基于RS和GIS的肇州縣土地利用變化分析

胡天然

(1.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱150001;2.黑龍江省水土保持科學研究所，黑龍江哈爾濱150070)

20世紀90年代以來，土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環境變化的重要組成部分和造成全球環境變化的重要原因，日益受到國際組織和世界各國的普遍關注，目前已成為國際上全球變化研究的前沿和熱點課題。近幾年國內外在區域土地利用變化方面研究的廣度和深度都有了很大的提高［1－12］，隨著經濟的發展和人口的劇增，城市的土地利用變化迅速，國內外對一些大都市區和經濟發達地區的城市土地利用變化研究較多［8－11］，而對一些中小城市的土地利用變化研究相對較少。筆者以土地資源遙感調查數據為基礎，利用遙感和地理信息系統方法，結合統計分析，揭示1992～2010年肇州縣土地利用的數量變化和空間變化特征，明確其變化的主要類型和區域差異，為該區域土地管理決策、生態環境保護以及進一步深入研究奠定基礎，對于區域土地可持續利用具有重要意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況 肇州縣隸屬于黑龍江省大慶市，位于黑龍江省西南部，松花江之北，松嫩平原腹地。背靠大慶油田，東部與肇東市比鄰，西部與大同區交界，南部與肇源縣接壤，北部與安達市相連，是長春、哈爾濱、大慶、齊齊哈爾黃金經濟帶上的一個重要縣份。地理坐標為 124°48'12″～125°48'03″E、45°35'02″～46°16'08″N。全境南北長 77 km，東西寬72 km，境內幅員面積2 398 km2。轄6鎮6鄉2場，104個行政村，731個自然屯。肇州縣地處黑龍江省第一積溫帶，屬中溫帶大陸性季風氣候，年均活動積溫2 800℃，無霜期143 d。全境為沖擊平原，地勢平坦，平均海拔150 m。

1.2 資料來源 研究區的遙感影像資料包括1992、2001和2010年的3期landsat TM多波段的數據，其地形圖數據為全國1∶5萬地形圖。

1.3 遙感圖像信息提取 遙感影像預處理包括影像的波段處理、幾何校正、影像的拼接與裁剪。遙感影像利用ENVI軟件進行計算機監督分類處理之后，利用ArcMap成圖功能，得到了研究區1992、2001和2010年的土地利用現狀圖(圖1～3)和研究區1992～2001、2001～2010年土地利用動態變化圖(圖4、5)。

圖1 1992年肇州縣土地利用現狀

1.4 研究方法 利用遙感圖像處理ENVI軟件，首先對3個時相的遙感圖像進行幾何校正、鑲嵌、幾何配準、監督分類，從中提取出主要的土地利用類型，提取出土地利用變化信息，在此基礎上建立土地利用變化動態轉移矩陣和主要變化類型的空間分布圖。在 ArcGIS、Excel等軟件的支持下，計算出肇州縣土地利用動態轉移矩陣、土地利用動態度等模型，對該區1992～2010年土地利用時空變化進行定量分析。

圖2 2001年肇州縣土地利用現狀

圖3 2010年肇州縣土地利用現狀

2 結果與分析

圖4 1992～2001年肇州縣土地利用動態變化空間分布

圖5 2001～2010年肇州縣土地利用動態變化空間分布

2.1 土地利用動態轉移矩陣 為了分析土地利用類型的轉移趨向，在ArcGIS和Excel軟件中對不同時相遙感圖像的分類結果進行運算，可獲得1992～2001、2001～2010年研究區各土地利用類型之間的變化量。將1992、2001和2010年3期矢量數據的耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地類別的相同地類編碼通過ArcGIS中的融合工具分別進行同一地類的合并，得到6類用地類型的相關數據新表;經過3個時段矢量數據的兩兩相交操作分別得到各用地類型的地類編碼轉換對照表，并在ArcGIS里將面積發生變化的用地類型總面積計算出來;將數據導出為.dbf格式文件，利用Excel中的數據透視表和數據透視圖工具對得到的2期數據分別進行相關數據的計算操作;由計算所得結果得到肇州縣土地利用變化轉移矩陣［13］(表 1、2)。

表1 1992～2001年肇州縣土地利用變化轉移矩陣hm2

表2 2001～2010年肇州縣土地利用變化轉移矩陣hm2

由表1～2可以看出，1992～2001年及2001～2010年的土地利用變化主要是耕地主要轉變為林地、草地和建設用地;林地主要轉變為耕地和建設用地;草地主要轉變為耕地、林地和其他用地;水域主要轉變為草地和其他用地;建設用地主要轉變為耕地、林地和草地;其他用地主要轉變為耕地、草地、水域和建設用地。

