基于遥感与GIS的铜陵县土地利用变化特征分析

唐 炎，马 丽 (安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽芜湖241000)

随着人口增长以及资源逐渐短缺等诸多全球性问题的出现，土地利用/覆被变化(LUCC)对人类生产活动以及生态环境的影响越来越受到国内外研究学者的关注［1－3］。在遥感以及GIS的技术支持下，对典型区域进行土地利用/覆被变化研究是认识区域土地利用/覆被变化与资源、环境问题关系的关键，也是协调人地关系保持区域持续发展的关键［4］，对于区域土地资源有效利用和管理具有重要意义。

遥感以其宏观性、多光谱性、多时相性等特点，可以快速、准确地反映土地利用时空变化过程，在不同区域空间尺度土地利用动态监测研究中具有明显优势［5－9］。笔者以安徽省铜陵县为研究对象，通过对Landsat TM的2000、2005、2010年3期影像进行遥感解译，结合GIS技术和相关数学方法，对研究区2000～2010年的土地利用变化特征进行分析，以期为研究区土地资源利用和管理提供决策参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况 铜陵县(117°42'～ 118°10'E，30°45'～31°07'N)位于安徽省中南部地区，总面积807.8 km2，属亚热带季风区域，全年气候温和，降雨充足。境内河流属长江水系，长江由西南往北再东折，西南以青通河与池州市分界，东北隔黄浒河与芜湖市为邻。铜陵县位于长江中下游平原与皖南山区的中间地带，在新构造运动的影响下，地貌景观上存在明显地域差异性，主要被分为3个类型区，从北到南分别依次是洲圩区、丘陵区、低山区，总体地势北低南高，中间为地势过渡地带。

1.2 数据来源 以铜陵县2000、2005、2010年3期Landsat TM遥感影像作为基础数据，参考1∶10万的地形图，对遥感影像进行几何校正。土地利用分类参照我国现行的土地利用类型编码［10］，并结合遥感影像解译的可行性，将铜陵县土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、居民点及工矿用地、交通用地、未利用地等7类。在Envi 4.7环境下，采用人机交互的监督方式对3期遥感影响数据进行解译。经检验，3期遥感影像解译精度均达到90%以上，满足后期分析要求。3期图像的解译结果如图1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用类型动态度。土地利用动态度(Land Use Dynamic Degree，LUDD)是能够反映出在一定研究时段中研究区域内某种土地利用类型的数量变化率［11］。其计算公式为:

式中，KS为土地利用动态度;At1、At2分别为t1、t2时某一类土地利用类型的面积。利用此公式可以反应出不同土地利用类型之间变化速率的差异。

1.3.2 土地利用类型转移矩阵。土地利用类型转移矩阵是研究土地利用格局变化的一种非常重要的方法，它来源于系统分析理论中对系统状态以及状态转移的定量描述，可以动态地反映各种土地利用类型相互转换的过程。土地利用类型转移矩阵不但包括面积数据，而且还包含各种土地利用类型之间相互转入及转出的信息，其一般形式为［12］:

式中，S代表各种土地利用类型面积;n代表转移前后地类数目;i，j(i，j=1，2，…，n)代表转移前后土地利用类型。矩阵横行代表开始时期土地利用类型转化为终止时期的其他类型的面积，纵行则表示开始时期其他类型转换为终止时期土地类型的面积。

1.3.3 土地利用程度综合指数。土地利用程度指数是通过数量指标体系的方法，来反映多种土地利用类型结构的总体变化，以期了解研究期内区域土地利用变化趋势以及土地开发利用水平。依据庄大方等提出的土地利用程度综合体系［13］，按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态对土地利用类型进行分级赋值(表1)。由于不同的土地利用级依据其自身类型占据面积比例的不同，对土地利用程度具有不同的影响。因此，区域土地利用程度在上述基础上进行数学综合，通过综合指数的大小来反映土地利用程度的高低。土地利用程度综合指数公式如下:

式中，La为土地利用综合指数，Ai为土地利用程度分类值(表1);Ci为第i级土地利用面积占研究区总面积的百分比;n为土地利用分类数。

表1 土地利用分级值

2 结果与分析

2.1 土地利用变化的总体特征 据遥感解译结果，铜陵县2000、2005、2010年3期土地利用数据见表2。由表2可知，2010年铜陵县耕地面积21 027.16 hm2，占26.03%;林地面积25 350.52 hm2，占 31.38%;水域面积 18 598.76 hm2，占23.02%;居民点及工矿用地面积 1 200.77 hm2，占 15.72%;交通用地面积1 450.74 hm2，占1.8%;草地面积980.67 hm2，占1.21%;未利用地面积 671.38 hm2，占 0.83%。

