基于GlobeLand30的山東省地表覆蓋時空變化與分析

朱林燁，牛婧格，邢華橋*，陳冰瑤，劉 暢

（1.山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南 250101）

近年來，由于社會經(jīng)濟的日趨增長，人類加快了對土地資源利用的速度，也產(chǎn)生了相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境惡化、土地利用分布不均等一系列問題。以2000-2020 年山東省GlobeLand30 數(shù)據(jù)為研究對象，采用用地面積、構(gòu)成占比、增量占比以及地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣的空間分析方法，研究了山東省及其各地級市地表覆蓋的空間格局、變化幅度、區(qū)域差異及變化成因，為山東省城市規(guī)劃、土地利用可持續(xù)發(fā)展等方向提供理論基礎(chǔ)[1-4]。

1 研究區(qū)與研究方法

以2000 年、2010 和2020 年的GlobeLand30 數(shù)據(jù)以及山東省16 地市的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，分別研究山東省地表覆蓋的空間格局分布、變化幅度、區(qū)域差異及變化驅(qū)動力分析等，總體思路如圖1 所示。首先，利用行政區(qū)劃數(shù)據(jù)裁剪覆蓋山東省范圍的三期GlobeLand30 數(shù)據(jù)，分別從山東省全局和16 地市對山東省地表覆蓋空間格局分布進行分析；其次分別從變化量、變化率、轉(zhuǎn)移矩陣等角度對2000-2020 年間的山東省地表覆蓋變化進行統(tǒng)計；最后分析山東省地表覆蓋變化的原因及其產(chǎn)生的影響，為山東省土地利用決策、城市發(fā)展方向、國情預測提供理論基礎(chǔ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 總體格局分布

結(jié)合山東省的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，對2000 年、2010 年和2020 年的GlobeLan 30 數(shù)據(jù)進行裁剪，如圖2 所示。獲得山東省2000-2020 年GlobeLand 30 數(shù)據(jù)空間分布情況，并對8 個地類面積及占比結(jié)果進行統(tǒng)計，如表1 所示。山東省耕地面積占全省面積比例最高，這也體現(xiàn)出山東省土壤條件好，易于發(fā)展農(nóng)業(yè)。人造地表僅次于耕地，森林和草地的面積約占總面積的4%～5%，主要分布于魯中南山地丘陵中部區(qū)域和魯東丘陵的北部區(qū)域，該地區(qū)地形起伏較大，易于形成森林。濕地和水體主要分布于南四湖地區(qū)和魯西北平原北部沿海地區(qū)。

圖2 山東省GlobeLand30 數(shù)據(jù)的空間分布圖

表1 2000-2020 年山東省地表覆蓋各地類面積及比例

2.2 變化幅度

通過分析2000-2020 年的地表覆蓋的變化量和變化率，可知20 a 間山東省地表覆蓋面積和結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展趨勢[5]，如表2 所示。從總體上看，2000-2020 年山東省地表覆蓋變化程度較大，其中，2000-2020 年間耕地變化量最大、裸地的變化量最小。在2000-2010 年間山東省的GlobeLand 30 數(shù)據(jù)沒有灌木地數(shù)據(jù)。

表2 2000-2020 年山東省地表覆蓋面積變化量與變化率

1）在2000-2010 年間，山東省的耕地、森林、濕地呈現(xiàn)減少的趨勢，山東省的水體、草地、裸地、人造地表呈快速增長的趨勢，減少幅度最大的地表類型為濕地，在這10 a 間減少了約226.28 km2，濕地變化率約為29.19%。森林的縮減率僅次于濕地，減少了約25.42%。耕地縮減了3 761.72 km2，但耕地縮減率僅約為2.98%，縮減率相對較低，其原因是山東省耕地面積較大，變化部分面積所占耕地總面積比例較小。在2000-2010 年間水體增長率高達41.63%，其次是草地，增加了約928.16 km2，增長率達到33.96%。裸地在2000-2010 年間由原來的126.28 km2增長到158.41 km2，增長了約25.44%。人造地表由2000 年的15 524.59 km2增長到2010 年的18 324.18 km2，在這10 a 間，其增長率約為18.03%。

