白含之，姜琦剛

(吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

近20年來長春市土地利用變化及其影響因素探討

白含之，姜琦剛

(吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

以長春市區(qū)為研究區(qū)域，利用Landsat遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，選擇1995、2001、2014年為研究時(shí)間，運(yùn)用遙感技術(shù)，研究了近20年長春市土地利用類型的變化，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)對比研究，并探討了影響其變化的驅(qū)動(dòng)力，最后根據(jù)研究成果，為長春市土地利用保護(hù)提出了對策建議。

遙感；土地利用；動(dòng)態(tài)變化；驅(qū)動(dòng)力

土地利用/土地覆蓋這一概念，在陸地表層系統(tǒng)及全球變化研究中被明確的定義為以下4個(gè)方面：土地覆蓋、土地利用、土地覆蓋變化和土地利用變化[1]。其中土地利用是指以人類活動(dòng)所需要的地表土地被利用的情況，土地覆蓋是表示地表各類地物的覆蓋狀況，研究土地利用變化和土地覆蓋變化可以更好地了解土地的實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，規(guī)劃土地資源管理[2]。

本文主要采用Landsat遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用遙感影像處理技術(shù)、遙感圖像計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類技術(shù)對土地類型信息進(jìn)行提取，并通過人工目視解譯的方法加以修正。然后根據(jù)遙感圖像分類結(jié)果，分析土地利用類型變化趨勢及其驅(qū)動(dòng)力。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)選擇

長春市是吉林省的省會(huì)，下轄6區(qū)4市(縣)，作為東北的新興城市，長春市的GDP已連續(xù)近20年保持了兩位數(shù)以上的增長，但與此同時(shí)，也伴隨著土地利用不合理、資源浪費(fèi)等問題。本文選取了長春市南關(guān)區(qū)、朝陽區(qū)、寬城區(qū)、二道區(qū)、綠園區(qū)、凈月開發(fā)區(qū)、汽車產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)9個(gè)行政區(qū)為研究范圍，總面積約為1110 km2。

選擇長春市區(qū)1995年Landsat TM影像、2001年Landsat 7 ETM影像、2014年的Landsat 8影像為主要數(shù)據(jù)源、并利用長春市行政區(qū)劃矢量圖、長春市地圖以及1995～2014年長春市社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料為輔助資料。

2 土地利用信息提取

2.1 遙感圖像處理

為了提高圖像質(zhì)量，更好地進(jìn)行土地分類，需要對獲取的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。通過運(yùn)用ENVI軟件對Landsat影像進(jìn)行校正、鑲嵌、裁剪，得到覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的影像，并對其進(jìn)行反差增強(qiáng)處理，以擴(kuò)大地物間亮度差異，從而便能夠分辨出盡可能多的亮度等級，使圖像對比度增強(qiáng)，突出遙感影像的有用信息，便于土地專題信息提取[3]。

2.2 土地利用分類

本文參照《土地利用分類》國家標(biāo)準(zhǔn)[4]，根據(jù)長春市實(shí)際情況和研究內(nèi)容需要，將研究區(qū)域土地利用類型分為6類：建設(shè)用地、耕地、綠地、水體、交通運(yùn)輸用地和未利用地。

遙感信息的提取方式主要有計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類和人交互解譯2種方法。一般來說，計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取的方法速度較快，工作簡單，但精度不能保證，而人機(jī)交互解譯的方法精度較高，但耗費(fèi)時(shí)間多,工作量大，效率低。因此本文將這2種方法結(jié)合起來使用。

首先運(yùn)用監(jiān)督分類的方法自動(dòng)提取土地利用信息。監(jiān)督分類是先在圖像中選取已知樣本(或訓(xùn)練區(qū))的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從中找出分類的參數(shù)、條件，并建立判別函數(shù)，然后對整個(gè)圖像或待分類像元做出判別分類的方法[5]。本文選擇應(yīng)用最大似然法。最大似然法是以似然度為分類指標(biāo)，鑒定各類別總體的概率密度分布均為正態(tài)分布，通過待分類像元與各類別的似然率比較而將其劃分至與之似然率最大的類別當(dāng)中，這種方法的精度較高。

