基于遥感数据的雄安新区土地利用变化

贺承伟，国巧真，付 盈，桑 潇，谢童谣

（天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384）

土地作为一种具有多种功能的有限资源，在人类长时间改造利用的过程中，其利用方式和类型发生了剧烈变化，形成了复杂的人地系统[1-2].土地利用/土地覆被变化作为人类活动与自然环境之间最直接的表现形式，对其进行研究有助于促进资源管理，使土地利用类型空间配置变得合理，以达到有限的土地资源可持续利用的目的[3-5].过去几十年来，遥感技术迅速发展，由于空间覆盖面积大、时间快、周期短，以遥感影像为数据源，获取土地利用信息在土地利用/土地覆被变化的研究中变得越来越重要[6-7].国内外学者利用监督分类的方法对遥感影像进行处理来获取土地利用信息，取得了较好的效果[8-12].由于雄安新区设立时间短，对其进行的研究相对薄弱，其地理位置的重要性，又决定需要迫切地对其土地利用/土地覆被变化进行研究分析.因此，本文以雄安新区为研究对象，分别从土地利用的类型、土地利用变化空间形式、土地利用程度、土地利用变化方向4个方面，对雄安新区土地利用/土地覆被变化进行研究，并探讨驱动力因素，以期为其建设、开发、生态环境保护等提供参考.

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

雄安新区于2017年4月1日设立，介于北纬38.92°～39.06°，东经 115.86°～116.10°，区域面积为 1 576.6 km2.地处保定市的雄县、容城、安新三县所在地，是北京、天津、保定三市腹地，地理位置优越，有较好的交通系统网.研究区属暖温带大陆性季风气候，四季气候差异明显.白洋淀作为河北省面积最大的淡水湖泊，其主体位于雄安新区，面积为366 km2，平均年份蓄水量为13.2亿m3.图1为研究区2016年5月OLI影像.

图1 研究区OLI影像

1.2 数据来源及其预处理

研究区边界来源于全国县界矢量数据，利用ArcGIS转换投影到WGS-84，提取出雄安新区的县界矢量图.采用3期卫星影像数据，分别是1996年和2006年的Landsat TM影像，分辨率为30 m；2016年的Landsat OLI影像，分辨率为15 m，利用ERDAS软件对影像进行预处理，经过几何校正、研究区裁剪，利用最大似然法进行分类，最后进行分类后处理.经过精度评定，1996年、2006年和2016年3期分类结果总体精度分别达到88.28%，90.63%和94.53%，Kappa系数分别为0.768 0，0.822 9和0.902 7.土地利用分类参照国际IGBP的LUCC分类系统并结合雄安新区的实际情况，最终将土地利用类型划分为6类：水域、林地、居民地、耕地、未利用地和苇田.雄安新区1996—2016年土地利用类型空间分布如图2所示.

图2 雄安新区1996—2016年土地利用类型空间分布

2 研究方法

为了充分探究研究区土地利用变化的空间形式和土地利用资源的变化情况，揭示土地利用变化的方向，本研究选取土地利用动态度、土地利用程度时空演变模型和土地利用转移矩阵3种方法对研究区进行深入研究.

2.1 土地利用动态度

土地利用动态度能反映出土地利用变化的剧烈程度，揭示不同土地利用类型变化速度的差异，利于分析土地利用动态变化.考虑到之前的动态度模型对时间变量的处理过于简单[13]以及本文对时间尺度的划分是均匀的，现将3种模型表示如下

式（1）-（3）中：ΔUin和ΔUout分别是该时段内该类型土地转入面积和转出面积；Ua是该类型土地在研究起始时期的面积；Rst，Rsst，Pst分别是该土地利用类型的时段变化速率、空间变化度、变化趋势指数.

2.2 土地利用程度时空演变模型

土地利用程度时空演变模型，能够定量地描述研究区土地利用的综合水平和变化趋势，包括土地利用程度指数和时空演变指数.土地利用程度指数的计算需要将土地利用类型按照其在人类因素影响下的自然平衡状态分级，参考刘纪远[14]提出的土地利用程度分级方法并结合研究区土地利用特点，分级如下：未利用地为1级，水域和林地为2级，耕地和苇田为3级，居民地为4级.土地利用程度指数和时空演变指数表达式如下

式（4）-（5）中：L 是土地利用程度指数；Ai是第 i级土地利用程度分级指数；Ci是第i级土地利用面积占总面积的百分比；Q是时空演变指数，Q值大于1，说明研究区土地利用处于发展期，反之处于衰退期；Lb是较晚时间的土地利用程度指数；La是较早时间的土地利用程度指数.

