周慧茹,孫曉莉,任秀麗,王 鑫,鄭 毅

(云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院,昆明 652501)

0 引言

土地資源在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活中的作用越來(lái)越重要,但土地資源是有限的,如何合理利用有限的土地資源逐漸成為學(xué)者研究的重點(diǎn)課題之一[1]。隨著人口基數(shù)的不斷增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及生活水平的不斷提高,土地利用面臨著一系列的問(wèn)題,如亂占耕地、水土流失、植被減少、荒漠化、環(huán)境惡化等[2]。怎樣利用好空天地一體化技術(shù),快速精準(zhǔn)地對(duì)土地利用進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及分析,有效提供各類(lèi)土地資源面積及分布情況變得格外重要[3]。本研究以某一區(qū)域?yàn)槔?基于快速評(píng)價(jià)方法進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)變化分析[4],利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及地學(xué)信息圖譜等對(duì)研究區(qū)各地類(lèi)間轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行分析,以期為土地利用可持續(xù)發(fā)展及相關(guān)部門(mén)開(kāi)展研究提供數(shù)據(jù)支撐及決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地跨昆明市呈貢區(qū)和玉溪市澄江縣,位于滇中地區(qū),屬北亞熱帶氣候,受季風(fēng)影響明顯,冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑,總面積約4230.98 hm2[5]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

數(shù)據(jù)來(lái)源:2010年、2020年兩期研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于遙感影像,圖像空間分辨率為0.5 m;行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)來(lái)源于第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理:通過(guò)對(duì)獲取的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像配準(zhǔn)、裁剪等處理,根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010-2017),將研究區(qū)土地利用類(lèi)型劃分為耕地、園地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、其他土地、水域及水利設(shè)施用地等類(lèi)型,按照上述分類(lèi)系統(tǒng),基于ArcGIS10.7軟件對(duì)影像進(jìn)行分割,利用目視解譯、外業(yè)檢核的方式進(jìn)行核查,獲得研究區(qū)2010年和2020年兩期土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Data processing flowchart

圖2 研究區(qū)遙感影像Fig.2 Remote sensing images of the study area

圖3 研究區(qū)土地利用類(lèi)型(影像分割+目視解譯成果)Fig.3 Land use types in the study area(image segmentation + visual interpretation result)

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化度

土地利用動(dòng)態(tài)變化度是用來(lái)定量描述研究區(qū)域某一特定土地利用類(lèi)型在面積和空間上的變化情況及在一段時(shí)間內(nèi)描述這種變化的程度及劇烈程度。土地利用動(dòng)態(tài)變化度計(jì)算模型為[6]:

(1)

式中:K為研究區(qū)在某一研究時(shí)段內(nèi)土地利用單一動(dòng)態(tài)變化度,Sa、Sb分別為研究區(qū)在研究初期及研究末期某一種土地利用類(lèi)型的面積,T為監(jiān)測(cè)時(shí)間段。

1.3.2 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣通過(guò)計(jì)算不同土地利用類(lèi)型之間相互的轉(zhuǎn)移方向及數(shù)量,即描述不同地類(lèi)之間的變化來(lái)源和流向,可以較好地表達(dá)研究區(qū)域某一時(shí)期內(nèi)不同土地利用類(lèi)型相互之間的演變方向及程度,從而揭示土地利用的時(shí)空演化過(guò)程[6-8]。其表達(dá)式為:

(2)

式中:S為研究區(qū)土地總面積,n為土地利用的類(lèi)型數(shù),i,j分別為研究期初期和研究期末期的土地利用類(lèi)型。

1.3.3 地學(xué)信息圖譜

地學(xué)信息圖譜具有表達(dá)地理空間結(jié)構(gòu)特征及時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特征的功能[9]。采用地學(xué)信息圖譜對(duì)土地利用變化進(jìn)行分析,采用GIS和RS技術(shù)獲取土地利用地類(lèi)圖斑數(shù)據(jù)[10],借助ArcGIS的空間分析方法得到研究區(qū)2010—2020年增勢(shì)圖譜和減勢(shì)圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用狀況分析

