基于RS和GIS的海倫市土地利用變化分析

楊 飛，李長苓，靳 昕，周利軍

(1.哈爾濱師范大學(xué);2.建三江分局局直子弟學(xué)校;3.綏化學(xué)院)

0 引言

土地利用是人類根據(jù)土地的自然特點，按一定的經(jīng)濟、社會目的，采取一系列生物、技術(shù)手段，對土地進(jìn)行長期性或周期性的經(jīng)營管理和治理改造［1］.土地利用既受到自然條件的制約，也受人口、經(jīng)濟、科技、政策等條件的影響.土地覆蓋是被自然營造物和人工建筑物所覆蓋的地表諸要素的綜合體，包括地表植被、土壤、湖泊、沼澤、濕地及各種建筑物(如道路)，具有特定時間和空間屬性，其形態(tài)和狀態(tài)可在多種時空尺度上變化［2］.土地利用/土地覆蓋變化既是全球環(huán)境變化的原因，也是全球環(huán)境變化的結(jié)果.它不僅是人類利用土地進(jìn)行生產(chǎn)、生活、活動的發(fā)展趨勢的主要反映，而且也影響著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展［3］.上世紀(jì)90年代開始，遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用和強調(diào)對自然地理因素和社會經(jīng)濟因素的綜合，成為這段時間內(nèi)土地利用與覆蓋變化科學(xué)研究中的三個十分重要的趨勢［4］.1993年，在兩大國際性的組織IGBP和IHDP共同開展“土地利用/覆蓋變化”的綜合科學(xué)研究之后，一些具有國際性影響的組織機構(gòu)和國家也陸續(xù)開展了與土地利用/土地覆蓋變化相關(guān)的科學(xué)研究［5］.我國正式開始遙感在土地利用方面的研究于20世紀(jì)70年代，但研究成果的正式出版是在20世紀(jì)80年代，在20世紀(jì)90年代開始了全方位的土地利用/土地覆蓋變化方面的研究［6］.

該研究利用RS和GIS技術(shù)，結(jié)合海倫市的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，對海倫市1980年、1995年和2000年三個時段的土地利用/覆蓋進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測及變化分析，為當(dāng)?shù)赝恋乩玫暮侠聿季趾土謽I(yè)規(guī)劃提供依據(jù)，為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)提供定量的信息，促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展.

1 研究地區(qū)概況

海倫市位于黑龍江省中部，距哈爾濱市225km.地理坐標(biāo)為北緯 46°58＇～ 47°52＇，東經(jīng)126°14＇～127°45＇.東部隔克音河與綏棱縣為界，西部隔通肯河與青岡、明水、拜泉縣相望，北部與北安市接壤，南部與綏化市、望奎縣為鄰.全境從東北到西南 150 km;南北 78 km，總面積為4667 km2.2012年末人口數(shù)為84.7萬人，其中農(nóng)業(yè)人口65萬人.氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒漫長，氣候干燥，夏季濕熱多雨，氣候濕潤.年平均氣溫1.5℃，最高氣溫37.7℃，最低溫度零下40.3℃.年降水量為500～600 mm，年日照 2600－2800 h，≥10℃ 積溫為 2400～2600℃.無霜期為120 d左右，終霜期多在5月中、下旬.地貌類型以起伏臺地為主，是由小興安嶺向松嫩平原的過度地帶.地勢東北高西南低，東部為起伏的低丘陵，中部和南部為漫川漫崗區(qū)，西部沿河一帶為低洼平原，海拔為147～471 m，地形總體格局是二山一水七分田.海倫市植被類型主要有森林、灌叢、草甸和沼澤.成土母質(zhì)絕大部分為河－湖相冰水沉積物，除沿河泛濫地具有砂礫、砂壤質(zhì)沖積物和丘陵區(qū)具有花崗巖風(fēng)化物外，在廣闊的高平原上均被黃土性粘土所覆蓋，粘土層厚度10～30 m或更深，本區(qū)是典型的黑土分布區(qū)，其中黑土地占81.53%，草甸土占17.77%［7］.

