大英县2002-2017年土地利用分类动态分析

孙姣姣，王 琦，郑 洁，刘姝伶，李 慧

（1.西南科技大学 城市学院，四川 绵阳 621000；2.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079）

土地是人类生存和生产的基本场所与根基[1]，土地利用调查为国家土地的用途制定、资源管理、国民经济和社会的可持续发展建设提供了有力的数据支撑[2]。自“国际地圈与生物圈计划（IGBP）”和“全球环境变化人文计划（HDP）”提出土地利用/覆被变化（LUCC）以来，LUCC已逐渐成为学者们关注的研究热点[3]。LUCC是人类活动对自然环境的直接体现形式，也是影响全球环境变化的主要原因之一，与社会可持续发展和人类生存息息相关[4]。随着影像分类方法的迅猛发展以及高分辨率遥感影像的应用普及，基于遥感技术进行土地利用分类，从而真实、客观地反映土地利用现状的方式得到广大学者的认可[5-6]。该方法基于地物目标间的波段差异性及其地物纹理和颜色的区别，利用计算机解译或目视解译的方式来获得不同地物属性[7]，具有周期短、提取快速、操作性强等优势，不仅可有效减少人力物力，而且增加了土地调查数据的真实性和可靠性[8]。

近年来，由于我国经济和城镇化的飞速发展，土地利用类型发生了大幅变化，许多学者基于遥感技术进行了土地利用和景观格局现状的研究[9-10]。Paracchini M L[11]等创建了基于空间权衡评价的聚合模型，将土地利用中的部分指标相互联合起来对多方面的土地利用功能进行评价和预测；金石柱[12]等基于Landsat TM/ETM+遥感影像，利用最大似然法对延吉市进行了土地利用分类，并通过时序分析得到延吉市1991年、2001年和2006年居民地面积呈快速增加趋势，耕地和草地逐渐减少，该地区的生态环境恶化与土地的错误利用有很大关系的结论；吕桂军[13]收集整理了北京市海淀区1980-2010年的Landsat系列影像数据，探索了长时间序列Landsat影像在地理国情监测中的重要作用；杜挺[14]结合Landsat8 OLI数据，对比分析了遥感图像的融合算法，探索了土地利用分类在土地使用中的适应性；陶蕊[15]等基于Landsat8和TM遥感影像，结合RS和GIS技术分析了滁州市2000年、2005年、2010年和2015年的土地利用变化情况，研究表明滁州市土地利用发生改变的原因是城镇化以及退耕还林等。目前土地利用分类的研究主要集中在分类方法的比较[16]、大中城市[17]、流域[18]等方面，针对县级小城市的研究还较少。四川省素有“天府之国”的美誉，城市扩张使得各城市土地利用状况发生了很大改变[19]。大英县位于四川盆地中部，是成渝双城经济圈黄金分割点。随着城市基础建设力度的加大、城镇化水平大幅提高，大英县耕地等其他用地大面积减少。平衡的生态环境与人类活动息息相关，城市发展路线将影响人类社会与自然环境的和谐相处[20]，依托可持续发展战略，合理的资源配置与调整是重中之重[21]。因此，城市的土地利用规划和调整十分重要，开展基于土地利用状况的时空变化分析研究十分必要。本文首先对大英县2002-2017年的地物类型进行了分类提取，再结合土地利用面积变化、动态变化幅度、动态度和转移矩阵4个指标分析了各地物类型的时间序列变化情况。该研究成果以期为土地利用规划与调整提供相应的科学参考。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

大英县位于四川省中部，是成渝双城经济圈黄金分割点，经纬度范围为 30°29′～30°44′N、105°15′～105°40′E。县域东西长约为32 km，南北长约为26 km，交通便利、水系发达、河流纵横；地形主要由3个区域合构而成，南北方向地势高，中间区域低缓，西北沿东方向微微倾斜；土地类型以中、小丘陵为主，土壤类型为棕黄色黏土、亚黏土和紫色土[22]。

1.2 数据来源

本文采用来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）的Landsat系列遥感影像。该数据在可见光—近红外（VNIR）波段光谱范围大，波谱对地物响应敏感，可较好地分辨地物变化情况[23]。本文选用2002年、2006年、2009年、2014年和2017年5景遥感影像，影像质量良好，研究区无云，如表1所示。遥感数据的成像过程会受传感器、大气气溶胶等其他客观因素的影响，为获取地表真实反射率，本文对Landsat系列数据进行辐射定标、大气校正等预处理[24]。

