面向對象的連云港海岸帶土地利用變化及驅動力分析

高祥偉, 費鮮蕓, 韓 兵

(淮海工學院測繪工程學院, 江蘇 連云港 222005)

面向對象的連云港海岸帶土地利用變化及驅動力分析

高祥偉, 費鮮蕓, 韓 兵

(淮海工學院測繪工程學院, 江蘇 連云港 222005)

以連云港海岸帶為研究區, 基于1978年和2010年兩期Landsat影像, 提取土地利用信息, 分析土地利用特征及其動態變化過程; 面向土地利用變化基本單元, 進行土地利用變化驅動力分析。結果表明: 研究期初, 該地區的主要土地類型為耕地和鹽田, 共占研究區面積的 67.14%; 32 a間共有37.17%的土地發生了變化, 鹽田和耕地面積快速減少, 水產養殖區和工礦企業用地快速增加, 有限的林地資源在減少, 灘涂圍墾達面積 46.55 km2, 土地利用程度加深; 變化的土地中, 38.95%由經濟結構調整驅動, 發展潛力大; 27.75%由政策驅動, 存在諸多的社會和生態問題; 20.49%由政策或者經濟結構調整與生產力水平共同驅動, 取得較好經濟和社會效益; 12.81%的土地由政策、人口及經濟發展共同驅動。連云港海岸帶土地利用存在諸多不足之處, 也具有巨大的發展空間。本研究對連云港市提高土地利用的社會效益和生態效益具有重要意義。

連云港海岸帶; 土地利用變化; 驅動力分析; RS和GIS; 面向對象

海岸帶是由海岸線向陸海兩側擴展一定寬度的帶形區域, 具有豐富的生物資源, 人類活動活躍, 生態環境敏感, 是社會經濟可持續發展的重要后備資源[1]。由于特殊的地理位置, 連云港海岸的開發利用備受關注, 20世紀80年代, 連云港成為國家首批沿海開放城市之一; 1996年江蘇省實施“海上蘇東”發展戰略; 2007年江蘇省制定了沿海開發戰略, 并于2009年上升為國家戰略, 同時確立連云港海岸帶為江蘇省沿海開發的核心區域[2]。30多年來, 連云港海岸帶土地利用變化巨大, 土地利用強度不斷增大。未來, 隨著沿海大開發的實施, 土地利用變化強度將進一步增強。深入地分析連云港海岸帶土地利用變化特點, 掌握其土地利用變化的驅動機制, 有利于科學合理地進行土地利用規劃, 對社會、經濟和生態可持續發展都有重要的意義。

土地利用變化及其驅動力分析已在許多地區展開, 取得較多研究成果[3-7]。這些研究主要以統計模型或定性分析為主, 一定程度揭示了土地利用變化的驅動機制, 但是難以描述土地利用變化的過程和空間狀態, 對土地利用變化過程及其驅動力認識需要“白箱化”的機理探討[8]。隨著RS和GIS技術的發展, 研究者已可以面向具體的土地單元, 獲取土地利用變化信息, 并以每一土地利用單元為對象, 揭示其變化過程, 分析驅動機制, 一定程度上實現土地利用變化從黑箱化到白箱化的轉變。目前該方面的研究內容還較少, 土地單元的分類體系及具體的驅動機制研究方法都需要進行創新性的探討和研究。

本文以連云港海岸帶為研究區域, 以1978年至2010年為研究期(從改革開放初期至沿海大開發戰略實施初期共32 a時間), 利用RS和GIS技術, 面向具體的土地利用單元, 分析連云港海岸帶土地利用變化及驅動力, 為土地利用變化及驅動力白箱化研究提供參考。

1 研究區概況及數據

連云港海岸帶地處海州灣西岸, 北起蘇魯交界的繡針河口, 南至灌河口, 海岸線總長度達211.59 km, 海岸類型多樣, 其中砂質海岸約為 30 km, 基巖海岸約為40 km, 其余均為粉沙淤泥質海岸[9]。區內發育有云臺山脈, 其主峰玉女峰海拔624.4 m, 是江蘇省最高峰。云臺山以南以北均地勢平坦, 北部以耕地為主, 南部以鹽田為主, 主要城鎮用地包括連云區和贛榆縣兩個城區。區內土地資源豐富, 特點明顯, 土地利用程度較低, 發展潛力巨大, 是江蘇省沿海大開發的核心區域。