完成土地利用類型監(jiān)督分類后，由于分類結(jié)果存在一定誤差，因此需要將分類結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS軟件中進(jìn)行人工修正，并統(tǒng)計(jì)每種土地利用類型的面積。結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 1995年長春市土地利用分類圖

3 土地利用變化分析

3.1 土地利用變化數(shù)量分析

土地利用變化的數(shù)量主要通過每種土地利用類型面積的變化反映出來。通過土地利用變化的數(shù)量，可以分析出某一時(shí)間段內(nèi)土地利用變化的幅度，進(jìn)而能夠了解區(qū)域土地利用變化的總體趨勢。

1995、2001、2014年長春市土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1、表2所示。

由表1、表2可以看出1995、2001、2014年長春市各土地類型的面積分布和所占比例，直接反映出土地利用類型的基本情況。而土地利用變化直方圖展示了不同時(shí)間段內(nèi)土地利用類型的變化，反映出土地利用變化趨勢。如圖4、圖5所示。

圖2 2001年長春市土地利用分類圖

圖3 2014年長春市土地利用分類圖

圖4 長春市土地利用數(shù)量變化直方圖

由以上結(jié)果可以看出，近20年來長春市土地利用類型變化總體趨勢：建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地面積持續(xù)增長，耕地面積、綠地面積不斷減少，水域面積先減少后增多，總體變化比較平穩(wěn)，而未利用地面積有所減少，土地利用率一直較高。其中，耕地和建設(shè)用地是變化較為明顯的2種土地利用類型，且1995～2001年的變化幅度小于2001～2014年，20年間綠地面積一直在減少，而水域面積在20年間的浮動(dòng)不超過0.1%，幾乎沒有產(chǎn)生變化。

表1 長春市土地利用類型分類面積 km2

表2 長春市土地利用類型分類比重 %

圖5 長春市土地利用類型比重變化直方圖

3.2 土地利用變化速度分析

土地利用動(dòng)態(tài)度是定量描述區(qū)域土地利用變化

速度的變化指標(biāo)，它對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測土地利用未來變化趨勢都具有一定的指示意義[6]。單一土地利用動(dòng)態(tài)度用于表示某一區(qū)域在一定時(shí)間段內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量的變化速度，其表達(dá)式為：

K=(Ub-Ua)×Ua-1×T-1×100%

(1)

式中，K為研究期間內(nèi)某一種土地利用類型動(dòng)態(tài)度，Ua、Ub則分別表示研究期初、期末某一種土地利用類型的數(shù)量，T為研究時(shí)間長度，一般設(shè)定為年[7]。

通過計(jì)算，可以得出長春市1995～2001年和2001～2014年2個(gè)時(shí)間段的土地利用變化動(dòng)態(tài)度，結(jié)果如表3所示。

表3 長春市土地利用動(dòng)態(tài)度 %

由此可見，長春市土地利用變化動(dòng)態(tài)度在這2個(gè)時(shí)間段差別不是很大，正值表示土地利用類型的面積增加，負(fù)值代表土地利用類型的面積減少，絕對值即反映了土地利用變化的幅度。

結(jié)果顯示，絕對值最大的數(shù)值為1995～2001年未利用地的9.15%，說明該時(shí)間段內(nèi)未利用地變化明顯，其次是1995～2001年建設(shè)用地的6.35%，反映了這一時(shí)期建設(shè)用地的面積明顯增加,同時(shí),2001～2014年建設(shè)用地面積變化仍然比較明顯；絕對值最小的數(shù)值為2001～2014年綠地的0.04%，說明這一時(shí)間段內(nèi)綠地面積的變化十分微小?？傮w而言，長春市土地利用類型的變化比較平穩(wěn)，速度變化差距不大，可以預(yù)測在未來一段時(shí)間內(nèi)土地利用變化程度不會(huì)出現(xiàn)太大起伏。