2.3 土地利用转移矩阵

为了描述不同土地利用类型之间相互的转变，采用能够系统显示研究区各种土地类型变化的细节特征和转化方向的土地利用转移矩阵方法[15-16].研究中采用土地利用面积作为土地利用状态转移矩阵中的向量，制作1996—2006年，2006—2016年两个时期的土地利用转移矩阵.

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化

1996—2016年雄安新区的土地利用变化见表1.

表1 1996—2016年雄安新区土地利用变化

由表1可知，近20 a间，雄安新区的居民地面积急剧增加：1996年，居民地面积为13 083.35 km2，占总面积的8.37%；2006年，增加到 19 604.09 km2，占总面积的12.53%；2016年，增加到27 049.34 km2，占总面积的17.30%，每十年增长在4%以上.耕地面积平稳减少，1996年耕地面积为112 509.05 km2，占总面积的71.93%；2006年，减少到 111 591.27 km2，占总面积的71.35%；2016年减少到103 168.73 km2，占总面积的65.97%，2006—2016年减少明显，减少比例达到5.38%，但耕地仍是研究区最主要的土地利用方式.林地面积在1996—2006年期间，从351.18 km2增加到3 827.39 km2，变化明显.

以3期土地利用分类数据为基础，采用空间叠加分析的方法，生成土地利用变化轨迹图，如图3所示.

图3 1996—2016年土地利用变化轨迹图

研究区在1996—2006年间，变化区域面积为338.67 km2，占总面积的 21.48%；2006—2016 年间，变化区域面积为310.58 km2，占总面积的19.70%，相较于1996—2006年，2006—2016年研究区变化面积有所减少.从图3可以看出，1996—2006年间，研究区变化剧烈的部分主要是白洋淀的水域转化为苇田，以及中部和南部水域转化为耕地.整体来看，整个研究区存在明显的耕地向居民地转化的现象，且居民地呈环状扩张，少量的未利用地在此期间转化为耕地.2006—2016年间，中部的耕地转化为水域和苇田，白洋淀区域大量苇田转化成水域，苇田与水域的分布趋于合理，居民地的环状扩张仍然很明显，耕地面积持续减少.

3.2 土地利用动态度

1996—2016年期间各种土地利用类型3种单一变化指数如表2所示.

表2 1996—2016年各土地利用类型单一变化指数%

从表2可以看出，1996—2006年间，林地的3种单一变化指数均高于其他土地利用类型，这与2002年国家实行的退耕还林政策有很大关系，退耕还林政策的开展使得研究区林地面积大量增加；未利用地的空间变化度仅小于林地，且时段变化速率为负数，说明未利用地在此时段变化剧烈，且面积减少.居民地在两个时段的时段变化速率和变化趋势指数均是正值，说明居民地面积持续增加，且未来还有增加趋势，两个时间段空间变化度为73.18%和64.69%，表明居民地的变化较剧烈；耕地的时段变化速率为负数，说明耕地面积在持续减少，其空间变化度较小，说明耕地的变化不剧烈，但考虑到耕地面积总量大，因此减少的面积数值较大；水域和苇田在两个阶段的时段变化速率和变化趋势指数相反，二者之间发生了较为明显的转变，但两种土地利用类型的空间变化度在2006—2016年均有减小，说明二者之间的转化渐趋平稳.

3.3 土地利用程度变化分析

根据将未利用地分为1级，水域和林地分为2级，耕地和苇田分为3级，居民地分为4级的分级方法以及土地利用程度时空演变模型计算方法进行分级并计算，得到表3.

表3 土地利用程度指数

由表3可知，研究区1996年、2006年和2016年土地利用程度指数分别为291.26，302.05和304.33.20 a间，由于未利用地面积持续减少，所以1级地类持续减少，由1996年的1.36%减少到了2016年的0.85%；虽然林地面积持续增加但受水域面积先减少后增多的影响较大，所以2级地类先减少后增多；3级地类先增多后减少是因为苇田面积在1996—2006年有较多的增加而耕地面积减少不多，且在2006—2016年苇田和耕地面积都有所减少；4级地类持续增加，由1996年的8.37%增加到2016年的17.30%，这是由居民地面积持续增加导致的，由于研究区内土地资源受人类影响越来越严重，耕地面积在研究区占了很大比例，所以土地利用程度指数呈递增趋势，且以3级地类为主，研究区土地利用程度逐渐变高.1996—2006年和2006—2016年两个阶段的土地利用时空演变指数分别为1.037和1.006，说明两个阶段研究区土地利用均处于发展期.

