林柳璇, 尤添革, 劉金福, 陳遠(yuǎn)麗, 黃嘉航, 曠開金, 路春燕

(1.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州 350002；2.生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué)海峽自然保護(hù)區(qū)研究中心，福建 福州 350002；4.福建江夏學(xué)院金融學(xué)院,福建 福州 350002)

土地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ).上世紀(jì)以來土地利用成為研究全球環(huán)境變化的熱點(diǎn)話題[1-2].隨著中國沿海城市城鎮(zhèn)化水平不斷提高，沿海城市土地利用發(fā)生巨大的變化，引起城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的失衡.廈門市是中國沿海重要的中心城市，近年來廈門市飛速發(fā)展致使土地利用隨之變化.帶來不少生態(tài)問題.為確保城市的可持續(xù)發(fā)展，科學(xué)合理規(guī)劃土地利用必不可少.

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土地利用變化做了許多探索和實(shí)踐：Friedl et al[3]利用單變量決策樹法進(jìn)行全球土地覆蓋分類，證實(shí)了該方法在大尺度土地覆蓋的分類中具有較好的穩(wěn)健性；劉世梁等[4]采用支持向量機(jī)分類器對(duì)廣西濱海區(qū)域濕地進(jìn)行監(jiān)督分類，分類精度更高，但兩種方法都存在“椒鹽”現(xiàn)象，導(dǎo)致大量破碎圖斑產(chǎn)生，影響分類效果；渠愛雪等[5]采用土地利用現(xiàn)狀圖與遙感影像分析徐州城區(qū)土地利用變化和空間格局，但分析過程過于繁雜不夠靈活.廈門市由于地物光譜的混淆性和異質(zhì)性，傳統(tǒng)分類方法很難將道路與城市其他地物區(qū)分開[6]，例如周夢瑤等[7]采用最大似然法探討廈門市土地利用變化對(duì)植被覆蓋度的影響，但分類圖像較破碎，誤差較大.面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄊ且远鄠€(gè)鄰近像元為對(duì)象，對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和目標(biāo)地物提取的分類方法.該方法利用光譜、幾何和結(jié)構(gòu)信息對(duì)影像進(jìn)行多尺度分割，避免破碎圖斑的產(chǎn)生，同時(shí)充分利用地物光譜、形狀、紋理和空間關(guān)系特征，在一定程度上減少“同物異譜”和“異物同譜”對(duì)分類的影響[8-10].本研究主要運(yùn)用面向?qū)ο蠓诸惙?、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣與動(dòng)態(tài)度分析法，分析廈門市30年土地變化情況，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣象數(shù)據(jù)，客觀地解釋變化的驅(qū)動(dòng)因素，旨在為廈門市城市建設(shè)提供科學(xué)的決策依據(jù).

1 研究區(qū)概況

廈門市地處福建省東南沿海(118°04′04″E，24°26′46″N)，九龍江入海處，由廈門島、鼓浪嶼、內(nèi)陸九龍江北岸的沿海部分地區(qū)及同安組成，陸地面積約1 699 km2，海域面積超過300 km2，是一個(gè)國際性海港風(fēng)景城市[11].該區(qū)域?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，年均溫度在20 ℃左右，年均降雨量在1 200 mm左右.

該市地勢由西北向東南傾斜，有中山、低山、高丘、低丘、臺(tái)地、平原、灘涂等[12].全市主要土地利用類型有林地、耕地、水域、養(yǎng)殖水面、建設(shè)用地及交通用地等.據(jù)廈門市統(tǒng)計(jì)局公布的《多元驅(qū)動(dòng)廈門高城鎮(zhèn)化》[13]報(bào)告可知，廈門市城鎮(zhèn)化水平已進(jìn)入高級(jí)階段，領(lǐng)先于全省全國許多城市.

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)源共3部分：(1)Landsat衛(wèi)星系列1985、1995、2005年TM遙感影像及2015年OLI遙感影像，具體影像來源信息見表1；(2)廈門市氣象數(shù)據(jù)；(3)1985—2015年廈門市GDP與人口相關(guān)數(shù)據(jù).其中，遙感影像下載自美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS，http:∥glovis.usgs.gov/)；廈門市氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)(http :∥data.cma.cn/)；廈門市GDP與人口相關(guān)數(shù)據(jù)從《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》獲取.

