衛(wèi)寶立, 王 琳, 展二鵬

(1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.青島市規(guī)劃局, 山東 青島 266071)

基于RS和GIS的濱州城區(qū)土地利用變化研究

衛(wèi)寶立1, 王 琳1, 展二鵬2

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100; 2.青島市規(guī)劃局,山東青島266071)

[目的] 研究山東省濱州城區(qū)在城市化過程中的土地利用變化規(guī)律，為城區(qū)土地合理規(guī)劃和利用提供參考。 [方法] 以Landsat影像為主要數(shù)據(jù)源，獲取濱州城區(qū)1996—2014年5期土地利用分類信息，引入土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用空間重心，定量分析城區(qū)土地利用時空變化規(guī)律。 [結(jié)果] 1996—2014年，耕地以平均3.63%/a的速率減少，林地、水體和建設(shè)用地表現(xiàn)出增加的趨勢，變化率分別為5.43%/a，0.79%/a和5.70%/a。林地和水體以轉(zhuǎn)出為主變?yōu)檗D(zhuǎn)入量大于轉(zhuǎn)出量，2005—2009年時段林地轉(zhuǎn)入量出現(xiàn)峰值，2001—2005年時段水體轉(zhuǎn)入量達(dá)到峰值。耕地和建設(shè)用地重心分別位于市政廣場的西南側(cè)和東側(cè)，耕地重心往西南方向遠(yuǎn)離市政廣場，建設(shè)用地重心往西遷移逐漸靠近市政廣場。 [結(jié)論] 城區(qū)土地利用變化表現(xiàn)為耕地面積不斷減少，林地和水體面積先減后增，建設(shè)用地面積不斷增加的總體趨勢，土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在耕地和建設(shè)用地之間，林地和水體轉(zhuǎn)移受城區(qū)水利工程和綠化工程實施的影響較大，建設(shè)用地重心遷移與西城區(qū)的開發(fā)建設(shè)密切相關(guān)。

土地利用; 動態(tài)度; 轉(zhuǎn)移矩陣; 空間重心; 遷移

文獻(xiàn)參數(shù)： 衛(wèi)寶立, 王琳, 展二鵬.基于RS和GIS的濱州城區(qū)土地利用變化研究[J].水土保持通報，2017,37(4)：138-142.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.023； Wei Baoli, Wang Lin, Zhan Erpeng. Research on land use changes in central Binzhou city based on RS and GIS[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：138-142.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.023

土地利用是人類對土地自然屬性有目的和有意圖的利用，是自然與社會過程交叉最密切的問題[1-2]。隨著人口、資源和環(huán)境之間的矛盾日益加劇，土地利用/覆被變化作為全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容，受到了越來越多的關(guān)注?；诖耍琁GBP(國際地圈與生物圈計劃)和IHDP(人與環(huán)境計劃)于1995年開始擬定《土地利用/土地覆被變化科學(xué)研究計劃》，提出“土地利用和土地覆被變化”研究計劃，逐漸使其成為全球變化研究的熱點領(lǐng)域[3-6]。土地利用變化特征研究根本目標(biāo)在于深入了解土地利用與土地利用在區(qū)域尺度上的互動與變化[7]。土地利用變化研究有助于了解土地利用變化的原因與機制，在調(diào)整人類社會活動的基礎(chǔ)上，使土地利用更加合理，達(dá)到可持續(xù)利用土地資源的目的。遙感技術(shù)(RS)和地理信息技術(shù)(GIS)為快速、準(zhǔn)確和動態(tài)監(jiān)測土地利用變化提供了有效手段，已成為土地利用變化研究的重要方法。史利江和代晨陽等[8-9]基于RS/GIS技術(shù)對上海市和廈門市的土地利用動態(tài)變化進(jìn)行研究，王佳和張忠輝等[10-11]分析了北京和松原市等地的土地利用景觀格局動態(tài)變化。城區(qū)是土地利用變化最劇烈的地方，越來越多的學(xué)者針對城區(qū)土地利用變化進(jìn)行研究，并取得了一系列的研究成果[12-16]。山東省濱州市近20 a經(jīng)歷了快速城市化過程，城市建設(shè)對城區(qū)土地利用產(chǎn)生了深刻影響。因此，本文以濱州城區(qū)為研究單元，運用RS和GIS技術(shù)，定量分析研究區(qū)土地利用變化的類型、強度和方向，研究濱州城區(qū)在城市化過程中土地利用變化規(guī)律，為城區(qū)土地合理規(guī)劃和利用提供參考。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概述