3.3 土地利用變化結(jié)構(gòu)分析

土地利用結(jié)構(gòu)決定土地利用系統(tǒng)，土地利用系統(tǒng)的良性循環(huán)，取決于合理的土地利用結(jié)構(gòu)，土地利用結(jié)構(gòu)變動(dòng)速度指標(biāo)可以表示某個(gè)時(shí)間段內(nèi)土地利用類型變化的速度，計(jì)算公式為:

(2)

其中,K表示土地利用結(jié)構(gòu)變動(dòng)速度，Qit和Qi0表示某種土地類型，在期末和期初在區(qū)域整體土地利用中所占的比重，T為研究時(shí)間段的時(shí)間間隔，一般以年為單位。

根據(jù)前面得到的數(shù)據(jù)，可以算出1995～2001年土地結(jié)構(gòu)變動(dòng)速度為0.0301，而2001～2015年的變動(dòng)速度為0.03497。由此得出，長春市的土地利用結(jié)構(gòu)變化逐步增加，但總體速度較慢，即反映了長春市近20年來土地利用結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的實(shí)質(zhì)性變化，土地利用類型種類沒有發(fā)生明顯變化。

4 土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用與土地覆蓋是地球表層系統(tǒng)最突出的景觀標(biāo)志，其動(dòng)態(tài)變化主要受控于變化的驅(qū)動(dòng)力[8]。驅(qū)動(dòng)力問題在土地利用規(guī)劃機(jī)制的研究中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，驅(qū)動(dòng)力指主要的生物物理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素導(dǎo)致土地利用的方式和目的發(fā)生變化[9]。在城市發(fā)展過程中，驅(qū)動(dòng)力作用主要從自然因素、經(jīng)濟(jì)因素、社會(huì)因素3個(gè)方面影響著城市土地利用變化。

4.1 自然因素

自然環(huán)境的變化往往能夠給區(qū)域土地利用類型的變化帶來很大影響，自然因素主要包括地貌、水文、土壤、氣候等因子。其中，地貌是土地利用基礎(chǔ)，地貌類型的不同，可以導(dǎo)致不同的水文、土壤、氣候條件，從而影響土地利用的類型和結(jié)構(gòu)。水文則決定一定區(qū)域范圍內(nèi)的水資源情況，對土地的生產(chǎn)狀況和生產(chǎn)方式有很大影響，土壤是植物生長的重要基礎(chǔ)，具有供應(yīng)和調(diào)節(jié)水分、養(yǎng)分等植物生長要素的能力[10]。

長春市地處東北平原，地勢平坦，氣候四季分明，水資源比較豐富。地勢平坦有利于城市交通運(yùn)輸用地的建設(shè)，同時(shí)穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境為城市建設(shè)用地提供了牢固的基礎(chǔ)。氣候條件決定了長春市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一年一熟的特征，制約了農(nóng)業(yè)的全年發(fā)展，但與此同時(shí)，良好的光照，充足的水資源以及肥沃的土壤，提高了長春市的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，糧食產(chǎn)量較高。總體來說，自然因素決定了長春市土地利用的基本類型，但對土地利用類型的變化影響較小。

4.2 人口因素

城市化一詞起源于18世紀(jì)工業(yè)革命后，是人類由傳統(tǒng)的農(nóng)耕技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代科技技術(shù)的一種動(dòng)態(tài)過程[11]。城市化伴隨著城市人口增多、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從而影響著城市土地結(jié)構(gòu)的變化。城市是人類的聚集地，在城市化進(jìn)程中人口的增減變動(dòng)不可避免。

表4顯示了1995、2001、2014年長春市及長春市區(qū)總?cè)丝?、非農(nóng)業(yè)人口比重及變化。

表4 1995、2001、2014年長春市人口變化

注：數(shù)據(jù)來源于《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]、《長春市統(tǒng)計(jì)年鑒》[13]。

