基于GlobeLand 30的哈密市2000-2020年土地利用格局變化研究

伊木然江·阿卜來提, 張永福,2, 孜比布拉·司馬義,2

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院 智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046)

哈密市是典型的干旱區(qū)資源開發(fā)型城市，該區(qū)域降水量少，生態(tài)系統非常脆弱，同時該區(qū)有著大量的煤炭資源、風能資源、太陽能資源等[1]。人地關系比較復雜，生態(tài)環(huán)境問題和社會經濟發(fā)展之間的矛盾較為突出。隨著干旱區(qū)綠洲盆地的社會經濟迅速發(fā)展以及人類和自然因素的共同影響下，哈密市土地利用類型發(fā)上了巨大變化[2]。

土地利用/覆蓋變化(LUCC)是當代科學界最熱門的研究之一，土地利用的變化對社會經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大的作用，且對生態(tài)環(huán)境產生很大的影響，是人文和自然活動共同產物[3-5]。很多學者對于土地利用的變化特征、驅動力因素分析、對于生態(tài)環(huán)境的影響以及發(fā)展趨勢等方面已經做了大量研究。其中，肖東洋等[6]以黃河河流的河南段為研究區(qū)，利用土地利用變化指數和重心遷移模型探討了該區(qū)域的LUCC時空格局演變；賈啟建等[7]借助GIS技術，利用重心遷移模型對濱海土地分布及變化進行了研究；羅橋順[8]利用遙感影像解譯數據，以及利用轉移矩陣分析了1975—2005年的哈密地區(qū)土地利用變化和生態(tài)經濟可持續(xù)發(fā)展；阿卜來海提·達吾提等[9]利用耕地的相對變化率和動態(tài)度分析了1978—2010年的哈密地區(qū)耕地面積變化規(guī)律；杜浩陽等[10]利用WRF模式耦合2000，2015兩期土地利用數據，對比分析了土地利用變化對區(qū)域環(huán)境的影響；Yang等[11]利用遙感影像數據獲取的建成區(qū)數據，對于成空間變化的對比，分析哈密市城鎮(zhèn)空間的緊湊程度和發(fā)展趨勢；韓海青等[12]利用土地利用程度、動態(tài)度、轉移矩陣等方法對中亞5國LUCC變化特征進行了分析，并針對耕地變化的驅動力進行了相關研究；郜紅娟等[13]利用遙感解譯數據結合貴州省地形梯度特征研究了該區(qū)域的土地利用時空變化特征；李京京等[14]，馮小燕等[15]利用地形分布指數、轉移矩陣、變化圖譜等方法，分析了一些流域的土地利用在地形梯度上的變化情況；李一瓊等[16]利用轉移矩陣、標準差橢圓、熱點分析等方法對蘇州近20 a的土地利用變化進行了分析；任君臨等[17]利用重心轉移及標準差橢圓等方法分析了長江中下游地區(qū)的耕地后備資源空間分布及影響因素研究；李路等[18]以Landsat影像為數據源，利用轉移矩陣，空間趨勢分析方法進行了喀什綠洲的土地利用變化及變化方向趨勢的研究；劉紀元等[19]利用Landsat 8 OLI和GF-2遙感影像，分析了2010—2015年的中國土地利用變化特征。

縱觀上述研究，對于土地利用變化的相關研究已經形成了比較成熟的方法和理論，而且選擇的研究區(qū)、研究內容和數據源呈多樣化特點。但以上研究方法多是關于較大尺度及一些流域的分析，較少涉及干旱區(qū)資源開發(fā)型城市，且針對哈密市的土地利用變化研究，相對來說稍顯薄弱。雖然哈密市土地資源比較豐富，但是能用的綠洲范圍十分的有限，水資源十分的缺少，導致全市范圍之內戈壁灘面積比較大，而近時段內各地類之間具體是怎么變化的，各地類相互之間有什么樣的轉化特點等科學問題，還沒得到一個較全面的表達。并且現存的關于哈密市的有關文獻中，方法上普遍趨向于利用一些傳統的分析方法；空間上缺少整體結構的演變，有關研究的時段距現在較遠；哈密市地形地貌呈“四山夾三盆”特點，但該區(qū)域缺少不同坡度梯度上的土地利用結構變化的分析。如果綜合考慮各地類在坡度因子上的特征、各地類變化的重心遷移特征、土地利用結構轉移特征，能夠有效的探討土地利用的時空變化特征及土地利用變化與坡度因子的關系。

