基于RS与GIS的黄冈市土地利用时空变化分析

汪宏晨　李畅　王清

摘要：以黄冈市为研究区域，利用RS和GIS技术对 Landsa5 TM影像进行处理。采用监督分类方法提取了黄冈市2001年和2009年两期土地利用信息，生成土地利用类型转置矩阵，应用单一土地利用动态度和综合土地利用动态度模型分析土地利用类型的时空变化规律，并对黄冈市土地利用的未来时空变化的趋势进行了预测。结果表明，9年间黄冈市耕地、建设用地和其他类型一直处于增长趋势，耕地和建设用地增幅较大，其他类型增幅较小；林地、裸地和水体面积处于下降趋势，其中林地下降最快，其次是裸地，而水体下降较小。黄冈市各土地利用类型总变化面积大小为：其他类型>耕地>建设用地>>裸地>林地>水体>沙洲，沙洲、耕地和林地的变化速度快，其他3种类型的变化速度相对较慢；沙洲、裸地和水体的年变化率较大，其中沙洲最大。

关键词：黄冈市；TM影像；土地利用结构；时空变化

中图分类号：F301.24 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）19-4709-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.013

Abstract： By processesing landsat5 TM images of Huanggang city with RS and GIS technology， the land use information of Huang gang in the year 2001 and 2009 was extracted by supervised classification. Spatio-temporal variation rules were explored by counting area and building change matrix. Through calculating discrete land use dynamic degree and integrated land use dynamic degree， the future change tendency of land use structure in Huanggang city was forecasted. The results showed that area of cultivated land， building land and other land in Huanggang city increased in the last 9 years； and the increasing amplitude of cultivated land and building land was larger than the others. Area of forest land， bare land and water body decreased in the past 8 years； and the reducing speed of forest land was the highest among them， followed by bare land， while the water just decreased a little. In addition， the absolute change area of land use types ranked as otherland >cultivated land>building>bare land>forest land>water body>sandbar. Change speed of sandbar， cultivated land and forest land was higer than the others； and the annual change rate of sandbar， bare land and water body was all comparatively higher， among which sandbar was the highest.

Keywords： Huanggang City； TM image； landuse structure； spatio-temporal variation

土地是人类赖以生存的基础。土地利用的变化不仅改变了自然景观面貌，而且对气候、土壤、水资源等均会产生深刻影响。同时，土地利用变化过程蕴涵了大量人类活动的信息，开展土地利用变化研究对揭示区域人地关系演变规律具有重要意义[1]。利用遥感影像、遥感软件和GIS技术对这一问题的研究得到了长足发展，摆脱了传统方法（需要耗费大量人力、物力去实地收集数据，然后统计分析）的桎梏，节省了大量的人力、物力和时间，使研究的手段更加多元化、规范化和定量化。同时使研究者能及时地掌握土地利用发展过程中新的、具体的、细微的变化信息，进行合理规划和科学的引导。国内外利用这一技术做了大量卓有成效的工作。

近年来黄冈地区经济得到迅猛发展，但是在经济发展的同时也对“山水城市”黄冈的环境造成了许多的负面效应，其中土地利用手段粗放导致土地质量下降是其中一个重要表现。因此，本研究对黄冈地区行政边界内的土地利用类型，应用ERDAS软件和黄冈市遥感影像，并充分利用现代科技对空间信息的整体把握和综合分析，深入探讨了黄冈市2001～2009年土地转换的方向及原因，提出相关建设性的意见，为黄冈市的土地利用提供借鉴，对今后黄冈市土地合理规划有一定的实用价值。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

黄冈市地处湖北省东部，大别山南麓，长江中游北岸，位于东经114°25′-116°8′，北纬29°45′-31°35′。下辖黄州区和红安、罗田、英山、浠水、蕲春、黄梅、团风7个县以及一个县级龙感湖农场，代管武穴、麻城两个县级市，版图面积17 429 km2，总人口约743万。北部和东部为大别山低山丘陵区，海拔500～800 m；中部为海拔100～250 m的丘陵岗地；南部为长江冲积平原。