2）在2010-2020 年間，山東省的耕地、水體、裸地呈現(xiàn)減少趨勢，山東省人造地表、濕地、森林、草地呈現(xiàn)增長趨勢。水體由2000-2010 年的增長趨勢轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在的減少趨勢。裸地變化率最大，高達27.49%。耕地一直呈縮小的趨勢，且縮小趨勢十分明顯，這與人造地表面積的擴張存在一定的聯(lián)系。人造地表的增長尤為迅速，由18 324.18 km2（2010 年）擴張至28 087.32 km2（2020 年），增長率高達53.28%。灌木地的變化率較大，其可能是由于在2000 年和2010 年灌木地的區(qū)域較少，較難提取灌木地區(qū)域。草地的增長率相比于2000-2010 年增長率減少24.17%。雖然在2010-2020 年間森林和濕地都有不同程度的增加（森林面積增長率為10.44%，濕地面積增加77.09 km2），但都未達到2000 年的森林和濕地面積量。

2.3 區(qū)域差異

利用ArcGIS 軟件得到2000-2020 年山東省地表覆蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣。如表3～4 所示，從總體上看，山東省耕地面積減少的主要原因是人造地表面積增加，2000-2010 年耕地轉(zhuǎn)出總面積為7 748.14 km2，其中轉(zhuǎn)入人造地表面積為4 930.62 km2，占63.64%，另有部分耕地轉(zhuǎn)化為森林、草地等其他地類。2010-2020 年耕地轉(zhuǎn)化為人造地表面積占比高達78.35%。由此可知，山東省在這20 a 內(nèi)城市化水平仍在提高。

表3 2000-2010 年山東省地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2010-2020 年山東省地表覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

對2000-2020 年間山東省各地級市的地表覆蓋面積變化量進行統(tǒng)計，如圖3 所示?？梢钥闯?000-2010 年煙臺市、東營市、青島市的地表覆蓋面積變化量較大，棗莊市、德州市、聊城市等其他地級市地表覆蓋面積變化較小，山東省的地表覆蓋變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性[6]。2010-2020 年臨沂市地表覆蓋面積變化量較大，威海市地表覆蓋面積變化量最小，其他地級市地表覆蓋均有不同程度的變化。具體表現(xiàn)為:

圖3 山東省各地級市地表覆蓋面積變化量

1）山東省各地級市耕地均有不同程度的減少，但耕地減少區(qū)域分布相對分散。2000-2010 年耕地減少量較大的地區(qū)為濰坊市、東營市、臨沂市、青島市。耕地減少最大的地區(qū)為東營市，由2000 年的5 293.28 km2減少至2010 年的4 383.91 km2。濰坊市、東營市、臨沂市、青島市在2000-2010 年間耕地面積減少量為2 223.58 km2，山東省耕地總體減少量為3 761.72 km2，占59.12%。2010-2020 年耕地轉(zhuǎn)化為人造地表的區(qū)域面積更大，且?guī)缀醣椴颊麄€山東省。結(jié)合圖4a 和圖4g所示，森林區(qū)域主要集中在魯中南山地丘陵中部地區(qū)（即，濟南市和淄博市）；耕地轉(zhuǎn)化為濕地、水體的區(qū)域主要分布于魯西北平原北部；各地級市中心及其周圍地區(qū)是耕地轉(zhuǎn)化為人造地表的主要地區(qū)，主要呈現(xiàn)從中心向外部擴張的趨勢。

2）森林變化量由減少趨勢轉(zhuǎn)化為略微增加的趨勢。在2000-2010 年間，煙臺市、青島市、威海市是山東省森林變化幅度較大的區(qū)域。煙臺市、青島市、威海市森林面積減少量為1 345.56 km2，超過山東省森林減少總量1 251.31 km2。結(jié)合圖4b 所示，森林轉(zhuǎn)化耕地、草地的區(qū)域主要分布魯東丘陵東北部地區(qū)，主要由于該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展條件較好，導致森林面積減少量較大。在2010-2020 年間，結(jié)合圖4b 和圖4h 可知，16 地級市的森林變化量基本都呈現(xiàn)增加的趨勢。其中，濰坊市、臨沂市、淄博市森林面積增加量較大。