20年來，無論是長春地區(qū)人口還是長春市區(qū)人口都成持續(xù)增加態(tài)勢，長春地區(qū)非農(nóng)人口比例持續(xù)上升，而長春市區(qū)非農(nóng)人口比例先上升后下降,且比例一直較高。根據(jù)人口變化趨勢可知，長春市區(qū)周邊城鎮(zhèn)因?yàn)槌鞘谢M(jìn)程，大量務(wù)農(nóng)人員涌進(jìn)城市，農(nóng)業(yè)人口比例下降，導(dǎo)致耕地面積減少，反之，城市人口增多，城市面積必然擴(kuò)張，城市用地增多。

4.3 經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是人類最主要的活動(dòng)之一，土地作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體，其利用方式勢必會(huì)受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響而發(fā)生變化，反之土地利用的變化也會(huì)影響到地區(qū)或區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[14]。

經(jīng)濟(jì)因素對土地利用的影響體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提高了人們的生活水平，促使城市向外擴(kuò)張，城市建設(shè)用地的面積不斷增多，耕地面積隨之減少，進(jìn)一步引起了城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致了土地利用類型變化。表5為長春地區(qū)及長春市轄區(qū)1995、2001、2014年國內(nèi)生產(chǎn)總值變化情況。

由表5可看出，長春市經(jīng)濟(jì)20年來取得了快速發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)總值及人均國內(nèi)生產(chǎn)總值均大幅提升，且長春市區(qū)的國內(nèi)生產(chǎn)總值占長春地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值的50%以上，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值也高于長春地區(qū)的人均國內(nèi)生產(chǎn)總值。由此說明，長春地區(qū)的發(fā)展還不平衡，市區(qū)發(fā)展較快，周圍城鎮(zhèn)發(fā)展速度較慢，這也一定程度上影響了土地利用變化，使長春市城區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，城市建設(shè)用地增多。

表5 長春市國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)變動(dòng)情況

注：數(shù)據(jù)來源于中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒、長春市統(tǒng)計(jì)年鑒、吉林統(tǒng)計(jì)年鑒[15]。

表6反映了20年間長春市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，長春地區(qū)和長春市區(qū)的第一產(chǎn)業(yè)比重均大幅減少，第二、第三產(chǎn)業(yè)比重上升，表明長春市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展到了以第二、第三產(chǎn)業(yè)為主。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化必然影響到土地利用類型的變化，工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、餐飲商貿(mào)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使城市建設(shè)用地被大量開發(fā)，土地利用速度逐漸增快。

表6 長春市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化 %

5 結(jié)論及建議

本文利用遙感技術(shù)，研究了近20年來長春市的土地利用類型變化，結(jié)果顯示，20年間長春市城市發(fā)展迅速，建設(shè)用地顯著增加，耕地、綠地減少。同時(shí)對近20年來長春市的土地變化和驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)長春市土地利用結(jié)構(gòu)變動(dòng)較小，速度較為平穩(wěn)，人口因素、經(jīng)濟(jì)因素對城市土地利用的影響較為明顯。城市建設(shè)仍然需要理性規(guī)劃，避免土地資源的浪費(fèi)，以實(shí)現(xiàn)土地資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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(責(zé)任編輯：管珊紅)

Change of Land Use and Its Influencing Factors in Changchun in Last Twenty Years

BAI Han-zhi, JIANG Qi-gang

(College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China)

According to the data of Landsat remote sensing in 1995, 2001 and 2014, the author studied the dynamic change in land use type in Changchun city in recent 20 years, and explored the driving force affecting land use change, finally put forward several countermeasures and proposals for the utilization and protection of land in Changchun city according to the results of this research.

Remote sensing; Land use; Dynamic change; Driving force

2017-05-14

白含之(1992—)，女，吉林長春人，碩士研究生，研究方向：資源遙感。

S-9；TP79

A

1001-8581(2017)09-0132-05