濱州城區(qū)位于濱城區(qū)，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)117°52′56″—118°4′27″，北緯37°17′27″—37°26′09″，占地總面積178.96 km2，占濱城區(qū)面積的17.21%。城區(qū)分為東城區(qū)、西城區(qū)和開發(fā)區(qū)。研究區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，氣候溫和、四季分明，光照充足，雨熱同期。年平均氣溫為12.5 ℃，年平均降雨量為583.2 mm，年內(nèi)降雨主要集中在汛期(6—9月)，汛期降雨量占年降雨總量的75.6%。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括濱城區(qū)1∶1萬地形圖，Landsat影像、Quickbird影像、Spot5影像和利用GPS的實地調(diào)查數(shù)據(jù)；濱州市城市總體規(guī)劃(2005—2020年)；濱州城區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖(2004年)；濱城區(qū)統(tǒng)計年鑒。其中，Landsat遙感影像用于土地利用分類，包括1996，2001，2005，2009和2014年5個年份的遙感影像，通過對比選取云量和降水干擾很少的共15幅遙感影像用于研究區(qū)土地利用分類。數(shù)據(jù)處理軟件包括ArcGIS 9.3，ENVI 5.1。

2 研究方法

2.1 土地利用分類

利用ENVI 5.1和ArcGIS 9.3軟件，以地物光譜特征和現(xiàn)場調(diào)查分析為依據(jù)，采用分層分類法[17,18]進(jìn)行土地利用分類。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB-T21010-2007)》分類體系，參考濱州城區(qū)土地利用特征，將城區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、水體和建設(shè)用地共4個一級類別。最終得到濱州城區(qū)土地利用分類結(jié)果如附圖3所示。經(jīng)過精度檢驗，1996，2001，2005，2009和2014年5期分類圖的總體精度分別為91.15%，93.22%，92.83%，90.15%和93.66%，可滿足本研究精度要求。

2.2 土地利用變化指數(shù)

2.2.1 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度是指一定時間內(nèi)，某種土地利用類型的數(shù)量變化情況。動態(tài)度可反映土地利用變化的劇烈程度，對于未來土地利用變化趨勢預(yù)測具有積極作用[19]。其計算公式為：

(1)

式中：K——研究時段內(nèi)某用地類型動態(tài)度；Ua——研究期初某用地類型面積；Ub——研究期末某用地類型面積；T——研究時間跨度。

2.2.2 轉(zhuǎn)移矩陣 轉(zhuǎn)移矩陣可從結(jié)構(gòu)分析的角度全面描述研究區(qū)土地利用變化的特征和各用地類型的變化方向，它不但反映靜態(tài)的某時間點的各地類面積數(shù)據(jù)，而且包含期初各地類轉(zhuǎn)出和期末各地類轉(zhuǎn)入信息。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的形式為[20]：

(2)

式中：S——面積；i，j(i,j=1,2,…,n)——轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型；Sij——土地利用從類型i變化為j的面積；n——轉(zhuǎn)移前后土地利用類型數(shù)。

2.2.3 土地利用空間重心遷移 土地利用類型重心的遷移可以反映研究區(qū)土地利用變化的總體特征，各用地類型重心計算方法如下：

(3)

(4)

式中：X，Y——某用地類型重心坐標(biāo)；Ci——該用地類型第i個斑塊面積；Xi，Yi——第i個斑塊的重心坐標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化基本特征及動態(tài)度分析

統(tǒng)計研究區(qū)5期土地利用數(shù)據(jù)，得到1996,2001,2005,2009和2014年研究區(qū)耕地、林地、水體和建設(shè)用地4種用地類型的面積(如表1和圖1所示)。