3）山東省草地面積一直處于增加的趨勢。在2000-2010 年間，山東省草地變化幅度較大區(qū)域為煙臺市、青島市、威海市、東營市。草地增加最大的地區(qū)為煙臺市，由2000 年的622.95 km2增加為2010 年的1 121.91 km2。煙臺市、青島市、威海市、東營市草地共增加了1 096.91 km2，而山東省森林共增加了927.58 km2，超過山東省草地增加總量。結(jié)合圖4c 和圖4i 所示，山東省草地增長區(qū)域主要集中于魯中南山地丘陵中部區(qū)域（即濟南市、淄博市等地），以及屬于魯東丘陵的東南部的日照市。

4）山東省水體面積在2000-2010 年間呈現(xiàn)較大程度的增加，而在2010-2020 年間呈現(xiàn)小幅度的減少。濰坊市、東營市、濟寧市是山東省水體變化幅度較大的區(qū)域。在這20 a 間水體面積變化最大的地區(qū)為濟寧市。結(jié)合圖4e 和圖4k 所示，水體轉(zhuǎn)移主要分布在魯西北平原北部沿海地區(qū)，以及屬于魯東丘陵地區(qū)的日照市、青島市，南四湖區(qū)域也是水體轉(zhuǎn)移的主要區(qū)域。

圖4 2000-2020 年各地類轉(zhuǎn)移的空間分布

5）山東省各地級市人造地表均有不同程度的增加，主要分布在城市中心及其近郊區(qū)域，新增人造地表大多集中于現(xiàn)有人造地表周圍。在2000-2010 年間，人造地表增加量較大的地區(qū)為煙臺市、臨沂市、青島市。人造地表增加最大的地區(qū)為青島（由2000 年的1 087.79 km2增加為2010 年的1 542.71 km2）。煙臺市、臨沂市、青島市人造地表共增加了1 207.36 km2，占人造地表增加總面積的43.12%。結(jié)合圖4f 和圖4l 所示，人造地表面積顯著增加。

6）山東省濕地變化幅度較大的區(qū)域為東營市、濟寧市。結(jié)合圖4d 和圖4j 所示，2000-2020 年濕地增加最大的地區(qū)為東營市，2000-2010 年間東營市濕地增加168.70 km2，2010-2020 年間東營市濕地增加60.71 km2，其濕地增加的主要原因與獨特的地理優(yōu)勢和當?shù)卣哂忻芮嘘P(guān)系。在這20 a 間濕地減少最大的地區(qū)為濟寧市，由2000 年的508.59 km2減少到2020 年的71.94 km2，其濕地減少的主要原因與南四湖區(qū)域的水體面積增加有關(guān)。

3 山東省地表覆蓋數(shù)據(jù)時空變化驅(qū)動力分析

地表覆蓋變化由多種因素共同影響造成，主要受經(jīng)濟、文化、人口、政策等多重因素的制約[7]。原因如下:

1）經(jīng)濟增長和人口增加是導致地表覆蓋變化的主要因素。2000-2020 年，山東省的經(jīng)濟和人口正在處于迅猛發(fā)展階段，山東省生產(chǎn)總值（GDP）由2000 年的8 337.47 億元增長至2019 年的71 067.5 億元，生產(chǎn)總值增長了62 730.03 億元。人口由2000 年的8 998.00 萬增長至2019 年的10 070.21 萬人。經(jīng)濟增長和人口增加導致城市建設(shè)用地的需求增加，占用城市邊緣地區(qū)的其他地類。因此，山東省耕地面積大幅下降，并轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和其他類型用地[8-9]。雖然山東省頒布了相關(guān)的耕地保護政策，在一定的程度上對耕地起到了保護的作用，由于建設(shè)用地與耕地之間的矛盾日益加劇，耕地保護政策不能夠阻止建設(shè)用地的擴張，所以耕地面積減少明顯。

