張曉祥 , 唐彥君 嚴(yán)長清, , 徐 盼 朱晨曦, , 戴煜暄

(1. 河海大學(xué) 地理信息科學(xué)與工程研究所, 江蘇 南京 210098; 2. 國土資源部海岸帶開發(fā)與保護(hù)重點實驗室,江蘇 南京 210024; 3. 江蘇省土地勘測規(guī)劃院, 江蘇 南京 210024)

土地利用/覆被變化(Land use/cover change,LUCC)研究是可持續(xù)發(fā)展和全球變化研究的重要方法和手段[1-2]。通過近20年的發(fā)展, LUCC研究已形成基于遙感和 GIS的研究范式, 逐步走向土地變化科學(xué)[3-4]。海岸帶作為海洋、陸地和大氣交互作用的區(qū)域, 其環(huán)境具有復(fù)雜性和多變性的特點, 海岸帶土地利用/覆被變化研究對于海岸帶制圖與監(jiān)測[5],分析變化的驅(qū)動力[6], 了解海岸帶歷史變遷[7], 促進(jìn)海岸帶的開發(fā)、利用與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在國際上, 美國海洋與大氣局(NOAA)曾采用遙感和 GIS技術(shù)分析美國太平洋沿岸、大西洋沿岸、墨西哥灣以及五大湖區(qū)的海岸帶變化[8]。文獻(xiàn)[9]分析了新英格蘭南部海岸帶的歷史土地利用變化情況;文獻(xiàn)[5]分析了埃及北部海岸帶土地利用變化情況。國內(nèi), 研究人員也對我國海岸帶地區(qū)土地利用變化進(jìn)行了深入研究, 比較有影響的是對環(huán)渤海區(qū)域的土地利用類型動態(tài)變化的研究[10]。在江蘇海岸帶研究方面, 文獻(xiàn)[11]和[12]分別研究了連云港土地利用變化和江蘇海岸帶的景觀格局變化情況, 文獻(xiàn)[13]和[14]分別對江蘇海岸帶近1 000 a來海岸線的歷史演變和近100 a來沿海灘涂的圍墾進(jìn)行了深入研究。但總的來說, 在利用遙感影像對江蘇海岸帶開展序列土地利用變化方面目前還缺乏系統(tǒng)的研究。本研究選擇整個江蘇海岸帶作為研究區(qū), 在參考美國NOAA海岸變化分析計劃(C-CAP)研究的基礎(chǔ)上,制定了江蘇海岸帶土地利用/覆被變化分類系統(tǒng),利用該地區(qū) 1978年改革開放以來 5期序列遙感影像進(jìn)行遙感分類與變化監(jiān)測, 獲取江蘇海岸帶LUCC信息, 揭示近30 a來江蘇海岸帶土地利用變化的規(guī)律和趨勢。

1 概述

1.1 研究區(qū)概況

江蘇海岸帶地處江淮下游, 在歷史上曾是我國長江和黃河的入?？? 長江和古黃河帶來的大量泥沙造就了本地區(qū)非常特殊的沖積平原地貌, 江蘇海岸帶外側(cè)也發(fā)育了世界罕見的范圍巨大的黃海輻射沙脊群[15]。江蘇海岸帶從北到南超過700 km, 空間范圍介于 119°00′～120°00′E、31°30′～33°30′N, 岸線主要包括砂質(zhì)海岸、基巖質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸, 大部分岸線為淤泥質(zhì)海岸。在行政區(qū)劃上, 一般將江蘇省沿海的連云港市、鹽城市和南通市 3個地級市所轄24個縣(市、區(qū))作為江蘇海岸帶區(qū)域(圖1)。

江蘇海岸帶分布有廣闊的灘涂, 根據(jù)2011年江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評價專項(江蘇 908專項)的調(diào)查[16], 江蘇沿海未圍灘涂總面積 5 001.67 km2(750.25萬畝), 約占全國灘涂總面積的 1/4, 居全國首位, 后備土地資源十分豐富。

圖1 江蘇海岸帶區(qū)位圖Fig.1 The location of Jiangsu coastal area

1.2 遙感數(shù)據(jù)