表1 遙感影像數(shù)據(jù)來源1)Table 1 Data source of remote sensing image

1)行列號(hào)均為119043.

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先，對(duì)4期遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射校正(輻射定標(biāo)和大氣校正)、幾何精校正、裁剪，所有處理在ENVI 5.1平臺(tái)上進(jìn)行.

其次，遵循“全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系”，采用一級(jí)分類系統(tǒng)原則，結(jié)合廈門市土地資源現(xiàn)狀和實(shí)地調(diào)查結(jié)果，將土地利用類型分為7類，即耕地、林地、水域、養(yǎng)殖水面、建筑用地、交通用地和其他.

再次，采用eCognition 9.0軟件對(duì)土地利用類型進(jìn)行面向?qū)ο蠓诸?，主要流程為：多尺度影像分割、影像信息的提取及分類精度評(píng)價(jià).

最后，將分類結(jié)果在ArcGIS 10.3軟件中疊加分析，得到廈門市1985年、1995年、2005年和2015年4個(gè)時(shí)期土地利用類型分布圖.

3 研究方法

3.1 面向?qū)ο蠓诸惙?/h3>

面向?qū)ο蟮倪b感信息提取技術(shù)是以相同特征的對(duì)象為基本分析單元，最小分類單元同時(shí)具有光譜、形狀、紋理及拓?fù)涞榷喾N特征的影像，因此面向?qū)ο蠓诸惙ň雀摺⑿Ч肹14].面向?qū)ο蠓诸惙ㄖ饕▋蓚€(gè)步驟：先根據(jù)尺度、形狀和緊密度等參數(shù)進(jìn)行多尺度影像分割生成對(duì)象，然后基于對(duì)象的分類.該方法突破了傳統(tǒng)的以像元為基本分類的局限性，可高效地進(jìn)行遙感影像分類，并有效避免產(chǎn)生嚴(yán)重“椒鹽現(xiàn)象”[15].

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是將土地利用變化類型轉(zhuǎn)移面積按矩陣形式加以列出，可細(xì)致反映各地類之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)而了解轉(zhuǎn)移前后各地類結(jié)構(gòu)特征[16].史培軍等[17]提出了利用土地代數(shù)為原理，得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法，具體公式如下：

(1)

依據(jù)1985—2015年的土地利用遙感數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.3平臺(tái)中對(duì)4期土地利用數(shù)據(jù)圖進(jìn)行疊加和統(tǒng)計(jì)分析，得到1985—1995年、1995—2005年、2005—2015年廈門市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析30年土地利用動(dòng)態(tài)變化情況.

3.3 動(dòng)態(tài)變化測度

(1)單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度K和P[18].這類參數(shù)表達(dá)的是一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土利用類型數(shù)量變化情況，K反映的是土地利用類型變化的幅度，P反映土地利用類型變化的趨勢，表達(dá)式如下：

(2)

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初及期末某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長[19].

(3)

式中：ΔUin和ΔUout分別表示研究時(shí)段內(nèi)i類型轉(zhuǎn)化為非i類型和非i類型向i類型轉(zhuǎn)化的面積.當(dāng)0

(2)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度Lc[20].用于描述研究區(qū)域的土地利用變化速度，即該研究區(qū)土地利用年變化率，其表達(dá)式為：

(4)

式中：LUij為監(jiān)測起始時(shí)間第i類土地利用類型面積；ΔLUij為監(jiān)測時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為j類土地利用類型面積；T為研究時(shí)段長.

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用現(xiàn)狀

1985—2015年4期土地利用類型分布情況見圖1.為驗(yàn)證分類精度，實(shí)地采樣收集了345個(gè)樣點(diǎn)，采用混淆矩陣分析，得到總體分類精度為93.25%，Kappa系數(shù)為0.922，表明運(yùn)用面向?qū)ο蠓诸惙ǖ玫降姆诸惥容^高.