2）經(jīng)濟效益或產(chǎn)值的差異是水體變化的主要原因。2000-2020 年，山東省水體面積呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。隨著時間的推移，不同土地利用類型的經(jīng)濟效益不同[10]。由于山東省地表覆蓋變化選擇GlobeLand30 數(shù)據(jù)在氣候方面存在較大的差異性，如:2000 年山東省屬于較為干旱的年份，而2010 年山東省屬于較為濕潤的年份，因此，GlobeLand 30 數(shù)據(jù)在解譯過程中可能存在誤差，導致2000-2010 年水體面積的增加。

3）政策因素是推動濕地變化的主要因素。由于《中國濕地保護行動計劃》、南水北調(diào)等政策的推行，山東省對濕地保護補助工作的開展，加上山東省獨特的地理環(huán)境優(yōu)勢，促進了濕地的生成和擴大，山東省部分地區(qū)修建水庫將濕地轉(zhuǎn)化成水體，提高了山東省環(huán)境修復能力[11-12]。

4）保護意識的增強是森林、草地變化的主要原因。森林面積由減少趨勢轉(zhuǎn)向增加趨勢，草地面積呈現(xiàn)一直增加的趨勢，是由于地區(qū)環(huán)境保護意識增強、以及相關(guān)環(huán)境保護法律體系的完善。如《退耕還林條例》等政策制定，部分耕地轉(zhuǎn)化為森林和草地。為了推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和經(jīng)濟發(fā)展方式的革新，山東省政府制定相關(guān)的土地利用政策。

4 結(jié) 語

基于GlobeLand-30 數(shù)據(jù)，對山東省及其各地級市地表覆蓋的時空變化進行分析，得出以下結(jié)論:

1）山東省主要的地表覆蓋類型為耕地、人造地表。山東省耕地面積和人造地表面積占山東省總地表面積的91%～92%，其中人造地表主要分布在各地級市域的中心和其臨近地區(qū)。

2）在2000-2020 年20 a 年間，山東省地表覆蓋面積發(fā)生了較大的變化。耕地呈現(xiàn)大幅度減少的趨勢，減少量為14 707.28 km2。人造地表呈現(xiàn)急劇增加的趨勢，山東省人造地表面積增加12 562.73 km2，水體、草地呈現(xiàn)增加的趨勢，其他地類變化程度較小。

3）山東省地表覆蓋變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性，各地級市地表覆蓋均有不同程度的變化。其中，2000-2010 年間東營市的耕地面積變化最大，減少量為909.37 km2；2000-2010 年間青島市的人造地表面積變化最大，面積增加了454.92 km2；2010-2020 年間16 地級市耕地和人造地表均有較大程度變化。草地和森林的變化主要集中在魯東丘陵的東北部地區(qū)和魯中南山地丘陵中部區(qū)域，濕地和水體的變化主要集中在魯西北平原北部沿海地區(qū)和南四湖地區(qū)。

4）山東省地表覆蓋變化是多種驅(qū)動力因素共同影響的結(jié)果，經(jīng)濟增長、人口增長、政策法規(guī)制定和實施等是大部分地表覆蓋變化的主要因素。山東省森林和草地的變化主要原因是人們對森林保護意識的增強和相關(guān)法律法規(guī)的制定；水體的變化主要來自經(jīng)濟效益或產(chǎn)值的差異的影響；耕地的減少、人造地表的增加主要原因是經(jīng)濟水平的提高和人口的增長促進城市的擴張；濕地的變化主要由于政策的制定與實施。

GlobeLand 30 數(shù)據(jù)有效提高了山東省地表覆蓋數(shù)據(jù)的精度質(zhì)量，為研究環(huán)境變化、生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、土地利用監(jiān)測和調(diào)控等方向提供了可靠的數(shù)據(jù)材料。在后續(xù)研究中，將采用現(xiàn)勢性更好、空間分辨率更高的資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對山東省及其各地級市地表覆蓋時空變化進行多尺度與長時序的分析，為山東省土地利用決策、城市發(fā)展方向、國情預測提供理論基礎(chǔ)。