基于GIS的武汉市洪山区土地利用变化分析

左玉珠，周湘博，张 帆

(太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

1 研究背景

土地既是关乎人类生存与发展的宝贵的自然资源，也是不可或缺的物质基础。近年来，随着经济的快速发展，城市土地利用类型产生了较大变化，使得遥感数据被广泛用于土地利用及土地覆盖的研究，遥感技术成为了研究土地利用时空变化有力的工具。许多学者利用了GIS或RS信息获取技术、空间分析技术和数理统计方法，对武汉市的土地利用及时空演变情况进行了分析。童威等[1]利用2000年—2019年武汉市Landsat影像，揭示了武汉市各土地利用类型变化的幅度及土地利用的状态。高崇辉等[2]基于RS和GIS技术手段，分析了1991年—2005年武汉市土地利用变化幅度与单项土地利用类动态变化，并分析了武汉市土地利用变化的驱动力。王璐等[3]基于2016年武汉市7月、8月份的三幅Landsat-8遥感影像数据进行研究，得出武汉市土地利用景观格局研究的最佳空间尺度为60 m。贾行飞[4]利用1990年—2015年的遥感影像，运用了景观生态学原理，分析了武汉市景观格局的演变。温新秀[5]选取2000年、2005年、2010年、2015年土地利用结构数据以及洪山区土地利用上位规划，分析了洪山区土地利用发生的变化及未来发展的趋势。

本文将在前人研究的基础上，以武汉市洪山区为研究区域，选取2005年、2011年、2015年三个不同时期的卫星影像数据，利用GIS平台的遥感处理及空间分析模块，对比研究了武汉市洪山区10年内土地利用演变过程及城市发展状况，以期为推动区域经济快速发展与绿色生态协调提供有力的数据支持及科学依据。

2 研究区概况

洪山区位于武汉市东南部,东接鄂州,南抵江夏区,北临长江,西北与武昌、青山两区毗邻,介于东经114°7″～114°38″之间，北纬30°28″～30°42″之间，洪山区地貌以平原为主，有山有水，水阔地宽，西北略低，东南略高。洪山区版图面积480 km2。近年来，洪山区城市化速度显著加快。2018年武汉市洪山区城镇化率达80.29%。

3 数据来源

使用的Landsat遥感影像数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，包括2005年和2011年的Landsat 4-5 TM影像及2015年的OLI_TIRS影像，利用最大似然法监督分类的方法，建立小区合并规则，将该区域土地利用类型分为：草地、建设用地、未利用土地、耕地、水域和林地(见图1)；利用最大似然监督分类法得到总体分类精度和Kappa系数都高达95%以上，符合本文的研究精度要求(见表1)。

表1 监督分类后精度评价

4 研究方法

4.1 土地利用分析模型

4.1.1 土地利用动态度

土地利用动态度可以表达土地利用类型的动态变化过程[6]。土地利用度表达式为：

(1)

其中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua，Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长。

4.1.2 土地利用指数变化[7]

土地利用类型转移矩阵：土地利用类型之间的相互转换情况主要利用土地转移矩阵来实现。

(2)

其中，Sij为n×n矩阵；S为面积；n为土地类型数；i，j分别为研究期初和研究期末的土地类型。

4.2 景观分析方法

景观指数的重要作用在于：它通过描述景观格局，建立景观结构与过程或现象的联系，进而更好地解释景观功能[8]。

本文通过对遥感影像进行土地利用的监督分类后得到武汉市洪山区多时相的变化特征。接下来利用景观生态学的方法分析研究区景观格局的时空演变。运用GIS平台的统计分析功能，根据研究目的，分别统计计算两类指标数据。第一类是斑块级别的指标：斑块个数(NP)；第二类是景观级别的指标：形状指数(Di)[9]和景观破碎度(C)。

1)斑块个数(NP)。

NP=ni

(3)

其中，ni为景观中斑块类型i的斑块数量；NP值与景观破碎度成正相关，值越大景观破碎度越高。

2)形状指数(Di)。

(4)

其中，Pi为斑块周边长度；Ai为斑块面积；Di为斑块的发育程度,Di值越大,说明斑块周边越发达。

3)景观破碎度(C)。

(5)

