基于遥感的山东省土地利用时空变化和驱动力分析

黄宝华

摘要：利用山东省1970s、1980s、1995、2000、2005、2010和2015年共7期土地利用数据，采用土地利用动态度、结构变化、土地利用类型转移矩阵研究人类土地利用活动导致的生态环境变化，结果表明1970s—2015年山東土地利用类型变化较大，除建设用地增加迅速外，耕地、林地、草地和未利用土地均呈不同程度减少趋势，耕地用地为主要用地类型。信息熵上升、优势度下降、均衡度上升，说明各土地利用类型规模差异减少、单一土地利用类型支配程度下降；综合土地利用动态度为0.12，属于土地利用极缓慢型。单一土地利用动态度中，耕地、林地、草地利用极缓慢，建设用地中的建设用地动态度为7.07，在建设用地动态度中变化最大；土地利用类型变化主要表现为耕地转向建设用地，水域、未利用土地转向耕地和建设用地，水域转向未利用土地。耕地、草地与地区生产总值（X1）、第一产业（X2）、第二产业（X3）、第三产业（X4）有着显著负相关关系；建设用地与X1、X2、X3、X4之间有着显著的正相关关系；未利用土地与X1、X2、X3有着显著的负相关关系。

关键词：土地利用动态度；土地利用转移矩阵；均衡度；信息熵；优势度

中图分类号：F301，P237文献标志码：A论文编号：cjas2020-0064

Analysis of Spatial and Temporal Changes and Driving Forces of Land Use in Shandong Province Based on Remote Sensing

Huang Baohua1，2

（1Department of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， Shandong， China；

2Yantai Real Estate Registration Center， Yantai 264003， Shandong， China）

Abstract： Based on the land use data of seven periods in Shandong Province， included 1970s， 1980s， 1995， 2000， 2005， 2010 and 2015， used the land use dynamic degree， structural change and land use type transfer matrix to study the ecological environment change caused by human land use activities. The results showed that the land use types change greatly from 1970s to 2015 in Shandong Province， except for the rapid increase of construction land， cultivated land， forest land， grassland and unused land were all decreased in different degrees， and cultivated land was the main type of land. The increase of information entropy， the decrease of dominance and the increase of equilibrium indicated that the difference of land use types was reduced， and the dominance of single land use type was decreased； the dynamic degree of comprehensive land use was 0.12， which belonged to the very slow type of land use. In the single land use dynamic degree， cultivated land， forest land and grassland were used very slowly. The dynamic degree of construction land in construction land was 7.07， which changed the most in the dynamic degree of construction land. The change of land use type mainly showed that cultivated land turned to construction land， water area and unused land turned to cultivated land and construction land， and water area turned to unused land. Cultivated land and grassland had significant negative correlation with GDP（X1）， primary industry（X2）， secondary industry（X3） and tertiary industry（X4）； construction land had significant positive correlation with X1， X2， X3 and X4； unused land had significant negative correlation with X1， X2 and X3.

Keywords： Land Use Dynamic Degree； Land Use Transfer Matrix； Equilibrium Degree； Information Entropy； Dominance Degree

0引言

土地利用是一个土地由自然生态系统向人工生态系统转变的过程，人类利用开发土地资源促进社会经济发展的同时也改变了土地覆盖形态，使其发生很大变化，影响到整个地球表层生态系统[1-2]。随着土地利用变化的日趋激烈，如何利用日益发展的科学技术研究人类土地利用活动导致的生态环境变化成为当前研究的一个重要方向[3]。遥感技术的发展为在大范围进行土地利用覆盖变化研究提供了方便[4-5]，地理信息系统因具有强大的空间叠加分析、空间统计分析等功能[6-7]，被用于土地利用变化研究中。山东省是一个经济大省，近年来经济发展与土地利用间的矛盾日渐凸显，通过对山东省土地利用格局及其驱动因素的研究，可及时、准确地了解土地利用变化情况，监测土地利用变化趋势、布局及规模，掌握各土地类型的使用情况，为国土资源调查、规划、管理、保护与合理利用服务。