表1 各年份影像信息

2 研究方法

2.1 分类方法

本文根据GB/T 21010-2017《土地利用现状分类》[25]和大英县土地利用实际情况[26]，利用最大似然法将研究区分为耕地、建设用地、林地、水域和其他用地5种土地利用类型。各土地利用类型解译所选取的训练样本分离度均大于1.8，属于合格样本。土地利用分类结果通过聚类处理对小图斑进行修正，Kappa系数均大于82.33%，满足判别要求。

2.2 土地利用面积变化

本文根据土地利用分类结果，统计了2002年、2006年、2009年、2014年和2017年相邻两期的土地利用类型面积，并计算其面积变化情况，计算公式为；

式中， ΔS为相邻两期土地利用类型面积差值；S1为前期土地利用类型面积，单位为km2；S2为后期土地利用类型面积，单位为km2。

2.3 土地利用动态变化

土地利用时空动态幅度能反映不同年份土地利用面积的变化情况，揭示各土地利用类型在各年份的时空动态变化[27]；土地利用动态度是表示区域土地利用变化剧烈程度和变化差异的指标，反映了阶段时间中土地利用变化的速度[28]。其计算公式为；

式中，RS为土地利用时空动态幅度；DS为土地利用动态度；S1为前期土地利用类型面积；S2为后期土地利用类型面积；T为相邻两期时间差。

2.4 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是表征一段时间内土地利用类型稳定转移方向、结构的指标，能反映各土地利用类型的转移情况[29]。其计算公式为；

式中，i、j为转移前后的土地利用类型；n为转移前后土地利用类型的数目；Sij为期间内i类土地利用类型转移为j类土地利用类型的面积。

3 研究结果与分析

3.1 土地利用分类与面积变化

本文根据2002-2017年5期遥感影像数据，解译得到各时期土地利用状况的分类结果，如图1所示，可以看出，15 a来大英县的林地与建设用地面积逐渐增加，耕地面积逐渐减少。

图1 大英县土地利用分类结果

结合分类结果和式（1），得到各期各土地利用类型的面积及其变化情况，如图2、表2所示，可以看出，大英县的耕地面积最大，占比65%以上，其次是林地和建设用地，分别占比12%和14%以上；2002-2017年耕地面积逐年减少，由505.33 km2减少至461.78 km2，减少了8.6%；建设用地面积逐年增加，15 a间增量为3.23 km2，面积占比由11.94%上升至12.4%，这与大英县近年来加大城市基础建设力度、城镇用地需求增加的现状相一致；2002-2017年在国家倡导退耕还林和植树造林、保护生态环境的政策基础上，大英县的林地面积也呈逐年增加的趋势，增加了41.25 km2，涨幅为42.33%，面积占比由13.9%上升至19.8%；2002-2006年水域面积减小了0.51 km2，2006-2014年水域面积呈增加趋势，增加至13.8 km2，2017年又减少至13.24 km2；2002-2014年其他用地面积持续增加，增加了0.5 km2，随后减少至2017年的0.34 km2，降幅为62.5%；水域和其他用地呈波动变化趋势，除土地利用类型存在转移外，还可能源于影像采集时间的不一致，丰水期和平水期时涪江、郪江的水位会快速上升或下降，导致滩涂消退或显现，影响面积的变化。

表2 各土地利用类型面积的总量变化

图2 各期各土地利用类型的面积变化情况

3.2 土地利用动态变化分析

本文利用式（2）、（3）计算得到土地利用变化幅度和土地利用动态度，结果如表3所示，可以看出，耕地面积变化幅度均为负值，即土地面积逐期减少，但减少速度呈由快到慢的趋势；2002-2006年、2006-2009年、2009-2014年耕地变化幅度分别为-1.44%、-2.21%和-3.5%，2014-2017年土地面积减小速度变慢，变化幅度上升至-1.75%，说明大英县近年来在坚守18亿亩耕地红线政策实施上有所成效；2002-2014年林地面积的变化幅度逐期增大，分别为6.93%、9.11%、14.35%，而2014-2017年其变化幅度有所下降，下降幅度为7.66%，这是由于在四川省耕地保护系列措施中，林地作为耕地被建设用地占用后“占补平衡”的补充用地，总体来说林地面积在15a间整体变化幅度均为正值，呈持续增加趋势；建设用地面积的增加速度在2002-2009年持续变快，变化幅度由1.23%增至1.38%，2009-2014年减至0.52%，2014-2017年又回升至0.67%，这是由于在城镇化发展背景下，农村建设用地发生了大量转移，继而影响建设用地面积的占比，大英县响应节约集约利用荒弃土地政策，减少建设用地的浪费，从而实现区域协调发展。