表1 研究區(qū)各期土地利用統(tǒng)計

研究區(qū)土地利用構(gòu)成以耕地和建設(shè)用地為主，以1996年為例，耕地和林地面積占比分別為59.21%和33.19%，兩種用地占總面積的92.40%，林地和水體僅占7.60%。如圖2所示，城區(qū)土地利用變化表現(xiàn)為耕地面積不斷減少，林地和水體先減后增，建設(shè)用地面積不斷增加的總體趨勢。從土地利用變化數(shù)量上來看，耕地變化量最大，研究時段內(nèi)減少了69.22 km2，占研究區(qū)比例由59.21%減少到20.56%；建設(shè)用地變化量僅次于耕地，研究時段內(nèi)增加了60.96 km2，面積占比由33.19%增加到67.27%；林地面積增加，由1996年的7.46 km2增加到14.76 km2，所占比例由4.17%變?yōu)?.25%；水體變化較小，增加了0.87 km2，所占比例由3.43%增加到3.99%。耕地年平均減少最大量出現(xiàn)在2009—2014時段，年均減少5.43 km2，年均減少量排在第2—4位的依次是2005—2009，2001—2005，1996—2001時段。建設(shè)用地2009—2014時段內(nèi)年均增加量最大，為5.39 km2/a，與耕地年均減少最大量出現(xiàn)在同一時段，年增加量處于第2位的是1996—2001年時段，為3.63 km2/a，說明2009—2014年時段是城市擴(kuò)張速度最快的時段，且遠(yuǎn)高于其他3個階段。水體在1996—2001時段年均減少0.44 km2，2001—2005，2005—2009時段年均增加分別為0.43和0.37 km2，2009—2014時段水體面積小幅減少。林地面積變化與水體有相似的規(guī)律，1996—2001時段林地面積減少，2001—2005，2005—2009時段林地面積增加，2009—2014時段林地面積基本不變。

圖1 研究區(qū)各期土地利用類型柱狀圖

根據(jù)公式(1)計算研究區(qū)4個時段內(nèi)土地利用變化動態(tài)度(表2)，對比分析不同時段土地利用變化速度。從土地利用動態(tài)度來看，1996—2014年，耕地以平均3.63%/a的速率減少，林地、水體和建設(shè)用地表現(xiàn)出增加的趨勢，變化率分別為5.43%/a，0.79%/a和5.70%/a。耕地面積減少速率逐漸增加，由1996—2001時段的-2.88%/a變?yōu)?009—2014時段的-8.49%/a，主要有2個原因，耕地不斷轉(zhuǎn)出導(dǎo)致耕地基數(shù)減少，另外，隨著城市不斷擴(kuò)張，耕地轉(zhuǎn)為其他用地的量也在增加。林地1996—2001年減少速率為1.91%/a，2005—2009時段變化率最大，達(dá)到了15.95%/a，2009—2014時段林地增速放緩。水體增速最快的時段是2001—2005年，該時段是水利工程建設(shè)的初始階段，表明水利工程建設(shè)在水體恢復(fù)中的作用顯著，2005—2009時段水體面積增速放慢，到2009—2014年，水體面積有緩慢的減少，表明這一時段水體面積基本穩(wěn)定，受蒸發(fā)、用水等影響會有一些變化。

表2 研究區(qū)土地利用變化動態(tài)度

3.2 土地利用變化過程分析

將5期土地利用圖輸入ENVI 5.1，計算不同時段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果詳見表3。分析不同時段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，得到城區(qū)土地利用類型變化規(guī)律：耕地在1996—2001年轉(zhuǎn)出面積為34.22 km2，轉(zhuǎn)出去向主要以建設(shè)用地為主，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地面積占耕地轉(zhuǎn)出面積的82.90%，東城區(qū)周邊耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地，建設(shè)用地向四周蔓延是這一階段的主要特征；其他用地轉(zhuǎn)入耕地的面積為18.97 km2，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入耕地面積占比為64.73%，主要位于東城區(qū)以北和東北方向。農(nóng)村居民點歸并和整理是建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地的原因，另外，耕地和建設(shè)用地交界范圍廣，有一部分轉(zhuǎn)移量由轉(zhuǎn)移分析誤差所致。2001—2005年，耕地轉(zhuǎn)出面積為33.56 km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的比例為75.01%，主要以大斑塊分布在東城區(qū)西側(cè)，耕地轉(zhuǎn)移為水體，出現(xiàn)了“中?！焙汀澳虾！眱蓚€大型水體，西城區(qū)開發(fā)和水利工程的建設(shè)是造成這一現(xiàn)象的原因，轉(zhuǎn)為林地部分以小斑塊分散在整個研究區(qū)。2005—2009年耕地轉(zhuǎn)為林地的面積增加，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積減少，耕地轉(zhuǎn)出面積為29.19 km2，轉(zhuǎn)為林地和建設(shè)用地的比例分別為33.73%和62.24%。2009—2014年耕地轉(zhuǎn)出面積為37.44 km2，林地和建設(shè)用地占比分別為23.42%和72.49%。