綜上所述，本文將把哈密市作為研究區(qū)，以國家地理信息中心開發(fā)的2000,2010,2020年的GlobeLand 30數據(DOI：10.117 69/www.globallandcover.com)為基礎數據[20-21]，借助ArcGIS等軟件，利用區(qū)域重心理論、土地利用轉移矩陣、分布指數、標準差橢圓等方法分析哈密市土地利用變化特征，并利用DEM數據，分析不同坡度梯度特征下的土地利用變化情況。為哈密市未來的社會經濟發(fā)展提供重要的支撐和借鑒。

1 研究區(qū)概況

哈密市位于新疆維吾爾自治區(qū)最東端，地處阿爾泰山余脈與天山山系東天山尾段之間，東天山橫亙于哈密中北部。哈密市地理位置在91°06′—96°23′E，40°52′—45°05′N，是新疆通向中國內地的要道，自古以來就是絲綢之路的咽喉，有“新疆門戶”之稱。哈密市屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥，降水量少，年平均氣溫9.8 ℃，年降水量為33.8 mm，年蒸發(fā)量3 300 mm。哈密市受氣候、地形、地貌條件的影響，水資源主要靠天山冰川融雪水、大氣降水和基巖裂隙水補給。哈密市礦產資源比較豐富，種類較多，大多位于交通路線沿線區(qū)域。2016年國務院批復同意撤銷哈密地區(qū)，設立地級市哈密市。哈密市轄區(qū)范圍內有天山南部的伊州區(qū)和北部的伊吾縣和巴里坤哈薩克自治縣。根據2019年統計年鑒，哈密市2018年年末總人口為5.59×105人，人口出生率為11.24%，死亡率為5.55%，自然增長率為5.69%。2018年完成生產總值5.37×1010元，人均地區(qū)生產總值8.68×104元；城鎮(zhèn)居民人均可支配收入35 205元；農村居民人均可支配收入16 556元。哈密市區(qū)位上的優(yōu)勢比較顯著，作為新疆重要的交通樞紐口，在發(fā)展社會經濟提供重要的作用。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本文采用由國家基礎地理信息中心牽頭研制出的，2000，2010，2020年的30 m空間分辨率全球地表覆蓋數據(GlobeLand 30)，該數據利用30 m分辨率多光譜影像，采用基于像素分類—對象提取—知識檢核的POK方法而成[22]，是國際上分辨率最高的全球地表覆蓋數據集。該數據運用了龐大的樣本數量進行精度的驗證，根據第三方驗證[23]，2000，2010年的GlobeLand 30數據產品驗證時，從全球853幅數據中抽取80個圖幅，布設超過1.50×105個檢驗樣本，2010年的總體經度為83.50%，kappa系數為0.78；2020年的數據的驗證是基于景觀形狀指數抽樣模型進行全套數據布點，共布設樣本超過2.30×105個。2020年的總體經度為85.72%，kappa系數為0.82。GlobeLand 30數據集具有區(qū)域時空變化對比分析中有著很大的幫助，提供了有效可靠地數據來源。GlobeLand 30數據總共包括耕地(10)、森林(20)、草地(30)、灌木地(40)、濕地(50)、水體(60)、苔原(70)、人造地表(80)、裸地(90)、冰川和永久積雪(100)等10個一級地類。首先在ArcGIS平臺中對原數據進行裁剪以及根據哈密市實際情況以及查閱相關文獻[24]，將以上10個地類進行重分類。草地(30草地)、林地(20森林、40灌木地)、耕地(10耕地)、水域(50濕地、60水體、100冰川和永久積雪)、未利用地(90裸地、70苔原)和建設用地(80人造地表)等6大地類。哈密市30 m分辨率DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)；社會經濟數據來自于《哈密市統計年鑒》。

2.2 研究方法

本文主要從哈密市土地利用的空間結構變化、各地類在不同坡度梯度上的分布情況以及2000—2020年的地類變化的發(fā)展趨向等3個方面入手，分別運用土地利用轉移矩陣、分布指數、標準差橢圓等分析方法，探討土地利用的轉移特征、分布特征及方向趨勢特征。

(1) 土地利用變化轉移矩陣。土地利用轉移矩陣可反映各地類面積之間的轉換關系之外還可以描述不同時間段的各地類在該時間段的變化特征。表達式為：

(1)

式中：S表示土地類型面積；i,j(i,j=1,2，…，n)分別表示研究時段初期和末期時的土地利用類型；Sij表示初期的土地利用類型i轉移成末期土地利用類型j的面積。