土地利用狀況往往可以通過(guò)土地利用結(jié)構(gòu)來(lái)評(píng)價(jià)[11],基于ArcGIS 10.7軟件對(duì)2010年、2020年兩期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分割,獲取研究區(qū)土地利用類(lèi)型基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計(jì)算得到不同時(shí)期土地利用類(lèi)型的面積及各地類(lèi)所占的比重。結(jié)果表明:2010年,研究區(qū)耕地、園地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、公共管理與公共服務(wù)用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、其他土地、水域及水利設(shè)施用地、住宅用地的面積分別為1074.26 hm2、463.37 hm2、1906.16 hm2、104.38 hm2、123.82 hm2、4.21 hm2、9.14hm2、19.32hm2、400.68 hm2、125.64 hm2;2020年分別為811.45 hm2、386.47 hm2、2150.98 hm2、73.66 hm2、141.37 hm2、14.56 hm2、8.60 hm2、14.28 hm2、434.29 hm2、195.32 hm2。

2010—2020年,耕地、園地、草地、其他土地及工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地面積減少,林地、水域及水利設(shè)施用地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地、公共管理與公共服務(wù)用地面積增加。受退耕還林政策實(shí)施及住宅用地增加等因素的影響,耕地面積大幅度減少,減少面積達(dá)262.81 hm2;林地面積顯著增加,增加面積達(dá)244.81 hm2。隨著學(xué)校及周邊配套設(shè)施的建設(shè),公共管理與公共服務(wù)用地、交通運(yùn)輸用地及住宅用地增加明顯,共達(dá)97.59 hm2;水域及水利設(shè)施用地小幅度增加,達(dá)33.60 hm2。

根據(jù)圖4可以看出,土地利用類(lèi)型主要為林地和耕地,二者面積占總面積的比例為70%左右。其中林地面積占比最大,2010年林地面積占總面積的比例達(dá)45%,2020年林地面積占總面積的比例達(dá)50%。其次為耕地,2010年占總面積的比例達(dá)25%,2020年占總面積的比例達(dá)19%。此外,園地占總面積的比例均在9%以上,說(shuō)明研究區(qū)以農(nóng)林產(chǎn)業(yè)為主,水域用地充足,隨著周邊學(xué)校、溫泉水上公園、濱海生態(tài)濕地等的建設(shè),公共管理與公共服務(wù)用地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)。

圖4 研究區(qū)2010—2020年土地利用類(lèi)型面積占比Fig.4 Proportion of land use type area in the study area from 2010 to 2020

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)變化度分析

根據(jù)獲取的2010年和2020年土地利用數(shù)據(jù),通過(guò)土地利用動(dòng)態(tài)變化度公式得到各地類(lèi)動(dòng)態(tài)變化度情況,如圖5所示。

圖5 研究區(qū)2010—2020年土地利用動(dòng)態(tài)變化度Fig.5 Dynamic changes in land use in the study area from 2010 to 2020

從圖5可以看出,水域及水利設(shè)施用地、 公共管理與公共服務(wù)用地、林地、住宅用地、交通運(yùn)輸用地表現(xiàn)為正向增長(zhǎng)。其中公共管理與公共服務(wù)用地變化極為突出,達(dá)到24.62%,呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),其次是住宅用地和林地的變化,分別達(dá)到5.55%、1.28%,呈現(xiàn)小幅度的增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于學(xué)校建設(shè)等促使公共管理與公共服務(wù)用地增加,草地、耕地、其他土地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、園地表現(xiàn)為反向增長(zhǎng),其中草地、耕地、其他土地三者的減勢(shì)較為明顯,分別為-2.94%、-2.45%、-2.61%。

2.3 地學(xué)信息圖譜及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過(guò)地學(xué)信息圖譜可以分析出土地利用變化,主要包括增勢(shì)圖譜及減勢(shì)圖譜兩種類(lèi)型。增勢(shì)圖譜是指土地利用從其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移至各個(gè)土地利用資源的部分,即土地被使用的新來(lái)源。減勢(shì)圖譜指不同土地利用資源轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙?lèi)型的部分,即土地被使用的減少流向[12]。各土地利用類(lèi)型增加來(lái)源及減少流向如圖6所示。

