國洪磊, 周啟剛, 焦 歡, 李 輝

(重慶工商大學 旅游與國土資源學院, 重慶 400067)

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三峽庫區(qū)土地利用變化特征研究

國洪磊, 周啟剛, 焦 歡, 李 輝

(重慶工商大學 旅游與國土資源學院, 重慶 400067)

土地利用是人類最基本的經(jīng)濟活動，在可持續(xù)發(fā)展的思想下對土地利用變化特征進行研究是我國近年來土地利用的重要發(fā)展趨勢。以三峽庫區(qū)2000年、2004年、2007年、2010年、2013年五期的TM影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用GIS技術(shù)，提取各期土地利用現(xiàn)狀圖，分析三峽庫區(qū)各期土地利用類型的數(shù)量、空間分布及變化趨勢，對土地利用動態(tài)度、土地利用程度的變化特征進行分析研究。分析表明：2010—2013年三峽庫區(qū)總體上呈現(xiàn)耕地、草地、林地和未利用地面積減少，建設用地、水域面積增加的趨勢；各土地利用動態(tài)度變化表現(xiàn)出差異性，建設用地和水域土地利用動態(tài)度較大，草地、耕地和林地動態(tài)度較?。谎芯科趦?nèi)三峽庫區(qū)土地利用程度呈現(xiàn)增大的趨勢。研究方法和結(jié)果有助于了解三峽庫區(qū)近13 a來土地利用的變化特征，從而為三峽庫區(qū)土地利用和土地規(guī)劃的可持續(xù)發(fā)展提供參考價值。

三峽庫區(qū); 土地利用; 土地利用動態(tài)度; 土地利用程度

土地是一切生產(chǎn)、建設和人民生活不可缺少的物質(zhì)條件[1]，是人類賴以生存的最基本資源[2]。土地利用是人類根據(jù)土地特點，按一定的經(jīng)濟與社會目的，采取一系列技術(shù)手段，對土地進行的長期性或周期性的經(jīng)營活動[3]。土地利用/覆被變化(LUCC)與人類生產(chǎn)生活活動有密切的聯(lián)系,也是全球氣候變化的重要組成部分和主要變化原因[4]。土地資源在受到各種驅(qū)動力的作用下，其形態(tài)和狀態(tài)可在多種時空尺度上變化，包括土地資源的數(shù)量、質(zhì)量與土地利用結(jié)構(gòu)隨時間的變化，也包括土地利用的空間結(jié)構(gòu)變化[5]。

隨著人口、資源和環(huán)境問題的日益突出，關(guān)于土地利用的研究愈來愈受到國內(nèi)外的廣泛重視。我國自古以來就是農(nóng)業(yè)大國，許多學者對我國進行了大量的土地利用研究[6-7]，研究主要包括對土地利用程度的分析、我國土地資源及其環(huán)境要素現(xiàn)狀、基本數(shù)量及分布狀況和土地利用變化與中國可持續(xù)發(fā)展問題的關(guān)系等[8]。

隨著三峽大壩的修建，三峽庫區(qū)的土地利用也發(fā)生了很大的變化，同時三峽庫區(qū)的土地利用情況也成為了研究的熱點問題。本文將遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合，提取各研究期內(nèi)土地利用的數(shù)量和空間分布狀況，對三峽庫區(qū)2000—2013年近13 a的最新土地利用數(shù)據(jù)進行研究，根據(jù)土地利用動態(tài)度和土地利用程度指數(shù)分析三峽庫區(qū)的土地利用空間變化特征，為三峽庫區(qū)的土地利用和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)位于北緯29°—31°50′，東經(jīng)106°20′—110°30′，地處四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合地帶，北屏大巴山、南依川鄂高原。庫區(qū)土地總面積約5.7萬km2，地形復雜，大部分地區(qū)山高谷深，嶺谷相間。三峽庫區(qū)包含了長江流域內(nèi)湖北省所轄的宜昌縣、秭歸縣、興山縣、恩施州所轄的巴東縣；重慶市所轄的巫山縣、巫溪縣、奉節(jié)縣、云陽縣、開縣、萬州區(qū)、忠縣、涪陵區(qū)、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)、江津區(qū)及重慶核心城區(qū)(包括渝中區(qū)、北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)、南岸區(qū)、九龍坡區(qū)、大渡口區(qū)和江北區(qū))。三峽庫區(qū)地處我國亞熱帶濕潤地區(qū)，年平均氣溫14.9～18.5℃,年均降雨量1 000～1 300 mm，氣候具有春早、夏熱、秋涼、冬暖、多雨、霜少、濕度大、云霧多、風力小等特點，水熱條件優(yōu)越，有明顯的垂直氣候帶。隨著三峽大壩的修建，三峽庫區(qū)的土地利用變化和生態(tài)環(huán)境受到了很大影響，因此三峽庫區(qū)已成為土地利用變化的熱點研究區(qū)域，研究其土地利用變化特征也更顯得具有現(xiàn)實意義。