本研究的土地利用/覆被變化信息主要是通過江蘇海岸帶5期美國Landsat TM遙感影像分類結(jié)果獲得(表 1)。遙感具有同步性好、成本低等特征, 可以快速獲取區(qū)域土地利用變化信息。除遙感數(shù)據(jù)以外,其他數(shù)據(jù)還包括研究區(qū)1∶1萬的土地利用現(xiàn)狀圖、1∶5萬歷史地形圖, 主要用于衛(wèi)星圖像幾何校正。所有的數(shù)據(jù)都采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系和投影系統(tǒng)等空間基準(zhǔn)。

1.3 分類系統(tǒng)

本研究參照了美國 C-CAP 的海岸帶土地覆被分類系統(tǒng)[8]以及我國2008年2月發(fā)布的土地利用分類國家標(biāo)準(zhǔn)——《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2007)[17], 同時結(jié)合研究區(qū)江蘇海岸帶的地理特征,確定了江蘇海岸帶土地利用/覆被類型。表2所示為江蘇海岸帶土地利用/覆被分類系統(tǒng), 主要包括 5個一級類; 考慮到江蘇海岸帶的實際以及便于分析的需要, 我們又區(qū)分為8個二級類。

表1 研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)Tab.1 Data used in the study

表2 江蘇海岸帶土地利用/覆被變化分類系統(tǒng)Tab.2 Land use/cover change classification schema of Jiangsu coastal area.

1.4 研究框架

如圖 2所示為本研究的研究框架, 遵循常見的遙感數(shù)據(jù)處理與分析方法, 主要包括4個部分: 影像預(yù)處理、影像分類、變化檢測、數(shù)據(jù)分析[18-19]。

利用多時相遙感數(shù)據(jù)動態(tài)分析土地利用/覆被變化過程, 需要對原始影像根據(jù)研究的需要進(jìn)行一系列圖像處理工作, 包括幾何糾正、輻射校正、影像鑲嵌和裁剪等。本研究在數(shù)據(jù)整合中, 選用統(tǒng)一的北京1954平面坐標(biāo)系、1956國家高程基準(zhǔn)、高斯-克呂格投影系統(tǒng), 并以江蘇海岸帶 1∶5萬地形圖為基準(zhǔn),結(jié)合地面實測點位, 對1978年Landsat MSS影像以及1990年、2000年、2004年和2007年的Landsat TM影像進(jìn)行像元對像元的幾何精校正。

圖2 研究框架圖Fig.2 Research framework of the study

遙感影像分類是獲取土地利用/覆被變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究首先采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類, 并且結(jié)合1∶5萬地形圖以及其他輔助數(shù)據(jù)提高影像數(shù)據(jù)的分類精度。在本研究中, 1990年、2000年、2004年和2007年4景TM影像分辨率相對較高, 直接采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類。1978年的MSS影像的空間分辨率和光譜分辨率都較低, 地物分類非常容易出現(xiàn)誤分或者混分。針對這些問題, 本研究采用多步驟分層分類法, 將明顯能夠分出來的類別掩模剔除, 降低分類像元的個數(shù)和光譜混淆。對難以區(qū)分的地類, 單獨提取, 選擇盡可能多的訓(xùn)練區(qū), 進(jìn)行細(xì)分類。對于實在無法通過光譜差異分類的像元, 參考1∶5萬地形圖及其他輔助圖件, 進(jìn)行人工交互解譯,通過劃定矢量層, 進(jìn)行合理的歸屬, 對分類結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

變化檢測是通過多期遙感觀測來自動進(jìn)行變化對象的提取的重要步驟[20-21]。在變化檢測技術(shù)上, 本研究采用分類后比較法對江蘇海岸帶不同時相的遙感影像的進(jìn)行變化檢測, 進(jìn)一步得出1978～1990年、1990～2000年、2000～2004年、2004～2007年四個時段的變化統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析是對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析, 目的是從數(shù)據(jù)中提取信息, 以找出所研究對象的內(nèi)在規(guī)律。本研究數(shù)據(jù)分析包括土地利用結(jié)構(gòu)分析及土地利用變化分析。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)圖2所示的研究框架, 可以計算獲取如圖3所示的江蘇海岸帶 1978～2007年的土地利用變化分類結(jié)果。