表3 各土地利用类型的动态变化/%

2002-2017 年大英县耕地和其他用地动态度呈负值变化，建设用地、林地和水域动态度呈正值变化，其中林地面积变化最剧烈，在2002-2009年增长速度达到最大值，动态度从1.73%上升至3.04%，2009-2017年增长速度减缓，降至2.23%；其次为建设用地，各时段的动态度分别为0.31%、0.46%、0.10%、0.22%，建设用地面积变化剧烈程度先增后减，直至平稳；耕地面积逐期减小，缩减速度先由2002-2006年的0.36%上升至2006-2009年的0.74%，然后在2014-2017年逐渐减小为0.58%，土地面积动态变化剧烈程度缓慢减小；水域面积由于受降水、干旱等外因影响较大，不参与动态度分析。

3.3 土地利用转移矩阵分析

土地利用类型不仅在面积上有所增减，还存在各土地利用类型之间的相互转移。本文利用5景土地利用分类数据，分别对相邻两期土地利用类型面积进行转移矩阵分析，得到各土地利用类型的面积转化情况，如表4～7所示。

表4 2002-2006年大英县土地利用类型转移情况

表5 2006-2009年大英县土地利用类型转移情况

表6 2009-2014年大英县土地利用类型转移情况

表7 2014-2017年大英县土地利用类型转移情况

2002-2017 年大英县土地利用类型发生了较大变化。耕地面积变化以转出为主，转出类型主要是林地和建设用地，2002-2006年的转出量为12.66 km2，耕地分别向林地和建设用地转移了8.33 km2和2.78 km2，分别占转出总面积的65.7%和21.96%；2006-2009年、2009-2014年和2014-2017年3期耕地转出为林地的面积占比最大，转出量分别为12.9 km2、19.67 km2和11.15 km2，分别占转出总量的86.12%、93.62%和93.78%；15a内转出为水域的累计面积为2.12 km2，存在旱地转水田的可能，耕地与其他用地之间几乎无转移关系。林地面积变化以转入为主，15a间转入林地最多的是耕地，各期转入面积分别占转入总量的87.41%、90.53%、96.28%和91.77%；同时林地每个时期也有不同程度地转出为耕地，可能是在城镇化发展占用耕地时，为保证耕地红线而采取的林耕转移以达到“占补平衡”的措施；林地转出为水域的面积较小，仅为1.45 km2，且在2014-2017年无相互转移，林地和其他用地之间几乎无相互转移关系。建设用地面积变化以转入为主，耕地、林地、水域和其他用地均有转入，其中耕地贡献量最大，累计转入面积为6.7 km2，贡献率为64.05%，其次是林地，转入面积为2.99 km2，贡献率为28.59%，建设用地与水域、其他用地的转移关系较微弱。2002-2017年水域主要转出为耕地和林地，累计转出量分别为3.75 km2和1.45 km2，其中2014-2017年水域和林地无相互转移；其他用地由于影像时相的原因，表现出转移较频繁且转移对象不尽相同的现象，但总体相互转移面积较小。

4 结 语

本文以2002年、2006年、2009年、2014年和2017年5期大英县遥感影像为数据源，从土地利用面积变化、土地利用动态变化幅度、动态度和土地利用转移矩阵4个方面对大英县2002-2017年土地利用时空变化情况进行了分析，得出的结论为；

1）大英县土地利用类型以耕地为主，占全县面积的65%以上；其次是林地和建设用地，分别占比12%和14%以上；水域和其他用地面积较小。各土地利用类型面积变化差异较大，耕地面积逐期减少，净减少量为43.55 km2；建设用地和林地面积则逐期增加，分别净增长了3.23 km2和41.25 km2；水域面积先减后增；其他用地面积先增后减。

2）2002-2017 年不同时期土地利用动态变化幅度和动态度变化存在较大差异。耕地面积变化幅度为负值，即土地面积逐期减少，面积缩减率先增后减；林地和建设用地面积变化幅度为正值，面积增长率先增后减。15a间动态度变化较为剧烈的是耕地和林地，建设用地面积变化剧烈程度先增后减，然后至平稳。

3）耕地向建设用地和林地转移、林地和耕地相互转移是2002-2017年大英县的主要土地利用转移类型。15 a间耕地向林地的转移量最多，其次是建设用地和水域；林地转出为耕地各期面积比重较大，转出为水域面积较小；建设用地转入土地类型中耕地贡献量最大，其次是林地；水域主要转移为耕地和林地；其他用地相互转移面积较小。