通過分類結(jié)果得出各土地利用類型面積和比重變化.由表2可得，1985—2015年廈門市主要土地利用類型為林地、耕地和建設(shè)用地，占試驗(yàn)區(qū)總面積比重的變化分別為:52.27%～49.17%、20.46%～14.87%、19.05%～29.06%.林地、耕地的面積逐年下降，建設(shè)用地呈現(xiàn)上升趨勢，且上升幅度不斷增大.至2015年，廈門市交通用地面積已增加到1985年的兩倍，增長0.6%.廈門市內(nèi)其他用地，包括荒地、沙地、空閑地呈下降趨勢，從2.51%下降到1.69%.為滿足廈門市商業(yè)住宅區(qū)、旅游區(qū)開發(fā)的用地需求，水域、耕地、林地及其他用地加快向建設(shè)用地和交通用地轉(zhuǎn)化.水域面積先減少后增加，從2.32%下降到1.43%，2005年后又有小幅度增加.養(yǎng)殖水面面積先增后減，1985—2005年從2.83%增長到4.44%，而近10年又下降至2.45%.

圖1 1985—2015年廈門市土地利用類型分布Fig.1 Spatial distribution of land use in Xiamen City from 1985 to 2015

土地類型1985年面積/km2比重/%1995年面積/km2比重/%2005年面積/km2比重/%2015年面積/km2比重/%養(yǎng)殖水面54.742.8382.314.2585.744.4447.392.45水域 44.882.3238.031.9727.611.4330.651.59林地 1 011.1752.27991.0151.23983.3450.91950.2149.17交通用地11.040.5714.670.7617.980.9322.611.17建設(shè)用地368.4919.05395.6020.45459.7723.80561.5229.06耕地 395.7520.45364.2718.83313.5816.23287.4214.87其他 48.542.5148.632.5143.482.2532.651.69

4.2 土地利用變化規(guī)律

4.2.1 轉(zhuǎn)移變化 廈門市30年土地利用類型變化的幅度和速率見表3.1985—1994年養(yǎng)殖水面面積增加最多，主要占用耕地，速率為0.5；交通用地增幅次之，主要占用耕地，速率為0.33；建設(shè)用地面積增幅第三，主要占用林地；其他用地小幅度增加，主要占用耕地，變化速度最慢.耕地面積減少得最多，林地和水域次之，大部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地.

1995—2004年建設(shè)用地面積增加最多，主要占用耕地，變化速率為0.16；其次是養(yǎng)殖水面和交通用地面積，主要占用其他用地和耕地，交通用地增速最快，為0.23.耕地面積減少得最多，主要轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，速率為-0.14；林地和水域次之，大部分轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，且水域的變化速度較大,為-0.21；其他用地的面積也開始減少，大部分轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地.

2005—2015年建設(shè)用地面積增加最多，主要占用林地；交通用地和水域增幅次之，主要占用林地和養(yǎng)殖水面，且交通用地的變化速度較大(0.26)，養(yǎng)殖水面的變化速度最大(-0.44)，圍海造地力度大是養(yǎng)殖水面減少的主要原因.耕地面積減幅次之，主要轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地；其他用地面積持續(xù)減少，主要轉(zhuǎn)換為養(yǎng)殖水面，且變化速度較大(-0.25).

表3 1985—2015年廈門市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transition matrix of Xiamen City from 1985 to 2015

4.2.2 動(dòng)態(tài)度測定 由表4可知，1985—1994年K值最大的土地利用類型是養(yǎng)殖水面，其他按順序遞減為：交通用地、水域、其他、建設(shè)用地、耕地、林地.1995—2004年，K值按遞減排序?yàn)椋核颉⑵渌⒔煌ㄓ玫?、養(yǎng)殖水面、建設(shè)用地、耕地、林地.2005—2015年，K值按遞減排序?yàn)椋浩渌?、養(yǎng)殖水面、水域、交通用地、建設(shè)用地、耕地、林地.養(yǎng)殖水面、交通用地和水域在3個(gè)時(shí)間段內(nèi)K值均較大，即變化得最大最快.