海岸帶具體范圍的確定參考全國海岸帶綜合調查時采用的方法[10], 將連云港海岸線向陸地緩沖 10 km,向海域緩沖2 km, 得到海岸帶面積為1 541.97 km2。

研究數據通過國際數據網站下載, 包括兩期數據, 分別為1978年9月16日Landsat Mss數據和2010年10月29日ETM數據, 其中MSS數據包括綠色、紅色、兩個近紅外共4個波段, 分辨率為80 m; ETM數據包括分辨率30 m的多光譜數據和分辨率15 m的全色數據, 并通過國際數據服務網站對2010年Landsat影像進行去條帶處理。

2 土地利用信息提取及研究方法

2.1 土地利用分類體系及土地利用信息提取

根據2007年全國土地利用分類系統, 結合研究區土地利用現狀, 遙感影像的分辨率, 將連云港海岸帶土地利用分類體系分成兩級[11]: 一級分類體系用于分析土地利用變化, 二級用于面向對象的驅動因子分析, 具體內容如表1所示。

利用主成分分析方法將ETM多光譜影像和全色影像進行融合處理, 以融合后的彩色影像為參照, 對1978年 MSS影像進行配準。采用目視解譯方法, 按照兩級土地利用分類體系進行分類, 提取土地利用信息, 利用GIS技術進行空間分析, 獲取土地利用變化信息。

表1 研究區土地利用分類體系Tab.1 The land use classification system of study area

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度及變化分析

土地利用程度主要反映了土地利用的廣度和深度, 不僅反映了土地利用中土地本身的自然屬性,同時也反映了人類因素和自然環境因素的綜合效應。本文在劉紀遠提出的土地利用程度分析方法基礎上, 綜合分析海岸帶土地利用變化自然和社會因素,將土地利用按照綜合利用的程度分為 5級, 并賦予分級指數(表2)[12], 按照相關文獻公式計算土地利用程度綜合指數、土地利用程度變化量及其變化率[13-14]。

表2 土地利用程度分級賦值Tab.2 The land use degree assignment

2.2.2 土地利用類型動態度

土地利用類型動態度直觀地指示各土地利用類型的變化速率, 本文采用單一土地利用類型動態度公式。為了使減少和增大的土地類型的動態度保持一致, 結合相關文獻將公式確定如下[13-14]:

式中:K為研究時段內某種土地利用類型動態度;Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某種土地利用類型的數量;T為研究時段長度, 當T的時段設定為年時,K為研究區某種土地利用類型的年變化速率。

2.2.3 土地利用轉移矩陣

利用 GIS空間分析方法將兩期土地利用圖進行疊加分析, 提取土地利用轉移信息, 獲取土地利用轉移矩陣, 土地利用轉移矩陣可以全面而具體地反映土地利用變化結構特征與各用地類型的變化方向[15]。

2.2.4 面向對象的土地利用變化驅動力分析

利用遙感影像, 將土地利用變化區域按照二級分類體系進一步分類, 獲取土地利用變化信息。根據研究區土地利用變化特點, 將驅動因子確定為政策、人口、生產力水平、經濟發展、經濟結構調整五大類[16]。以土地利用變化信息提取的最小單元為對象,進行實地調查和調研, 并沿轉出方向, 分析土地利用轉化為其他土地利用類型的直接驅動力。

