鄂北岗地土地利用变化特征研究

孙小舟， 周致远，刘双圆,龚毅帆

(1．湖北文理学院地理系,湖北襄阳 441053；2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)

鄂北岗地土地利用变化特征研究

孙小舟1，2， 周致远1，刘双圆1,龚毅帆1

(1．湖北文理学院地理系,湖北襄阳 441053；2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)

以鄂北岗地为研究区，运用RS技术和GIS技术，使用数学模型计算土地利用变化的特征与空间分布状态，定量揭示2001—2013年土地利用变化状况.结果表明，2001—2013年鄂北岗地土地利用结构稳定性较差，建设用地增加幅度大.就土地利用类型的转化而言，13年中，转入剧烈的是建设用地，转入面积达到84.967 1 km2；转出剧烈的是耕地和林地，分别转出了72.365 4 km2和45.832 5 km2.动态指数计算结果表明，2001—2013年建设用地的年变化率最大，为3.916 8%，耕地最小，绝对值为0.453%.状态指数方面，正值地物为建设用地和水域，说明面积出现增加趋势;而负值地物说明面积呈现减少趋势.

土地利用；空间变化；鄂北岗地

0 引言

土地利用与覆盖的变化反映了自然环境与人类活动之间的关系，深刻地影响着生态与环境安全，对于可持续发展意义重大.研究表明，土地利用与覆盖变化LUCC对区域水循环、气候变化、环境质量、生物多样性以及陆地生态系统的生产力的适应能力的影响深远，是全球变化的主要驱动力之一[1]，是可持续发展的指标之一.

目前，中国的土地利用研究主要集中在全国大尺度[2]，黄土高原地区以及农牧交错带等生态环境脆弱区[3]，自然驱动力与人类比较活跃的各大城市及其边缘地带[4，5]，以及典型土壤地区和热点地区.与之相比，南方地区岗地较多，岗地土地利用变化的研究却较少.鄂北岗地是湖北省重要的农副产品生产基地，我国重要的商品粮供应基地之一，南水北调中线工程的源头，该区域可利用农地宽阔肥沃，人均耕地面积较多，农业生产机械化程度高，区域土地资源的合理开发利用，对于鄂北地区的可持续发展具有现实的意义.

本研究基于RS技术与GIS技术，在ENVI 5.1的支持下，对2001年、2006年、2013年的遥感影像监督分类，获取研究区域内3年的土地利用数据，在ArcGIS 10.2的支持下，运用“重分类”与“栅格计算器”工具，利用遥感影像监督分类数据支持，定量化分析，探讨研究区2001—2013年的土地数量变化特征和空间分布格局，以期为协调区域人地关系，制定科学的土地利用政策和规划提供依据[6].

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

鄂北岗地位于湖北省北部，汉江中游，地域上包括襄州区、樊城区、襄城区、枣阳市、老河口市、丹江口市、宜城市，面积8 416.5 km2.北与河南省南阳盆地相接，南以汉水、苏岭、滚河为界，东连桐柏山、大洪山余脉，西邻武当山脉于桐柏山与伏牛山对峙的南襄隘道，海拔高度在85～160 m，高低落差在10～50 m，是典型的以岗地为主的地形结构[7](图1) .

图1 研究区概况Fig 1The study area overview

1.2 数据来源与处理

研究运用2001年、2006年、2013年3期遥感影像对鄂北岗地的土地变化过程进行分析.由于季节的不同，植物有可能变化，为了保证3期遥感影像解译后结果的比较，3期影像均采用6—7月遥感影像.其中2001年遥感影像为Landsat 7 ETM SLC-on， 2006年遥感影像为Landsat 4-5，2013年遥感影像为Landsat 8 OLI，影像轨道号依次是124/37，124/38，125/37，125/38，空间分辨率为30 m.为了使得影像在同一栅格下进行分析，未对Landsat 7 ETM SLC-on与Landsat 8 OLI做图像融合处理.3期遥感影像云雾覆盖度均小于5%，质量良好，可以满足研究需要.采用阿尔伯斯等积圆锥投影(Albers conical equal area projection).