近幾年，海倫市社會經(jīng)濟發(fā)展迅速提高.地區(qū)生產(chǎn)總值實現(xiàn)53.9億元同比增長13.7%.其中:第一產(chǎn)業(yè)增加值28.5億元，增長19.1%;第二產(chǎn)業(yè)增加值9.8億元，增長18.3%;第三產(chǎn)業(yè)增加值15.6億元，增長3.3%，取得可喜成績.2011年，海倫市集中建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)、工業(yè)示范園區(qū)、海西新區(qū)，“三區(qū)”建設(shè)齊頭并進(jìn)，為經(jīng)濟社會健康發(fā)展提速.在城區(qū)的北郊規(guī)劃建設(shè)了面積10 km2的工業(yè)園區(qū)，內(nèi)設(shè)農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)區(qū)、新能源產(chǎn)業(yè)區(qū)、機械制造產(chǎn)業(yè)區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)、輕化工產(chǎn)業(yè)區(qū)和生物環(huán)保產(chǎn)業(yè)區(qū)等六個主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)板塊.海倫市著重推進(jìn)海西新區(qū)的開發(fā)，將建成集現(xiàn)代化辦公寫字樓、賓館、現(xiàn)代商務(wù)中心、高檔社區(qū)為一體的城市新區(qū)，為實現(xiàn)海倫由農(nóng)業(yè)大市向農(nóng)業(yè)強市轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ).到2015年，力爭再新入駐規(guī)模企業(yè)60戶以上，爭取實現(xiàn)利稅120億以上，將園區(qū)建成基礎(chǔ)設(shè)施齊全，各項功能配套，項目擺放科學(xué)的省級現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)園區(qū).

2 數(shù)據(jù)處理與土地分類體系

2.1 數(shù)據(jù)處理

運用遙感方法監(jiān)測土地利用變化是一項具有周期性的連續(xù)性工作，在試點工作中，選擇衛(wèi)星數(shù)據(jù)時，應(yīng)考慮以下因素:數(shù)據(jù)的連續(xù)性、數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的精度、數(shù)據(jù)的價位、數(shù)據(jù)的可獲取性［9］.根據(jù)以上因素，該文選自美國陸地資源衛(wèi)星MSS和TM遙感影像，具體為1980年的MSS遙感影像、1995年和2000年的TM遙感影像，該影像可以從馬里蘭大學(xué)網(wǎng)站上直接下載(http://glcf.umiacs.umd.edu/data/landsat/).輔助資料有1968年1∶10萬的地形圖用于糾正遙感影像，其他資料還有2003土地詳查資料、1980—2000黑龍江省統(tǒng)計年鑒社會經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計資料數(shù)據(jù).

利用1∶10萬的地形圖對所獲取的2000年的TM遙感影像進(jìn)行幾何糾正，糾正方法采用三次多項式，然后以2000年的影像為參考影像來糾正另外兩景影像，把糾正的影像以海倫市輪廓矢量圖為范圍進(jìn)行裁切，獲得研究區(qū)域的遙感影像，三期影像均選用TM4、3、2波段進(jìn)行假彩色合成，以便建立不同土地利用類型的判讀標(biāo)志并進(jìn)行人機交互解譯，再進(jìn)行實地效驗，修改無誤后建立海倫市土地利用數(shù)據(jù)庫.數(shù)據(jù)格式Coverage，投影方式為等面積割圓錐投影(Albers)，中央經(jīng)線為105°E，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為25°N和47°N，坐標(biāo)原點為(0，0).

2.2 土地利用分類體系

參照我國土地利用編碼，采用兩級分類系統(tǒng)，包括6個一級類型和21個二級類型［8］.海倫市涉及到16類(如表1所示)，其中一級類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地;二級類型則根據(jù)土地的覆蓋特征、覆蓋度及人為利用方式上的差異做進(jìn)一步的劃分，例如將水域劃分為湖泊、水庫坑塘和灘地等.根據(jù)研究需要，該文將土地利用類型分為7類，即采用一級分類類型前提下，耕地進(jìn)一步劃分為水田和旱地.

表1 土地利用/覆蓋變化分類體系

續(xù)表1

表2 海倫市1980—2000年土地利用類型及現(xiàn)狀圖

3 結(jié)果分析

3.1 海倫市土地利用/覆蓋總體狀況

利用ArcMap將3個時段的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖和分類匯總，具體見圖1、圖2、圖3和表2.