3 結果分析

3.1 土地利用特征分析

本研究范圍為1 541.97 km2, 其中包括了淺水海域面積109.63 km2, 占研究區面積7.11%。在研究期初, 耕地和鹽田是連云港海岸帶主要的土地利用類型, 耕地占研究區面積的 37.95%, 主要分布在臨洪河口以北, 位于贛榆縣境內; 鹽田占研究區面積的29.20%, 主要分布在臨洪河口周圍及以南的廣大區域, 包括青口、臺北、臺南、徐圩和灌西五大鹽場, 是淮鹽文化的重要發源地之一。灘涂是研究區內第三大土地資源, 占研究區面積的10.56%。研究期初, 建設用地數量較少, 主要包括連云區城市用地和贛榆縣城區用地, 其中主要的工礦企業用地面積較少,在大部分區域無法將其與城市居民區用地分類, 城市內部的工礦企業用地全部歸入城鎮用地, 僅將港口及其工業用地單獨勾繪, 面積為5.8 km2。海岸帶內有林地面積76.33 km2, 集中分布在云臺山山區。

3.2 土地利用動態變化分析

由土地利用轉移矩陣(表3)得出, 連云港海岸帶共有573.16 km2的土地發生了變化, 占研究區面積的37.17%。土地利用變化, 造成了土地利用程度加深。在研究期內土地利用程度從251.14增加到285.32, 增加了34.18, 土地利用程度變化率13.61%。根據土地利用變化動態度(表4)和土地利用轉移矩陣(表3), 對各種土地利用動態變化分析如下:

1) 工礦企業用地動態變化分析

在所有土地利用類型中, 工礦企業用地變化速率最快, 只有轉入沒有轉出。32 a間從5.80 km2增加到 116.94 km2, 增加了 111.14 km2, 動態變化度為2.97%。這些工礦企業用地主要包括: (1)連云港經濟開發區、贛榆開發區及堆溝港工業區主要由耕地轉變而來; (2)徐圩開發區和燕尾港工業區由鹽田轉變而來; (3)田灣核電站由林地和部分居民區轉變而來; (4)港口及其臨港產業區通過灘涂圍墾進一步擴大。

2) 未利用地動態變化分析

未利用地的變化速率僅次于工礦企業用地, 32 a間從5.33 km2, 增加到85.74km2, 增加了80.41 km2,動態度為2.93%。未利用地主要包括兩部分: 一部分位于連云港市區東北部區域, 主要由臺北鹽場的鹽田轉變而來, 另一部分是灘涂圍墾和大規模填海轉變來的土地。所有的未利用土地都已有遠景規劃, 是連云港市中心城區擴展的方向, 是未來土地利用變化的活躍區, 但受城市發展能力和土地生產力限制,暫時處于閑置狀態。

3) 水域的動態變化分析

水域動態變化度為2.54%, 變化速率較大。水域面積的動態變化主要由水產養殖區面積的大幅度增大引起, 其中大部分由鹽田轉變而來, 另外小部分由灘涂、濱河濕地轉變而來。研究期內其他水域也在增加, 主要由耕地轉變為河流, 面積為30.47 km2。

4) 鹽田的動態變化分析

鹽田是面積減少最多的土地利用類型, 32 a的時間由 450.19 km2, 減少到 100.11 km2, 其中轉出362.34 km2, 轉入12.26 km2, 動態變化度為–2.43%。經統計, 192.83 km2鹽田轉變為水產養殖區, 64.92 km2轉變為未利用地, 44.34 km2轉變為工礦企業用地, 31.18 km2轉變為農業種植區, 29.07 km2轉變為居民區用地。其中, 青口鹽場主要轉變為農業種植區和水產養殖區; 臺北鹽場主要轉變為未利用地; 臺南、徐圩及灌西鹽場主要轉變為水產養殖區和工礦企業用地。

5) 城鎮用地動態變化分析

32 a時間, 城鎮用地由46.92 km2增長到123.78 km2,動態度達1.94%, 主要包括連云區、贛榆縣城的擴展、經濟開發區和工業區周圍居民區的形成。

6) 濱河濕地的動態變化分析

連云港濱河濕地主要分布在一些河流的入海口處, 其中部分濱河濕地在入海口處轉化為水產養殖區, 動態度為–1.41%。

7) 耕地的動態變化分析

32 a間, 耕地轉出126.18 km2, 轉入31.18 km2,合計減少面積達 95.00 km2, 動態度為-0.51%, 轉出的耕地主要用于城區擴展及工礦企業用地, 小部分耕地轉化為其他水域和水產養殖區; 轉入的耕地為鹽田轉化的農業種植區。