同時(shí)，由表4可知，耕地、交通用地的P值均大于0.5，處于不平衡狀態(tài).養(yǎng)殖水面、林地的P值先降后升，說明其變化先處于不平衡狀態(tài)，恢復(fù)穩(wěn)定后又轉(zhuǎn)為不平衡狀態(tài).建筑用地、其他用地的P值逐年增大，說明變化狀態(tài)漸進(jìn)式不穩(wěn)定，呈趨勢上升.水域P值上升后再下降，表現(xiàn)出由不平衡向平衡趨勢變化.

綜合動(dòng)態(tài)度(LC)從0.25%上升到0.33%，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，說明廈門市土地利用總體上較為活躍、變化速度加快.可見廈門市土地利用正處于發(fā)展階段，土地利用的集約程度不斷提高，各土地利用類型的綜合變化程度逐步上升，城市處于發(fā)展階段.

表4 廈門市1985—2015年土地利用動(dòng)態(tài)度Table 4 Land use dynamic in Xiamen City from 1985 to 2015

4.3 土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素

4.3.1 氣候?qū)ν恋乩米兓挠绊?廈門市近30年來氣候變化詳見圖2，年平均氣溫波動(dòng)較大，呈上升趨勢.氣候變暖，上層海水變熱膨脹，導(dǎo)致海平面上升，沿海地勢低的濱海養(yǎng)殖水面、林地、耕地、水域等被淹沒，面積減小，也引起土地退化.圖2年平均降水量呈波動(dòng)變化，總體變化趨勢相對(duì)穩(wěn)定.可見1985—2015年氣溫變化對(duì)廈門市城市化進(jìn)程中土地利用與生態(tài)環(huán)境之間平衡產(chǎn)生影響，而降水量變化對(duì)其影響不大.

圖2 廈門市1985—2015年年均氣溫與降水量Fig.2 Average annual temperature and precipitation of Xiamen City from 1985 to 2015

4.3.2 經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地利用變化的影響 由表5可得，廈門市GDP總量從1985年的18.36億元大幅增長到2015年的3 466.03億元，說明30年廈門市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展.為實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化建設(shè)目標(biāo)和滿足居民日益增長的物質(zhì)文化需求，廈門市投入了大量資源進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)和居民區(qū)、道路擴(kuò)建，建設(shè)用地、其他用地和交通用地面積隨之增大，城市空間增大，林地和耕地的面積減小.

相比于其他經(jīng)濟(jì)增長方式，耕地效益較低，為了增加經(jīng)濟(jì)效益，耕地林地向經(jīng)濟(jì)效益更高的養(yǎng)殖水面和其他用地轉(zhuǎn)變.同時(shí)為滿足城市建設(shè)的用地需求及補(bǔ)充減少的耕地，政府填海造田.農(nóng)業(yè)發(fā)展引起用水需求量增加，導(dǎo)致水域面積繼續(xù)減小，養(yǎng)殖水面面積隨之減小.

4.3.3 人口增加對(duì)土地利用變化的影響 作為城市發(fā)展必不可少的因素，人口是影響土地利用變化的關(guān)鍵.由表5可知，廈門市人口從1985年的53.26萬人增加到2015年的134.36萬人，翻了3倍.城市人口大量增加導(dǎo)致對(duì)居住設(shè)施和公共環(huán)境的要求提高，即人口數(shù)量變化對(duì)土地利用變化產(chǎn)生了極大影響，具體表

表5 廈門市1985—2015年GDP與人口數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 5 GDP and population in Xiamen from 1985 to 2015

現(xiàn)為：圍湖造田，水域面積不斷減小，耕地利用程度增強(qiáng)；耕地、林地等生態(tài)用地被占用，荒地等其他用地被開墾；對(duì)公用設(shè)施需求增大，各種住宅、大型商業(yè)及公共設(shè)施(如影院、超市、體育館等)的興建，使得建設(shè)用地面積增加；對(duì)城市交通的需求增加，廈門市1988—2013年在交通設(shè)施投入了大量資金，如1988年啟用的長途汽車站，是當(dāng)年全省最大的汽車站，及后來建設(shè)的廈門大橋(1991年)、海滄大橋(1999年)、快速交通系統(tǒng)(BRT)(2008年)、成功大道(2009)，和2013年完工的廈深鐵路，均為廈門市為滿足城市化交通需求所做的努力.人口急劇增長，城鎮(zhèn)化趨勢日益擴(kuò)大，可利用土地資源減少，給城市土地利用的變化帶來了極大的影響.