三峽庫區(qū)土地現(xiàn)狀分類執(zhí)行《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2007)標準，同時結(jié)合三峽庫區(qū)的實際情況，文中將研究區(qū)土地利用類型細分為六類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)源

本文以三峽庫區(qū)2000年、2004年、2007年、2010年和2013年Landsat TM遙感圖像為數(shù)據(jù)源，軌道號分別為125038，125039，126038，126039，126040，127038，127039，127040，128039，128040。所有影像數(shù)據(jù)采用ALBERS投影，中央經(jīng)線采用東經(jīng)110°，雙標準緯線采用分別為北緯25°和47°，其中TM影像數(shù)據(jù)1，2，3，4，5，7波段的空間分辨率均為30 m，第六波段分辨率為120 m。

2.2數(shù)據(jù)處理

由于遙感傳感器本身的誤差和大氣對輻射的影響，遙感數(shù)據(jù)在獲取過程中會產(chǎn)生輻射畸變和幾何畸變等問題，因而遙感影像圖的預處理是一個必不可少的步驟，預處理方法主要包括對影像圖進行輻射校正、幾何校正和鑲嵌處理等方法。遙感圖像解譯的方法主要有：目視解譯法、計算機自動識別法、目視解譯與計算機圖像處理相結(jié)合的解譯方法[9]。本次研究采用計算機自動識別與人工目視判讀相結(jié)合的解譯方法，得到研究區(qū)2000年、2004年、2007年、2010年和2013年五期土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)。在對五期遙感圖像的解譯過程中，為了保證判讀結(jié)果的精度要求，采取邊解譯邊檢驗的原則，組織經(jīng)驗豐富的高級技術(shù)工程師和專家教授隨機檢驗判讀精度。同時，對于2013年遙感圖像解譯的六種土地利用類型，選取100個點進行野外驗證，統(tǒng)計后各土地利用類型的解譯精度在95%以上，符合所需的精度要求。

2.3研究方法

2.3.1土地利用數(shù)量變化研究土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質(zhì)量變化[10]，其主要體現(xiàn)在土地利用類型變化、土地利用類型數(shù)量變化和土地利用程度變化上。通過ArcGIS 9.3等數(shù)據(jù)軟件，對三峽庫區(qū)土地利用類型數(shù)量變化進行分析，可以了解土地利用的變化趨勢以及土地利用結(jié)構(gòu)的變化。

2.3.2土地利用動態(tài)指數(shù)模型在分析土地利用類型數(shù)量變化時，運用土地利用動態(tài)度模型分析土地利用變化速度。土地利用動態(tài)度可以定量描述區(qū)域土地利用變化速度，它對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有積極的作用[11]。土地利用動態(tài)度包括單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。

單一土地利用動態(tài)度。單一土地利用類型動態(tài)度表達區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，公式表達為：

式中：K——研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；ua，ub——研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T——研究時段長度，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區(qū)某土地利用類型年變化率[12]。

綜合土地利用動態(tài)度。區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度可描述區(qū)域土地利用變化的速度,用公式表達為:

式中：Lui——為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLui——監(jiān)測時段第i 類土地利用類型面積；ΔLui-j——監(jiān)測時段第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用面積的絕對值；T——監(jiān)測時段長度，T設定為年，Lc的值就是土地利用年變化率。

2.3.3土地利用程度指數(shù)模型土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度[13]，是土地系統(tǒng)中反映人類的影響程度。根據(jù)劉紀遠先生等提出的土地利用程度的綜合分析方法[14]，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為若干級，并賦予分級指數(shù)(表1)，從而給出土地利用程度綜合指數(shù)及土地利用程度變化模型的定量化表達式[15]。

表1　土地利用程度分級賦值

式中：L——研究區(qū)域土地利用程度指數(shù)；Ai——研究區(qū)域內(nèi)第i級的土地利用程度分級指數(shù)；Ci——研究區(qū)域內(nèi)土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度的分級數(shù)。