8) 林地的動態變化分析

各種依山建造的居民區不斷增加, 造成林地減少; 還有相當一部分區域是由采石場造成的山體破壞、林地損失, 共計減少 9.28 km2, 動態變化度為–0.38%。

9) 灘涂及海域的動態變化分析

通過灘涂圍墾獲得了46.55 km2的土地, 用于港口及臨港工業用地、水產養殖及鹽田生產等; 通過填海獲得3.82 km2土地, 用于港口工業用地的遠景規劃。

表3 土地利用轉移矩陣Tab.3 Land use transfer matrix

表4 土地利用變化動態度Tab.4 Land use dynamic degree

3.3 面向對象的土地利用變化驅動力分析

3.3.1 面向對象的各土地利用類型轉出驅動力分析

將面向對象的土地利用變化驅動力分析結果,按照轉出方向歸納為8類, 如表5。

1) 鹽田轉出驅動力分析。隨著原鹽產業的萎縮,大部分鹽場通過自發式的經濟結構調整, 將鹽田轉變為水產養殖區, 轉變后經濟效益有所提高, 但幅度較小; 部分鹽場依靠先進生產力, 將鹽田改造成特色農業種植區, 取得較好的經濟和生態效益; 政策是鹽田轉變為經濟開發區和化工園區的首要條件,主要的經濟開發區在建設中充分發揮了科技生產力,取得較好的社會和生態效益; 但化工園區大都存在不同程度生態環境問題, 持續發展的可行性低, 主要由政策驅動; 鹽田向城鎮用地的轉化機制復雜,由人口、經濟增長及各種土地政策相互作用完成; 鹽田轉化成未利用地主要用于城市遠景規劃, 由政策驅動。

2) 耕地轉出驅動力分析。耕地轉變為城鎮用地,包括城區擴展、農村用地擴大、臨港產業居民區增加, 這些變化都與沿海開發和土地政策有關, 也與人口增長、經濟發展相關; 耕地轉變為經濟開發區由政策和科技生產力共同驅動完成, 轉化成化工園區主要由政策驅動; 轉變為其他水域是為了提高農業生產力; 轉變為水產養殖區是經濟結構調整。

3) 灘涂轉出驅動力分析。灘涂轉變為城市用地受政策、人口和經濟發展現狀驅動; 灘涂轉變為港口及臨港口工業用地既和政策有關, 更依賴于科技生產力發展; 灘涂轉變為化工園區主要受政策的驅動;轉變為鹽田和水產養殖區由經濟結構調整引起; 轉變為未利用地主要和政策相關。

4) 林地轉出驅動力分析。海岸帶林業資源緊缺,棄其他土地, 依山選址建設居民區, 無論是別墅區還是其他居民區, 都主要與土地政策有關。

5) 城鎮用地轉出驅動力分析。城鎮用地向其他土地利用類型轉化很少, 主要是核電站選址建設后引起, 所以由政策和生產力水平驅動。

6) 河口濕地轉出驅動力分析。河口濕地大面積地轉變為水產養殖區主要原因是缺少濕地保護政策,導致其變化。

表5 面向對象的驅動力分析結果Tab.5 The driving force analysis results using object-oriented method

7) 海域轉出驅動力分析。海域由于較大規模的填海造田轉變為暫時未利用地, 主要由政策和生產力水平驅動。

8) 未利用地轉出驅動力分析。未利用地轉化為化工園區主要由政策驅動, 轉化為其他水域主要是由于生產力水平的提高。

3.3.2 面向對象的土地利用變化驅動力分析

將分析結果按照驅動力進行分類統計, 結果如表6。

由表6顯示, 32 a間, 連云港海岸帶土地利用變化的38.95%由經濟結構調整驅動。該類土地利用變化主要由養殖者自發完成, 土地利用程度沒有變化,土地生產力提高較少。

27.75%的土地變化由政策驅動。這部分土地可以較大程度地提高經濟效益, 但主要由政策驅動的土地利用變化, 會產生一系列問題, 如生態環境破壞、社會效益較差, 如果政策不連貫又會引發土地使用效率降低、或者重復建設等問題。

