基于GIS和RS的蓬莱市土地利用变化及驱动力分析

苗 苗 谢小平

(曲阜师范大学地理与旅游学院，276826，山东日照)

土地利用/覆盖变化与全球经济、社会和生态活动以及人类的一切生产生活高度相关,其变化都对气候、水文、生物地球化学循环及生物多样性有重要影响，不仅带来地质和地貌结构的变化[1]，而且可通过改变大气中气体组成及化学性质和过程来影响大气质量，并导致气候变化.不合理的土地利用也会引起草场退化和沙化，通过对水质、水量、水循环的影响改变水环境[2].不同的土地覆盖类型又对应着不同的生态系统结构、群落组成[3].通过研究其作用机理有助于解决那些存在于全球生态系统的可持续利用过程中的不确定问题[4]，同时也可保障各个国家或区域得以动态地、有效地管理其资源[5].

改革开放后我国各地区经济条件迅猛发展，城市化进程呈现出不断加快的趋势，但我国各个城市发展主要采用外延扩张发展模式，大量农林用地被其他土地利用类型占用[6]，我国耕地占用量已经严重超过国家规定计划数量，土地资源的综合配置也不合理，土地利用的社会效益和经济效益均不是特别理想，无法使土地资源最有效利用[7].山东省北部相应的沿海地区经济效益增长速度加快，尤其是蓬莱市近年来旅游业及其相关产业发展速度日益加快，因此获取相应的土地利用信息并作出发展规划也就显得极其重要了[8].以山东省蓬菜市作为不同土地利用类型面积变化转移的试验区，运用RS和GIS等技术定量提取2008-2018年蓬莱市的土地利用分布信息，揭示近10年来蓬莱市土地覆被变化特征及其驱动机制，探究该区域土地利用中存在的不合理问题并制定优化措施加以改进，为蓬莱市人地关系研究和土地资源管理提供参考，实现蓬莱市各种土地利用资源与经济增长、社会稳定、生态和谐共同蓬勃发展.

1 研究方法与数据来源

1.1研究区概况蓬莱市位于山东省烟台市北部(37°49′27″N，120°44′27″E)，地貌特征主要为低山和丘陵地貌，地势由东南逐渐向西北偏移，平均海拔高度大约20 m.气候类型为大陆性气候，气温适中，变化平稳，昼夜温差小，年均气温11.9 ℃.该区域地下水资源丰富，水质较好，水资源依赖自然降水，年均降水量606.2 mm.境内矿产资源有金、铁、铅、锌、大理石、石灰石、氟石、花岗石等.该地盛产优质苹果，是全国花生生产基地市之一.

蓬莱市东南西北依次与烟台、青岛、天津、大连等相邻，有利的海上地理位置使该地区与各地的交通联系非常便捷.路上交通则拥有包括开放口岸，高速公路、国道和省级公路在内的交通路线，这也便捷了与相邻地区的交流.该区域也是有百余处名胜古迹的历史文化名城，发展较快的产业主要包括旅游业、新型工业、葡萄酒相关产业以及加工产业.近年，该区域经济发展水平日益提高，产业结构类型逐渐完善，综合实力逐渐增强.

1.2数据来源与预处理本研究选择2008年，2013年和2018年的Landsat TM/OLI遥感影像数据作为蓬莱市2008年、2013年和2018年土地利用覆被数据提取的数据源[9].选择影像数据时尽量避免有积雪和云雾的时间段,获得成像效果好并且质量高的影像数据来提取所需信息(表1).结合中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)提供的GDP和人口数据及相关政策措施，分析土地变化原因.

表1 研究区遥感影像

在ENVI5.2软件支持下对3期影像进行大气校正、几何校正、拼接和分幅、图像增强、影像裁剪等[10].在对比各种遥感解译方法优劣的基础上，结合野外实测资料[11]，参照同时期的土地利用图件成果，采用支持向量机监督分类与传统目视解译相结合的方法对影像进行分类，获取土地利用/覆被变化信息[12].根据《全国土地分类》的分类体系，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水体、建设用地5个一级类型[13]，运用AcrGIS10.2软件制作蓬莱市2008年(图1)、2013年(图2)和2018年的土地利用图(图3).

图1 2008年蓬莱市土地利用图

图2 2013年蓬莱市土地利用图

图3 2018年蓬莱市土地利用图

1.3分析方法

1.3.1 土地利用动态度 土地利用动态度(LUDI)：土地利用动态度表示某特定区域单位时间内某一土地利用类型面积总体相对应的变化程度.其表达式为,

(1)

Ua代表研究区初期某种土地利用类型的面积，Ub代表研究区末期某种土地利用类型的面积，T则代表了a时刻到b时刻这一时间段内的时间间隔长度,当T以年为单位时间去衡量变化的时间段时,LUDI则表示该类型土地利用面积的年变化率.

1.3.2 土地利用转移矩阵 通常借助转移矩阵(Conversion Matrix) 进行某地区各土地利用类型内部转移分析[14].转移矩阵模型为,

(2)

其中，Aij代表k时段的第i种土地利用类型转变成k+1时段第j种土地利用类型的面积.