Ci=CCi/HJ

式中：CCi——第i級土地利用面積；HJ——土地利用評價范圍內(nèi)土地的總面積。

式中：Ia，Ib——a時間和b時間的研究區(qū)域土地利用程度指數(shù)；Ai——第i級土地利用程度分級指數(shù)；Cib，Cia——時間a和時間b第i級土地利用程度面積(%)。

3　結(jié)果與分析

3.1研究區(qū)土地利用數(shù)量變化分析

利用ArcGIS9.3軟件的統(tǒng)計分析功能對2000—2013年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計，計算出各類土地利用類型面積，結(jié)果見表2。

從表2可以看出三峽庫區(qū)2000—2013年土地利用類型的分布狀況。三峽庫區(qū)總體上呈現(xiàn)草地、耕地、林地和未利用地面積減少，建設用地、水域面積增加的趨勢，但各土地類型的變化程度和變化過程并不相同。從面積數(shù)量變化來看，建設用地的變化幅度最大，面積從1 274km2增加到1 698km2且逐年增加；其次是耕地面積，面積從21 840km2減少到21 434km2且呈現(xiàn)出逐年遞減的趨勢；第三是林地，林地面積逐年減少，從31 472km2減少到31 276km2；而水域用地面積逐年增加，從1 323.6km2增加到1 514km2，這是由于三峽水庫的蓄水，水域面積呈現(xiàn)出了增加的趨勢；草地和未利用地面積變化數(shù)量很小，是由于草地和未利用地在三峽庫區(qū)所占面積比例本身就比較小，而草地也略有減少；未利用地面積總體上呈減少趨勢，其變化過程分為3個階段：2000—2007年未利用地面積減少、2007—2010年未利用地面積增加、2010—2013年未利用地面積減少，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城鄉(xiāng)規(guī)劃范圍的擴大，城鄉(xiāng)擴張導致用地緊張，從而對未利用地進行了開發(fā)利用，致使未利用地面積減少。

表2　2004-2013年三峽庫區(qū)各土地利用類型面積統(tǒng)計

在ArcGIS 9.3中得到三峽庫區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖(附圖12—13)，從圖中可以看出2000—2013年研究區(qū)土地利用空間分布特征的變化過程。耕地主要分布在三峽庫區(qū)的中上游段，即江津區(qū)、巴南區(qū)、江北區(qū)、長壽區(qū)、豐都縣、忠縣和萬州區(qū)；林地主要分布在三峽庫區(qū)的下游段，即宜昌市的夷陵區(qū)、興山縣、秭歸縣、巴東縣和巫溪縣，重慶都市區(qū)內(nèi)也有林地的分布，因該區(qū)域分布有4條相間平行的山脈縉云山、中梁山、銅鑼山和明月山[16]，致使林地的分布主要依附于幾條山脈；由于草地數(shù)量較少，草地較為零星的分布在三峽庫區(qū)的北部和東部，即涪陵區(qū)、武隆縣、石柱土家族自治縣、云陽縣和奉節(jié)縣；城鎮(zhèn)建設用地規(guī)模不斷擴大且向周圍擴散，主要為長江和嘉陵江交匯的重慶市區(qū)和宜昌市的夷陵區(qū)；由于三峽庫區(qū)近年蓄水面積的增加，使三峽庫區(qū)的水域面積有所擴大。

3.2研究區(qū)土地利用動態(tài)度分析

土地利用動態(tài)度的分析采用單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度的分析方法，利用2000—2013年三峽庫區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出各個土地類型的面積，通過單一動態(tài)度和綜合動態(tài)度的公式計算出各個土地利用類型的動態(tài)度值，如表3所示。

從表3可以看出，土地利用類型存在明顯變化的是建設用地，建設用地在2007—2010年和2010—2013年這兩期內(nèi)增加的速度分別達到了2.891，4.628；其次是水域面積出現(xiàn)了明顯的增加，這主要是受三峽庫區(qū)蓄水的影響；草地、耕地和林地各個階段內(nèi)都在減少，減少比較明顯的是在2007—2010年研究期；未利用地面積在2007—2010年階段內(nèi)出現(xiàn)了增加，其他三個階段在減少。

