孫小舟， 周致遠(yuǎn)，劉雙圓,龔毅帆

(1．湖北文理學(xué)院地理系,湖北襄陽(yáng) 441053；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)

鄂北崗地土地利用變化特征研究

孫小舟1，2， 周致遠(yuǎn)1，劉雙圓1,龔毅帆1

(1．湖北文理學(xué)院地理系,湖北襄陽(yáng) 441053；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)

以鄂北崗地為研究區(qū)，運(yùn)用RS技術(shù)和GIS技術(shù)，使用數(shù)學(xué)模型計(jì)算土地利用變化的特征與空間分布狀態(tài)，定量揭示2001—2013年土地利用變化狀況.結(jié)果表明，2001—2013年鄂北崗地土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，建設(shè)用地增加幅度大.就土地利用類型的轉(zhuǎn)化而言，13年中，轉(zhuǎn)入劇烈的是建設(shè)用地，轉(zhuǎn)入面積達(dá)到84.967 1 km2；轉(zhuǎn)出劇烈的是耕地和林地，分別轉(zhuǎn)出了72.365 4 km2和45.832 5 km2.動(dòng)態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，2001—2013年建設(shè)用地的年變化率最大，為3.916 8%，耕地最小，絕對(duì)值為0.453%.狀態(tài)指數(shù)方面，正值地物為建設(shè)用地和水域，說(shuō)明面積出現(xiàn)增加趨勢(shì);而負(fù)值地物說(shuō)明面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì).

土地利用；空間變化；鄂北崗地

0 引言

土地利用與覆蓋的變化反映了自然環(huán)境與人類活動(dòng)之間的關(guān)系，深刻地影響著生態(tài)與環(huán)境安全，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展意義重大.研究表明，土地利用與覆蓋變化LUCC對(duì)區(qū)域水循環(huán)、氣候變化、環(huán)境質(zhì)量、生物多樣性以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力的適應(yīng)能力的影響深遠(yuǎn)，是全球變化的主要驅(qū)動(dòng)力之一[1]，是可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)之一.

目前，中國(guó)的土地利用研究主要集中在全國(guó)大尺度[2]，黃土高原地區(qū)以及農(nóng)牧交錯(cuò)帶等生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[3]，自然驅(qū)動(dòng)力與人類比較活躍的各大城市及其邊緣地帶[4，5]，以及典型土壤地區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū).與之相比，南方地區(qū)崗地較多，崗地土地利用變化的研究卻較少.鄂北崗地是湖北省重要的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)基地，我國(guó)重要的商品糧供應(yīng)基地之一，南水北調(diào)中線工程的源頭，該區(qū)域可利用農(nóng)地寬闊肥沃，人均耕地面積較多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度高，區(qū)域土地資源的合理開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于鄂北地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的意義.

本研究基于RS技術(shù)與GIS技術(shù)，在ENVI 5.1的支持下，對(duì)2001年、2006年、2013年的遙感影像監(jiān)督分類，獲取研究區(qū)域內(nèi)3年的土地利用數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2的支持下，運(yùn)用“重分類”與“柵格計(jì)算器”工具，利用遙感影像監(jiān)督分類數(shù)據(jù)支持，定量化分析，探討研究區(qū)2001—2013年的土地?cái)?shù)量變化特征和空間分布格局，以期為協(xié)調(diào)區(qū)域人地關(guān)系，制定科學(xué)的土地利用政策和規(guī)劃提供依據(jù)[6].

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂北崗地位于湖北省北部，漢江中游，地域上包括襄州區(qū)、樊城區(qū)、襄城區(qū)、棗陽(yáng)市、老河口市、丹江口市、宜城市，面積8 416.5 km2.北與河南省南陽(yáng)盆地相接，南以漢水、蘇嶺、滾河為界，東連桐柏山、大洪山余脈，西鄰武當(dāng)山脈于桐柏山與伏牛山對(duì)峙的南襄隘道，海拔高度在85～160 m，高低落差在10～50 m，是典型的以崗地為主的地形結(jié)構(gòu)[7](圖1) .