土地利用分类主要参考中国科学院资源环境科学数据中心的土地资源分类系统，结合鄂北岗地的实际自然条件，将研究区划分为耕地、林地、水域、城乡工矿居民用地(以下简称为建设用地)和未利用土地5大类型.对于3期遥感影像，首先在ENVI 5.1遥感软件的支持下，对影像进行预处理，然后对影像进行监督分类(支持向量机)，运用统计工具计算出研究地物的面积.运用ArcGIS 10.2的“重分类”与“栅格计算器”工具进行空间变化分析，得到研究区数据.

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用类型的年变化趋势和状态指数 对研究区某一土地利用类型而言，分析其空间格局的动态变化趋势，可以引入土地利用类型的变化趋势和状态指数模型：

(1)

(2)

(3)

其中，Vin和Vout分别为T时段内土地利用类型i的转入和转出速度；Δin和Δout分别为其他土地利用类型转变为土地利用类型i的转入量和土地利用类型i转变为其他土地利用类型的转出量；Si，a为研究初期土地利用类型i的面积.Ps越接近于1，表明该地类面积大量增大，呈稳步增加的趋势；越接近于-1，表明面积大量减小，呈逐步萎缩的趋势；越接近于0，表明该地类面积变化趋于平衡[8,9].

1.3.2 土地利用程度综合指数 土地利用程度表征了区域土地利用的广度和深度，土地利用程度及其变化可以定量表达区域土地利用的综合水平.模型表达式为

(4)

其中，I为研究区土地利用程度综合指数；Ai为研究区内第i级土地利用程度分级指数；Ci为研究区内第i级土地利用程度分级面积百分比；n为土地利用程度分级数.在中国资源环境数据库中，刘纪远等[2]从生态学的角度出发，提出土地利用程度分级标准，将土地利用分为4级，其中，未利用地为1级(未利用土地级)，林地、草地、水地为2级(林、草、水用地级)，耕地、园地和人工草地为3级(农业用地级)，城镇、居民点、工矿用地、交通用地为4级(城镇聚落用地级).研究区域不同时段土地利用程度变化值可以表达为

(5)

(6)

其中，Ia,Ib分别为研究初期、研究末期土地利用程度综合指数;Ai为研究区内第i级土地利用程度分级指数;Ci，a,Ci，b分别为研究初期、研究末期区域内第i级土地利用程度分级面积百分比;R为土地利用程度综合指数变化率.若ΔIb-a或者R>0，表明该区域土地利用处于发展期;否者,处于衰退期或者调整期[9].

1.3.3 单一土地利用类型动态度 单一土地利用

类型动态度表征的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为

(7)

其中，K为研究时段内某土地利用类型动态度；Ua,Ub分别为日研究初期、研究末期土地利用类型的数量.K的值就是该研究区某土地利用类型的年变化率[10-12].

2 鄂北岗地土地利用变化分析

2.1 土地利用的基本特征

2001年、2006年、2013年鄂北岗地遥感数据解译表明，耕地是鄂北岗地最主要的土地类型.其中，耕地主要分布在汉江以东地区，林地则主要分布在汉江以西地区，并且分布范围广(图2).在这13年中，耕地和林地面积明显下降，建设用地明显增加，水域变化不大.土地利用综合指数计算结果表明,2001年、2006年和2013年土地利用综合指数依次为288.073 70,291.192 70和295.939 00，变化幅度大，表明鄂北岗地13年中土地利用发展变化较大.其中，ΔI2006-2001=3.119 00,R2006-2001=0.010 83,ΔI2013-2006=4.746 30,R2013-2006=0.016 30，说明在这13年中，鄂北岗地的土地利用处于发展期.从总体上说，鄂北岗地这13年中各地类的面积比例发生了变化，土地结构的稳定性较差.