表6 各類驅動因子產生的土地利用變化Tab.6 The land use change driven by all kind of factors

12.81%的土地利用變化由政策、人口、經濟發展多個驅動因子共同作用完成, 其驅動機制還需要進一步研究。

20.49%的土地利用變化能充分利用先進的科學技術, 和生產力水平有明顯關系。由于政策、經濟結構調整等因子較好地與先進生產力相結合, 這部分土地變化后產生了較顯著的經濟、社會效益, 是土地利用較合理且投入和產出較高的區域。

4 結論

通過研究可以得出, 32 a間共有573.16 km2的土地發生了變化, 占研究區面積的 37.17%, 其中鹽田和耕地減少的面積最大, 水產養殖區和工礦企業用地增加的面積最大。由于工礦企業用地和未利用地從無到有, 快速增長, 土地利用變化動態度最大, 其中未利用地已遠景規劃為城市發展中心, 預示著未來土地利用的活躍地帶及城市用地的快速擴大。有限的林地資源在減少, 從76.33 km2減少至67.05 km2;由于灘涂圍墾, 灘涂面積在減少, 32 a共減少46.55 km2。土地利用變化造成了土地利用程度加深, 在研究期內土地利用程度從 251.14增加到 285.32, 增加了34.18, 土地利用程度變化率為13.61%。

通過面向對象的土地利用變化驅動力分析得出,連云港海岸帶38.95%的土地利用變化由自發式的經濟結構調整驅動, 土地變化后效益較低; 27.75%的土地利用變化主要由政策驅動, 對科技生產力使用不足, 帶來一系列社會和生態問題; 20.49%的土地利用變化將政策或者經濟結構調整與生產力相結合, 取得較好的社會和生態效益; 12.81%的土地利用變化由政策、人口及經濟發展共同驅動。所以, 連云港土地利用存在巨大的發展空間和諸多不足之處, 需要政策與先進生產力相結合, 在提高經濟效益的同時,提高土地利用的社會效益和生態效益。

本研究利用中分辨率遙感影像進行土地監測,對城市內部無法更細致地進行面向對象的驅動力分析; 無法在小區域內對灘涂濕地進行有效監測, 相關內容, 將利用高分辨率遙感影進一步進行更深入的探討。

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

Land use change and object-oriented driving force of Lianyungang coastal zone

GAO Xiang-wei, FEI Xian-yun, HAN Bing
(School of Geodesy & Geomatics Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China)

Nov., 16, 2012

Lianyungang coastal zone; land use change; driving force analysis; RS and GIS; object oriented

The land use characteristic and dynamic change process were analyzed based on twice landsat images of Lianyungang coastal zone in 1978 and 2010, then the land use change driving forces were analyzed orienting minimum land use unit. The result showed that: 1) during the beginning of the study period, cultivated land and salt-pan were main types of land use, accounting for 67.14% of total land area together; 2) 37.17% of the land had been changed during past 32 years. Salt-pan and cultivated land decreased rapidly, while the aquaculture land and mine and enterprise land increased rapidly. At the same time, limit forestry land decreased and tidal flat reclamation reached to 46.55 km2, so the land use degree had been deepened; 3) 38.95% of land use change was driven by economic restructuring and had large development potential; 27.75% of land use change was driven by policy that had caused many social and ecological problems; 20.49% of land use change was driven by combined productivity level with policy or economic restructuring that had produced better economic and social benefit; 12.81% of land change was driven by policy, population and economy jointly. So, there were many defects and big development space for Lianyungang coastal zone land use. This study is important for improving the land use social and ecological benefits of Lianyungang city.

P237; P285.2+39

A

1000-3096(2014)04-0081-07

10.11759/hykx20121116001

2012-11-16;

2014-02-15

國家自然科學基金項目(31070626, 31270745); 江蘇省高校“青藍工程”; 江蘇省第九批次 “六大人才高峰”項目; 江蘇省測繪科研項目(JSCHKY201212)

高祥偉(1969-), 男, 山東菏澤人, 講師, 博士, 主要研究方向為3S技術及其應用研究, E-mail: gaoxw2008@126.com