4.3.4 旅游發(fā)展對(duì)土地利用變化的影響 旅游業(yè)是一個(gè)城市發(fā)展和土地利用變化的重要驅(qū)動(dòng)力.按照《廈門市旅游發(fā)展總體規(guī)劃》，廈門擁有58種旅游資源基本類型，是福建省旅游資源最富集的地區(qū).至2010年10月，全市有旅行社129家，分社24家，旅游飯店560家，賓館、旅社、招待所490家，旅游景區(qū)(點(diǎn))20多家，旅游購物企業(yè)10多家及上百家各類型的旅游餐館企業(yè)，形成了包括旅游飯店、旅行社、旅游交通、旅游餐飲、旅游娛樂、旅游景區(qū)、旅游商品購物的完整產(chǎn)業(yè)體系[21].由此對(duì)土地利用產(chǎn)生了較大影響，反映出建設(shè)用地面積的增大.城市化使得廈門市土地利用類型從農(nóng)業(yè)用地為主導(dǎo)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃褚猿擎?zhèn)和旅游為主導(dǎo)，隨著旅游體系完善，帶動(dòng)了耕地林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的過程.

旅游業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)著交通行業(yè)的發(fā)展，離交通線路越接近的地方，土地利用類型轉(zhuǎn)變的幅度越大.作為福建省著名的濱海旅游城市，政府為廈門市提供了旅游業(yè)發(fā)展的有利條件.如1985年后廈門市交通業(yè)飛速發(fā)展，完善道路、機(jī)場和鐵路的建設(shè)，多元化的交通運(yùn)輸方式等，交通用地面積逐年增大.

5 結(jié)論

應(yīng)用面向?qū)ο蠓诸惙?、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和動(dòng)態(tài)度分析法對(duì)廈門市1985—2015年土地利用變化特征規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)1985—2015年間，耕地面積大幅度減小，變化速率逐年增大；林地因轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，逐年減少；建設(shè)用地和交通用地面積有較大幅度增大，主要占用林地和耕地，變化均趨于不穩(wěn)定狀態(tài)；水域和和養(yǎng)殖水面受到填海造路等因素影響，30年間均總體呈減小趨勢.在經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)下，養(yǎng)殖水面在2005年前大幅度增大；其他用地由于荒地等裸地的利用，也有較大幅度減少，趨于不穩(wěn)定狀態(tài).

(2)廈門市3個(gè)時(shí)段內(nèi)養(yǎng)殖水面、交通用地和水域的單一土地利用動(dòng)態(tài)度值最大，即變化得最快；廈門市綜合土地利用度逐年緩慢增加，即廈門市的土地利用結(jié)構(gòu)在每個(gè)時(shí)期都有變化，城市建設(shè)在持續(xù)發(fā)展中.

(3)在廈門市土地利用驅(qū)動(dòng)力研究中，可知土地利用格局的驅(qū)動(dòng)因子主要有氣候變化、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口急劇增長和旅游業(yè)發(fā)展.由于城市化發(fā)展，廈門市盡管在旅游、經(jīng)濟(jì)方面都有很大程度地發(fā)展，并影響建筑用地和交通用地面積使其持續(xù)增長，但也影響了生態(tài)環(huán)境，使得耕地林地面積減小.

綜上所述，建議廈門市在城市化進(jìn)程中，強(qiáng)調(diào)注重生態(tài)與城市發(fā)展的平衡，轉(zhuǎn)向新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，邁入以生態(tài)文明為導(dǎo)向的新時(shí)代，將生態(tài)文明融入城市化進(jìn)程中，減輕城市化對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞作用，同時(shí)控制人口增長，減輕人類對(duì)自然資源過度利用.研究為廈門市生態(tài)資源和水資源保護(hù)及城市生態(tài)建設(shè)提供信息服務(wù).