基于遙感的天津濱海新區土地利用/覆蓋變化分析

王豐， 劉書明，盧文虎，杜瓊瑋，姜偉男，李佳芮

（1.廈門大學 海洋與地球學院，福建 廈門 361005；2.國家海洋信息中心，天津 300171）

土地，是人類賴以生存和發展的最根本的物質基礎。隨著全球變化研究的深入，人們逐漸認識到，由于人類活動所導致的土地利用/土地覆蓋變化（Land Use and Cover Change） 最終會反過來影響到人類自身的生存和發展。

土地分類方式多種多樣，有利用方式分類、功能分類、資源分類、綜合分類等，本文使用的土地覆蓋/土地利用（LC/LU） 分類是隨著遙感技術發展而出現的新的土地分類方法。使用遙感分類方法對土地進行分類具有速度快、精度高、范圍廣等特點，充分體現了監測的及時性、客觀性和廣域性。利用遙感技術對土地進行觀測，揭示其空間變化規律，建立區域土地利用變化驅動力模型進行分析，成為當今開展土地利用/覆蓋變化研究的主要動向。其研究內容涉及到土地資源的保護與利用、生態環境的保護與治理、社會經濟的可持續發展等一系列重大問題（宮文等，2011；劉俊，2010）。

天津濱海新區位于天津市東部濱海地帶，包括原塘沽、漢沽和大港3個行政區以及東麗區、津南區的部分區域，以建立資源節約型、環境友好型城市發展模式和建設生態城市為戰略目標，被國家“十一五”規劃納入全國總體發展戰略布局（吳佳麗等，2011）。因此，當前眾多政府機構、研究部門、社會團體以及研究學者都不斷加強對該區土地利用/覆蓋變化的關注程度。孟偉慶等（2010） 使用景觀生態學的方法對近30年濱海濕地的景觀指標進行定量分析，表明濱海濕地目前趨于破碎化及人工化。徐大勇等（2010） 基于歸一化植被指數（NDVI） 模型對該區的植被覆蓋變化進行影像提取、分析及預測，得出該區域植被覆蓋呈明顯下降趨勢，威脅生態安全。以上研究選取年份相對久遠，時間間隔相對較長，無法充分反映出濱海新區近幾年，尤其是被納入“十一五”規劃及推行“十大戰役”戰略后的土地變化；另外，上述對象較為單一，各種類型地物變化及相互轉化情況未能充分反映。

本研究在總結前人經驗基礎上，基于Landsat衛星TM遙感影像編制出2000年、2005年、2010年三期濱海新區土地利用/覆蓋分類圖，進行相應統計，并運用土地利用轉移矩陣對近10年來濱海新區土地利用/覆蓋變化進行定量描述。在此基礎上進一步分析了經濟、人口等人為驅動因子對該區土地利用/覆蓋變化的影響，更為全面具體地描述了近10年來各種土地類型面積變化及相互轉移情況，分析各種因素對其造成的影響，為濱海新區的環境保護和可持續發展提供理論依據。

1 研究方法及數據來源

1.1 土地利用的分類系統

土地利用/覆蓋的分類體系是對其進行研究的首要前提，它既影響著研究結果的表達，也決定著研究數據的應用領域。20世紀70年代以來，隨著3S與計算機技術的發展，以研究土地利用/覆蓋為主的分類系統迅速發展起來，它著重于土地類型的差異，用于調查研究。因此，應綜合考慮調查比例尺的大小、精度、遙感資料可判辯性，區域特點、實用性和系統性（趙庚星等，2000）。

為適用于特定研究目的與尺度，各國學者從不同角度構建了眾多的土地分類系統，沒有統一標準，兼容性差，給數據的匯總、分析與共享帶來了諸多不便。但迄今仍沒有一個為國家社會廣泛認可和具有普適性的“萬能”土地分類系統（張景華等，2011）。鑒于此，本研究綜合比較分析以上分類系統，本著實用、簡潔的原則，在國土資源部2001年頒布的《全國土地分類（試行）》標準的基礎上，根據濱海新區的土地利用和植被特點，制訂出適合天津濱海新區的土地利用/覆蓋兩級分類系統（表1），其中，I級包括建筑用地，沼澤，海洋，淡水域，灘涂，鹽田，植被，及未利用地8個大類。

表1 天津濱海新區LUCC 分類系統

1.2 遙感數據處理

研究中主要使用美國陸地資源衛星Landsat傳感器TM/ETM數據，選取2000年、2005年和2010年3個年份的數據進行比較研究。

采用天津濱海新區1∶50 000地形圖得到濱海新區邊界矢量圖，對影像進行幾何精校正，將對比度較差的影像進行直方圖均衡化、影像融合和去薄云等圖像增強處理，利用ENVI軟件對原始遙感影像進行裁剪（圖1）。