(2) 地形梯度等級劃分及分布特征分析。本文利用哈密市30 m分辨率的DEM數據，選取坡度因子來分析地形因子對土地利用變化的影響[25-26]。并且引入分布指數，該指數能夠消除各類用地面積差異，使少面積地類得以體現。首先，利用哈密市DEM數據制作出坡度級別圖，并根據研究區(qū)實際情況將把坡度分為≤5°(Ⅰ級)，5°～10°(Ⅱ級)，10°～15°(Ⅲ級)，15°～25°(Ⅳ級)、>25°(Ⅴ級)等5個等級，得到哈密市坡度等級圖。利用ArcGIS的空間分析工具，將三期的土地利用數據跟坡度等級圖進行疊加，得出不同年份土地利用在不同梯度下的分布情況。最后將利用分布指數來分析土地利用類型的分布特征，其表達式為：

(2)

式中：P為分布指數；Sie為e地形位區(qū)間上i地類的面積,單位為km2；Si為哈密市i地類的總面積；Se為哈密市e種地形位的總面積；S為哈密市的總面積。當P>1是,表示i種地類在e地形位區(qū)間上i地類的分布為優(yōu)勢分布。P值越高,表明優(yōu)勢分布程度越大[27-28]。

(3) 標準差橢圓分析。標準差橢圓能夠衡量地理要素的集中、離散趨勢及方向分布，可以探查地理要素的分布方式和發(fā)展趨向，可以為地理要素的空間格局特征進行可視化表達。該方法是最早由Lefever在1926年提出的，在人口、經濟、社會學等多領域廣泛使用[29-31]。通過對哈密市2000,2010,2020年內的變化地類圖斑進行標準差橢圓分析，反映研究區(qū)在20 a時間里土地利用變化趨勢及斑塊變化方向和離散趨勢。橢圓的形狀在一定程度上能夠反映地理要素的分布方向特征。主要包括方向角θ，中心、橢圓X和Y軸和它們的標準差σx，σy等核心參數。

計算公式[32]分別為：

(3)

橢圓的方向角度的計算方法為：

tanθ=

(4)

(5)

式中：σx，σy分別為x，y軸的標準差。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

在空間上，2000—2020年哈密市土地利用類型可以分為耕地、林地、建設用地、水域、草地和未利用地等六大地類。由于自然條件的差異，天山南邊以灌溉農業(yè)為主，山北天氣冷涼，主要以農牧區(qū)為主。從空間上看(圖1)，耕地主要分布在天山南部伊州區(qū)，其次為巴里坤縣，伊吾縣耕地最少。建設用地主要分布在伊州區(qū)和其他兩縣中心城區(qū)為主。林地主要分布在東天山北部，占比相對于其他地類來說較少。哈密市草地資源比較豐富，除了未利用地之外草地面積是最大的，而且主要分布在東天山兩側，其中巴里坤縣和伊吾縣主要以畜牧業(yè)為主。水域基本包括冰川及水庫。由于全市地形呈北高南低，自東北向西南傾斜，山地、丘陵和戈壁荒灘面積較大而且荒漠化嚴重，這就導致未利用地占全域很大的面積。

圖1 2000-2020年哈密市土地利用變化特征

在數量上(表1)，除了未利用地之外整個哈密市范圍之內草地占明顯的主導優(yōu)勢，3個時間段的占比分別為7.4%，5.87%，7.45%，呈現波動性減少趨勢，到2020年時減少量為671.48 km2；其次為耕地，所占比例為1.31%，1.33%，1.48%，從2000—2020年增加238.05 km2，呈持續(xù)增長趨勢；林地所占比例為0.27%～0.47%，呈先減少后增加趨勢，增加量為275.07 km2；水域呈現緩慢減少趨勢，減少面積相對來說較少；2000—2020年建設用地所占比例從0.1%增加至0.4%，呈逐年增加的趨勢，且增加速度比較快，共增加405.60 km2。未利用地是占比最大的，但是隨著生態(tài)保護的成效及其他地類的增加，伊州區(qū)南部和巴里坤縣北部的未利用地從2000—2020年呈減少趨勢，共減少242.30 km2。

