3.26%和-0.37%。

表32005 -2020年土地利用變化主要圖譜單元排序表

2010—2015年整體來看各地類呈現緩慢增加和緩慢減少的趨勢，增加速率最大的是草地，為0.32%，其次為未利用地、林地和耕地；建設用地和水域呈現減少的趨勢。2015—2020年各地類變化速度增快，增加速率最大的是建設用地，為35.06%，其次是草地；而水域、耕地、建設用地和林地都為減少的趨勢，水域減少趨勢最為明顯。從15年地類變化整體來看，草地、建設用地和未利用地表現為增加趨勢，水域、林地和耕地表現為減少趨勢。

3.3 土地利用轉移圖譜分析

由公式3構建土地利用圖譜模型，基于ArcGIS10.2軟 件 對2005—2010、2010—2015和2015—2020數據進行合成，得到三個時期土地利用轉移圖譜，如圖2。

圖2 2005-2020年土地利用單元時空轉移圖譜

由公式4、5計算得出2005—2020年土地利用圖譜單元排序和比例變化，結果見表3。2005—2010年土地利用轉移總面積為410.53km2，土地利用類型的轉移也集中在林地、耕地和草地之間，其中林地的變化最為明顯，林地的轉出面積最大。2010—2015年土地利用類型轉移結構發生了變化，各地類轉移較上一階段明顯較少，轉移速度趨于平緩，土類轉移總面積為18.45km2，轉移主要集中在林地、耕地和建設用地。2015—2020年各圖譜單元類型變化較大，土地利用轉移總面積為847.70km2，其中林地、耕地、未利用地和草地之間的轉化進一步擴張，林地仍以轉出為主。

4 結論

（1）方正縣的土地利用類型以林地、耕地和水域為主，其中以林地面積最為突出，四年面積占比分別為66.58%、65.33%、65.31%和65.05%。15年間，草地、建設用地和未利用地面積整體呈增長趨勢，水域、林地和耕地面積整體呈減少趨勢。

（2）2005—2010年土地利用轉移集中在林地、耕地和草地之間，轉移總面積為410.53km2，其中林地的轉移面積最大，以轉出為主，轉出的主要類型為耕地、草地和未利用地。2010—2015年各土地利用類型變化轉移大幅減小，轉移總面積為18.54km2，土類轉移集中在林地、耕地和建設用地之間，主要轉移方向為林地→耕地、耕地→林地和耕地→建設用地。2015—2020年土地利用轉移幅度最大，轉移總面積達847.7km2，土類轉移集中在林地、耕地和未利用地之間，轉移集中在林地→耕地、耕地→林地和耕地→未利用地?！?/p>