其中，C为景观破碎度；ni为景观类型i中的斑块总数；Ai为景观类型i的面积。C的值越大，则景观类型的破碎化程度越大，说明受人类活动影响越显著。

4.3 归一化植被指数分析

植被的光合作用表现为对红光(Red)和蓝紫光(Blue)的强烈吸收而使其反射光谱曲线在该部分波段呈波谷形态，对绿光(Green)尤其是近红外(NIR)有强烈反射，从红光到红外裸地反射率基数较高但增幅很小。根据光合作用的这个特点，强化Red和NIR差别的数学变换的“归一化植被指数(NDVI)”，NDVI定义为[10]：

NDVI=(CHNIR-CHRED)/(CHNIR+CHRED)

(6)

其中，CHNIR为遥感卫星的近红外通道;CHRED为红光通道反射率。

如果NDVI值为0，研究区域为岩石或裸土；为负值时，说明研究区域地面有雨水、降雪覆盖，或者有云量；为正值时，则表示研究区域有植被覆盖，且植被覆盖度越高，NDVI值越高。NDVI变化率的公式为：

A=(K2-K1)/K1

(7)

其中，A为变化率;K1为前一个影像时间年的对应值;K2为后一个影像时间年的对应值。

5 结果与分析

5.1 土地利用结果分析

5.1.1 土地利用结构

各年土地利用类型面积图见图2，从图2可看出，武汉市洪山区建设用地在2005年、2011年、2015年的面积占比依次为20%，35%，47%，呈现出连续增大的变化现象；耕地在该3 a的面积占比值依次为9%，6%，8%，体现为面积先减小后增大的变化特征，同样的变化特征还有林地和未利用土地；主城区的草地在上述3 a的面积占比依次为30%，24%，13%，与城区恰恰相反体现为连续减少的现象；水域在3 a的面积占比依次为20%，31%，19%，由于2011年武汉市暴雨导致洪灾，水域呈现先增大再减小的现象，但从长期看，水域面积并未发生大规模变化。

5.1.2 土地利用动态度

利用式(1)计算2005年—2011年、2011年—2015年的土地利用类型年变化率，得到结果如表2所示。

表2 2005年、2011年、2015年洪山区各土地利用类型年变化率

从表2数据来看，2005年与2011年对比可知，在这6 a间，建设用地和水域呈增加态势，未利用土地、草地、林地、耕地呈减少态势，未利用土地面积明显减少。其中，水域变化尤为异常，原因是2011年湖北省遭遇罕见暴雨导致洪涝灾害发生，致使影像数据中水域面积异常增大。同时草地的年变化率最小，为-3.13%；未利用土地的年变化率最大，为-14.39%，说明城市不断发展，未利用土地的利用率增加。2011年与2015年数据对比可得，2015年的城乡建设依旧在稳步发展，面积不断扩大；水域、草地面积呈增加态势，林地、耕地、未利用土地的面积较2011年呈现增加的态势，其中林地范围有明显增大，未利用土地增大幅度明显，说明2011年未利用土地面积很大程度被水域覆盖。

1)利用2005年和2011年土地利用转移矩阵(见表3)，分析可以看出水域和建设用地的面积在增加，其余面积都在减少，其中建设用地的变化率为80.62%，林地及未利用土地的变化率分别为-73.87%，-86.35%，说明2005年与2011年相较，林地，未利用和建设用地变化较剧烈，建设用地的面积增长率最大，而未利用土地的减少率最大，表明武汉市洪山区土地利用转移具有一定的方向性，城市化进程主要以城乡区域的扩张为主，未利用土地的大幅减少，也可以看出城市化进程在这6 a间加快。

表3 2005年、2011年变化转移矩阵

2)利用2011年和2015年土地利用转移矩阵(如表4所示)分析可知，除草地和水域面积减少以外，其他类型土地面积都在增加，土地利用转移速率较上阶段的变化速率稍有减缓，分析其原因主要是由于2011年洪水从土地退散后使得林地和未利用土地面积有所增加；2015年建设用地较2011年增加了33.26%，说明了城市化进程中建设用地的增长仍是主流趋势。林、耕、草的增加能够降低脆弱度，建设用地的增加则提高脆弱度[11]。通过比较三期的土地利用和转移情况，发现建设用地的面积在逐年增加，说明在城市进程发展加快的同时，土地的脆弱度也在增加。