1.2 数据来源及预处理

本研究采用的数据主要是从国际科学数据平台上下载的30 m分辨率的美国陆地资源卫星Landsat5 的多波段光谱影像，条带号为122-38、122-39、123-38，接收日期分别为2001-11-01和2009-11-02以及2007-10-03。此外利用了2010年黄州部分地区0.5 m分辨率的航空影像照片和Google Earth 2001年及2009年的历史影像作为选择训练场的参照。通过选取多个典型地物作为控制点，进行遥感影像的配准和几何精校正。根据相关研究[2-8]，本研究只选取了最佳组合波段3、4、5波段融合在一起，这样可以减小遥感影像信息提取和解译的难度。然后利用1∶400万全国边界矢量地图、县界和州界矢量图提取黄冈市矢量边界对影像进行裁剪，得到研究区域的两期遥感图像（图1、图2）。再借助ERDAS9.2定义分类模板和进行模板评价（表1、表2），利用最大似然法对影像进行监督分类（将黄冈市土地利用类型分为7类，即林地、耕地、水体、建设用地、裸地、沙洲以及其他类型土地），在ArcGIS10中统计各种类型土地的面积，并且制作专题地图。

2 结果与分析

2.1 土地利用面积统计结果

通过预处理所得的两期专题图如图3和图4，两期各种土地利用类型的面积如表3和表4。

从表3和表4可知，林地、水体和裸地面积呈下降趋势，其中林地类型下降最明显，在9年中，由7 810.416 km2下降到6 066.300 km2，减少面积为1 744.116 km2，减少22.33%；裸地面积减少也较明显，由2001年的1 806.446 km2减少到2009年的925.602 km2，减少48.76%；水体面积减少了203.942 km2，减少26.488%。面积增加的土地利用类型有耕地、建设用地和其他类型的用地，其中耕地增加最明显，由2001年的3 257.465 km2增加到2009年的5 497.860 km2，增加面积2 240.395 km2，增加68.77%；建设用地面积也有较明显的增加，由1 629.846 km2增加到2 045.089 km2，增加面积为415.243 km2，增加25.48%。其他类型的用地面积有小幅增加，增加面积为110.584 km2，增加5.17%。

2.2 土地利用的空间位置转换和数量变化

由表5可知，黄冈市各土地利用类型总变化面积大小为耕地>其他类型>林地>裸地>建设用地>水体>沙洲。从变化形式上，耕地的空间位置转换量和数量变化都较其他类型大，说明在研究期内黄冈市耕地在空间位置和数量上均发生了很大的改变。这与黄冈市耕地面积的增加主要来自土地后备资源的开垦，以及其他类型的土地改造的情况相符合。开发土地后备资源和其他类型的土地改造会导致耕地范围在空间上的急剧扩展和数量上的快速攀升。林地在空间位置和数量上同样发生了较大的改变，导致其出现的原因主要有“退耕还林”和“封山育林”政策的实施以及森林资源的大量采伐和建设用地的扩展对林地的破坏等。建设用地、其他类型用地以及裸地在空间位置上的变化明显大于数量上的变化。这说明黄冈市城市化因为城镇建设用地后备资源充足而在空间上急剧扩展，正处在“铺摊子，摊大饼、圈地”的发展阶段。而裸地和其他类型的用地在空间上的稳定性本来就相对较差，变化大，所以其空间上的变化大于数量上的变化属于正常情况。沙洲在数量上的变化较其在空间上的变化要大很多，这说明在研究期内黄冈市原有沙洲因为自然沉积等原因面积在继续扩大，而位置未发生较大的改变。