2.1.1 耕地轉換分析。1992～2001年，耕地向其他類型用地轉換表現為向林地、草地和建設用地轉換，轉化量分別為316.33、991.05 和287.05 hm2，分別占由耕地轉換為他類用地類型總量的16.74%、52.46%和15.19%。由其他類型的土地轉換為耕地的類型中林地占8.02%，草地占80%，建設用地占7.97%，但耕地的總量是增加的，凈增加了500.75 hm2。2001～2010年，耕地主要向林地、草地和建設用地轉化，其轉化量分別為 4 698.22、2 448.38 和 5 739.37 hm2，比前一個時期的轉化量明顯高出很多，分別占由耕地轉化為其他用地類型總量的34.39%、17.92%和42.01%。由其他類型土地轉變為耕地的類型中，草地占38.19%，建設用地占27.41%，其他用地占24.83%。相較于上一時期，草地的轉化比例有所下降，建設用地的轉化量有所增加，同時新增了其他用地的轉化，但總體上這一時期耕地的總量是減少的，凈減少了2 991.05 hm2。

2.1.2 林地轉換分析。1992～2001年，林地主要向耕地、草地和其他用地轉換，轉換面積分別為191.67、10.76和9.04 hm2，分別占轉為其他類型的土地總量的88.15%、4.95%和4.16%。在由其他類型的土地轉變為林地的類型中，主要是林地和草地，分別占轉入總量的52.51%和44.29%。這一時期林地的總量是增加的，總共增加了384.92 hm2。2001～2010年，林地主要表現出向耕地和建設用地轉換的趨勢。其中林地轉化為耕地和建設用地的面積分別為965.43和172.27 hm2，分別占由林地轉化為其他類型用地總量的79.43%和14.17%。在由其他類型土地轉變為林地的類型中，主要是耕地、草地、建設用地和其他用地，分別占總量的71.82%、9.16%、8.88% 和 9.88%。在此期間林地的總量仍是持續增加的，在上一期的基礎上凈增加了5 326.30 hm2。

2.1.3 草地轉換分析。1992～2001年，草地主要轉換為耕地、林地和水域和其他用地，轉換面積分別為1 911.88、266.76、177.63 和686.18 hm2，分別占由草地轉換為其他類型總量的 62.75%、8.76%、5.83% 和 22.52%。同時，在其他土地轉換為草地的類型中主要是耕地、水域和其他用地，面積分別為 991.05、584.14 和 1 040.11 hm2，分別占總量的37.74%、22.24%和39.6%。在這一時期內，草地的總量是減少的，共減少了420.74 hm2。2001 ～2010 年，草地有4 075.31 hm2轉換為耕地，占轉出總量的54.89%，有713.98 hm2轉換為建設用地，占轉出總量的9.62%，有1 394.83 hm2轉換為其他用地，占轉出總量的18.79%。同時，主要由耕地和其他用地來彌補草地的損失，分別占轉入總量的7.81%和88.66%。在此期間，草地的總量大幅增加，凈增加了23 907.41 hm2。

2.1.4 水域轉換分析。肇州縣水域資源比較豐富，主要包括河流、湖泊水面、水庫和坑塘等。1992～2001年，水域有584.14 hm2轉換為草地，有1 465.95 hm2轉換為其他用地，分別占轉出總量的28.26%和70.92%。同時，在其他類型土地轉換為水域用地的主要是草地和其他用地，面積分別為177.63和417.02 hm2，占轉入總量的28.12%和66.01%，總體上來說，該時期內水域的總量減少了1 435.27 hm2。2001～2010年，水域主要轉換為草地和建設用地，轉換量分別為577.19 和 132.49 hm2，占轉出總量的69.74%和16.01%。由其他類型轉換為水域的主要是耕地、草地和其他用地，分別占轉入總量的13.18%、21.66%和63.23%。這一時期水域的總體上呈增加趨勢，面積增加了2 134.12 hm2。

2.1.5 建設用地轉換分析。1992～2001年，建設用地轉化為其他類型的土地在數量上主要表現為向耕地轉換，轉出量為190.37 hm2，占轉出總量的97.04%。與此同時，由其他類型土地轉換為建設用地也主要是耕地，還有少量其他用地，數量為 287.05 和 9.49 hm2，分別占轉入總量的 93.49% 和3.09%，由此可以看出，在此期間建設用地和耕地間的轉換比較頻繁，而且轉換量比較大，但總體上來看，建設用地的面積還是增加的，總共增加了110.89 hm2。在2001～2010年期間，建設用地轉換為其他類型的土地，按照數量的多少分別是耕地、林地和草地，其面積分別為 2 925.26、581.06和462.39 hm2，分別占由建設用地轉變為其他類型總量的71.31%，14.16%和11.27%。同時可以看出，主要由耕地、草地和其他用地來彌補建設用地的流失，分別占轉換總量的70.10%、8.72%和18.52%。可見，建設用地迅速增加主要是靠占用大量耕地得以實現的，其次是林地和草地。與1992～2001年相比，建設用地仍是持續增加的，但增幅較大，在面積上增加了4 084.85 hm2，比上期的110.89 hm2高出很多。