表4 2011年、2015年变化转移矩阵

5.1.3 城市质心迁移

由上述分析可以发现，2005年—2011年土地利用转变最为明显的就是城乡建设用地。城市的中心作为反映城市发展方向轨迹的非常指标性的因素，表现在既可以反映发展的阻力，也可以评价城市发展的动力[12]。

主建成区质心位置见表5，从表5可知，主建成区在2005年—2011年间发生了变化，变化体现在质心经度向西方移动，纬度向北移动，偏移距离为4.667 km，偏移角度为北偏西26.29°；而在2011年—2015年间，主建成区质心经度向东方移动，纬度向南移动，质心则向南偏东72.74°方向移动了5.011 km，见图3。为了适应城市人口的激增，大量的耕地和未利用土地被城镇取代，2005年、2011年及2015年的洪山区主建成区都在发生不同程度的变化，并且主要的发展方向有所改变导致城乡建设用地的重心迁移明显。

表5 主建成区质心位置表

5.2 景观分析

为了更好地描述景观格局，建立景观结构与过程或现象的联系，解释景观功能，本研究对武汉市洪山区进行了景观分析，得到景观指数计算结果(见表6)。

表6 景观指数计算结果

根据表6可知，2005年未利用土地Di值、C值最大，说明未利用土地周边较复杂且受人类活动影响显著；2011年草地Di值最大，说明周边较复杂且不规则，耕地C值最大，说明耕地在2011年受到人类活动的影响最大，可能占用这些土地来拓展城市、发展工业等；2015年草地Di值最大，未利用土地C值最大[13]。由上分析可知，2005年—2015年这10 a间，未利用土地受人类影响较大，可能与城市扩张，发展工业和经济建设，与实际城镇化速率较快的情况相符。

5.3 NDVI分析结果

NDVI>0.3就意味着有植被覆盖，NDVI<0.3为非植被覆盖区，如河流、城市建筑、硬化的广场及道路等。植被指数变化图见图4。由图4可以看出，2005年植被集中于区域中部，但NDVI值高于0.3的区域较少，总体来说植被覆盖度较小；2011年NDVI>0.3的区域明显增多，并且多集中于区域中部，说明2011年植被覆盖度较高；2015年仅在右上角出现NDVI>0.3区域，大面积区域的NDVI值介于-0.129～0.086 3之间，可知2015年植被覆盖度最小。HDVI值对比表见表7，分析表7可以看出，2005年、2011年、2015年的NDVI平均值分别为0.097，0.134，0.087，NDVI值先增大后减小，说明洪山区的植被覆盖度在10 a间呈现出先增加后减小的变化趋势。

表7 NDVI值对比表

6 结论

1)武汉市洪山区2005年、2011年及2015年三期的土地利用结构主要以草地、水域、建设用地为主，其中建设用地分布最为广泛，且呈现出增长的趋势，10 a间增长了152.35 km2。比较2005年和2015年的分析结果可以看出来，除了建设用地面积增加以外，其他类型土地都呈减少态势，其中草地降幅最大，10 a降幅达93.6 km2,说明随着城市化进程的加快，建设用地对其他类型的土地都进行了一定程度的侵蚀，对城市的生态发展产生不利影响，提高了土地的脆弱度。

2)通过两个阶段土地利用转移矩阵可知，2005年、2011年、2015年3 a对比可以发现，武汉市洪山区变化最剧烈的土地类型是建设用地，两个阶段都呈增长趋势，说明2005年与2015年武汉市洪山区以建设用地扩张为主，其中2005年与2011年对比可知，以草地转化为建设用地为主；2011年和2015年对比可知，以草地、水域转化为建设用地为主，但建设用地的扩张速率明显小于上一阶段，可见洪山区城市扩张的速率在减缓。在城市质心转移分析中，得出武汉市洪山区质心逐渐向东南方向偏移，主建成区逐渐沿水域向外扩散。为了有利于人类活动和促进地区经济发展，可进一步沿水域发展。

3)根据对洪山区景观指数的分析，对比三期数据，2005年、2011年及2015年未利用土地周边最为发达、最不规则，且破碎度值最大，说明受到了显著的外界干预，土地利用程度增加，如利用这些土地拓展城市、开发耕地等。而水域破碎度最小，说明其受到的人类的影响最小。NDVI分析结果可知，洪山区植被覆盖度整体较低，且在10 a间呈现先增大后减小的趋势，这样的发展趋势与地区经济发展和城市化进程加快息息相关。