圖1 研究區(qū)概況Fig 1The study area overview

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究運(yùn)用2001年、2006年、2013年3期遙感影像對(duì)鄂北崗地的土地變化過(guò)程進(jìn)行分析.由于季節(jié)的不同，植物有可能變化，為了保證3期遙感影像解譯后結(jié)果的比較，3期影像均采用6—7月遙感影像.其中2001年遙感影像為L(zhǎng)andsat 7 ETM SLC-on， 2006年遙感影像為L(zhǎng)andsat 4-5，2013年遙感影像為L(zhǎng)andsat 8 OLI，影像軌道號(hào)依次是124/37，124/38，125/37，125/38，空間分辨率為30 m.為了使得影像在同一柵格下進(jìn)行分析，未對(duì)Landsat 7 ETM SLC-on與Landsat 8 OLI做圖像融合處理.3期遙感影像云霧覆蓋度均小于5%，質(zhì)量良好，可以滿足研究需要.采用阿爾伯斯等積圓錐投影(Albers conical equal area projection).

土地利用分類主要參考中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的土地資源分類系統(tǒng)，結(jié)合鄂北崗地的實(shí)際自然條件，將研究區(qū)劃分為耕地、林地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地(以下簡(jiǎn)稱為建設(shè)用地)和未利用土地5大類型.對(duì)于3期遙感影像，首先在ENVI 5.1遙感軟件的支持下，對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類(支持向量機(jī))，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算出研究地物的面積.運(yùn)用ArcGIS 10.2的“重分類”與“柵格計(jì)算器”工具進(jìn)行空間變化分析，得到研究區(qū)數(shù)據(jù).

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型的年變化趨勢(shì)和狀態(tài)指數(shù) 對(duì)研究區(qū)某一土地利用類型而言，分析其空間格局的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，可以引入土地利用類型的變化趨勢(shì)和狀態(tài)指數(shù)模型：

(1)

(2)

(3)

其中，Vin和Vout分別為T(mén)時(shí)段內(nèi)土地利用類型i的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出速度；Δin和Δout分別為其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋乩妙愋蚷的轉(zhuǎn)入量和土地利用類型i轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷霓D(zhuǎn)出量；Si，a為研究初期土地利用類型i的面積.Ps越接近于1，表明該地類面積大量增大，呈穩(wěn)步增加的趨勢(shì)；越接近于-1，表明面積大量減小，呈逐步萎縮的趨勢(shì)；越接近于0，表明該地類面積變化趨于平衡[8,9].

1.3.2 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用程度表征了區(qū)域土地利用的廣度和深度，土地利用程度及其變化可以定量表達(dá)區(qū)域土地利用的綜合水平.模型表達(dá)式為

(4)

其中，I為研究區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比；n為土地利用程度分級(jí)數(shù).在中國(guó)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中，劉紀(jì)遠(yuǎn)等[2]從生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，提出土地利用程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用分為4級(jí)，其中，未利用地為1級(jí)(未利用土地級(jí))，林地、草地、水地為2級(jí)(林、草、水用地級(jí))，耕地、園地和人工草地為3級(jí)(農(nóng)業(yè)用地級(jí))，城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)、工礦用地、交通用地為4級(jí)(城鎮(zhèn)聚落用地級(jí)).研究區(qū)域不同時(shí)段土地利用程度變化值可以表達(dá)為

(5)

(6)

其中，Ia,Ib分別為研究初期、研究末期土地利用程度綜合指數(shù);Ai為研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù);Ci，a,Ci，b分別為研究初期、研究末期區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比;R為土地利用程度綜合指數(shù)變化率.若ΔIb-a或者R>0，表明該區(qū)域土地利用處于發(fā)展期;否者,處于衰退期或者調(diào)整期[9].

1.3.3 單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度 單一土地利用

類型動(dòng)態(tài)度表征的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為

(7)

其中，K為研究時(shí)段內(nèi)某土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua,Ub分別為日研究初期、研究末期土地利用類型的數(shù)量.K的值就是該研究區(qū)某土地利用類型的年變化率[10-12].