3.4 土地利用转换

利用ArcGIS软件对3期影像的解译结果进行叠加分析，获得了1996—2006年和2006—2016年各种土地利用类型的转移矩阵，如表4和表5所示.

表4 1996—2006雄安新区土地利用转移矩阵km2

表5 2006—2016雄安新区土地利用转移矩阵km2

从表4和表5的数据可以看出，1996—2006年，水域面积减少较多，主要转化为耕地和苇田，分别为7 148.97 km2和6 396.84 km2，两项相加占水域减少面积的92.99%.林地面积的增多主要是由耕地转化来的，为3 435.39 km2，占转化至林地变化总面积的90.27%.居民地面积的增多主要是由耕地转化来的，为6 799.95 km2，占转化至居民地总面积的84.46%.2006—2016年，水域面积有明显增加，主要是由耕地和苇田转化而来的，其中由耕地转化来的面积为3 005.64 km2，由苇田转化而来的面积为3 998.07 km2，分别占转换至水域总面积的41.48%和55.18%.居民地面积的增多主要由耕地转化而来的，为8 048.16 km2，占转化至居民地总面积的79.95%.苇田面积的减少主要转化为了水域，为3 998.07 km2，占苇田减少总面积的78.96%.

3.5 土地利用变化驱动力分析

为了探究影响研究区土地利用变化的因素，利用主成分分析法对研究区各种影响因素间的相互关系进行研究.共选取15个变量，其中X1表示总人口（人），X2表示农业人口（人），X3表示国民生产总值（万元），X4表示第一产业生产总值（万元），X5表示第二产业生产总值（万元），X6表示第三产业生产总值（万元），X7表示地方财政收入（万元），X8表示农民人均收入（元），X9表示社会消费品零售总额（万元），X10表示人均GDP（元），X11表示人均粮食产量（kg），X12表示农用机械总动力（kW），X13表示年末耕地总资源（hm2），X14表示农业产值（万元），X15表示畜禽存栏量（千只）.运用SPSS22.0软件计算得出旋转载荷矩阵如表6所示.

表6 旋转载荷矩阵

由表6 可以看出，第一主成分与 X5，X7，X8，X12，X13有较大的正相关，这5个变量与经济发展水平有很大关系；第二主成分与 X2，X4，X14，X15有较大正相关，这 4个变量与研究区农业人口有很大关系.因此，研究区土地利用变化主要的影响因子可以概括为经济因素和人口因素.

1996—2015年，雄安新区经济快速增长，1996年GDP为482 362万元，2006年GDP为961 603万元，2015年GDP为 2 121 906万元，近 20 a间 GDP增长了1 639 544万元，增幅达到3.4倍.人均GDP也在不断提高，1996年人均GDP为4 743元，2006年为9 853元，2015年达到20 291元.雄安新区人口保持稳定的增长趋势，从1996年的98.598 4万人增长到2015年的113.035 2万人，净增14.436 8万人，增幅为14.64%.在总人口持续增长的同时，农业人口也在增长，但农业人口占总人口的比例在不断下降，由1996年的93.42%下降到2015年的88.13%，下降了5.29%（见表7）.经济的发展和人口增长使得居民地面积不断扩大并占据耕地，改变了研究区的土地利用结构.

表7 农业人口变化

4 结论

（1）利用最大似然法，从1996年、2006年TM影像和2016年OLI影像中提取出了3年的土地利用信息，并通过叠加分析的方法，获得20 a间的土地利用变化信息.20 a间，雄安新区最主要的土地利用类型是耕地，其所占比例一直在65%以上.林地面积在1996—2006年间剧烈增长，这与国家的退耕还林政策有很大关系.研究区土地利用的总体特征表现为耕地面积持续减少，居民地面积持续增多，水域面积先减少后增多，苇田面积先增多后减少，未利用地面积持续减少.

（2）雄安新区土地利用程度越来越高，区域内的土地资源受人类活动的影响越来越大，两个阶段土地利用时空演变指数均大于1，说明雄安新区土地利用处于发展阶段.1996—2006年，林地是变化最为剧烈的土地利用类型，其增加的面积主要由耕地转化而来，居民地面积的持续增加主要来源于耕地面积的持续减少，且居民地呈现明显的向四周环状扩散，水域和苇田之间的相互转化主要表现为1996—2006年水域转化为苇田，2006—2016年苇田转化为水域.

（3）人口快速增长、经济飞速发展是雄安新区的土地利用/土地覆被变化的主要驱动力因素，政策因素对研究区的土地利用也产生了一定的影响.