哈尔滨市土地利用变化及其驱动力分析

程晓琳

(哈尔滨师范大学)

0　引言

随着社会经济的飞速发展，土地利用状态发生明显变化，而影响土地利用变化的驱动力越来越多样，作用也越来越强.一般来说，自然和人类的社会经济活动的共同作用，导致全球土地利用状况发生变化.针对土地利用变化过程、动态变化规律以及驱动力的分析研究，是土地资源可持续开发与利用的科学依据.

近年来，利用RS和GIS相结合的方法来研究土地利用变化，结合一定的数量方法和模型，快速、准确的掌握土地利用的现状和动态变化，为土地利用的整体规划与生态保护提供了有力的辅助手段，同时也为土地利用的决策与管理提供有力的依据，具有较高的研究价值和实用价值.

随着科学技术和社会经济的不断发展，土地利用结构与水平均在不断发生变化.在此基础上，研究土地利用变化已成为一大研究热点.目前，国内外有关土地利用变化的研究方法已有很多，并且逐步趋于成熟.众多专家学者在土地利用变化的研究中借助遥感技术作为重要的技术手段，结合一定的数量排序方法，在驱动力分析是通过建立模型，分析研究区土地利用类型动态变化与驱动力时空动态关联程度.我国的土地利用研究始于上世纪70年代，其意义主要在于耕地的变化和建筑用地的扩展.于晓凤等[1]利用土地利用的动态度、土地利用程度的综合指数、土地利用景观的优势度等模型，对重庆市江北区土地利用变化进行分析；何英彬等[2]针对土地利用发生变化的驱动力机制研究中层次变化、时空效应与一致性、驱动力机制定量化和空间化进行了探讨；李琳等[3]则是利用转移矩阵和数学模型之类的方法，获取厦门市的影像数据信息，尽力土地利用变化的动态模型，定性、定量的分析厦门市利用土地时的变化，并分析其驱动力；孙璐等[4]应用 RS 与 GIS 技术对武汉市的土地利用情况进行检测，通过土地利用变化类型的转移模型，土地利用变化动态度的模型和土地利用变化程度的综合指数模型，对武汉市的土地利用分类情况进行研究，并分析了驱动因素；吴志杰等[10]在RS与GIS技术的支持下，结合自然地理学、生态学等对新罗区的土地利用变化进行监测分析，运用了模糊综合模型评判法，分析其变化的驱动力.

该文选取哈尔滨市作为研究区，由于近几年的快速发展，导致土地利用情况发生了较大变化.在借鉴国内外土地利用变化研究与驱动力分析得的基础上，借助ENVI 5.2和ArcGIS 10.2两个软件，研究分析了哈尔滨市2005年到2015年土地利用变化情况，为哈尔滨市城市发展与土地开发利用提供科学依据.

1　研究区概况

哈尔滨市作为黑龙江省省会、副省级市、特大城市、中国东北地区中心城市之一，是东北北部交通、政治、经济、文化、金融中心，也是中国省辖市中陆地管辖面积最大、户籍人口居第三位的特大城市，地处中国东北平原东北部地区、黑龙江省南部，国家重要的制造业基地.截至2015年，哈尔滨市总面积5.31万 km2，市辖区面积10198 km2，辖9个市辖区、7个县，代管2个县级市，常住人口1066.5万人.

2　研究区土地利用变化及驱动力分析

2.1　数据与研究方法

该研究数据来源为地理空间数据云，选用研究区2005年、2010年的Landsat-5 TM数据和2015年的Landsat-8 OLI数据.TM影像有7个波段，OLI影像有11个波段，两种卫星影像信息量均较为丰富，针对性也较强，不同的波段信息反映不同地物在该波段范围内的辐射特性，具有中等空间分辨率和时间分辨、光谱信息丰富，能够满足土地利用变化观测的需求.

对影像进行预处理，主要包括辐射定标、大气校正、几何校正、影像裁剪等，在ENVI 5.2中，运用Preprocessing下的Calibration Utilities模块对影像进行辐射定标，该模块能够自动搜索到影像数据的成像日期、太阳高度角度等信息，实现影像的自动定标，将像元DN值转换为辐射值或反射率，再利用FLASL模型对影像完成大气校正.