研究时段内，铜陵县耕地面积减少了4 883.29 hm2，其中，2000～2005年耕地面积减少2 999.10 hm2，2005～2010年耕地面积减少1 884.19 hm2。水域面积减少了590.80 hm2，其中，2000～2005年水域面积减少438.56 hm2，2005～2010年水域面积减少152.24 hm2。居民点及工矿用地面积2000～2005年增加了 2 500.95 hm2，2005 ～2010年增加了1 576.65 hm2，共增加了4 077.60 hm2。交通用地与林地的面积均有一定的增长，其中交通用地面积2000～2005年增加了521.86 hm2，2005 ～2010年增加了 150.54 hm2。林地面积2000～2005、2005～2010年2个时段增长数值分别为559.54和288.32 hm2。2000～2010年铜陵县草地以及未利用地面积变化幅度不大，分别减少了76.92和46.85 hm2。

表2 铜陵县土地利用类型统计hm2

2.2 土地利用变化的动态分析 利用公式(1)计算得出2000～2010年铜陵县不同时段的土地利用动态度(表3)。整体上看，总体趋势与2000～2005和2005～2010年2个时段土地利用类型面积变化趋势相一致，并且前5年的土地利用类型动态度变化的绝对值均大于后5年，说明铜陵县2000～2005年土地利用变化最强烈，而2005～2010年这种变化强度有所减弱。从具体数值上看，耕地的土地利用动态度绝对值在2个时段内分别为2.31%和1.64%，水域的动态度绝对值为0.46%和0.16%，这说明二者在2005～2010年的土地面积变化速率大于2000～2005年的变化速率，这反映了随着可持续发展理念的推进以及生态农业的大力倡导，人们对当地生态环境保护意识也在不断增强，同时随着国家基本农田保护政策的实施，减缓了上述两者的下降趋势。与之相应的是，随着人口增长以及经济的发展，居民点及工矿用地、交通用地虽一直处于增长状态，但上述两者在2000～2005和2000～2010年2个时段的土地利用动态度呈现先升后降的趋势，其中居民点及工矿用地的土地利用类型动态度在2个时段内分别为5.80%和2.83%。这是因为铜陵县一直在进行城镇化建设，同时该地是个矿产资源丰富的地区，2000～2005年当地的矿产资源得到充分开发，工矿用地飞速增长，但由于过度无序开采，导致一些地方矿产资源耗尽，加上政府大力整治、关闭小矿山等因素，致使居民点及工矿用地的增速得到一定缓解;交通用地的土地利用动态度分别为13.41%和2.32%，这是由于2005年前国家完成了“村村通”工程，铜陵县2000～2005年交通用地增长较快，而2005～2010年交通道路体系已经完善，所以交通用地土地利用类型动态度较小。草地以及未利用地的情况和耕地变化情况类似，2000～2005年中受城镇化进程的影响，土地利用动态度变化较大，2005～2010年则变化较小，整体变化整体趋于平稳。

表3 铜陵县土地利用动态度 %

2.3 土地利用转移分析 利用ArcGIS 10.1的空间叠置分析功能得到铜陵县土地利用转移数量统计(表4)。从2000～2005和2005～2010年2个时期的土地利用转移数量分析来看，铜陵县的耕地、水域、居民地及工矿用地、交通用地、林地相互间转移量较多。从土地利用转移方向来看，2000～2005年耕地向居民点及工矿用地流失的面积为4 140.85 hm2，而2005～2010年仅为 2 577.51 hm2，这是由于 2000 ～2005年铜陵县城镇化和能源、交通、水利等基础设施建设进程的不断加快，各项建设占用耕地面积较大，耕地受到一定的侵占，2005～2010年强化了对耕地特别是基本农田的保护，耕地侵占情况的得到一定缓解，耕地的使用趋于合理;水域同耕地相互转换较为频繁，结合当地统计年鉴以及实地调查，其中大部分属于可调整的坑塘用地，部分耕地用于水产养殖，导致水域及耕地的面积有所变化;林地、耕地之间的土地转移主要是由于农业产业调整以及生态退耕因素等造成的;居民点及工矿用地2000～2005年向耕地转移面积仅为79.20 hm2，而2005 ～2010年达到了 3 751.11 hm2，这说明铜陵县在控制了建设用地总规模的基础上，加大了土地整理以及尾矿复垦的力度，有效地补充了耕地面积，缓解了耕地资源紧张的情况，同时随着城镇用地布局进一步优化以及“村村通”工程的实施，原先分散的居民点进行集中，实现了土地资源节约利用，增加了有效耕地面积。2005～2010年铜陵县交通用地向耕地转移了1 565.98 hm2，这是由于一些交通路线随着居民点集中集聚以及相关矿山的关闭失去其运输功能，被复垦为耕地。