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

土地利用結(jié)構(gòu)分析主要是分析土地利用類型及覆被狀況, 本研究在獲得土地利用/覆被變化結(jié)果后,計算出研究區(qū)1978～1990年、1990～2000年、2000～2004年和 2004～2007年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣, 得出江蘇海岸帶各類土地利用型面積、比例, 具體如表3所示。

近30年來, 耕地是江蘇海岸帶三個地級市最主要的土地利用類型, 耕地從1978年占比80%以上到2007年占比仍然有70%左右; 而城鎮(zhèn)建設(shè)用地1978年約 1%, 至 2007年城鎮(zhèn)建設(shè)用地的比重已占到研究區(qū)總面積的 3.61%, 農(nóng)村建設(shè)用地已達(dá) 4.11%, 雖然占比總量不大, 但是考慮到城鎮(zhèn)建設(shè)用地基數(shù)較低,實際上城鎮(zhèn)建設(shè)用地一直處于快速增長的狀態(tài); 30年來沿海圍墾不斷加劇, 江蘇沿海土地總面積大量增加, 累計為江蘇沿海增加各類用地總計達(dá)到近1 000 km2, 相當(dāng)于江蘇蘇南地區(qū)一個縣的總面積。在土地資源越來越寶貴的今天, 大規(guī)模的圍墾為江蘇沿海地區(qū)提供了廣闊的發(fā)展空間。

2.2 土地利用變化分析

圖3 江蘇海岸帶遙感分類圖(1978～2007年)Fig.3 Remote sensing classification results of Jiangsu coastal area (1978～2007)

表3 江蘇海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)分析(1978～2007年)Tab.3 The land use structure analysis of Jiangsu coastal area (1978～2007)

土地利用變化分析通過土地利用結(jié)構(gòu)狀況, 主要從變化數(shù)量、變化速率上來分析土地利用變化情況。本研究根據(jù)江蘇海岸帶的土地利用結(jié)構(gòu)情況, 利用空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析, 得出1990～2007年間3個時間段江蘇海岸帶各土地利用類型的變化量以及變化速率, 具體如表4所示。需要說明的是, 由于1978年的遙感數(shù)據(jù)來源為 Landsat MSS數(shù)據(jù), 其分辨率比較低, 分類結(jié)果誤差相對比較大。因此, 為保證研究結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性, 表4沒有將1978～1990年的研究區(qū)間的土地利用變化數(shù)量數(shù)據(jù)和速率數(shù)據(jù)列入。

1990～2000年間, 這一時期的土地利用格局仍以耕地為主, 土地開發(fā)利用程度加大, 未利用地減少顯著, 變化速率大; 2000～2004年, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地的面積增加非常明顯, 至2004年城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積已超過1 000 km2; 2004～2007年, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地等一直在持續(xù)增長, 這一時期耕地減少得比較多, 盡管如此, 耕地仍然是江蘇海岸帶的主要土地利用類型, 仍占70%左右。

3 結(jié)論

本研究通過序列遙感影像分類, 獲取了江蘇海岸帶1978、1990、2000、2004、2007年等5期土地利用/覆被變化信息, 計算分析了江蘇海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)以及土地利用的變化數(shù)量、變化速率, 揭示了江蘇海岸帶地區(qū) 30年來土地利用/土地覆被變化的特征和過程。研究得到以下兩個結(jié)論: (1)從江蘇海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)來看, 江蘇海岸帶土地利用類型以耕地、建設(shè)用地、水域為主, 其中, 耕地占比最大, 該地區(qū)一度占比 80%以上為耕地, 近年來雖然有所減少, 也穩(wěn)定在 70%以上; (2)從江蘇海岸帶土地利用變化來看, 雖然建設(shè)用地占比總量不算大, 但是增長數(shù)量和增長速度驚人, 這主要是由于開發(fā)區(qū)和各類園區(qū)建設(shè), 建設(shè)用地大量增加, 比例也不斷提升,特別地, 沿海地區(qū)新圍墾土地大多為建設(shè)用地。

表4 江蘇海岸帶土地利用類型面積年均變化量及變化速率(1990～2007年)Tab.4 Change amount and change rate of various coastal land use types in Jiangsu (1990～2007)

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