圖6 研究區(qū)2010—2020年地學(xué)信息圖譜Fig.6 Geological information atlas of the study area from 2010 to 2020

借助ArcGIS 10.7模型構(gòu)建技術(shù),獲得各土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣,如表1所示。

從表1可知,2010—2020年土地利用各類(lèi)型面積均發(fā)生了變化,既有增加,也有減少。從整體變化來(lái)看,耕地、園地、草地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地及其他土地面積減少,其中耕地和園地面積減少較大,分別為262.81 hm2、76.90 hm2。草地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、其他土地減少規(guī)模較小,三者共36.29 hm2。林地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運(yùn)輸用地及水域及水利設(shè)施用地增加,其中林地面積增加較大,為244.81 hm2。住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運(yùn)輸用地及水域水利設(shè)施用地小幅增加,分別為69.68 hm2、10.36 hm2、17.55 hm2、33.60 hm2。

從圖6及表1可知,2010—2020年10年間,耕地主要流向的地類(lèi)為林地和園地,二者占比76.93%,主要集中在研究區(qū)的中部,主要原因是受到退耕還林政策的影響。園地主要流向的地類(lèi)為林地和耕地,二者占比90.57%,主要分布在研究區(qū)東南和西北部地區(qū),主要受當(dāng)?shù)厝罕姺N植果園及農(nóng)作物的影響。林地主要流向的地類(lèi)是耕地、園地及住宅用地,三者占比71.00%,主要分布在研究區(qū)東部地區(qū),雖然當(dāng)?shù)貙?shí)施了退耕還林政策,但將林地開(kāi)墾為耕地的情況依然存在,此外還受到學(xué)校建設(shè)占用林地的影響。草地主要流向的地類(lèi)為林地,占比81.64%,主要分布在研究區(qū)的西南部地區(qū),在影像分割及目視解譯的過(guò)程中容易受到林下草的影響,導(dǎo)致判讀過(guò)程中將未成年林地判讀為草地,使得新增草地來(lái)源于林地,而當(dāng)樹(shù)木生長(zhǎng)茂盛時(shí)則會(huì)出現(xiàn)草地被林木遮蓋的情況,使得影像判讀為林地,出現(xiàn)草地流向林地的情況[13]。工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地主要流向的地類(lèi)為園地和林地,但整體變化不大。住宅用地主要流向的地類(lèi)是耕地和林地,二者占比80.36%,主要分布在研究區(qū)的東部地區(qū),存在部分破舊危房拆除后被人們復(fù)墾為耕地等的重新利用。公共管理與公共服務(wù)用地主要流向的地類(lèi)是交通運(yùn)輸用地,是為了完善基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)將少部分公共管理與公共服務(wù)用地改建成交通運(yùn)輸用地,方便人們出行。交通運(yùn)輸用地主要流向的地類(lèi)是耕地、園地和林地,三者占比86.82%,主要由西北到東南貫穿整片區(qū)域,主要原因是部分老舊道路被復(fù)墾為耕地、部分轉(zhuǎn)化為園地及林地。水域及水利設(shè)施用地主要流向的地類(lèi)是耕地和林地,二者占比91.47%,主要分布在研究區(qū)偏東部地區(qū),主要原因是圍湖造田使得部分水域轉(zhuǎn)化為耕地及部分農(nóng)村居民點(diǎn)占據(jù)了原有的坑塘水面。其他土地主要流向的地類(lèi)是耕地和住宅用地,二者占比74.13%,主要分布在研究區(qū)偏北地區(qū),表現(xiàn)為部分空閑地被復(fù)墾成耕地、林地及園地。