2.3 土地利用类型转化分析

利用ERDAS9.2中的GIS分析功能，生成2001～2009年的土地利用转换矩阵，并利用生成的原始矩阵计算各土地类型间的转移率和贡献率，得到土地利用转移率矩阵和贡献率矩阵，其所得结果如表6[3]。

由表6可以看出，林地、耕地、水体、沙洲主要由原有类型转化而来，转移率和贡献率均相对较大。其中林地和水体表现得最为明显，林地的转移率和贡献率分别为64.057%和82.474%；水体的转移率和贡献率分别为55.132%和74.997%。建设用地和裸地的转移率均大于对自身的转移率，但是贡献率均小于对自身的贡献率，这说明建设用地和裸地存在较大量的转化。对耕地的转移率远远大于建设用地、水体等其他几种用地类型的转移率，贡献率也是最大的，这说明黄冈市耕地的增长主要通过毁林开荒获得的。耕地对其他类型用地和建设用地的转移贡献率小于对耕地自身的贡献率，但是远远大于对水体、裸地、沙洲的贡献率。这说明黄冈市耕地资源丧失的主要原因是经济发展带来建设用地扩长和其他类型用地（如果园，花卉种植用地等）不断增长。水体对建设用地的转移率远远大于建设用地对水体的转移率，但是建设用地对水体的贡献率却大于水体对建设用地的贡献率。这说明水体面积下降速度快的一个原因是建设用地大量侵占水体，但同时也说明建设用地的主要来源不是水体，而是林地。林地对裸地的贡献率为28.417%，相对较大，尽管转移率只有8.185%，说明林地被破坏是黄冈裸地生成的一个重要原因[17]，如果不加以保护，未来黄冈的林地由于不同原因的破坏将成为没有利用价值的裸地。

2.4 土地利用类型变化速度分析

利用单一土地利用动态度公式和综合土地利用动态度公式分别计算黄冈市各土地利用类型的动态变化指数[4]，结果如表7所示。

从表7可知，7种土地利用类型中沙洲变化最快，其单一土地利用动态度和综合土地利用动态度均最高，分别为3.333%和0.178%；林地单一土地利用动态度为-0.018%，其综合土地利用动态度为第二，这说明林地的面积年变化率小，但是变化速度和活跃程度较高；耕地单一土地利用动态度在正方向较小，综合土地利用动态度较大，这说明耕地的年变化率小，但是变化速度快，强度和活跃程度高；水体的单一土地利用动态度在负方向较大，说明水体面积下降较快，其综合土地利用动态度为0.139%，说明水体面积减少的年变化率较大，而且变化的速度和活跃程度都较大；建设用地的单一土地利用动态度为0.255%，在土地利用类型中为第二，其综合土地利用动态度为0.080%，在类别中最小，说明建设用地年变化率较大，但是年变化速率较小；裸地处于下降状态；其他类型用地两种动态度都很低，说明其在研究期内的变化不是很大，基本处于平衡状态。

3 结论与展望

本研究通过利用遥感和GIS技术对黄冈市2001年和2009年两期遥感影像进行处理获得土地利用类型的分布和数量信息，通过对比和分析，可以得出以下结论：

1）进入新时期，黄冈市土地利用的活跃程度明显增加，位置和数量的明显变化反应出土地利用方式随着经济的活跃呈现一年一变甚至一年几变的状况。

2）黄冈市城市化进程处在快速发展阶段，生态环境恶化的压力越来越大，粮食安全和耕地红线问题也逐渐突出。这表现在建设用地急剧扩张，林地和水体面积下降，虽然耕地数量在增加，但是在粮食压力加大且大面积开发耕地后备资源的情况下增加的。

3）未来黄冈市城市化的速度和经济建设的速度将大幅提升，所以建设用地将迅速增长，但在达到一个临界值之后又会迅速下降；林地的面积将继续呈现下降趋势；水体年变化率和变化速度均较大，所以在未来水体面积的波动将会增大，但是下降趋势短时间内无法改变。

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