2.2 土地利用变化的方向和强度

从土地利用类型的数量变化分析(表1)，2001—2013年鄂北岗地建设用地和水域呈现增加的趋势，其余各种类型的土地均呈现减少的趋势.其中，建设用地的增加主要在城镇周边和农村，以及由于道路的修建.出现减少的土地利用类型是林地、耕地和未利用土地，耕地减少44.816 9km2，居3种类型之首.对比分析两个时间段，2006—2013年比2001—2006年的变化幅度大，说明2006—2013年与2001—2006年相比变化剧烈.具体来言，建设用地增加明显，耕地、林地减少幅度比较大，水域的变化不明显.就未利用土地而言，2001—2006年变化幅度较大，2006—2013年变化幅度不大，处在平稳之中.

图2 2001年、2006年、2013年鄂北岗地土地利用类型Fig 2Land use type in 2001,2006,2013 in the north of Hubei Province表1 2001—2013年鄂北岗地土地利用类型面积及变化量(km2)Tab 1Area and variation of land use types in the north of Hubei Province from 2001 to 2013

土地利用类型面积200120062013变化面积2001—20062006—20132001—2013建设用地155417061834878822846667 2807082 4497879 7304961耕 地824532488069484277971558-1758406-2723284-4481690水 域388793738939823913380006045019398025443林 地305815572980912628029622-772431-1779504-2551935未利用地403178120888106399-282290-014489-296779

表2 鄂北岗地2001—2013年土地利用转移矩阵(km2)

Tab 2Land use change matrix from 2001 to 2013 in the north of Hubei Province

表3 鄂北岗地2001—2013年单一土地利用类型的动态变化指标

在ArcGIS 10.2的支持下，对于研究区2001年和2013年的土地利用数据进行重分类与栅格运算，计算出土地利用转移矩阵(表2).

13年中鄂北岗地耕地不断向其他土地利用类型转移，共有72.365 40 km2耕地转化为其他土地类型，其中有61.253 40 km2转化为建设用地，占转出的84.64%,这是由于人口的增加和城市化的原因造成的.12年中共有45.832 50 km2林地转化为了其他土地利用类型，其中有23.637 10 km2转化为建设用地，21.522 00 km2转化为耕地，分别占转出的51.57%和46.96%.13年中，建设用地不断增加，共有84.967 10 km2其他利用类型的土地转化为建设用地，其中耕地61.253 40 km2，林地 23.637 10 km2，分别占转入的72.09%和27.82%.

2.3 土地利用动态变化和趋势分析

13年中土地利用动态度分析计算结果表明(表3)，总体上来说鄂北岗地各地类的年变化率都较小.具体而言，建设用地的递增率最大(3.916 80%)，未利用土地的递减率最大(6.134 00%)，其次是林地和耕地.需要指出的是，上述结果忽略了土地利用类型之间的内在变化，而只反映出单一地类在数量上的变化速度.

状态指数Ps既消除了因不同土地利用类型所占比例不同而带来的影响，又反映了区域土地利用与覆被类型变化的趋势和状态.鄂北岗地土地利用状态指数计算结果表明，建设用地和水域的状态指数为正，转入速度大于转出速度，有规模增加的态势，建设用地转入速度达到了4.555 80%，是转入速度中的最大值.除水域外，其余3种地类状态指数为负，转出速度大于转入速度，有规模减少的趋势.耕地的状态指数为-0.448 56，其转入、转出速度分别为0.278 40%和0.731 40%，转入和转出速度差距较大，林地也出现与耕地类似的情况，状态指数-0.385 81，其转入、转出速度分别为0.553 50%,1.248 90%，转入和转出速度差距较大，表明这两种类型土地减少严重.

3 结论

运用RS技术和GIS技术，通过对鄂北岗地2001年、2006年、2013年的遥感影像在ENVI 5.0软件的支持下监督分类，对研究区2001—2013年土地利用变化状况进行了定量分析，结果表明：

1)2001—2013年鄂北岗地土地利用结构稳定性较差，土地利用发展变化大,13年中处在发展期.研究区内的耕地和林地减少幅度大，建设用地增加显著.