綜合土地利用動態(tài)度較大的時段是2007—2010年和2010—2013年，動態(tài)度分別為為0.785，0.787，在這兩個時段中變化最強烈的是建設用地，單一土地利用動態(tài)度為分別為2.891，4.628，說明建設用地在這兩個時段以較快的速度增加；動態(tài)值比較大且為負值的是耕地，說明耕地在這兩個時段內(nèi)以較快的速度減少。

2004—2007年時段為綜合土地利用動態(tài)度的第二階段，動態(tài)度值為0.333。在此階段中，變化最為強烈的仍然是建設用地，面積增加速度較快，然而相對于2007—2010年和2010—2013年這兩個時段，建設用地面積增加速度有所減緩；水域面積也有所增加，動態(tài)度值為0.640；未利用地動態(tài)度值為-0.201，說明未利用地以較快的速度在減少；草地、耕地、林地在這一時段內(nèi)也有不同程度的減少。

2000—2004年時段為綜合土地利用動態(tài)度的第三階段，動態(tài)度值為0.166，在整個研究時段中是最小的，說明土地利用變化的劇烈程度最小。然而這一時段中個別土地利用類型變化依然強烈，水域動態(tài)度值為1.568，水域以較快的速度在增加，而未利用地動態(tài)度值為-1.012說明未利用地在以較快的速度減少。

綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，在所有4個時段中建設用地和水域變化動態(tài)度一直比較大且均為正值，說明建設用地和水域面積一直在持續(xù)增加；草地、耕地、林地動態(tài)度均為負值，說明其用地面積在一直持續(xù)減少，雖然耕地的減少數(shù)量也較大，但因其本身基數(shù)面積大，因此動態(tài)度值變化不大；而未利用地面積經(jīng)了先減少后增加再減少的階段。

3.3研究區(qū)土地利用程度分析

研究土地利用程度的變化,可以進一步認識土地利用變化的發(fā)展程度和驅(qū)動力系統(tǒng)的作用方式[17]，了解到研究區(qū)土地利用處于發(fā)展期還是衰退期。利用2000—2013年土地利用矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出各個地類的面積，通過土地利用程度的公式計算出各個土地利用類型的土地利用程度，如表4。

根據(jù)表4可以看出2000—2013年各種土地利用類型的土地利用程度及每年的綜合土地利用程度。2000—2013年近13 a來土地利用程度增大了，且2000—2004年、2004—2007年、2007—2010年、2010—2013年4個時段的ΔIb-a均為正值，說明三峽庫區(qū)土地利用在2000—2013年土地利用處于發(fā)展期。

對表4各年數(shù)據(jù)進行單獨分析可以看出，土地利用程度最高的是2013年，最低的是2000年。耕地在2000—2013年中土地利用程度都是最高的，但耕地的土地利用程度呈逐年下降的趨勢；林地在2000—2013年中土地利用程度也較高，且也呈逐年下降的趨勢；建設用地的土地利用程度在各年中處于第三位，但是呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢；草地、水域和未建設用地的土地利用程度在各年都不高，而未利用地在各時段變化并不明顯，土地利用程度值都為0.000 3。

表3　三峽庫區(qū)2000-2013年各類土地利用動態(tài)度

表4　三峽庫區(qū)2000-2013年各類土地利用程度綜合指數(shù)

4　結(jié) 論

本文基于RS和GIS技術(shù)對三峽庫區(qū)2000—2013年土地利用數(shù)量、土地利用動態(tài)度、土地利用程度等變化特征進行系統(tǒng)地分析。得到結(jié)論如下：

(1) 2000—2013年，三峽庫區(qū)總體上呈現(xiàn)草地、耕地、林地和未利用地面積減少，建設用地、水域面積增加的趨勢，但各土地利用類型呈現(xiàn)出的的變化程度和變化過程卻又各不相同。

(2) 2000—2013年，三峽庫區(qū)各個土地利用類型的動態(tài)度變化呈現(xiàn)出差異性。其中建設用地和水域變化動態(tài)度一直比較大，且土地動態(tài)度值均為正值，即建設用地和水域用地面積持續(xù)增加。

(3) 2000—2013年，三峽庫區(qū)的耕地變化數(shù)量在所有土地利用類型中一直處于較大值，但由于其自身基數(shù)較大，其土地利用動態(tài)度很小。

(4) 從總體來看，2000—2013年近13 a來土地利用綜合程度指數(shù)在逐漸上升，近13 a三峽庫區(qū)土地利用的強度在明顯加大，即2000—2004年、2004—2007年、2007—2010年和2010—2013年四個階段土地利用處于發(fā)展期。

[1]何小燕.衡陽南岳區(qū)土地利用現(xiàn)狀及其變化分析[J].貴州農(nóng)業(yè)科學,2008,36(6):173-176.

