基于RS和GIS的方正县土地利用变化分析

李 瑞，杜 崇，刘福全，韩 旭

（黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080）

0 引言

土地资源是不可再生的宝贵资源，土地作为生产资源是社会可持续发展的至关因素。自20世纪下半叶开始，全世界范围内的人口急剧增长和人为的高强度生产活动，使得城市化进展加快，人们对土地的利用和管理方式的改变致使土地覆被产生变化，土地利用/覆被变化（Land Use/Cover Change，LUCC）使气候、地形、土壤、植被和地质也产生变化。

随着地理信息系统 （Geographic Information System，GIS）和遥感（Remote Sensing，RS）技术的不断发展，土地利用数据得到持续优化，为土地利用变化的监测与研究提供了技术支撑[1]。范少贞等运用GIS和RS技术，基于主成分回归分析法对莆田市凤凰山风景区的LUCC进行定性和定量研究[2]。崔国屹等运用地统计分析法在基于土地利用数据的基础上，对秦岭地区生态环境变化过程中的土地利用类型的转换进行研究[3]。李梅娜等以长江三角洲海岸带为例，利用Landsat遥感卫星影像，采用监督分类法对研究区土地利用特征和趋势进行分析[4]。

近些年来，由于我国经济的不断发展，城镇化进展的加剧和不合理的土地利用导致研究区土地退化，生态环境遭到破坏，降低了粮食产量和质量。黑龙江省作为粮食大省，方正县更是黑龙江省的优质粮食重点产区，所以，以RS和GIS技术对土地利用变化和驱动机制的研究对于修复区域生态系统和保护区域粮食安全具有极为重要的意义。

1 研究区概况

方正县地处松花江中上游，地理坐标为东经128°13′36″—129°33′23″，北纬45°32′44″—46°09′12″，归省会城市哈尔滨市管辖，北临通河县与依兰县，南临牡丹江，全县行政面积为2 976km2；方正县属于大陆性季风气候，四季分明。方正县植被资源十分丰富，其中森林面积达1 915km2，地势呈从中部向东西两侧逐渐升高，纵观全势，呈现由西向东，由南向北倾斜之势。

2 研究方法

2.1 数据获取

本研究选取了方正县2005年、2010年、2015年、2020年四期遥感影像进行解译，选取的Landsat 4-5 TM传感器分辨率为30m，Landsat 8 OLI传感器分辨率为15m，利用ENVI和ArcGIS软件对下载的四期数据进行几何校正、图像配准、掩膜裁剪和监督分类等处理。方正县的经济数据来源于哈尔滨市统计局编写的哈尔滨统计年鉴，借助SPSS软件完成定量分析。

2.2 分析方法

2.2.1 土地利用变化幅度分析

土地利用幅度的变化代表了土地利用类型面积的变化，定量分析某一时段内土地利用类型面积的变化，能从时间上揭示土地利用结构的变化以及土地利用类型总体数量变化体的特征[5]。计算公式如下：

式中，Rb-a为某一时间段内土地利用类型变化总幅度；Ra和Rb分别为土地利用变化初期和末期的面积。

2.2.2 土地利用动态度

土地利用变化速度常用单一土地利用动态度和综合土地利用动态度分析，单一土地利用动态度是表征某一土地利用类型在一段时间内面积变化的趋势[6]，计算公式如下：

式中，T为年时；Ra和Rb同上；U为某一土地利用类型动态度。

综合土地利用动态度是表征全部土地利用类型在在一段时间内面积变化的趋势[7]，计算公式如下：

式中，ΔLRi-j为某段时间内地类i转移为地类j的面积绝对值；LRi为初期第i类地类面积；T同上；n为土地利用类型的个数；LC为综合土地利用动态度。

2.2.3 土地利用转移图谱

土地利用转移图谱是对土地利用转移的定量描述，能从空间上清晰表达出土地利用类型的转移[8]，利用GIS技术将2005与2010、2010与2015、2015与2020年土地利用数据分别相交分析，计算公式如下：

式中，N为新生成的土地利用图谱单元类型；Ma和Mb分别为土地利用变化前期和后期的类型编码值。

土地利用变化的比例可以量化土地利用图谱单元的转移并分析其演变的规律[9]，计算公式如下：

式中，W为变化比例；n同上；Mij为某段时间内地类i转移为地类j的土地利用图谱单元面积。

3 数据分析

3.1 土地利用时空动态变化分析

根据方正县2005、2010、2015和2020年四期土地利用类型资料，得到了四个不同时期的土地利用类型面积（图1），面积变化量（表1）。

通过表1和图1分析得出方正县15年间土地利用类型的变化：

图1 2005-2020年土地利用类型面积柱状图

表1 方正县各土地利用类型面积变化量

方正县2005—2020年土地利用类型以林地和耕地为主，其中林地面积最大，林地以有林地和灌木林地为主，大部分分布在东西两侧的山地丘陵地带，四年间林地占比分别为66.58%、65.33%、65.31%、65.05%。耕地面积次之，耕地主要以平原旱地和水田为主，分布在中部的平原及河流两侧，耕地面积为林地的1/3，四年间耕地占比分别为22.92%、24.61%、24.61%、22.23%。

