近30年大庆市土地利用变化特征分析

李 健，张文春

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

0 引言

土地资源一直是人类赖以生存的宝贵资源,在人类活动作用下,逐渐形成了复杂且稳定的人地协调系统[1].随着人口的不断增长,人们对物质的需求日益增加,对土地的开发利用程度也在不断提高,与此同时，土地污染、土地荒漠化等问题也接踵而来,因此对土地利用类型的变化研究成为了炙手可热的研究课题[2].

在开展土地资源调查时,传统的人工野外调查方法费时费力效率较低,难以满足社会发展的需求,遥感技术因其观测范围广、采集信息量大、观测时间短等特点,被广泛应用于土地资源数据的采集.如刘纪远等[3]人运用遥感技术,对我国20世纪80年代末到90年代末的土地利用变化过程进行了全面分析;王良健等[4]人利用航空遥感并结合GIS技术,定量分析区域内土地利用动态变化过程以及各类型之间的相互转化状况.

大庆市作为土地利用变化剧烈的资源型城市,近年来被广泛关注研究,如臧淑英采用面板数据模型,重点分析了大庆市城市建设用地变化的驱动机制[5];张小虎等[6]人在GIS与RS技术支持下运用主成分分析法研究了大庆市近20年土地利用变化特征.虽然针对大庆市土地类型变化的研究较多,但研究土地类型变化周期相对较短,未能对大庆市土地类型长远发展提供依据.

本文在前人已有的工作基础上,以大庆市为研究区,以1986年、2000年、2018年LANDSAT影像数据作为土地利用类型解译的数据源,运用RS软件,通过波段组合、影像融合、几何校正等方法进行影像预处理,基于GIS软件平台利用人机交互方式的目视解译法进行土地利用类型遥感解译,获得大庆市1986年、2000年以及2018年的遥感解译数据,利用土地利用动态度、转移矩阵、土地利用综合指数等方法研究大庆市32年来土地利用的变化和特征,为大庆市未来土地资源的合理利用和生态系统的保护提供理论依据.

图1 研究区概况

1 研究区概况

大庆市属于黑龙江省,位于阿穆尔河的西南部.地理坐标:北纬45°46'-46°55',东经124°19'-125°12',东与明水县、安达市、肇东市交界,西与齐齐哈尔市、泰来县、镇禄县交界,北部与富裕县、依安县相邻,南部与吉林省隔河相望.

大庆市地处东北平原北部,深处松嫩平原腹地,西邻蒙古高原,受其阻挡以及西风带影响,呈现典型的大陆性气候特征,冬夏气候干湿冷暖变化明显,在温度与降水量的峰谷值上也呈现趋同性,区内地形多为低平原,土地类型多为耕地和草地,湖泊和碱性的土地也分布较广.

区内的气候以及地形地貌条件有利于农作物及草场的生长,盛产玉米、高粱、大豆等作物,是黑龙江省花生种子生产基地.

2 数据来源、处理及研究方法

2.1 数据来源及处理

本文以LANDSAT影像数据作为大庆市土地利用类型解译的数据源,基于RS软件平台对遥感影像进行波段组合、影像融合以及几何校正等预处理,根据GB/T 21010-2017《土地利用现状分类》标准,将研究区内的土地划分为耕地、草地、林地、住宅用地、水域以及其他土地6类[7],基于GIS软件平台,利用人与机器交互方式的目视解释法进行土地利用类型的遥感翻译,在大庆市获取1986年、2000年、2018年的土地利用类型数据.

(a)1986年 (b)2000年 (c)2018年

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

为研究在某个时间范围内各类土地资源利用类型的变化倾向,使用土地利用动态度来表示土地的变化状况.

K=(Ub-Ua)/Ua×1/T×100%

式中,K代表土地利用动态度;Ua，Ub分别是研究期初和期末的土地利用数量;T是研究周期[8].当K代表研究时段内土地利用的年变化率时,T当以年为单位.

2.2.2 土地利用转换矩阵

当对同一地区内不同时间维度上的土地资源利用情况进行分析时,首要应该掌握各土地资源类型的转换趋势,使用转移矩阵的分析方法[9],对该地区土地资源类型之间转化趋势进行量化,可以将土地资源利用类型的变化,直观准确地表达出来,其公式如下:

式中,P为土地类型转移概率矩阵;n为土地类型数;i,j代表研究期初和期末的土地类型[10].