表4 铜陵县土地利用转移数量 hm2

2.4 土地利用程度分析 通过对2000～2010年的土地动态度以及土地转移分析得出，铜陵县各种土地利用类型在研究时段内面积一直保持变化，不同类型之间的土地进行相互流转，而这种土地利用类型的转移同时也引起了土地利用强度的变化。利用公式(2)计算得到铜陵县2000、2005、2010年的土地利用程度综合指数及相应的变化量，结果显示:2010年铜陵县的土地利用程度指数为260.24，高于全国平均水平(231.92)［14］，表明铜陵县总体土地利用程度较高，土地呈集约利用。从变化量来看，2000～2010年铜陵县土地利用程度指数受到人口增长以及城镇化进程的影响，整体呈上升趋势，其中在2000～2005年变化较快，由254.46增加到258.31，增加了3.85，这是由于居民点及工矿用地、交通用地等分级指数较大的土地利用类型面积增长较快有关，导致整体土地利用程度不断提高，2005～2010年土地利用程度变化量增速放缓，土地利用综合指数由258.31增加到260.24，增加了1.93，说明铜陵县的整体土地利用变化趋于平缓。

3 结论

随着铜陵县社会经济发展与城镇化进程的影响，耕地作为铜陵县主要土地利用类型，其面积在2000～2010年内减少最多，水域面积在研究期内也有一定的减少;居民地以及工矿用地、交通用地面积得到增加;林地、草地和未利用地面积变化幅度不大。研究时段内居民地以及工矿用地、交通用地动态度一直保持增长趋势，2005～2010年的增速较2000～2005年有所降低;而耕地、水域土地利用动态度总体虽然一直在减少，但减少速率有所放缓。耕地在2000～2005年主要转移方向是居民地及工矿用地及交通用地，2005～2010年居民地及工矿用地及交通用地逐渐向耕地进行转移，表明在随着铜陵县在严格控制建设占用耕地、加大土地整理复垦力度、优化居民地以工矿用地的结构，使得耕地资源得到了一定补充。但随着土地后备资源有限整理复垦开发难度逐年增大，使得耕地总体补充资源及质量均不够，耕地面积仍旧持续下降。从土地利用程度综合指数可以得出，铜陵县整体土地利用程度较高且逐渐趋于集约化、高效化及合理化。今后在发展中仍要协调好农用地与非农用地间的矛盾，合理规划和调整土地利用结构和布局，充分挖潜存量用地潜力，改善土地生态环境，实现土地利用可持续发展。

［1］LAMBIN E，TURNER B.The causes of land-use and land-cover change:moving beyond the myths［J］.Global Environmental Change，2001，11(4):261 －269.

［2］DAS G.Land Use，Land Cover，and Food－Energy－Environment Trade－ Off:Key Issues and Insights for Millennium Development Goals［J］.Encyclopedia of Agriculture and Food Systems，2014，10:114 －133.

［3］李秀彬.全球环境变化研究的核心领域:土地利用/土地覆被变化的国际研究动向［J］.地理学报，1996，51(6):553－558.

［4］李宁，岳彩荣.基于GIS与RS的肇源县土地利用变化分析［J］.中国农学通报，2011，27(29):224 －228.

［5］MUCHER A，STEINNOCHER T，KRESSLER P，et al.Land cover characterization and change detection for environmental monitoring of pan－Europe［J］.International Journal of Remote Sensing，2000，21(6/7):1159－1181.

［6］贾明明，刘殿伟，宋开山，等.基于MODIS时序数据的澳大利亚土地利用/覆被分类与验证［J］.遥感技术与应用，2010，25(3):379 －386.

［7］陈世发.基于GIS的亚热带山地土地利用与土壤侵蚀关系研究——以粤北山区为例［J］.干旱区资源与环境，2015(2):134－137.

［8］沈非，苏玉燕.近16年芜湖市土地利用变化分析［J］.安徽师范大学学报:自然科学版，2008(1):243 －246.

［9］赵俊美，李晋陵，马庆勋.GIS和遥感技术在土地利用与土地覆盖动态监测中的应用探讨［J］.现代农业科技，2008(10):226－227.

［10］史培军，江源泉，王静爱.土地利用覆盖变化与生态安全响应机制［M］.北京:科学出版社，2004:105－106.

［11］ZHANG J，ZHENG J L，XIAOXIA S.Changing landscape in the Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River from 1977 to 2005:Land use/land cover，vegetation cover changes estimated using multi-source satellite data［J］.International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2009，11(6):403 －412.

［12］徐建华.现代地理学中的数学方法［M］.北京:高等教育出版社，2002:93 －97.

［13］庄大方，刘纪远.中国土地利用程度的区域分异模型研究［J］.自然资源学报，1997，12(2):105 －111.

［14］赵小沉，代力民，王庆礼.基于RS和GIS的县域土地利用变化特征分析［J］.土壤，2007，39(3):415－420.