2 鄂北崗地土地利用變化分析

2.1 土地利用的基本特征

2001年、2006年、2013年鄂北崗地遙感數(shù)據(jù)解譯表明，耕地是鄂北崗地最主要的土地類型.其中，耕地主要分布在漢江以東地區(qū)，林地則主要分布在漢江以西地區(qū)，并且分布范圍廣(圖2).在這13年中，耕地和林地面積明顯下降，建設(shè)用地明顯增加，水域變化不大.土地利用綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明,2001年、2006年和2013年土地利用綜合指數(shù)依次為288.073 70,291.192 70和295.939 00，變化幅度大，表明鄂北崗地13年中土地利用發(fā)展變化較大.其中，ΔI2006-2001=3.119 00,R2006-2001=0.010 83,ΔI2013-2006=4.746 30,R2013-2006=0.016 30，說(shuō)明在這13年中，鄂北崗地的土地利用處于發(fā)展期.從總體上說(shuō)，鄂北崗地這13年中各地類的面積比例發(fā)生了變化，土地結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差.

2.2 土地利用變化的方向和強(qiáng)度

從土地利用類型的數(shù)量變化分析(表1)，2001—2013年鄂北崗地建設(shè)用地和水域呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其余各種類型的土地均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì).其中，建設(shè)用地的增加主要在城鎮(zhèn)周邊和農(nóng)村，以及由于道路的修建.出現(xiàn)減少的土地利用類型是林地、耕地和未利用土地，耕地減少44.816 9km2，居3種類型之首.對(duì)比分析兩個(gè)時(shí)間段，2006—2013年比2001—2006年的變化幅度大，說(shuō)明2006—2013年與2001—2006年相比變化劇烈.具體來(lái)言，建設(shè)用地增加明顯，耕地、林地減少幅度比較大，水域的變化不明顯.就未利用土地而言，2001—2006年變化幅度較大，2006—2013年變化幅度不大，處在平穩(wěn)之中.

圖2 2001年、2006年、2013年鄂北崗地土地利用類型Fig 2Land use type in 2001,2006,2013 in the north of Hubei Province表1 2001—2013年鄂北崗地土地利用類型面積及變化量(km2)Tab 1Area and variation of land use types in the north of Hubei Province from 2001 to 2013

土地利用類型面積200120062013變化面積2001—20062006—20132001—2013建設(shè)用地155417061834878822846667 2807082 4497879 7304961耕 地824532488069484277971558-1758406-2723284-4481690水 域388793738939823913380006045019398025443林 地305815572980912628029622-772431-1779504-2551935未利用地403178120888106399-282290-014489-296779

表2 鄂北崗地2001—2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

Tab 2Land use change matrix from 2001 to 2013 in the north of Hubei Province

表3 鄂北崗地2001—2013年單一土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)

在ArcGIS 10.2的支持下，對(duì)于研究區(qū)2001年和2013年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類與柵格運(yùn)算，計(jì)算出土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2).

13年中鄂北崗地耕地不斷向其他土地利用類型轉(zhuǎn)移，共有72.365 40 km2耕地轉(zhuǎn)化為其他土地類型，其中有61.253 40 km2轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，占轉(zhuǎn)出的84.64%,這是由于人口的增加和城市化的原因造成的.12年中共有45.832 50 km2林地轉(zhuǎn)化為了其他土地利用類型，其中有23.637 10 km2轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，21.522 00 km2轉(zhuǎn)化為耕地，分別占轉(zhuǎn)出的51.57%和46.96%.13年中，建設(shè)用地不斷增加，共有84.967 10 km2其他利用類型的土地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，其中耕地61.253 40 km2，林地 23.637 10 km2，分別占轉(zhuǎn)入的72.09%和27.82%.

2.3 土地利用動(dòng)態(tài)變化和趨勢(shì)分析

13年中土地利用動(dòng)態(tài)度分析計(jì)算結(jié)果表明(表3)，總體上來(lái)說(shuō)鄂北崗地各地類的年變化率都較小.具體而言，建設(shè)用地的遞增率最大(3.916 80%)，未利用土地的遞減率最大(6.134 00%)，其次是林地和耕地.需要指出的是，上述結(jié)果忽略了土地利用類型之間的內(nèi)在變化，而只反映出單一地類在數(shù)量上的變化速度.