表1 哈密市2000-2020年土地利用變化特征 km2

3.2 土地利用轉移分析

為了進一步了解研究區(qū)2000—2020年的土地利用總體變化特征，利用GIS工具，將兩期土地利用數據進行空間疊加分析，得出2000—2020年哈密市土地利用空間轉移結果和土地利用轉移矩陣表(表2)。哈密市6種土地利用類型2000—2020年的轉移矩陣可以看出，各地類之間轉移比較明顯。①在轉移數量上草地轉移最為明顯，轉移面積為1 980.24 km2。在空間上，草地向未利用地變化區(qū)域主要集中在伊州區(qū)東北部部分的山區(qū)以及伊吾縣西部；向林地轉移的部分基本在巴里坤縣范圍內。②其次為耕地，轉移面積分別為183.63 km2。其中耕地主要轉移為建設用地、未利用地和草地。③林地主要以轉入為主，轉移來源主要為草地和未利用地。其中，未利用地轉為林地的區(qū)域比較分散且基本都在巴里坤縣范圍內。④水域主要以轉入為主，主要轉移類型為未利用地，面積為79.74 km2。⑤建設用地主要以轉入為主，主要來源于耕地和未利用地。在空間上，伊州區(qū)南部的未利用地轉為建設用地最為明顯。其中，耕地轉為建設用地的區(qū)域基本在伊州區(qū)及伊吾縣城區(qū)周邊，呈逐漸向四周擴散的趨勢。⑥未利用地主要以轉出為主，轉移成草地、建設用地、耕地、林地面積分別為1 240.93，324.54，322.56，233.84 km2。未利用地轉為草地比較明顯，分布在伊州區(qū)和巴里坤縣，其中巴里坤縣范圍內未利用地轉成草地的面積比較大，分布在巴里坤縣最北部及東南部。

表2 哈密市2000-2020年土地利用轉移矩陣 km2

3.3 基于坡度的土地利用變化情況分析

哈密市最高位置海拔高度4 888 m，最低處為11 m，差值較為明顯，海拔高度導致了地形地貌的復雜性。主要表現為中高南北低，中部山體起伏較大，多山、多盆地、溝谷縱橫、冰川廣布、多戈壁及各種風蝕地貌的特點。所以有必要進行不同坡度上各地類分布情況的分析。本文通過ArcGIS的分析功能以及公式(1)—(5)分別計算出不同坡度級別的各地類面積(表3)及分布指數(圖2)。

如表3及圖2所示，從分析出來的坡度梯形來看，研究期間耕地、建設用地面積在這3個時段隨著坡度的增加持續(xù)減少，而草地在Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅳ級區(qū)域的分布面積，相比其他梯度的分布來看占比較大；水域在Ⅰ級、Ⅱ級區(qū)域面積占比最大，其他坡度梯度上面積較小；未利用地在各個坡度梯度的面積都偏大，而且隨著坡度的遞增，面積變小。耕地、未利用地、建設用地主要分布在坡度在0°～5°的范圍。在Ⅰ級區(qū)域，耕地、未利用地、建設用地優(yōu)勢度較為明顯；在Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級區(qū)域是林地的優(yōu)勢比較突出；草地在Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級區(qū)域上都顯優(yōu)勢分布，其中Ⅴ級梯度是優(yōu)勢度最高；水域在Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級區(qū)域優(yōu)勢度比較突出，在Ⅴ級梯度上優(yōu)勢度最突出。

表3 哈密市2000-2020年不同坡度上各土地利用類型面積 km2

圖2 哈密市2000-2020年坡度梯度上土地利用類型分布指數

3.4 土地利用空間變化的方向特征分析

為了進一步探討土地利用變化的分布格局及空間上的變化方向，本文提取2000—2010年和2010—2020年的變化地類，并利用ArcGIS的空間分析功能得到兩期標準差橢圓(圖3)。

如圖3及表4所示，各個橢圓的長半軸表示各地類的標準差橢圓的分布方向，短半軸表示3個地類的主要分布范圍，長短半軸差值越大，表示該地類分布具有較強的聚合力。兩期土地利用變化的標準差橢圓和橢圓參數值結果顯示，2000—2010年的標準差橢圓面積及周長均小于2010—2020年，表明2000—2010年的地類變化相對于后一時期較為集中分布；2000—2010年的標準差橢圓短軸小于后一時期的短半軸，表明2000—2010年橢圓的向心力更加明顯；2000—2010年的標準差橢圓長短半軸差值小于后一時期，表明2010—2020年時期的地類變化的范圍更廣，覆蓋面積更大，方向性更加明顯；2000—2010年的橢圓方向跟東天山山脈分布趨勢基本符合，表明地類變化圍繞東天山山脈而變化；兩期地類變化生成的橢圓重心逐漸往西北方向遷移2020年標準差橢圓重心遷移到巴里坤縣境內。總而言之，哈密市在20 a的社會發(fā)展中，各地類變化空間范圍從局部區(qū)域擴散到更大范圍，變化形式趨于更加明顯。