2 结果分析

2.1蓬莱市各年土地利用情况根据监督分类结果进行分类后处理，分别统计2008年、2013年和2018年的各土地利用类型面积(表2)，进一步分析土地利用结构(表3)[15].

表2 蓬莱市各年土地利用面积

表3 蓬莱市各年土地利用结构

由表2和表3可以看出：根据国家相应规定准则把蓬莱市土地利用方式分为耕地、林地、草地、水体、建设用地5个一级类型，通过对遥感影像进行监督分类和各土地类型的数据提取能得到2018年篷莱市各土地类型的空间分布结构：耕地的总利用面积为515.48 km2，约占全市土地利用总面积的45.17%；林地的总利用面积为76.91 km2，约占全市土地利用总面积的6.74%，林地分布及其广泛，不仅在城区外各地均有分布，而且在山地地区以及在河、湖泊旁边也均匀分布;草地的总利用面积为37.13 km2，约占全市土地利用总面积37.13%；水体的总利用面积19.07 km2，约占全市土地利用总面积的1.67%；建设用地的总利用面积为106.01 km2，约占全市土地利用总面积的9.29%，建设用地的分布范围则集中于城区地和农村居住区.整体来看土地利用面积较大的地区主要集中在蓬莱市东部，是属于不均衡的发展状态.

2.2土地利用动态度分析根据公式(1)计算蓬莱市的土地利用类型变化幅度和年变化率(表4)，由单一土地利用动态度变化可知：2008-2013年和2013-2018年，研究区土地利用分类面积始终占前两位的是草地和耕地，从耕地面积变化来看，2008-2013年间，耕地的年变化速率为+6.89%，呈增加趋势；2013-2018年间，耕地的年变化速率为+0.62%也呈增加趋势，但增加的幅度明显小于前者，这说明耕地的增加趋势随着发展变化递减.从水体面积变化来看，2008-2013年间，水体的年变化速率为-6.92%，呈减少趋势；2013-2018年间，水体的年变化速率为+6.16%，呈增加趋势，这说明水体的减少趋势被遏制转为增长趋势.从建设用地面积变化来看，2008-2013年间，建设用地的年变化率为+17.52 %，呈增加趋势；2013-2018年间，建设用地的年变化率为+1.62%，也呈增加趋势，其速度明显小于前者，这说明建设用地的开发利用的不断增长带来了的负面因素已经受到开发规划人员的重视，并着手进行改变.从林地面积变化来看，2008-2013年间，林地的年变化率为+8.24%，呈递增趋势；2013-2018年间，林地的年变化率为-2.96%，呈减少趋势，并且递减趋势明显小于前者.2008-2013年间，面积变化最大的是草地，但其年变化率是最小的，年变化率最大的是建设用地；2013-2018年间，面积变化最大的是耕地，但其年变化率却是最小的，年变化率最大的是水体.

从2008-2013年的5年中，各土地类型变化速度由大到小的顺序为：建设用地>林地>水体>耕地>草地；从2013-2018年的5年中，各土地类型变化速度由大到小的顺序为：水体>林地>建设用地>草地>耕地.

表4 2008-2018年蓬莱市土地利用类型面积变化及比率

注：“+”为增加，“-”为减少.

综合以上相关数据分析可知，该区域的土地利用类型结构有以下几个特点.首先，耕地面积占有总面积的比重呈持续增加趋势，相对应的是草地面积的大量减少，两者转移转化形式形成互补效应.其次，建设用地面积的不断增加已经成为现在土地利用类型面积变化的主要一方面，并且在2008-2013年间，其占据总面积的变化率是所有土地利用类型面积中变化最大的.再次，林地比重偏低而对应的建设用地占地多，长此以往发展下去土地利用不合理会不断对生态环境造成影响，草地面积占有总面积的比重呈持续锐减趋势也要求我们要合理规划.

2.3土地利用转移矩阵分析根据全市土地利用数据空间叠置分析数据，通过公式(2)计算蓬莱市2008-2013年的土地利用转移矩阵(表5)和2013-2018年的土地利用转移矩阵(表6)[16].

表5 2008-2013年蓬莱市各土地利用转移矩阵 km2

表6 2013- 2018年蓬莱市各土地利用转移矩阵 km2

由表5可知蓬莱市从2013-2018年，土地利用类型转换主要表现为草地和耕地之间的相互转化、草地和林地之间的相互转化以及耕地和建设用地之间的相互转化，该时期草地、耕地除相互转化外多转移为建设用地和林地.耕地转移为草地和建设用地的转换量分别是108.27 km2和34.07 km2，草地转移为耕地和林地的转换量分别是127.31 km2和23.42 km2.林地向草地的转移量是29.18 km2，草地与林地两者间的净转换量为5.76 km2；耕地与建设两者间的净转换量为8.5 km2，转移方向为耕地转移建设用地.