2.2.3 土地利用综合指数体系

本次研究通过计算土地利用综合指数,对区内的土地资源利用状况和土地资源利用的变化情况进行定量分析,分析土地利用综合指数的变化情况,明确大庆市土地开发利用程度以及土地利用总体研究期间内的综合水平和变化趋势[11-12].方法以及表达式如下:

(1)土地利用程度指数

式中,L是土地利用程度指数;n是土地利用程度等级数;Ai为等级指数,随着i的不同其等级指数不同;Ci为对应土地利用程度等级类型占研究区总面积的比例[13].

(2)土地利用程度变化量

式中,La,Lb分别是研究时间开始和结束的土地利用程度指数;Cia和Cib分别对应a时间和b时间第i级土地利用面积占研究区总面积的比例[14].

(3)土地利用程度变化率

式中,R表示土地利用程度变化率,若R>0,那么表示该地区土地利用正在发展时期,若R<0,那么则代表该地区土地利用正在调整或者处在衰退期[15].

3 结果与分析

3.1 土地利用面积数量变化分析

基于土地利用类型遥感解译数据,经统计计算得到大庆市各个时期土地利用类型的面积和比重,如图3、表1所示.观察图表可以看出研究区内主要为耕地、草地和水域3种土地利用类型,此3种土地利用类型的总面积达到大庆市总面积的80 %以上,林地、住宅用地以及其他土地比例较小.面积不及研究区总面积的20 %.1986年,研究区草地面积在研究区总土地面积中占近40 %,面积达到7 803.23 km2.随着时间的增长耕地所占比例不断攀升,至2000年,耕地面积已超过研究区总土地面积的40%,面积达到9 255.03 km2,居住用地在研究区总土地面积中所占最小,面积仅为552.85 km2.2018年,研究区半数以上的土地类型均为耕地,面积为12 249.45 km2,占研究区总面积的57.92 %,其他土地类型面积最小,面积为967.69 km2,比重为4.58 %.

图3 土地利用类型面积统计

表1 1986年～2018年土地利用类型面积及比重

3.2 土地利用动态变化分析

基于土地利用类型遥感解译数据,利用土地利用动态度模型,计算得到1986年～2018年大庆市土地利用类型动态度(见表2).分析表2可以得出,在1986年～2018年间,大庆市的耕地动态度达到2.73 %,即在这32年间,大庆市的耕地面积一直呈不断扩大发展趋势,其中在1986年～2000年时段内动态度较大,动态度为2.97 %,说明该时段耕地的需求量较大,对耕地的开发较多;住宅用地的动态度为5.44 %,且2000年～2018年大于1986年～2000年,说明大庆市的城市化进程不断增大,住宅用地面积始终处于增大的趋势且其城镇化发展不断进步;其他土地动态度最大,达到8.67 %,说明其他土地面积在不断增加,且增长速率最快,在1986年～2000年的14年间,研究区其他类型用地动态度达到9.02 %,增长幅度较大,该时期环境破坏较为严重,在2000年～2018年时段内动态度变为3.71 %,虽然其他土地面积还在增加,但增长速度大幅降低,说明在该时期人类开始注重保护环境,遏制了其他土地的增长速率.

表2 1986年～2018年土地利用类型动态度

研究区草地、林地、水域等自然土地形态的利用动态度均呈现负增长的趋势,其中草地负增长趋势尤为突出,达到了-1.76 %;其次为水域,动态度为-1.49 %,林地动态度为-0.98 %,说明在1986年～2018年间,草地、林地和水域的面积略有减少,在2000年～2018年时段草地内动态度最小,动态度为-2.75 %,草地减小的速率最为剧烈;在1986年～2000年时段内水域动态度为-2.41 %,说明在该时段内水域面积减少的速度最快,这可能是由于在该时段内人类对资源的过度开发导致环境遭到破坏,进而导致水域面积骤减;在1986年～2000年时段内林地动态度最小,达到-2.81 %,说明在该时段内人类对林地的开发较大,林地在研究区土地资源中面积不断下降,而在2000年～2018年的近20年间,林地资源的动态度由负转正,这是由于国家开始重视保护生态环境,减少了对林地的开发,大规模的植树造林导致林地面积略有增加.

3.3 土地利用转换特征分析

基于GIS软件平台,对大庆市3个时期的土地数据进行空间叠加分析,将结果进行分类统计,获得了大庆市1986年～2000年和2000年～2008年土地利用转移矩阵(见表3、表4).