圖3 哈密市2000-2020年哈密市土地利用變化標準差橢圓

表4 哈密市2000-2020年土地利用變化標準差橢圓參數

4 討論與結論

本研究通過30 m空間分辨率全球地表覆蓋數據(GlobeLand 30)，將把典型的干旱區(qū)資源型開發(fā)城市哈密市作為研究區(qū)，在可靠地土地利用數據的基礎上，從土地利用變化的空間、時間、空間趨勢以及分布情況等不同角度進行了分析。伴隨著經濟發(fā)展以及人口的增長，土地利用也呈顯著性變化，其中最明顯的特征是耕地、建設用地、林地的增加和未利用地、草地等地類的減少。

(1) 哈密市在這20 a的時段里，土地利用在數量上發(fā)生了顯著性變化。其中耕地從2000年的1 795.02 km2增加到2 033.07 km2；建設用地在20 a的時間里從139.21 km2擴展到544.810 km2；林地從367.330 km2增加到642.400 km2。草地在整個哈密市占比較大，其中在巴里坤縣占很大的優(yōu)勢，該地類從2000—2020年呈先減少后緩慢增加的趨勢。水域在這20 a時間里基本保持著一個穩(wěn)定的水平。由于哈密市戈壁荒漠占很大比例，導致未利用地占比很大。但隨著時間的推移，未利用地持續(xù)轉變?yōu)槠渌仡?，面積逐漸減少。這些跟退地節(jié)水、退耕還林、退耕還草等一系列政策導向以及當地的自然生態(tài)環(huán)境有著很大的關聯。

(2) 從土地利用轉移矩陣來看，各地類之間的轉移比較明顯，最為顯著的是草地轉換成林地和未利用地；城區(qū)周圍的耕地轉變成建設用地，以及未利用地轉變成耕地、林地等。其中草地轉移成林地面積為200.96 km2，轉成未利用地1 676.26 km2。未利用地轉成建設用地量為324.54 km2；耕地轉成建設用地面積為94.95 km2?！豆苁型恋乩每傮w規(guī)劃》以及社會經濟發(fā)展跟土地利用變化有著密切的關系。

(3) 哈密市土地利用類型在不同的坡度等級上具有差異性。其中耕地和建設用地基本分布在Ⅰ級和Ⅱ級梯度，在Ⅰ級梯度上顯優(yōu)勢分布，其他梯度上隨著坡度的增加面積逐漸減少。草地從Ⅰ級梯度到Ⅴ級梯度的面積都比較大且相對來說比較均勻分布，可看出哈密市坡度的增加對草地的分布影響不是很明顯。林地也分布在每個梯度，除了Ⅰ級梯度之外其他梯度上林地分布的面積差別不是很明顯。水域在Ⅰ級、Ⅴ級梯度上分布面積較大，在Ⅴ級梯度上分布是跟當地的水庫建設位置以及冰川有關。未利用地在每個坡度梯度上占比很大，相對來說，在Ⅰ級梯度上的分布優(yōu)勢度較高。研究得出，坡度因素在哈密市各地類的空間分布有著很大的關系，而且分布指數能夠更加客觀地表達出分布情況。

(4) 2000—2020年哈密市土地利用空間變化特征比較顯著。根據標準差橢圓分析得出，2010—2020年間的地類變化比2000—2010年的地類變化范圍更廣，在2010—2020時期的年的離散程度比較大，方向性比上一時期更加明顯。從兩期的橢圓重心坐標來看，重心從東南向西北方向遷移，地類變化重心由伊州區(qū)變?yōu)榘屠锢たh。

隨著城市化的推進以及人口的增加可能會進一步加增建設用地的迅速擴展，這將進一步影響當地的生態(tài)環(huán)境。哈密市本身作為干旱區(qū)，水資源短缺，所以在未來的發(fā)展中需要注重考慮哈密市水資源支撐能力以及資源的合理開采等人類活動的影響。這些自然因素及人類活動將會導致土地利用的劇烈變化。本研究與已有的相關研究相比，本文利用了比較可靠的土地利用數據，數據集精度較高。而且很好的結合了轉移矩陣、坡度梯度分析，這就可以實現綜合考慮研究區(qū)地理特征的前提下，更加精確表達土地利用轉移特征和分布情況，而標準差橢圓分析方法相對于以前的傳統方法更直觀的表達了每一時期土地利用變化格局的空間趨勢。今后，在本研究的基礎上，還可以利用相關模型來預測出未來的土地利用發(fā)展特征，及驅動力因素分析。這也是今后的研究重點及提升的空間。