基于GIS與RS的大安市土地利用變化分析

馬金峰，張文春

(吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 前 言

土地資源在人們的日常生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不可替代的作用，也是人類(lèi)生存的根本，但土地資源始終是有限的，如何觀測(cè)并合理利用有限的土地，逐漸成為當(dāng)今學(xué)者研究的重點(diǎn)課題之一[1]。東北地區(qū)作為我國(guó)重要的商品糧基地、生態(tài)功能區(qū)與老工業(yè)基地，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面扮演著重要角色[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于東北地區(qū)土地利用的相關(guān)研究，多聚焦于經(jīng)濟(jì)情況較好、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)豐富的大中型城市，如沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、哈爾濱等[3-7]。而選擇經(jīng)濟(jì)體量低、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為單一的縣域小城為研究區(qū)的相對(duì)較少?？h域小城工業(yè)化水平落后但長(zhǎng)期保持著良好的自然生態(tài)和農(nóng)業(yè)生態(tài)[8]。然而近年來(lái)隨著城市化發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)，東北地區(qū)城市擴(kuò)張速度明顯加劇，這一變化嚴(yán)重威脅到東北地區(qū)的自然生態(tài)和農(nóng)業(yè)生態(tài)安全[9]。因此，本文選擇吉林省大安市作為研究區(qū)，以1986年、2000年、2018年Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于GIS軟件處理平臺(tái)，通過(guò)人機(jī)交互的目視解譯法來(lái)解譯土地利用類(lèi)型，分析大安市近30年的土地利用變化情況，本次研究的方法主要有土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動(dòng)態(tài)度兩種，旨在為大安市合理利用土地資源以及城市規(guī)劃、環(huán)境治理、可持續(xù)發(fā)展、土地政策制定等提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

吉林省大安市(東經(jīng)123°08′45″～124°21′56″、北緯44°57′00″～45°45′51″)位于吉林省西北部，白城市東部。西部與通榆縣、洮南市相接，東部緊接黑龍江省肇源縣，南與前郭爾羅斯蒙古族自治縣、乾安縣為鄰，北與鎮(zhèn)賚縣以洮兒河為界。全區(qū)總面積4 936.8 km2，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)共計(jì)19個(gè)(見(jiàn)圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖

大安市為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，位于松嫩平原腹地，年平均氣溫5.2℃，年平均降水量410.8 mm。大安市素有“嫩江明珠”之稱(chēng)，市內(nèi)有著多種類(lèi)型濕地，其中有國(guó)家4A級(jí)景區(qū)-嫩江灣國(guó)家濕地公園，嫩江灣碼頭亦是吉林省最大的對(duì)外開(kāi)放港口(內(nèi)河)。西南部的姜家甸草原牧草資源豐富，是我國(guó)三大天然羊草草原之一，年產(chǎn)牧草近15萬(wàn)t。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及其處理

本文以三期Landsat影像數(shù)據(jù)作為大安市土地利用類(lèi)型解譯數(shù)據(jù)源，對(duì)遙感影像進(jìn)行波段組合、影像融合、影像幾何糾正、影像幾何糾正等預(yù)處理。并根據(jù)遙感影像特征，結(jié)合前人野外調(diào)查相關(guān)資料，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》(GB/T 21010—2017)標(biāo)準(zhǔn)，分別建立大安市三期(1986年、2000年、2018年)土地利用遙感解譯標(biāo)志(見(jiàn)圖2)，然后基于GIS軟件平臺(tái)，應(yīng)用直判法、對(duì)比法、鄰比法、綜合判斷法等方法，分析土地利用類(lèi)型特點(diǎn)，利用“人機(jī)交互解譯法”進(jìn)行大安市土地利用類(lèi)型信息提取工作。

圖2 大安市土地利用類(lèi)型遙感解譯圖

2 研究方法

2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)能有效反映特定時(shí)間內(nèi)該區(qū)域土地利用類(lèi)型的變化情況。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

N=(mb-ma)/ma×1/T×100%

式中，N為土地利用動(dòng)態(tài)度，%；ma、mb為研究起始與終止時(shí)的某土地利用類(lèi)型面積，km2；T為間隔時(shí)間，年。

2.2 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

分析研究轉(zhuǎn)移矩陣，可以更好地了解土地利用變化空間特征以及內(nèi)在演化規(guī)律。其公式如下：

式中，M為土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣，且0≤M12≤1,其中M12值越大，說(shuō)明狀況1向狀況2轉(zhuǎn)移的傾向越大；n為土地利用類(lèi)型數(shù)，i和j為研究起始和終止時(shí)的土地利用類(lèi)型面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類(lèi)型面積及變化分析

土地利用情況好壞可通過(guò)土地利用結(jié)構(gòu)來(lái)評(píng)價(jià)，本文基于GIS軟件，根據(jù)1986年、2000年和2018年三期遙感解譯數(shù)據(jù)，建立大安市土地利用類(lèi)型信息數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算得到的不同時(shí)期土地利用類(lèi)型的面積以及土地利用類(lèi)型比重，分別如圖3和表1所示。

圖3 土地利用類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)