对影像进行几何校正，采用多项式的方法，通过选取同名地物的控制点，建立不同图像之间的多项式空间变换和像元插值运算，实现遥感影像和实际地理图件之间的匹配，达到了消减、消除影像几何畸变的目的，选用ArcGIS 中Georeferercing工具来实现，运用矢量化好的矢量文件中的水系元素来校正栅格影像文件，尽量选取河流的交点等明显的同名地物来校正，应用Add Control Points来添加控制点，先点击遥感影像上水系的交叉点，然后再点击相应矢量文件中的同名点，控制点添加结束后，用Georeferercing-Update Georeferercing 选择双线性内插的方法进行重采样，完成几何校正.

用shape格式的哈尔滨市矢量边界将影像数据裁剪出需要的部分.预处理后的影像进行监督分类，本研究采用计算机自动分类和人工目视解译相结合和方法提取土地利用变化信息，得到研究区的土地利用分类图；对分类后的每期解译结果进行精度评价，各地类精度均超过了90%，此次分类结果基本可靠.

2.2　研究区土地利用变化

土地利用类型变化可分为变化幅度和变化速度两方面进行研究，变化幅度体现在各类土地类型面积总量的变化和结构变化，变化速度表现为土地利用动态度.该文从土地利用类型数量变化、结构变化和动态度三方面相结合，对哈尔滨市土地利用类型变化进行分析.考虑到土地利用类型变化的实时性与准确性，研究选取研究区2005年、2010年、2015年三期TM数据，所有数据均来源于地理空间数据云数据库，依据国内外分类系统以及哈尔滨市土地类型特征，将研究区土地利用类型分为6大类：水体、林地、耕地 、草地、建筑用地和未利用地.影像结果如图1所示.

图1　2005年、2010年、2015年哈尔滨市土地利用变化示意图

2.2.1变化幅度分析

表1 　 哈尔滨市2005～2015年土地利用面积及结构情况

表2 　 哈尔滨市2005～2015年土地利用类型总体变化 　万hm

从表1、表2中数据可知:

(1)总量变化分析：哈尔滨市自2005～2015年期间，6类土地类型面积均发生了不同程度的变化.林地面积由2005年的100.7 hm呈现逐渐递减趋势，直到2015年减少为92 hm；耕地面积由178.9 hm减少为173.5 hm；草地历经先减后增的过程，从2005年的7.89 m，减少为2010年7.5 hm，但自2010年起以大幅度增势增加至2015年24.6 hm；水体面积变化不大；2005年建筑用地面积为3.024 hm，以4%的年平均增长率迅速扩大，直至2015年增加至4.28 hm；未利用地面积呈现减小趋势.

(2)结构变化分析：由表1可知，2005～2015年哈尔滨市6类土地类型所占比重高低顺序基本不变，由高到低均为未利用地、耕地、林地、水体、草地、建筑用地，但有部分土地类型比重有较大变化趋势，例如草地和建筑用地，草地在2005年结构比例为1.49%，2010年为1.41%，直到2015年大幅度增长至4.64%.建筑用地所占比重也在稳步增加，从2005年0.57%，经历2010年0.65%到2015年0.81%.

2.2.2变化速度分析

该研究土地利用类型变化速度主要体现在土地利用动态度分析上，土地利用动态度主要反应了该研究区某一种土地类型的年变化率，数学模型如下：

式中，V代表研究区各种土地类型的年变化率；Aa为研究区研究初期某土地类型的面积；Ab为研究末期某土地类型的面积；T为研究时间间隔长度.公式计算结果见表3.

表3 　哈尔滨市2005～2015年各阶段土地利用动态度 　%

由表3可知，在第一个研究阶段：2005～2010年，哈尔滨市土地利用类型增长率变化最大的属于建筑用地，年变化率达到2.82%，其次为未利用地和水体，分别为0.63%和0.03%，减少最快的是耕地，变化率为-6.04%，其次是草地和林地，分别为-0.99%和-0.32%.第二阶段：2010～2015年，增长最快的土地类型是草地，为45.6%，其次是建筑用地，增长率4.81%，水域和耕地面积增长率不大，分别是0.01%和0，减少较快的是林地-1.43%，其次为未利用地-0.96%.

从2005年到2015年两个阶段的土地利用动态度数据看，建筑用地在五个阶段的年变化率均为正，并处于高速增长状态，说明城市发展速度飞快，建筑业持续飞速发展，草地从第一阶段的减少状态变为第二阶段的增长状态，说明政府在大力发展城市化进程的过程中，不忘可持续发展战略，保护环境，扩大绿地面积.