狀態(tài)指數(shù)Ps既消除了因不同土地利用類型所占比例不同而帶來(lái)的影響，又反映了區(qū)域土地利用與覆被類型變化的趨勢(shì)和狀態(tài).鄂北崗地土地利用狀態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，建設(shè)用地和水域的狀態(tài)指數(shù)為正，轉(zhuǎn)入速度大于轉(zhuǎn)出速度，有規(guī)模增加的態(tài)勢(shì)，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入速度達(dá)到了4.555 80%，是轉(zhuǎn)入速度中的最大值.除水域外，其余3種地類狀態(tài)指數(shù)為負(fù)，轉(zhuǎn)出速度大于轉(zhuǎn)入速度，有規(guī)模減少的趨勢(shì).耕地的狀態(tài)指數(shù)為-0.448 56，其轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出速度分別為0.278 40%和0.731 40%，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出速度差距較大，林地也出現(xiàn)與耕地類似的情況，狀態(tài)指數(shù)-0.385 81，其轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出速度分別為0.553 50%,1.248 90%，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出速度差距較大，表明這兩種類型土地減少嚴(yán)重.

3 結(jié)論

運(yùn)用RS技術(shù)和GIS技術(shù)，通過(guò)對(duì)鄂北崗地2001年、2006年、2013年的遙感影像在ENVI 5.0軟件的支持下監(jiān)督分類，對(duì)研究區(qū)2001—2013年土地利用變化狀況進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明：

1)2001—2013年鄂北崗地土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，土地利用發(fā)展變化大,13年中處在發(fā)展期.研究區(qū)內(nèi)的耕地和林地減少幅度大，建設(shè)用地增加顯著.

2)13年中，鄂北崗地的建設(shè)用地增加幅度大，達(dá)到了228.466 67 km2，與2001年比較增加了73.049 61 km2，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化速度的加快.

3)就土地利用類型的轉(zhuǎn)化來(lái)言，13年中轉(zhuǎn)入劇烈的是建設(shè)用地，轉(zhuǎn)入面積達(dá)到了84.967 10 km2，轉(zhuǎn)出劇烈的是耕地和林地，分別轉(zhuǎn)出了72.365 40 km2和45.832 50 km2.

4)動(dòng)態(tài)指數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明，鄂北崗地建設(shè)用地的年變化率最大，為3.916 80%；耕地最小，絕對(duì)值為0.453 00%.狀態(tài)指數(shù)方面，建設(shè)用地和水域的狀態(tài)指數(shù)為正值，其余地類的狀態(tài)指數(shù)為負(fù)值，表明建設(shè)用地和水域用地面積有增加的趨勢(shì)，其余地類面積有減少的趨勢(shì).

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(責(zé)任編輯 惠松騏)

The research on the characteristics of land using change in the north of Hubei Province

SUN Xiao-zhou1，2, ZHOU Zhi-yuan1,LIU Shuang-yuan1，GONG Yi-fan1

(1.Department of Geography,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,Hubei,China; 2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China)

In this paper,the north of Hubei Province is chosen as study area,from combining RS and GIS technologies,changes trend of land use and the state of spatial distribution is calculated by the mathematical model,and changes of land use in 2001 to 2013 is given quantitatively.The results show that the using structure stability of the area is poor in 2001—2011,and the construction land in the north of Hubei Province increased rapidly in 2001—2011.For the conversion of land using types during 13 years,the most increasing is construction land,which reaches the area of 84.967 1 km2;the most decreasing is cultivated land and forest land,which reaches the areas of 72.364 5 km2and 45.832 5 km2,respectively.Dynamic index of the calculation results show that the annual rate of changes of construction land of Hubei Province is the largest,which with the value of 3.916 8%,and the arable land is the smallest,the absolute value is 0.453%.As state index,the construction land and water state index are positive,which means the increase of the area;and the rest is negative,which means the decrease of the area.

land using;dynamic change;the north of Hubei Province

2014-05-05;修改稿收到日期:2014-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41101544);湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(T201314)

孫小舟(1978—)，男，甘肅天水人，副教授，博士.主要研究方向?yàn)橘Y源開(kāi)發(fā)與區(qū)域發(fā)展. E-mail:sxzh11@126.com

F 321.1

A

1001-988Ⅹ(2015)04-0109-05