1研究区概况

山东中部山地突起，西南、西北低洼平坦，东部缓丘起伏，地形以山地丘陵为主，东部是山东半岛，西部及北部属华北平原，中南部为山地丘陵，形成以山地丘陵为骨架、平原盆地交错环列其间的地貌。全省用地类型以耕地为主，主要分布在鲁西平原、胶东半岛丘陵、鲁中南山地丘陵和黄河三角洲地区。截至2018年末，山东省常住人口100472400人，地区生产总值66649亿元。

2使用数据

在国家资源环境数据库基础上，以美国陆地卫星Landsat遥感影像数据作为主数据源，通过人工目视解译得到山东省20世纪70年代末期（1970s）、80年代末期（1980s）、1995、2000、2005、2010和2015年共7期土地利用/覆盖数据。根据土地资源及其利用、自然属性进行分类，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地。同时选取研究时间段内可能影响山东省土地利用变化的地区生产总值（X1）、第一产业（X2）、第二产业（X3）、第三产业（X4）、非农业人口（X5）、固定资产投资额（X6） 6个经济因子，运用主成分分析和相关分析，对影响山东土地变化的驱动力进行分析。

3研究方法

3.1土地利用动态度模型

（1）单一土地利用类型动态度。是指一定时间内某种土地利用类型的数量变化情况，它反映某种土地利用类型的具体变化情况。其表达如式（1）所示[8]。

4结果与分析

4.1土地利用整体变化

山东省1970s—2015年土地利用类型变化较大，除建设用地外，耕地、林地、草地和未利用土地均呈不同程度减少趋势。其中，耕地占比由67.17%降到64.86%，减少3475 km2，为主要用地类型（为突出其他土地利用类型变化情况，图1没有显示耕地占比）；林地占比6.3%，基本保持不变；草地占比由8.79%降到8.42%，减少564 km2；建设用地占比由10.93%上升至15.11%，增加6574 km2，为变化最大用地类型；水域占比由4.61%降至4.2%，减少631 km2；未利用土地占比由2.2%降低至1.15%，减小1632 km2（图1、2）。

山东省土地利用类型在1970s—1980s和1996—2005年2个时间段间，呈现信息熵、均衡度下降，优势度上升趋势，说明这2个时期土地利用类型的多元化程度低，利用类型趋于简单化；2005年后，信息熵上升、优势度下降、均衡度上升，说明随着社会经济和城镇化、工业化的需要，开发利用多元化程度增加、各土地利用类型规模差异减少、单一土地利用类型支配程度下降，综合化、多元化成为山东省土地利用的发展趋势（表1）。

4.2土地利用动态度分析

山东省1970s—2015年综合土地利用动态度为0.12，属于土地利用极缓慢型（表1）。其中，1991—1995年综合土地利用动态度最大，为0.25，说明该时段土地利类型数量变化最大。单一土地利用动态度中，耕地、林地、草地在1以下，土地利用极缓慢；建设用地中的城镇用地在1970s—2015年间的动态度为4.3，1991—1995年为6.03，变化最大。农村居民点动态度变化最小。其他建设用地（指厂矿、大型工业区、油田、盐场、采石场等用地以及交通道路、机场及特殊用地）在1970s—2015年的动态度为7.07，在建设用地动态度中变化最大。说明随着经济建设的发展，建设用地量需求量随之增加；水域中的河渠、湖泊、滩涂和滩地在不同时期呈现正负交叉情况，河渠、滩地变化较小。湖泊在1991—1995年间，单一土地利用动态度达到13.08，增幅显著，但在整个时段是减少的。水库坑塘在2001—2005年单一土地利用动态度为8.22，该时段增加顯著，在总时段中是增加的；滩涂在2001—2005年，单一土地利用动态度为-7.16，该时段滩涂减小显著（表2）。

4.3土地利用变化转移

山东土地利用变化随着时间的变化呈现向平稳过渡态势。1970s—1980s，土地转换类型主要集中在建设用地、水域和未利用土地间，主要表现为耕地转向建设用地，水域、未利用土地转向耕地和建设用地，水域转向未利用土地；1991—1995、2006—2015年几个阶段土地利用类型整体情况变化较小，主要表现为耕地转向建设用地；1996—2000年，土地利用类型整体变化最小；2001—2005年，土地利用类型主要表现为耕地转向水域、建设用地，草地转向耕地（图3）。