2.1.6 其他用地轉換分析。1992～2001年，其他用地有79.06 hm2轉換為耕地，有 1 040.11 hm2轉換為草地，有417.02 hm2轉換為水域，分別占轉出總量的 5.07%、66.69%和26.74%。同時，主要由耕地、草地和水域轉換為其他用地，轉換面積分別為 257.61、686.18 和 1465.95 hm2，分別占轉入總量的10.65%、28.36%和60.60%。這一時期內其他用地凈增加了859.44 hm2。2001～2010年，其他用地主要轉變為耕地、林地、草地、水域和建設用地，轉換量分別為2 650.06、646.34、27 777.47、1 872.82 和 1 516.30 hm2，分別占轉出總量的 7.69%、1.88%、80.60%、5.43% 和 4.40%，同時，主要由耕地、草地和水域轉換為其他用地，分別占轉入總量的19.30%、69.69%和4.20%，但其他用地的總量是急劇降低的，凈減少了32 461.61 hm2。由此可以看出，其他用地在此期間得到了比較充分地利用。

2.2 土地利用動態度

2.2.1 單一及綜合土地利用變化動態度。利用土地利用動態度模型來定量反映區域土地利用變化的速率，對比不同時段土地利用變化差異和預測未來土地利用變化的趨勢具有積極意義。單一土地利用類型動態度表示某研究區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況。計算公式為［15］:

式中，Ua、Ub分別為研究期初、研究期末某一種土地利用類型的數量;T為研究時段長;K為研究時段內某一土地利用類型的動態度。當設T為年時，K就是該研究區域某種土地利用類型的年變化率。

某一研究樣區的綜合土地利用動態度計算公式為［16］:

式中，ΔUin－i為研究期間其他類型轉變為 i類型的面積之和;ΔUout－i為 i類型轉變為其他類型的面積之和;為研究期初各種土地利用類型的面積之和;Rt的值就是該研究區土地利用年綜合變化率。通過計算，得到1992～2001、2001～2010年肇州縣單一土地利用動態變化程度［17］和綜合土地利用動態度［18］，結果見表3。

表3 肇州縣1992～2010年土地利用變化動態度

從表3可以看出，6種土地利用類型中林地年變化率最大，其次為草地，再次為其他用地和建設用地。說明由于1992～2010年肇州縣對生態環境建設的重視，林地面積在迅速的增加，隨著當地農牧業投入的加大以及養殖業的不斷發展，草地面積也在迅猛增長，在縣域經濟發展的帶動影響下，建設用地面積呈現出快速增長的趨勢，且其他用地的開發利用速度較快。以上數據還表明，1992～2010年研究區域綜合土地利用年均變化速度為0.86%，其中2001～2010年綜合土地利用年均變化速度相比1992～2001年要更快，約為前者的18倍，說明2001～2010年研究區在土地利用方面有很大的調整和變化。

2.2.2 土地利用變化空間動態度。為了對研究區的各類用地數據類型進行更深入的分析，在進行了數量變化及不同土地類型間的轉移矩陣及單一、綜合動態度的分析之后，綜合利用數據進行土地利用變化空間動態度和趨勢狀態指數的相關研究分析，其中使用的土地利用類型間轉移指數模型［19］見表4。表4中，Ua為研究期初某一種土地利用類型的數量;ΔUin為研究時段T內其他類型轉變為該類型的面積之和，ΔUout為某一類型轉變為其他類型的面積之和;ΔUin－i為研究期間其他類型轉變為i類型的面積之和;ΔUout－i為i類型轉變為其他類型的面積之和;為研究期初各種土地利用類型的面積之和。

表4 土地利用變化類型間轉移指數模型

根據1992～2001年以及2001～2010年的轉移矩陣數據，分別統計、計算出肇州縣1992～2001年和2001～2010年2個時段的單一、區域綜合土地利用變化空間動態度和趨勢狀態指數［20］，結果見表5。