林地在1996—2001年主要與耕地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出，林地轉(zhuǎn)出面積為6.22 km2，其中有84.26%轉(zhuǎn)為耕地，轉(zhuǎn)為耕地的部分以小斑塊零散的分布于研究區(qū)西南部；林地轉(zhuǎn)入總面積為5.51 km2，耕地轉(zhuǎn)入量占比為85.87%，主要分布于東城區(qū)周邊，少量分布于西南部。2001—2005年，林地主要轉(zhuǎn)出為耕地和建設(shè)用地，兩者分別占林地轉(zhuǎn)出總面積的59.50%和37.72%，林地轉(zhuǎn)為耕地主要發(fā)生在研究區(qū)南部和東部，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地出現(xiàn)在東城區(qū)周邊；轉(zhuǎn)入林地的總面積為7.56 km2，耕地占78.73%，在西城區(qū)內(nèi)部和周邊出現(xiàn)較大的林地斑塊，西城區(qū)的綠化占用耕地。建設(shè)用地轉(zhuǎn)為林地出現(xiàn)在新立河和環(huán)城河沿線，由河道綠化引起。2005—2009年，林地轉(zhuǎn)出總面積為5.34 km2，轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地的比例分別為59.85%和39.19%，轉(zhuǎn)為耕地部分分布在西北部和西南部，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地部分在東城區(qū)周圍。2009—2014時段，林地轉(zhuǎn)為其他用地的總面積為10.01 km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積超過耕地，占比分別為54.15%和44.46%；林地轉(zhuǎn)入面積為10.25 km2，耕地轉(zhuǎn)入面積占比85.59%，分布在研究區(qū)周邊，在西南部較為集中。

水體在1996—2001年轉(zhuǎn)出總面積為3.57 km2，轉(zhuǎn)出水體的主要去向為建設(shè)用地，占比為51.92%，轉(zhuǎn)為耕地部分占比為40.35%，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的水體位于東城區(qū)周邊，主要為小面積水體，轉(zhuǎn)為林地的水體主要位于東城區(qū)西北方向；水體轉(zhuǎn)入面積為1.39 km2，耕地轉(zhuǎn)入量占比為80.73%。2001—2005年水體轉(zhuǎn)出面積為2.00 km2，主要去向為耕地和建設(shè)用地，占比分別為54.21%和42.45%；耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水體，出現(xiàn)了四環(huán)河、新立河、“中?！焙汀澳虾！钡人w，該階段水體變化主要特點是小面積分散的水體大量減少，這與西城區(qū)建設(shè)占用水體有關(guān)。2005—2009年，水體轉(zhuǎn)出為其他用地的面積較小，轉(zhuǎn)出總面積為1.52 km2，分布在水體周邊，主要由水位變化和配準(zhǔn)誤差導(dǎo)致；水體轉(zhuǎn)入面積為2.97 km2，耕地和建設(shè)用地分別占39.53%和58.75%，耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)為大面積的水體斑塊，增加了白蓮湖、白鷺湖、彩虹湖和太陽湖等水體。2009—2014年，水體轉(zhuǎn)出去向主要是建設(shè)用地，水體轉(zhuǎn)出面積2.52 km2，建設(shè)用地占88.09%，主要分布在大型水體周邊，由水位下降引起；水體主要由耕地轉(zhuǎn)移而來，“南?！睎|側(cè)的耕地轉(zhuǎn)為水體。

建設(shè)用地在1996—2001年轉(zhuǎn)出總面積為13.04 km2，主要去向為耕地；建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積為31.18 km2，其中耕地轉(zhuǎn)入28.37 km2，占比90.99%。2001—2005年建設(shè)用地轉(zhuǎn)出19.06 km2，按轉(zhuǎn)移量排序為耕地、林地和水體；轉(zhuǎn)入28.07 km2，其中耕地轉(zhuǎn)入占比89.67%。2005—2009年建設(shè)用地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入量均有所減少，分別為13.92，20.80 km2，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出以耕地為主。2009—2014年，建設(shè)用地轉(zhuǎn)出量減少，而轉(zhuǎn)入量明顯增加，分別為7.84和34.78 km2，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出仍以耕地為主。