在影像分類中，本研究采用監督分類和基于紋理的面向對象模糊分類相結合的方法進行計算機自動分類。為保證各種地物信息提取的精確性，進行了實地考察加以校驗，并且使用1∶50 000地形圖及相應時期的Google Earth影像作為人工目視解譯的參考，確保數據準確。最終得出2000年、2005年、2010年的最終分類圖像數據（圖2）。

圖1 濱海新區裁剪范圍

2 土地利用/覆蓋變化的統計分析

2.1 濱海新區土地利用/覆蓋的總體數量變化及特征分析

2.1.1 土地利用變化的幅度

土地利用/土地覆蓋的變化包括不同土地類型的面積、空間與質量的變化。面積變化首先反映在不同土地類型的總量上，通過分析各土地利用類型總量的變化，可了解土地利用結構的變化及變化的總態勢（朱會義等，2001）。

利用上述資料，對濱海新區三期的土地利用分類數據（圖2） 分別進行統計分析，得出表2及圖3的結果。

圖2 濱海新區2000年、2005年、2010年三期的土地利用分類數據（從左向右）

表2 濱海新區10年間各類型土地利用/土地覆蓋面積變化（單位：km2）

結果表明：10年間，濱海新區土地利用類型的數量變化以建筑用地、未利用地的大幅增加及植被、海洋的銳減為主。建筑用地、未利用地面積增長量分別為335.113km2和202.417km2，而植被與海洋面積的消減也高達-238.859km2和-139.542km2。隨著近年來多項政策的實施，開發進程的加快，2005-2010年的面積變化幅度明顯大于2000-2005年。

圖3 10年間各類型土地利用/土地覆蓋面積變化統計圖

2.1.2 土地利用/覆蓋變化的動態度

土地利用類型的動態度是指某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，它定量地描述了土地資源數量的變化速度，對預測未來土地利用變化趨勢有積極的作用（王秀蘭等，1999）。

其表達式如下：

式中Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地類型的數量；T 為研究時段長，當T 的時段設定為一年時，土地利用類型的動態度K 的值即為研究區該土地類型的年變化率。

由表2可知，近10年間，天津濱海新區的未利用地及建筑用地面積以較大的速率增加，年變化率分別高達54.05%和14.46%。植被、鹽田、淡水域、沼澤、海洋及灘涂等土地類型面積都有不同速率的減少，其中年變化率以灘涂的-6.05%和植被的-2.49%較為明顯。另外，盡管海洋年變化率較小，為-0.72%，但考慮到其較大的面積基數，更應參考其變化幅度得出最終結果。

上述兩種方法及結果可較好地反映出濱海新區土地利用/覆蓋變化的數量及速度，卻忽略了土地利用變化的內在過程。因此，需尋求其他研究方法做進一步描述。

2.2 土地利用轉移矩陣

在一定條件下，土地利用類型之間的相互轉化情況具有馬爾柯夫隨機過程的性質，因此可采用馬爾柯夫轉移矩陣模型來進一步描述。馬爾柯夫鏈來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述（徐嵐等，1993），是一種具有“無后效性”的特殊隨機運動過程，它反映的是一系列特定的時間間隔下，一個亞穩態系統由T1時刻向T2時刻狀態轉化的一系列過程，這種轉化要求T2時刻的狀態只與T1時刻的狀態有關（王思遠等，2002）。

通常的情況下，馬爾柯夫模型在土地類型轉化上的應用，關鍵在于轉移概率矩陣的確定。轉移矩陣可以顯示從某一年到另一年之間某一土地利用/覆蓋類型的動態變化，即有某類型有多少的比例仍然保持不變，有多少轉化為其他類型以及轉化到其他各類型的比例各為多少（陳四清等，2003）。

表3 土地利用轉移矩陣模型

表3 中，行表示T1時點土地利用類型，列表示T2時點土地利用類型。Pij表示T1-T2期間土地類型i 轉換為土地類型j 的面積占土地總面積的百分比；Pii表示T1-T2期間i 種土地利用類型保持不變的面積百分比。Pi+表示T1時點地類i 的總面積百分比。P+j表示T2時點j 種土地利用類型的總面積百分比。Pi+-Pii為T1-T2期間地類i 面積減少的百分比；P+j-Pjj為T1-T2期間地類j 面積增加的百分比（劉瑞等，2010）。

從轉移矩陣得出：

兩段時間內，有較大比例的灘涂及未利用地發生轉移，其余土地類型的轉移程度相對較小。

2000-2005年間：未利用地與灘涂的面積轉化比例高達83.8723%和41.2035%。其中未利用地的主要目標地物為鹽田及建筑用地；而有較大比例的灘涂轉化為未利用地和鹽田。