建设用地和林地的转出较少，林地转出主要集中在济南东北部山地丘陵区，转变方向主要为耕地。耕地转出主要在各城镇和农村居民点附近，转化方向主要为建设用地。分布在鲁西北平原、胶东沿海周边地区和鲁南平原地区。在滨州、东营部分耕地转为水域（图4）；草地转出主要集中在东营市东部，其中河口区西部主要转化为耕地，中部主要转化为未利用土地，东部主要转化为耕地和水域。垦利县东北部主要转化为水域，东部主要转化为耕地。东营区东部主要转化为水域（图5）。

水域转出主要集中在滨州北部、东营东部和潍坊北部地区，青岛至威海沿海一线一带。滨州无棣县主要为水域转化为建设用地，沾化县主要转化为建设用地和耕地。河口区东北部主要转化为建设用地，东南部主要转化为耕地。垦利县西北部分别转化为建设用地、草地和耕地。东营区东部主要转化为建设用地。潍坊市的寒亭区和寿光市北部主要转化为建设用地。昌邑市西北部主要转化为草地，东北部主要转化为建设用地。从青岛即墨市至威海荣成市沿海一线主要转化为建设用地（图6）。未利用土地转移主要集中在滨州北部、东营北部和东部、潍坊北部和微山县中部。其中滨州无棣县和沾化县北部主要转变为其他建设用地；东营河口区西北部主要转化为其他建设用地，东北部转化为耕地和草地。垦利县和东营区境内主要转化为耕地；潍坊市寿光市西北部未利用土地转化为其他建设用地、草地、水域用地。东北部主要转化为建设用地。昌邑市北部主要转化为建设用地。济宁微山县主要在微山湖中部附近转化为水域（图7）。

4.4土地利用变化驱动力

利用SPSS对X1、X2、X3、X4、X5、X6进行主成分分析，结果为KMO=0.632，大于0.6，Bartlett球形度检验Sig.<0.05（即P<0.05），适合进行主成分分析。主成分分析一共提取出1个主成分，此主成分的方差解释率分别是97.136%（表3）。且对应的共同度值均高于0.4，表示研究项和主成分之间有着较强的关联性，主成分可以有效的提取出信息。

耕地、草地与X1、X2、X3、X4的相关系数为负（P< 0.05），说明耕地、草地和上述4项之间有着显著负相关关系；建设用地与X1、X2、X3、X4的相关系数为正（P< 0.05），说明建设用地和上述4项之间有着显著的正相关关系；未利用土地与X1、X2、X3的相关系数为负（P<0.05），说明未利用土地和前3项之间有着显著的负相关关系，与第三产业的P>0.05，表明和第三产业之间无相关关系；林地和水域和X1、X2、X3、X4的P<0.05，说明林地和水域与上述4项无相关关系。山东省耕地、建设用地、未利用土地变化主要受经济社会发展、城市扩张、人口因素的影响，而受农业结构调整、自然因素的影响较少（表4）。

5结论

（1）山东省1970s—2015年土地利用类型变化较大，除建设用地外，耕地、林地、草地和未利用土地均呈不同程度减少趋势。耕地占比在67.17%～64.86%之间，为主要用地类型；建设用地占比10.9%～15.1%，增加迅速。信息熵上升、优势度下降、均衡度上升，说明各土地利用类型规模差异减少、单一土地利用类型支配程度下降。

（2）山东省1970s—2015年综合土地利用动态度为0.12，属于土地利用极缓慢型。单一土地利用动态度中，耕地、林地、草地利用极缓慢；建设用地中的城镇用地在1970s—2015年间的动态度为4.3，变化较大。其他建设用地动态度为7.07，在建设用地动态度中变化最大。

（3）山东省1970s—1980s土地利用类型变化主要集中在建设用地、水域和未利用土地间，主要表现为耕地转向建设用地，水域、未利用土地转向耕地和建设用地，水域转向未利用土地。

（4）耕地、草地与X1、X2、X3、X4有着显著负相关关系；建设用地与X1、X2、X3、X4之间有着显著的正相关关系；未利用土地与X1、X2、X3有着显著的负相关关系。

参考文献

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致谢：使用土地覆被类型数据由中国科学院资源环境科学数据中心提供。