表3 不同時段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.3 土地利用空間變化特征

根據(jù)以上分析可知，研究區(qū)土地利用主要由耕地和建設(shè)用地構(gòu)成，而土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在兩種用地之間，因此利用ArcGIS軟件根據(jù)公式(3)—(4)計算不同年份耕地和建設(shè)用地的空間重心，輸出兩種土地利用類型空間重心分布圖。耕地和建設(shè)用地分別位于市政廣場西南側(cè)和東側(cè)。研究時段內(nèi)，耕地重心往西南方向遠(yuǎn)離市政廣場，建設(shè)用地重心向西遷移，逐漸靠近市政廣場。1996年，建設(shè)用地主要集中在研究區(qū)東部的東城區(qū)，到2001年，建設(shè)用地向東城區(qū)周邊擴(kuò)張，同時東城區(qū)以西建設(shè)用地面積增加，2005年位于東城區(qū)以西的西城區(qū)初具規(guī)模，2005—2014年西城區(qū)面積不斷增加，導(dǎo)致建設(shè)用地重心不斷向西遷移。

4 結(jié) 論

(1) 1996—2014年，城區(qū)土地利用變化表現(xiàn)為耕地面積不斷減少，林地和水體先減后增，建設(shè)用地面積不斷增加的總體趨勢。耕地以平均3.63%/a的速率減少，林地、水體和建設(shè)用地表現(xiàn)為增加的趨勢，變化率分別為5.43%/a，0.79%/a和5.70%/a。

(2) 耕地不斷轉(zhuǎn)出為其他用地，耕地轉(zhuǎn)出量遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)入量；其他用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積遠(yuǎn)高于建設(shè)用地轉(zhuǎn)出量；林地和水體的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出受重點工程實施影響較大，隨著城區(qū)水利工程和綠化工程的開展，林地和水體以原來的轉(zhuǎn)出為主變?yōu)檗D(zhuǎn)入量大于轉(zhuǎn)出量，2005—2009年林地轉(zhuǎn)入量出現(xiàn)峰值，2001—2005年水體轉(zhuǎn)入量出現(xiàn)峰值。

(3) 耕地和建設(shè)用地重心分別位于市政廣場的西南側(cè)和東側(cè)，耕地重心往西南方向遠(yuǎn)離市政廣場，建設(shè)用地重心往西遷移逐漸靠近市政廣場。建設(shè)用地重心往西遷移與西城區(qū)的開發(fā)建設(shè)密切相關(guān)。

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Research on Land Use Changes in Central Binzhou City Based on RS and GIS

WEI Baoli, WANG Lin1, ZHAN Erpeng2

(1.Ocean University of China, College of Environmental Science and Engineering, Qingdao, Shandong 266100， China; 2.Qingdao Municipal Urban Planning Commission, Qingdao, Shandong 266071， China)

[Objective] The aim of this research was to examine the characteristics of land use change in central Binzhou City of Shandong Province so as to provide reference for the proper land planning and utilization. [Methods] Based on the Landsat images from 1996 to 2014, dynamic index, conversion matrix and spatial center of land use were used to quantitatively analyze the spatial-temporal change trend of land use in central area of Binzhou City. [Results] From 1996 to 2014, the average decrease rate of cropland was 3.63%/a, the increase rates of forestland, water body and construction land were 5.43%/a, 0.79%/a and 5.70%/a. The transferred-in area of forestland and water body was more than the transferred-out area. The transferred-in area of forestland reached the peak value in the period of 2005 to 2009, the transferred-in area of water body peaked in the period of 2001 to 2005. The spatial centers of cropland and construction land were respectively located on the southwest side and east side of the city square. The spatial center of cropland was moving away from city square toward the southwestern part. The spatial center of construction land was moving west toward the city square. [Conclusion] Cropland area decreased constantly, forestland and water body area decreased in the beginning and then increased, construction land area increased constantly in the central city. The major trend of land use change was the transfer from cropland to construction land. The implementations of hydraulic engineering and landscape engineering had great impacts on the transfers of forestland and water body. The spatial center movement of construction land was closely related to the development and construction of west urban area.

landuse;dynamicindex;conversionmatrix;spatialcenter;movement

A

： 1000-288X(2017)04-0138-05

： F301.24

2016-11-28

：2016-12-13

山東省省級水利科研項目“基于地理信息技術(shù)城市雨水綜合利用研究”(SDSLKY201312); 山東省氣象科學(xué)技術(shù)研究項目“基于遙感技術(shù)濱州熱島效應(yīng)及水體溫度調(diào)控作用研究”(2016SDQXM20)

衛(wèi)寶立(1988—),男(漢族),山東省臨沂市人,博士研究生,研究方向為遙感與GIS技術(shù)應(yīng)用、水資源利用與規(guī)劃。E-mail:weibaoli10@126.com。

王琳(1966—),女(漢族),黑龍江省哈爾濱市人,博士,教授,主要從事水資源利用與規(guī)劃方面的研究。E-mail:lwangouc@126.com。