2005-2010年更為明顯：灘涂總面積的35.9239%轉化為未利用地，總轉化率達60.6857%；而未利用地面積的69.6897%轉化為建筑用地，總轉化率高達76.7737%；另外有17.5097%的綠地轉化為建筑用地。

表4 土地類型利用變化轉移矩陣（2000-2005年）

表5 土地類型利用變化轉移矩陣（2005-2010年）

以上所得結果與濱海新區區域建設、社區拆遷、填海造陸等項目的實施以及“十大戰役”戰略中重點發展的項目工程建設目標較為吻合。

3 討論

土地利用/覆蓋的動態變化是各種驅動力作用下土地利用目的與方式的改變。影響土地利用變化的驅動因子很多，總體上可將其分為自然因子與人文因子兩大類：自然因子是指對土地利用管理和利用方式具有一定影響的地球生物物理因子，主要包括氣候、水文、地形、土壤、植被及自然災害等；人文因子包括社會經濟和政治文化、技術進步等方面，這些因子之間相互聯系、相互作用和影響（梁長秀，2009）。從一個較短時間來看，自然要素變化的頻率和速率同社會經濟要素的復雜快速變化相比都顯得遲鈍和緩慢，濱海新區近10年間的土地利用/覆蓋變化主要由人類活動所造成，因而分析土地利用的人文驅動因子更為重要。

3.1 經濟因素

經濟因素是決定土地開發利用的基本條件，包括經濟結構與發展水平、工業和交通運輸條件、城鎮發展與市場條件、商業和貿易發展等。這些經濟因素的變化特點，直接影響開發利用的方向、結構、規模、布局及效益（吳傳鈞等，1994）。

近十年以來，濱海新區深化改革、擴大開放，主動與國際經濟接軌，完善投資條件，力爭創造一流的投資環境，經濟保持了持續、高速發展。十年間，天津濱海新區的第一總產值平均年遞增5.72%，第二產業總產值平均年遞增79.52%，第三產業總產值平均年遞增76.79%，濱海新區生產總值由2000年的571.74億元增長到2010年的5030.11億元（宗國英等，2011） （表6）。

表6 濱海新區生產總值統計表（億元）

在濱海新區由于產業結構的變化引起土地資源在產業上的重新分配，從而導致土地利用結構的變化。第一產業比重趨于下降，第二、三產業比重趨于上升。受經濟利益機制的驅使，土地利用由低效益的農業不斷轉向非農產業用地，呈現失衡發展的態勢。同時，隨著社會經濟的發展和生產總值的增長，人們開發利用土地的能力得以提升，為較深較廣的開發利用提供了基礎條件，進一步促進了各類荒地的開發和中低產農林用地的改造。

3.2 人口因素

人口作為一個獨特的因素，是土地利用/覆蓋變化的人文因素中最主要的因子，也是最具活力的土地利用/土地覆蓋變化的驅動力之一。首先，人口數量的多少直接影響到土地利用/覆蓋的變化；其次，人類通過改變土地利用/覆蓋的類型與結構，增強對土地這個自然綜合體的干預程度，來滿足人類對生存環境的需求。因此，在土地利用/覆蓋變化研究中，人口因素常被作為綜合參數來反映人類活動在土地利用/土地覆蓋變化中的貢獻（王秀蘭，2000）。

2010年濱海新區常住人口為248.21萬人，10年共增加129.31萬人，增長108.75%。年平均增長率為7.64%（天津市統計局，2011）。常住人口中，人口居住較為集中的地域有：塘沽850974人，占全區人口總量的34.28%，漢沽217107人，占全區人口總量的8.75%，大港523144人，占全區人口總量的21.08%。

如果把濱海新區土地利用比作一個開放性的系統整體，人口則是該系統結構中的組織者、參與者，同時還是系統輸出品消費者。換言之，人通過生產技術、活動方式調節、組織土地利用系統結構，使濱海新區土地開發速度加快，利用率增大；同時，作為參與者，也占有一定面積的土地用作生存生活的場所——建筑用地；最后，還作為消費者，消耗土地利用系統的產品，增加對土地生態系統生產力的壓力。因此，人口的增長導致了建筑用地的增加，并使其不斷減少的農林綠地承載更大的生產壓力（秦明周，1998）。

3.3 政策實施及填海造陸工程

對于具有區域尺度特征的土地利用變化，政府政策引導會起到關鍵的作用（劉紀遠，2002）。“十一五”規劃以來，天津濱海新區成為國家繼深圳特區、浦東新區后又一個潛在的經濟增長極；政府部門又于2009年部署實施“十大戰役”發展戰略。然而，在土地利用開發利用政策制定的過程中，過分重視經濟建設，而在一定程度上對環境建設有所忽略，造成目前濱海新區土地可持續利用水平不高，土地利用沒有真正實現由經濟主導的發展模式向可持續的發展模式轉變（曹穎，2013）。最終導致有利于維護生態穩定的植被、濕地、灘涂等土地類型面積急劇下降，而用于經濟發展的建筑用地面積大幅增加。若照此方向發展下去，必將制約今后濱海新區的環境、經濟、社會的可持續發展。