[2]劉紀遠.中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究[M].北京:中國科學技術(shù)出版社,1996.

[3]張惠遠,趙昕奕,蔡運龍等.喀斯特山區(qū)土地利用變化的人類驅(qū)動力機制研究[J].地理研究,1999,18(2):136-142.

[4]Turner B L, Skole D L, Sanderson S, et al. Land-use and land-cover change：Science/research plan[R]. Sweden： Global Change Report, 1995.

[5]孫希華.濟南泉域土地利用動態(tài)變化及驅(qū)動力研究[J].國土資源遙感,2004(1):60-64.

[6]呂國,宋唯一,鄭愛珍.甘肅西部地區(qū)土地與氣候資源現(xiàn)狀及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[J].水土保持研究,2010,17(1):259-263.

[7]周啟剛,周萬村,張寶雷,等.基于RS和GIS三江并流區(qū)土地利用/覆被現(xiàn)狀格局研究[J].水土保持研究,2006,13(6):156-158.

[8]丁聲源.重慶市土地利用變化及驅(qū)動力研究[D].重慶:西南大學,2007.

[9]趙二磊,陳東輝,陳亮.基于Quick Bird衛(wèi)星影像的徐徑鎮(zhèn)城市景觀格局分析[J].江蘇環(huán)境科技,2007,20(S1):41-43.

[10]姬桂珍,吳承禎,洪偉.南平市土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化[J].福建農(nóng)林大學學報,2006,35(1):87-92.

[11]王秀蘭,包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87.

[12]陳述彭,童慶禧,郭華東.遙感信息機理研究[M].北京:科技技術(shù)出版社,1998.

[13]王秀蘭,包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展,1999,18(1):81-87.

[14]樊玉山,劉紀遠.西藏自治區(qū)土地利用[M].北京:科學出版社,1992.

[15]方大莊,劉紀遠.中國土地利用程度的區(qū)域分異模型研究[J].自然資源學報,1997,12(2):105-111.

[16]陳倩,馬澤忠,鄭麗,等.重慶山地城市區(qū)1985—2010年土地利用變化特征研究[J].水土保持研究,2013,20(4)：194-198.

[17]陳文波,崔麗娟,趙小汎.江西新建縣土地利用時空動態(tài)特征分析[J].應用生態(tài)學報,2006,17(5):873-877.

Research on the Characteristics of Land Use Changes in Three Gorges Reservoir Area

GUO Honglei, ZHOU Qigang, JIAO Huan, LI Hui

(School of Tourism and Land Resources, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

Land use is the most basic economic activity of human. In the thought of the sustainable development, research on the characteristics of land use changes is an important development trend of land use in China in recent years. Taking five periods TM images of the Three Gorges Reservoir Area as the data source, we used the GIS technology to extract the land use map of each period, analyze the quantity, distribution and the change trend of the type of land use, and the characteristics of land use degree. The results indicated that the quantity of land class, including cultivated land, grass land, forest land, unused decreased during the period from 2000 to 2013. Then the quantity of construction land, and water area increased. At the same time, the land use dynamic degree of each land class was different, construction land and water area dynamic degree were high, while the grassland, cultivated land and forestland dynamic degree were very low. During the research period, the trend of the land use degree increased in Three Gorges Reservoir area. These research methods are helpful to understand the characteristics of land use changes in recent 13 years, and the results could provide reference value for sustainable development of land use and land planning in the Three Gorges Reservoir area.

Three Gorges Reservoir area; land use; land use dynamic degree; land use degree

2015-03-16

2015-04-10

國家自然基金項目(41101503);國家社科基金重大項目(11&ZD161);重慶工商大學研究生創(chuàng)新項目(yjscxx2015-41-39)

國洪磊(1991—),男,山東省巨野縣人,碩士研究生,主要研究方向:3S技術(shù)應用及土地資源管理。E-mail:ghl124@126.com

周啟剛(1976—),男,重慶人,教授,博士,碩士生導師;主要研究部方向:3S理論與應用,土地利用與規(guī)劃。E-mail：zqg1050@126.com

F301.24

A

1005-3409(2016)02-0313-05