由表6可以看出蓬莱市从2008-2013年，土地利用类型转变量最大的是草地与耕地间的转换，草地向耕地转换量达到223.14 km2，耕地向草地转换量达到71.13 km2，草地和耕地两者间净转移量为152.01 km2.草地和耕地转移为建设用地的面积分别为17.29 km2和35.40 km2，是建设用地的主要来源，林地与草地之间的转换中，林地的净增加面积为26.14 km2.此外，水体也有3.14 km2转为建设用地，占水体总面积比重较大.

整体上看，蓬莱市2008-2018年，蓬莱市土地利用变化的总体趋势是大量草地转为耕地，当草地不足时由耕地和林地补充.同时，建设用地的增加是占用了草地和耕地，建设用地与草地、耕地在不同的空间区位上也发生了相应转化，建设用地扩张迅速导致大量耕地转为建设用地，耕地不足转而由草地补充，伴随着建成区的扩张，城市边缘区的大量耕地及原有的农村居民点周边的大量耕地都被占用为建设用.蓬莱市所有类型土地利用和土地覆被变化的整体趋势表明所有土地利用和土地覆被类型的双向转换较为频繁.

3 驱动力分析

3.1人口增长产业集聚项目带动农民就业创业，吸引了大量外来务工人员，带动城镇人口数量增加，进而刺激了城镇服务业发展和居住用地面积的扩张.园区发展也提升城镇承载功能，吸纳农民向城镇聚集，推动城镇基础设施延伸[17].

3.2政策调控2008年到 2018年间，蓬莱市政府实施了一系列旧城改版、产业调整政策和鼓励工业和乡镇企业发展的措施；确定并实施产业园区带动城镇化发展战略，这些改造措施从某种程度上来说优化了各种类型的土地利用结构，从而引起耕地向非农建设用地转移速度增加，园区推动产业集聚，形成了船舶工业聚集区、物流产业园、新兴产业集群和食品工业园抱团发展，这些都促进了建设用地面积的增加；蓬莱市政府做出的关于支持旅游业并鼓励旅游建设和发展的相关措施,也促使各土地利用类型转化；蓬莱市开发区发展迅速并与国外建立了跨国合作关系，港口和交通用地的需求增加也加速了土地扩张；政府的耕地保护意识也促使草地转为耕地，同时也控制了建设用地的增长速度.

3.3经济调控比较经济利益优先驱动发展，非农建设用地获利更高，获利周期也短，间接促进了土地利用类型的转移，经济的持续发展推动了旅游业飞速发展.长期以来，蓬莱市偏重发展旅游业，产业较为单一，产业支撑能力不够强，尤其是二、三产业发展相对滞后.近年来所确定的四大主导产业(葡萄酒产业、汽车产业、船舶工业、旅游产业)，大多集中于蓬莱城区周围，且绝大多数企业规模偏小，产业吸纳剩余劳动力的能力降低[18].

4 结 语

经过对蓬莱市土地利用现状、土地利用转移矩阵及引起土地利用变化因素进行综合分析后，得出以下几个主要结论.

1) 2008-2018年，蓬莱市土地利用变化特征为,在2008-2013年间，土地利用变化最显著的为建设用地扩张，草地、水体面积显著减少，耕地、林地面积有一定程度增加，该时间段研究区所有土地利用/覆被类型的双向转换较为频繁，草地转化为耕地的幅度较大.2013-2018年间，土地利用变化为水体面积增加明显，耕地、建设用地面积有一定程度增加，林地、草地面积有一定程度减少.在此期间土地利用/覆被类型的双向转换程度相对较低.从土地利用整体布局上来看，主要趋势是由城市中心地向东部区域逐步发展，适当向西和南2个方向发展.

2) 从人类活动分析推动蓬莱市土地利用变化的原因，蓬莱市的地理位置特征及经济发展状况等综合因素共同决定该区域的发展方向，生产生活环境的变化使多种土地利用类型相互转化；城市化和工业化的发展带来的人口压力增大、经济发展速度低迷及环境的恶化，也进一步推动各地类的相互转化；政府制定的各种发展政策，使得各地类间的相互转化向着利于经济、社会和生态全面发展的方向进行.

3) 蓬莱市进入了城镇化加速发展的重要阶段，具备加快推进城镇化的各种条件.然而受到多种因素影响，蓬莱市城镇建设相对滞后，城镇化率比全国、全省、烟台市平均水平分别低 7.5% 、7.3% 、11.7% ，与旅游城市的地位极不相称.人增地减的逆向发展态势使土地资源的有效供给和日益增长的社会需求之间的矛盾更趋激化，制约着全市社会经济发展.因此，控制人口与城镇建设的规模，加强基本农田保护，协调人地关系，以保障全市经济高速、持续、健康发展是亟待解决的战略问题.

4) 随着城市化的进程加快,土地利用类型转换速度也会提高，及时获取相应数据分析，提出解决方案也将成为今后的研究热点.因此新型的处理信息和数据的技术和软件都需及时掌握，在网络时代，遥感技术、地理信息系统技术和地理数字模型技术在监测和研究分析土地利用面积动态变化方面发挥很大的作用，在研究方法上要充分运用如GIS和RS及3S技术等新型研究数据和处理图像的技术.