表1 1986年、2000年、2018年土地利用類(lèi)型面積及比重 %

對(duì)圖3和表1進(jìn)行分析，結(jié)果表明：1986年，大安市土地利用方式主要是草地、水域以及耕地。其中，草地占總面積47.48%，水域占比18.97%，耕地占比16.16%。2000年，大安市土地利用方式發(fā)生變化，以草地、耕地及其他用地為主，其中草地占總面積30.79%，耕地占比23.55%，其他用地占比21.35%，耕地和其他用地面積明顯增大，水域面積則有所減少。2018年，大安市土地利用方式依舊是耕地、草地和其他用地，耕地占總面積43.3%，草地占比28.73%，其他用地占比11.03%。從總體情況來(lái)看，三個(gè)時(shí)期，耕地和草地一直作為大安市主要的土地利用方式，且耕地呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，比重由16.16%增長(zhǎng)到43.3%，草地則呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)，說(shuō)明大安市注重開(kāi)發(fā)耕地，因此天然草地資源遭到一定程度的破壞。

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度分析

利用GIS軟件中土地利用動(dòng)態(tài)模型得到的不同時(shí)期土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度(見(jiàn)表2)。

表2 1986年、2000年、2018年土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度 %

分析表2可以得出：1986年、2000年，大安市的土地利用類(lèi)型面積均產(chǎn)生了變化。其中其他用地、建設(shè)用地變化尤為突出，分別達(dá)到27.57%和11.36%，呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，相比之下，水域則出現(xiàn)大面積減少的情況，達(dá)到-3.09%，說(shuō)明隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，其他用地和水資源均收到嚴(yán)重影響；2000年、2018年，大安市土地利用類(lèi)型變化幅度最大的是建設(shè)用地和耕地，分別達(dá)到了5.21%和3.26%，說(shuō)明人口的快速增多，導(dǎo)致建設(shè)用地與耕地面積也隨之增大；1986年、2000年、2018年，大安市土地利用類(lèi)型面積有著十分明顯的變化，其中建設(shè)用地、耕地和其他用地面積發(fā)生巨大變化，增幅分別達(dá)到12.56%、5.25%和4.72%，與之相比，水域面積出現(xiàn)了-1.95%的減少，林地面積出現(xiàn)了-1.35%的減少，草地面積出現(xiàn)了-1.23%的減少。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)化特征分析

利用GIS軟件強(qiáng)大的分析功能，生成轉(zhuǎn)移矩陣，主要包括數(shù)據(jù)的融合、疊加分析、面積計(jì)算，最終形成了大安市1986年、2000年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表3，2000年、2018年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表4。

表3 1986年、2000年大安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

表4 2000年、2018年大安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

從表3可以看出，在1986年至2000年的14年間，草地總體面積減少了1 300.87 km2，主要是向耕地和其他用地轉(zhuǎn)化，向耕地轉(zhuǎn)化340.22 km2，向其他用地轉(zhuǎn)化836.82 km2，其余類(lèi)型轉(zhuǎn)化量較小，分別是向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化13.2 km2，向林地轉(zhuǎn)化63.23 km2，向水域轉(zhuǎn)化47.39 km2，分析可知，可能由于過(guò)度的放牧，導(dǎo)致草地資源遭到破壞，轉(zhuǎn)化為其他用地，也有一部分草地被有效地開(kāi)發(fā)利用，轉(zhuǎn)化為耕地，提高糧食生產(chǎn)效率；水域面積出現(xiàn)了468.41 km2的減少，多向草地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化量為342.84 km2，向其他用地轉(zhuǎn)化61.1 km2，向耕地轉(zhuǎn)化52.89 km2，其次有部分面積轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地，轉(zhuǎn)化量分別是11.12 km2和0.46 km2，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，水資源的利用率不斷提高，從而導(dǎo)致水域用地方式變更，水域面積減少。

由表4可得，2000年、2018年，其他用地和草地面積減少較大。其中其他用地面積減少789.54 km2，向草地轉(zhuǎn)化529.75 km2，向耕地轉(zhuǎn)化166.54 km2，其余類(lèi)型轉(zhuǎn)化量較小，分別是向水域轉(zhuǎn)化44.05 km2，向林地轉(zhuǎn)化37.11 km2，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化12.09 km2。經(jīng)研究分析，人們開(kāi)始注重環(huán)境資源的保護(hù)，大力開(kāi)發(fā)治理沙地、鹽堿地等其他用地。草地面積減少764.22 km2，主要轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化量為331.51 km2，向林地轉(zhuǎn)化164.45 km2，向其他用地轉(zhuǎn)化182.78 km2，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化19.56 km2，向水域轉(zhuǎn)化65.92 km2。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，草地大面積轉(zhuǎn)化為耕地，可能是由于大安市的城市建設(shè)，導(dǎo)致大安市人口增多，因此人們對(duì)糧食的需求增大，對(duì)耕地的開(kāi)發(fā)力度增大。

4 結(jié) 論

1)大安市已利用土地達(dá)到60%以上，土地利用類(lèi)型以耕地和草地為主，且耕地面積逐年擴(kuò)大，擴(kuò)大幅度為5.25%，草地面積逐年縮小，縮小幅度為1.23%；建設(shè)用地增速最快，增幅高達(dá)12.56%，水域面積降幅為1.95%，減少速度最快；其他用地面積略有增大，增幅為4.72%，林地面積則有所減少，降幅為1.35%。

2)大安市的土地利用轉(zhuǎn)化特征較為明顯。在1986年、2000年，轉(zhuǎn)化量最多的是草地，水域>林地>耕地>其他用地，轉(zhuǎn)化量最低的是建設(shè)用地；在2000年、2018年，轉(zhuǎn)化量最大的是其他用地，草地>林地>水地>耕地，轉(zhuǎn)化量最低的是建設(shè)用地。

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