2005年土地利用类型中林地最多，其面积为1 960.50km2，然后为水域＞草地＞耕地＞未利用地。2010年水域面积变化最大，减幅了55.41km2，而耕地的增幅最大，增加了49.74km2，占比顺序为林地＞耕地＞水域＞未利用地＞建设用地＞草地。2015年较2010年各土地利用类型面积相差不大，其中主要土地利用类型还是林地与耕地，面积转化最大的为水域和林地。2020年各土地利用类型面积变化较大，未利用地面积增幅最大，增加了105.77km2；土地利用结构变化为林地＞耕地＞未利用地＞水域＞草地＞建设用地。

15年间，水域面积一直呈现为较少的趋势，主要是水库坑塘和滩地面积减少，面积从2005年的198.92km2降到了2020年的98.11km2，一共减少了112.02km2；由于沼泽地面积的增加，未利用地呈现持续增长的趋势，2005—2020年一共增加了100.81km2。耕地、林地和草地之间也存在着相互转化，草地总体呈现增长的趋势，建设用地的面积变化较为平稳。

3.2 土地利用变化速度分析

由公式1、2计算土地利用动态度，计算结果如表2。

表22005 -2020年方正县土地利用动态度

由 表3分 析 可 以 看 出，2005—2010、2010—2015和2015—2020的综合土地利用动态度分别为2.56%、0.03%和3.78%，2010—2015年综合土地利用动态度最低，说明方正县整体土地利用变化速率先减小后上升。

从单一土地利用动态度结果来看，2005—2010年未利用地变现为快速增长的趋势，增长速率为146.15%，其次是建设用地和耕地，增长速率分别为1.68%和1.47%；而水域、草地和林地为减少趋势，水域减少速率最大，为-5.57%，草地和林地变化速率分别为-3.26%和-0.37%。

表32005 -2020年土地利用变化主要图谱单元排序表

2010—2015年整体来看各地类呈现缓慢增加和缓慢减少的趋势，增加速率最大的是草地，为0.32%，其次为未利用地、林地和耕地；建设用地和水域呈现减少的趋势。2015—2020年各地类变化速度增快，增加速率最大的是建设用地，为35.06%，其次是草地；而水域、耕地、建设用地和林地都为减少的趋势，水域减少趋势最为明显。从15年地类变化整体来看，草地、建设用地和未利用地表现为增加趋势，水域、林地和耕地表现为减少趋势。

3.3 土地利用转移图谱分析

由公式3构建土地利用图谱模型，基于ArcGIS10.2软 件 对2005—2010、2010—2015和2015—2020数据进行合成，得到三个时期土地利用转移图谱，如图2。

图2 2005-2020年土地利用单元时空转移图谱

由公式4、5计算得出2005—2020年土地利用图谱单元排序和比例变化，结果见表3。2005—2010年土地利用转移总面积为410.53km2，土地利用类型的转移也集中在林地、耕地和草地之间，其中林地的变化最为明显，林地的转出面积最大。2010—2015年土地利用类型转移结构发生了变化，各地类转移较上一阶段明显较少，转移速度趋于平缓，土类转移总面积为18.45km2，转移主要集中在林地、耕地和建设用地。2015—2020年各图谱单元类型变化较大，土地利用转移总面积为847.70km2，其中林地、耕地、未利用地和草地之间的转化进一步扩张，林地仍以转出为主。

4 结论

（1）方正县的土地利用类型以林地、耕地和水域为主，其中以林地面积最为突出，四年面积占比分别为66.58%、65.33%、65.31%和65.05%。15年间，草地、建设用地和未利用地面积整体呈增长趋势，水域、林地和耕地面积整体呈减少趋势。

（2）2005—2010年土地利用转移集中在林地、耕地和草地之间，转移总面积为410.53km2，其中林地的转移面积最大，以转出为主，转出的主要类型为耕地、草地和未利用地。2010—2015年各土地利用类型变化转移大幅减小，转移总面积为18.54km2，土类转移集中在林地、耕地和建设用地之间，主要转移方向为林地→耕地、耕地→林地和耕地→建设用地。2015—2020年土地利用转移幅度最大，转移总面积达847.7km2，土类转移集中在林地、耕地和未利用地之间，转移集中在林地→耕地、耕地→林地和耕地→未利用地。□