天津濱海新區的填海造陸工程，是目前中國國內最大的填海造陸工程，規劃總面積達200余平方公里，包括東疆港區、臨港工業區、臨港產業區、南港工業區等填海項目。該工程在一定程度上緩解了工業及居住用地的緊缺，滿足了經濟發展，人口增長對土地儲備的需求，并使得上述區域岸線曲折度和長度增加（趙英杰等，2011）。但是，該工程的實施，導致原有的灘涂、濕地等天然土地類型面積減少且破碎度加劇，使濱海的生態環境將面臨嚴重挑戰。

4 結語

從遙感影像中提取土地利用/覆蓋類型的方法較多，研究先采用監督分類和基于紋理的面向對象模糊分類相結合的計算機自動分類方法，再進行人工目視解譯獲取分類圖像，再經統計計算和土地利用轉移矩陣分析得到了濱海新區各類型土地利用/覆蓋變化的面積、速率和位置。

經濟發展、人口增長、政策實施及填海造陸工程的開展都對濱海新區的土地利用/覆蓋變化造成了一定程度的影響。建筑用地大幅度增加，而綠地、濕地、灘涂等生態價值較高的土地類型急劇減少。

今后可通過對研究區土地利用/覆蓋變化與經濟、人口等影響因子進行相關性分析，建立相應數學模型，做出更明確的解釋及預測。還可對土地可持續利用進行評價，結合變化過程，建立適合研究區的土地可持續評價指標體系和科學合理的評價體系。

曹穎，2013．天津市濱海新區土地可持續利用評價與區域發展對策研究．天津：天津師范大學.

陳四清，劉紀遠，莊大方，等，2013．基于+Landsat TM/ETM 數據的錫林河流域土地覆蓋變化．地理學報，5（1）：5-52.

宮文，周進生，2011．遙感監測技術在土地利用監管中的作用分析．中國國土資源經濟，（5）：49-50.

梁長秀，2009．基于RS 和GIS 的北京市土地利用/覆被變化研究．北京：北京林業大學.

劉紀遠，張增祥，2002．中國近期土地利用變化的空間格局分析．中國科學：D 輯，32（12）：031-1040．

劉俊，2010．基于3S 技術的三峽水庫消落帶土地利用/覆被變化研究．重慶：重慶交通大學．

劉瑞，朱道林，2010．基于轉移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討．資源科學，（8）：1544-1550.

孟偉慶，李洪遠，郝翠，等，2010．近30年天津濱海新區濕地景觀格局遙感監測分析．地球信息科學學報，（3）：436-443.

秦明周，1998．土地利用和持續開發理論與實踐．西安：中國西安地圖出版社.

天津市統計局．天津市2010年第六次全國人口普查主要數據公報[EB/OL]． 2011-4-29．http：//www.stats-tj.gov.cn/Article/tjgb/pcgb/201105/17511.html.

王思遠，劉紀遠，2002.近10年中國土地利用格局及其演變．地理學報，57（5）：523-530.

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

王秀蘭，2000．土地利用/土地覆蓋變化中的人口因素分析．資源科學，22（3）：39-42.

吳傳鈞，郭煥成，等，1994．中國土地利用．北京：科學出版社.

吳佳麗，李紅軍，袁浩正，2011．天津濱海新區土地利用總體規劃的創新性研究．城市，（11）：52-55.

徐大勇，張濤，孫貽超，等，2010．基于NDVI 的天津市濱海新區植被覆蓋度變化及預測研究．生態經濟，（12）：45-50.

徐嵐，趙羿，1993．利用馬爾柯夫過程預測東陵區土地利用格局的變化．應用生態學報，4（3）：272-277.

張景華，封志明，姜魯光，2011．土地利用/土地覆被分類系統研究進展．資源科學，33（6）：1195-1203.

趙庚星，李玉環，徐春達，2000．遙感和GIS 支持的土地利用動態監測研究——以黃河三角洲墾利縣為例． 應用生態學報，11（4）：573-576.

趙英杰，劉憲斌，劉愛珍，等，2011．天津南港工業區用海方式合理性探討．中國水運，（5）：49-52.

朱會義，李秀彬，2001．環渤海地區土地利用的時空變化分析．地理學報，56（3）：253-260.

宗國英，杜西平，2011．天津濱海新區統計年鑒2011．北京：中國統計出版社.