表5 肇州縣1992～2001年和2001～2010年土地利用變化空間動態度

從表5中數據(Rss行列)分析可看出，1992～2001年水域的變化空間動態度最大，其次是林地和草地，說明在研究期間水域和林地等土地利用類型輸入與輸出轉化頻繁，或轉化量占各自期初面積的百分比較大。2001～2010年林地變化空間動態度最大，其次是草地和水域，再次是其他用地和建設用地，較之上一期整體空間動態度數值都有大幅增加，說明在此期間除了上述地類土地利用類型輸入與輸出轉化頻繁或轉化量占各自期初面積的百分比較大之外，各地類之間轉化面積比例也有較大規模變動。在2個時間段空間動態度最小的都是耕地，說明1992～2010年耕地空間轉移不頻繁，或轉化量占期初面積的百分比不大。

從Ps行列分析，當0≤Ps≤1時則該土地利用類型朝著規模增大的方向發展，該類型處于“漲勢”狀態。Ps越接近于0，表明該土地利用類型的規模增長越緩慢，且雙向轉換頻繁，呈現平衡態勢，但轉換為其他類型的面積略微小于其他類型轉換為該類型的面積，如1992～2001年的耕地和2001～2010年的建設用地;Ps越接近于1，說明土地利用類型的轉換方向主要為其他類型轉換為該類型，呈現極端非平衡態勢，致使該類型面積穩步增加，如兩個時期的林地。

當－1≤Ps≤0時，則土地利用類型朝著規模減少的方向發展，該類型處于“落勢”狀態。Ps越接近0，表明該類型的規模減少越緩慢，且雙向轉換頻繁，呈現平衡態勢，但面積轉換為其他類型面積略微大于其他類型轉為該類型的面積，如1992～2001年的草地和2001～2010年的耕地;Ps越接近于－1，說明土地利用類型的轉換方向主要為該類型轉換為其他類型，呈極端非平衡態勢，致使該類型規模逐步萎縮，如1992～2001年的水域和2001～2010年時段的其他用地。

從區域LUCC空間動態度(Rts)來看，2001～2010年肇州縣各種土地利用類型總的空間轉移量(轉出或轉入)比前一時段有所增加。從區域空間變化趨勢狀態指數(Pt)分析，當Pt越接近0時，表明區域內所有的土地利用類型的雙向轉移越頻繁，且呈現均衡轉移的態勢;當越接近于1時，說明每種土地利用類型的轉移方向主要為單向的極端不均衡轉移，或者是該類型轉移為其他類型，或者是其他類型轉移為該類型。為了更好地表達和理解LUCC的趨勢和狀態，可對區域LUCC的整體趨勢和狀態指數進行分級:當0≤Pt≤0.25時，定義區域LUCC處于平衡狀態;當0.25≤Pt≤0.50時，定義區域LUCC處于準平衡狀態;當0.50≤Pt≤0.75時，定義區域LUCC處于不平衡狀態;當0.75≤Pt≤1時，定義區域LUCC處于極端不平衡狀態。從表5中的數據可看出，肇州縣土地利用變化逐漸由基本處于雙向轉移平衡狀態向單向不平衡轉移轉化。

3 結論與討論

(1)研究區土地利用數量變化存在著明顯的差異性，其中草地在研究期內總量增加了23 674.51 hm2，而其他用地面積減少了31 498.27 hm2，這兩者是面積變化最明顯的土地類別。

(2)1992～2010年肇州縣林地面積在迅速的增加，隨著當地農牧業投入的加大以及養殖業的不斷發展，草地面積也在迅猛增長，同時在縣域經濟發展的帶動影響下，建設用地面積呈現出快速增長的趨勢，且其他用地的開發利用速度較快。此外，較之1992～2001年，2001～2010年肇州縣各土地利用類型在數量方面有很大的調整和變化。

(3)1992～2001年肇州縣在水域和林地的分配和利用方面有較大比例調整，與該時期相比，2001～2010年除了林地和水域之外，肇州縣對草地、建設用地以及其他用地的利用都有較大調整和變動，因在此期間以上地類的空間動態度指標變化較明顯。與以上地類相比，1992～2010年肇州縣對耕地的保有量和轉換控制較好，耕地面積基本無大規模變動。

(4)從趨勢狀態指數方面來看，研究區1992～2001年的耕地和2001～2010年的建設用地的規模增長較緩慢，且雙向轉換頻繁，呈現平衡態勢，但轉換為其他類型的面積略微小于其他類型轉換為該類型的面積;2個時期的林地增長呈現極端非平衡態勢，致使該類型面積穩步增加。1992～2001年的草地和2001～2010年的耕地規模減少較緩慢，且雙向轉換頻繁，呈現平衡態勢，但面積轉換為其他類型面積略微大于其他類型轉為該類型的面積;1992～2001年的水域和2001～2010年的其他用地類型規模逐步萎縮，呈極端非平衡態勢。(5)從區域LUCC空間動態度來看，肇州縣土地利用變化逐漸由基本處于雙向轉移平衡狀態向單向不平衡轉移狀態轉化。

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