表3 1986年～2000年土地利用转移矩阵

表4 2000年～2018年土地利用转移矩阵

从表3可以看出,在1986年～2000年的14年间,研究区各类土地类型转出面积以草地面积为主,水域、林地以及耕地次之,住宅用地最少.草地、水域以及林地转出面积较大,转出面积分别为2 973.85 km2,1 772.03 km2及1 028.22 km2;耕地与其他土地转出面积较少,面积为431.56 km2与149.90 km2;住宅用地转出面积最小,面积仅为4.71 km2.研究区各类土地类型转入面积以耕地面积为主,草地、其他类型用地、林地、水域次之,住宅用地最少.耕地的转入面积最大,面积达到3 151.48 km2,是其转出面积的3倍;其次是草地,转入面积为1 926.76 km2;其他土地、林地、水域的转入面积较少,面积分别为473.69 km2,381.45 km2以及240.52 km2;住宅用地转入面积最小,面积为186.37 km2.

由表4可以看出,在2000年～2018年间,大庆市总体变化程度较1986年～2000年有所上升,在此期间大庆市各土地利用类型转出面积从大到小排序依次为:草地>水域>耕地>林地>其他土地>住宅用地.草地的转出面积最大,面积达到4 465.89 km2,超过所有土地类型总转化面积的50 %;水域以及耕地的转出面积较大,分别为1 150.84 km2以及1 065.13 km2;林地、其他土地、住宅用地的转出面积较少,转出面积分别为952.04 km2,377.49 km2以及204.32 km2.研究区各类土地类型转入面积以耕地面积为主,草地、林地、其他类型用地、居住用地次之,水域最少.耕地面积的转入面积最大,面积为4 059.55 km2;草地和林地的转入面积较大,转入面积分别为1 122.25 km2,1 083.49 km2;其他土地、住宅用地以及水域的转入面积较少,面积依次为764.93 km2,668.77 km2以及516.70 km2.

3.4 土地利用程度分析

为展开区域土地利用程度定量分析,将区域土地按照社会经济因素影响下的自然平衡状态分为4级[16],分级类型以及划分情况如表5所示,等级指数依次为1,2,3,4.

表5 土地利用分级赋值

依据土地利用分级,利用土地利用程度综合指数模型,得到大庆市各地区土地利用变化程度如表6所示.

表6 1986年～2018年各行政区土地利用变化程度

从表6可以看出,在1986年～2018年间大庆市土地利用情况呈缓慢上升趋势,1986年整个研究区土地利用程度指数是2.331,2000年土地利用程度指数为2.462,2018年变为2.630.在1986年～2000年间大庆市土地利用程度总体变化较小,在2000年到2018年间变化差异略微增大,并且各市县土地利用程度参差不齐,研究区各市县土地利用程度均大于2,其中,肇州县住宅用地占比较大,耕地面积较大,其土地利用程度最高,土地利用程度指数均大于2.7.土地利用程度最低的是杜尔伯特县,其土地利用程度指数分别是2.067,2.255以及2.535,这是由于杜尔伯特县住宅用地占比较小,人口较少,林草水用地面积较大,因此土地利用程度低.

同时,根据统计数据可以看出大庆市下辖各市县在土地利用率上均有变化,大庆市土地利用仍有较大发展空间.在1986-2000年间,土地利用程度变化量和变化率最大是杜尔伯特县,分别为0.188和0.091;而土地利用程度变化量和变化率最小的肇州县仅为0.032和0012.2000年～2018年间,杜尔伯特县土地利用程度变化量和变化率也最大,分别为0.280和0.124.林甸县最小,其变化量和变化率为0.033和0.013.

4 结论

通过分析大庆市32年来土地利用变化的特征和规律,可以得出以下结论：

(1)大庆市的已利用土地达到了80 %以上,主要类型为耕地、草地和水域.在1986年～2018年间,大庆市土地各利用类型数量变化特征较为明显,耕地、住宅用地以及其他土地面积不断增加,草地和水域面积不断减少,林地面积先减少后略有增加.其中，其他土地面积增加速率最快,草地面积减少速率最快.

(2)在研究时段内,大庆市的土地利用转换特征较为明显,研究区各类土地类型转出面积以草地为主,转入面积以耕地为主.不同土地类型面积的增加或减少主要是因为它们之间的相互转换,其中草地和其他类型之间的转换最为频繁,在2000年～2018年间,草地转出面积超过所有土地类型总转化面积的50 %.

(3)大庆市土地利用程度在1986年～2018年间处于中等偏上的水平,整体而言呈上升的趋势,但上升的幅度不明显.各市县土地利用程度参差不齐,土地利用程度最高的是肇州县,最低的为杜尔伯特县,从土地利用程度变化量及变化率来看,大庆市土地利用处于发展期,但发展较为缓慢,其中杜尔伯特县较其它市县发展相对较快,肇州县发展最为缓慢.