耕地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是林地和園地,二者占比81.07%,在研究區(qū)內(nèi)基本均有分布,部分園地在10年間的經(jīng)濟(jì)收益并不理想,從而轉(zhuǎn)變?yōu)楦胤N植其他作物;園地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是耕地和林地,二者占比92.73%,主要分布在研究區(qū)中部,受當(dāng)?shù)伛R郎櫻桃文化旅游節(jié)的影響,帶動(dòng)群眾種植櫻桃等當(dāng)?shù)厮?使耕地流向園地。林地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是耕地、園地及草地,三者占比88.43%,在研究區(qū)內(nèi)均有分布,主要受退耕還林政策及林下草的影響。草地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是耕地和林地,二者占比91.82%,主要分布在研究區(qū)東部地區(qū),部分耕地由于距離居民地較遠(yuǎn),種植條件較差,久而久之便轉(zhuǎn)化為草地。工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是林地,整體變化較小。住宅用地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是耕地和林地,二者占比85.12%,主要分布在研究區(qū)東部和北部地區(qū),是因?yàn)閷W(xué)校的建設(shè)帶動(dòng)了周邊村子的發(fā)展,如農(nóng)民新建房屋后,除自己居住外,還將一部分用來(lái)作為農(nóng)家樂(lè)、賓館、KTV 等進(jìn)行經(jīng)營(yíng)。公共管理與公共服務(wù)用地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是耕地和林地,二者占比95.03%,主要分布在東部地區(qū)是因?yàn)閷W(xué)校建設(shè)占用了部分耕地及林地。交通運(yùn)輸用地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是耕地和林地,二者占比80.72%,主要由西北到東南貫穿整片區(qū)域,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,交通運(yùn)輸用地面積不斷增加,且未來(lái)可能有持續(xù)增加的趨勢(shì)。水域及水利設(shè)施用地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是耕地,占比71.53%,主要表現(xiàn)在坑塘水面及部分退耕還林還湖促使水域及水利設(shè)施用地面積增加。其他土地增加來(lái)源的主要地類(lèi)是園地、林地及住宅用地,三者占比76.29%,主要分布在研究區(qū)的西南地區(qū),包括耕種條件較差、距離居民地較遠(yuǎn)等原因?qū)е赂鼗膹U及受到天氣等因素影響而退化為其他土地的林地等。

3 討論

如何高效精準(zhǔn)地獲取土地利用數(shù)據(jù)一直是研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的獲取方式主要依靠目視解譯,但當(dāng)研究區(qū)域范圍較大時(shí),使用目視解譯往往需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。采用ArcMap 10.7軟件中的影像分割技術(shù)可快速獲取研究區(qū)各土地利用類(lèi)型的邊界,通過(guò)目視解譯及外業(yè)核查方式進(jìn)行核實(shí)以確保數(shù)據(jù)精度。通過(guò)ArcGIS模型構(gòu)建技術(shù),利用緩沖、相交等空間分析功能可快速制作地學(xué)信息圖譜及轉(zhuǎn)移矩陣,較全面地掌握各地類(lèi)變化情況及相互間轉(zhuǎn)換的劇烈程度。通過(guò)快速評(píng)價(jià)方法進(jìn)行土地利用變化分析,與以往利用傳統(tǒng)目視解譯方法相比縮短了數(shù)據(jù)獲取時(shí)間,提高了數(shù)據(jù)處理分析效率。但在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,由于受到同物異譜、同譜異物及林下草等因素的影響,影像分割結(jié)果可能會(huì)存在一定的誤差,今后將通過(guò)嘗試對(duì)比不同的分割方法以便在不同土地利用結(jié)構(gòu)下選擇分割精度更高的方法。

4 結(jié)論

從整體來(lái)看,研究區(qū)在2010—2020年各地類(lèi)既有增加也有減少,用地類(lèi)型以林地、耕地、水域及水利設(shè)施用地為主,其中2020年耕地總面積相較于2010年呈現(xiàn)大幅減少趨勢(shì),2020年林地總面積相較于2010年呈現(xiàn)大幅增加趨勢(shì)。及時(shí)準(zhǔn)確掌握土地利用變化情況是加強(qiáng)國(guó)土資源管理、切實(shí)保護(hù)耕地的必要前提。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的健全完善及人口的不斷增長(zhǎng),受當(dāng)?shù)卣烁€林還草政策的影響,耕地面積發(fā)生變化,出現(xiàn)了大幅減少趨勢(shì),應(yīng)重視保護(hù)耕地。此結(jié)果可為未來(lái)研究區(qū)土地利用類(lèi)型合理布局及可持續(xù)發(fā)展等提供數(shù)據(jù)支持及決策依據(jù)。