2.3　驱动力分析

土地利用变化的驱动因素一般包括自然、经济和人口因素.其中，自然驱动力主要包括土壤、气候、水文及地形地貌等，在大时间跨度的研究中效果比较明显，此次研究时间跨度较短，因此排除自然因素的分析，选取人口因素和经济因素来进行驱动力分析.

2.3.1人口因素

人口是影响土地利用变化最活跃的因素之一，也是最主要的社会因素.2005～2015年期间，哈尔滨市常住人口从974.84万人增加至995.21万人，共增加了203700人，年平均增长率为0.21%；城镇人口从469.5万人增加至481.3万人，年平均增长率0.314%，乡村人口从505.3万人增加至505.98万人，年平均增长率为0.017%，通过分析可见，城镇人口增速较快，乡村人口增长较为平稳.

近年来哈尔滨市生产型企业逐渐向高新技术产业园区集中，吸引了大量的外来人口，市区人口增长过快，人民生活品质有所提高，人口的增加需占用更多的空间，致使居民建设用地呈持续增高的态势发展，哈尔滨市区及周边县(市、区)建设用地比重持续增加，同时，助推了城市规模的扩大，导致耕地、未利用地面积减少.

2.3.2经济因素

2015年，哈尔滨市实现地区生产总值5751.2亿元，比上年增长7.1%.其中，第一产业实现增加值672.6亿元，增长7.2%；第二产业实现增加值1862.8亿元，增长4.1%；第三产业实现增加值3215.8亿元，增长9.3%.三次产业结构由上年的11.7∶33.4∶54.9调整为11.7∶32.4∶55.9.

经济的快速发展促进了人民的生活水平和消费水平的提高，同时也为土地利用类型的变化提供了物质基础，城市的规划与发展会吸引商业、建筑业投资，大量建筑工程的建设造成了耕地向建筑用地的转变.

2015年哈尔滨市经国务院批准设立为哈尔滨新区，新区规划面积493万 km2.哈尔滨新区的设立为哈尔滨大力发展经济贸易奠定了坚定的基石，更加助力了哈尔滨市的经济发展.新区的快速发展必定会导致土地类型的变化，例如，松北区万达旅游城所在地，在一系列经济政治原因的助推，经历短短几年的时间由耕地和未利用地演变成大规模建筑用地.

3　结论和讨论

土地利用变化的研究结果可以反应土地利用的状况、变化过程以及驱动力的影响程度，目的在于提高土地的利用决策能力，从该研究哈尔滨市土地利用变化和驱动力分析中可以看出2005～2015年哈尔滨市的各类土地利用发生了不同程度的变化，其中建筑用地变化的幅度较大、速度较快，相比之下，林地、耕地、草地、水体和未利用地利用的变化幅度较小.通过选取的人口和经历驱动力分析，得到的结论是人口的城镇化进程加剧，城市经济向高新技术转型等因素是促进哈尔滨市土地利用变化的主要驱动力.

[1]于晓凤. 基于RS和GIS的土地利用/覆被变化及其驱动力研究[D].西南大学,2016.

[2]何英彬,姚艳敏,唐华俊,等.土地利用/覆盖变化驱动力机制研究新进展[J].中国农学通报,2013,29(2):190-195.

[3]李琳.厦门市土地利用变化及其驱动力分析[J].地理空间信息,2017,15(2):105-107，+11.

[4]孙璐,刘艳芳.基于RS和GIS的武汉市土地利用变化研究[J].国土与自然资源研究,2017(01):41-44.

[5]刘媛媛,宋戈,周晓飞,等.哈尔滨市城市土地整理分区及整理模式探讨[J].东北师大学报：自然科学版,2015,47(1):141-146.

[6]李伟妙,邢倩,董坤,等.基于Landsat影像的石家庄市土地利用变化分析[J].西部资源,2016(6):176-179.

[7]张悦. 哈尔滨城市土地利用系统健康评价研究[D].东北农业大学,2014.

[8]张悦,宋戈.城市土地利用系统健康评价——以哈尔滨市为例[J].城市问题,2013(12):26-31.

[9]廖玉. 黔江区土地利用动态变化及其驱动力研究[D].西南大学,2008.

[10] 吴志杰. 基于RS和GIS的土地利用/覆盖变化及其驱动力研究[D].福建师范大学,2006.