圖1 1980年海倫市土地利用類型分布圖

從以上圖表可以得出:海倫市土地利用類型以旱作耕地為主，遍布整個海倫市，水田面積較小，主要分布在河流兩邊，林地主要分布在東北

圖2 1995年海倫市土地利用類型分布圖

圖3 2000年海倫市土地利用類型分布圖

地區(qū)地勢較高的地區(qū)，未利用地主要分布在西部.以2000年為例:旱地占總面積的74.95%，林地占總面積的13.54%，未利用地占總面積的7.83%，其他幾種土地利用類型較少.

3.2 海倫市土地利用/覆蓋變化狀況

利用Excel軟件將不同時段不同土地利用類型的數(shù)量制成柱狀圖，如圖4.

圖4 海倫市1980～2000年土地利用變化圖(km2)

從圖4可以看出，海倫市林地面積在持續(xù)減少，20年間減少了163.46 km2，平均每年減少8.17 km2，旱田面積在持續(xù)增加，到2000年面積達(dá)到3502.52 km2，比1980年增加了219.5 km2，平均每年增加10.98 km2，草地的面積在1980～1995年間減少了12.79 km2，減少了將近一半，到2000年雖然有所增加，但增加的幅度很小，只有0.39 km2，未利用地呈現(xiàn)先增加后減少的狀態(tài)，水田出現(xiàn)先減少后增加的狀態(tài)，水域和建筑用地變化不大.

3.3 單一類型的土地利用/覆蓋動態(tài)度變化

單一類型的土地利用動態(tài)指數(shù)是研究區(qū)域在一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況［9－10］，其表達(dá)式為:

式中Lc表示研究時段某一土地利用類型動態(tài)度指數(shù)，若Lc＞0，則表示該土地利用類型面積減少，若Lc＜0，則表示該土地利用類型面積增加，Ua和Ub分別表示研究初期和末期某類型土地的數(shù)量，T表示研究時段.根據(jù)計算公式可以得出各土地利用類型的動態(tài)度指數(shù)，1980—2000年動態(tài)度指數(shù)見表3.

在第一時段主要表現(xiàn)草地大量減少，其動態(tài)度指數(shù)為3.22%，其次為未利用地增加，動態(tài)度指數(shù)為－0.59%，林地的變化與未利用地相當(dāng)，只是呈減少狀態(tài).在第二時段主要是未利用地和林地減少，動態(tài)度指數(shù)分別為3.50%和2.62%，是所有土地利用類型中變化最大的，水田和旱田以增加為主，動態(tài)度指數(shù)分別為 －1.91%和－1.02%，該指數(shù)明顯大于前一時段，水域和建筑用地也表現(xiàn)出減少的趨勢，二者的動態(tài)度指數(shù)大小相當(dāng).從整個研究時段來看，動態(tài)度指數(shù)為正且大于1的有草地、林地，分別為1.03%、2.34%，水田和旱田的動態(tài)度指數(shù)為負(fù)，雖然很小，但其基數(shù)很大，特別是旱田變化的數(shù)量最大，其他幾種土地利用類型的動態(tài)度指數(shù)均為正值，說明在整個時段面積在減小.

根據(jù)1980年的MSS遙感影像、1995年和2000年的TM遙感圖像，結(jié)合2003年土地詳查資料，運用 GIS軟件，制作1980年、1995年和2000年的土地類型分布圖，并提取了20年間的土地利用類型動態(tài)變化數(shù)據(jù).結(jié)果表明海倫市在1980年至2000年間土地利用情況發(fā)生了大幅度的變化.全區(qū)耕地面積20年內(nèi)增加了219.5 km2，未利用土地減少了41.46 km2，林地面積減少了 163.46 km2，草地面積減少了12.79 km2，建筑用地和水域面積變化幅度不大.分時段來看，在第一個時段內(nèi)，主要表現(xiàn)為草地減少，耕地和未利用地增加為主要趨勢，在第二個時段內(nèi)，主要表現(xiàn)為耕地增加，未利用地和林地減少.

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