2)13年中，鄂北岗地的建设用地增加幅度大，达到了228.466 67 km2，与2001年比较增加了73.049 61 km2，出现这种现象的主要原因是经济的发展和城市化速度的加快.

3)就土地利用类型的转化来言，13年中转入剧烈的是建设用地，转入面积达到了84.967 10 km2，转出剧烈的是耕地和林地，分别转出了72.365 40 km2和45.832 50 km2.

4)动态指数的计算结果表明，鄂北岗地建设用地的年变化率最大，为3.916 80%；耕地最小，绝对值为0.453 00%.状态指数方面，建设用地和水域的状态指数为正值，其余地类的状态指数为负值，表明建设用地和水域用地面积有增加的趋势，其余地类面积有减少的趋势.

[1] VITOUSEK P M，MOONEY H A，LUBCHENCO J，et al． Human domination of earth’s ecosystems[J].Science，1997，277:494-499．

[2] 刘纪远,匡文慧,张增祥,等.20世纪80年代末以来中国土地利用变化的基本特征与空间格局[J].地理学报,2014,69(1):3-14.

[3] 谢花林,李波.基于logistic回归模型的农牧交错区土地利用变化驱动力分析——以内蒙古翁牛特旗为例[J].地理研究,2008,27(2):294-304.

[4] 梁辰,王诺.基于Logistic回归的沿海经济区建设用地演变驱动因素研究——以大连市新市区为例[J].地理科学,2014，34(5):556-562.

[5] 吴一鸣,石明明.浅析LUCC研究发展方向[J].南方国土资源,2007(2):35-37.

[6] 杨格格,杨艳昭,封志明,等.南方红壤丘陵地区土地利用变化特征——以吉泰盆地为例[J].地理科学进展,2010，29(4):483-488.

[7] 袁本华.鄂北岗地农业经济持续发展战略探讨[J].湖北社会科学,2005(2):55-57.

[8] 仙巍,邵怀勇,周万村.嘉陵江中下游地区近30年土地利用与覆被变化过程研究[J].地理科学进展,2005，24(2):114-121.

[9] 王秀兰,包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展,1999，18(1):81-87.

[10] 朱会义,李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报,2003，58(5):643-650.

[11] 杜灵通.基于遥感技术的银川市土地利用/覆被研究[J].干旱区地理,2007，30(4):585-589.

[12] 刘盛和,何书金.土地利用动态变化的空间分析测算模型[J].自然资源学报,2002，17(5):533-540.

(责任编辑 惠松骐)

The research on the characteristics of land using change in the north of Hubei Province

SUN Xiao-zhou1，2, ZHOU Zhi-yuan1,LIU Shuang-yuan1，GONG Yi-fan1

(1.Department of Geography,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,Hubei,China; 2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China)

In this paper,the north of Hubei Province is chosen as study area,from combining RS and GIS technologies,changes trend of land use and the state of spatial distribution is calculated by the mathematical model,and changes of land use in 2001 to 2013 is given quantitatively.The results show that the using structure stability of the area is poor in 2001—2011,and the construction land in the north of Hubei Province increased rapidly in 2001—2011.For the conversion of land using types during 13 years,the most increasing is construction land,which reaches the area of 84.967 1 km2;the most decreasing is cultivated land and forest land,which reaches the areas of 72.364 5 km2and 45.832 5 km2,respectively.Dynamic index of the calculation results show that the annual rate of changes of construction land of Hubei Province is the largest,which with the value of 3.916 8%,and the arable land is the smallest,the absolute value is 0.453%.As state index,the construction land and water state index are positive,which means the increase of the area;and the rest is negative,which means the decrease of the area.

land using;dynamic change;the north of Hubei Province

2014-05-05;修改稿收到日期:2014-09-23

国家自然科学基金资助项目(41101544);湖北省高等学校优秀中青年创新团队项目(T201314)

孙小舟(1978—)，男，甘肃天水人，副教授，博士.主要研究方向为资源开发与区域发展. E-mail:sxzh11@126.com

F 321.1

A

1001-988Ⅹ(2015)04-0109-05