三峽庫區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)

?

三峽庫區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濟活動，在可持續發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展趨勢。以三峽庫區2000年、2004年、2007年、2010年、2013年五期的TM影像數據為數據源，利用GIS技術，提取各期土地利用現狀圖，分析三峽庫區各期土地利用類型的數量、空間分布及變化趨勢，對土地利用動態度、土地利用程度的變化特征進行分析研究。分析表明：2010—2013年三峽庫區總體上呈現耕地、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；各土地利用動態度變化表現出差異性，建設用地和水域土地利用動態度較大，草地、耕地和林地動態度較小；研究期內三峽庫區土地利用程度呈現增大的趨勢。研究方法和結果有助于了解三峽庫區近13 a來土地利用的變化特征，從而為三峽庫區土地利用和土地規劃的可持續發展提供參考價值。

三峽庫區; 土地利用; 土地利用動態度; 土地利用程度

土地是一切生產、建設和人民生活不可缺少的物質條件[1]，是人類賴以生存的最基本資源[2]。土地利用是人類根據土地特點，按一定的經濟與社會目的，采取一系列技術手段，對土地進行的長期性或周期性的經營活動[3]。土地利用/覆被變化(LUCC)與人類生產生活活動有密切的聯系,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動力的作用下，其形態和狀態可在多種時空尺度上變化，包括土地資源的數量、質量與土地利用結構隨時間的變化，也包括土地利用的空間結構變化[5]。

隨著人口、資源和環境問題的日益突出，關于土地利用的研究愈來愈受到國內外的廣泛重視。我國自古以來就是農業大國，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境要素現狀、基本數量及分布狀況和土地利用變化與中國可持續發展問題的關系等[8]。

隨著三峽大壩的修建，三峽庫區的土地利用也發生了很大的變化，同時三峽庫區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技術相結合，提取各研究期內土地利用的數量和空間分布狀況，對三峽庫區2000—2013年近13 a的最新土地利用數據進行研究，根據土地利用動態度和土地利用程度指數分析三峽庫區的土地利用空間變化特征，為三峽庫區的土地利用和可持續發展提供參考依據。

1　研究區概況

三峽庫區位于北緯29°—31°50′，東經106°20′—110°30′，地處四川盆地與長江中下游平原的結合地帶，北屏大巴山、南依川鄂高原。庫區土地總面積約5.7萬km2，地形復雜，大部分地區山高谷深，嶺谷相間。三峽庫區包含了長江流域內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、奉節縣、云陽縣、開縣、萬州區、忠縣、涪陵區、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區、渝北區、巴南區、江津區及重慶核心城區(包括渝中區、北碚區、沙坪壩區、南岸區、九龍坡區、大渡口區和江北區)。三峽庫區地處我國亞熱帶濕潤地區，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，水熱條件優越，有明顯的垂直氣候帶。隨著三峽大壩的修建，三峽庫區的土地利用變化和生態環境受到了很大影響，因此三峽庫區已成為土地利用變化的熱點研究區域，研究其土地利用變化特征也更顯得具有現實意義。

三峽庫區土地現狀分類執行《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2007)標準，同時結合三峽庫區的實際情況，文中將研究區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　數據來源與研究方法

2.1數據源

本文以三峽庫區2000年、2004年、2007年、2010年和2013年Landsat TM遙感圖像為數據源，軌道號分別為125038，125039，126038，126039，126040，127038，127039，127040，128039，128040。所有影像數據采用ALBERS投影，中央經線采用東經110°，雙標準緯線采用分別為北緯25°和47°，其中TM影像數據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數據處理

由于遙感傳感器本身的誤差和大氣對輻射的影響，遙感數據在獲取過程中會產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合的解譯方法，得到研究區2000年、2004年、2007年、2010年和2013年五期土地利用現狀矢量數據。在對五期遙感圖像的解譯過程中，為了保證判讀結果的精度要求，采取邊解譯邊檢驗的原則，組織經驗豐富的高級技術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、空間變化和質量變化[10]，其主要體現在土地利用類型變化、土地利用類型數量變化和土地利用程度變化上。通過ArcGIS 9.3等數據軟件，對三峽庫區土地利用類型數量變化進行分析，可以了解土地利用的變化趨勢以及土地利用結構的變化。

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

單一土地利用動態度。單一土地利用類型動態度表達區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，公式表達為：

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

綜合土地利用動態度。區域綜合土地利用動態度可描述區域土地利用變化的速度,用公式表達為:

式中：Lui——為監測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLui——監測時段第i 類土地利用類型面積；ΔLui-j——監測時段第i類土地利用類型轉為非i類土地利用面積的絕對值；T——監測時段長度，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]，是土地系統中反映人類的影響程度。根據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分為若干級，并賦予分級指數(表1)，從而給出土地利用程度綜合指數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——研究區域土地利用程度指數；Ai——研究區域內第i級的土地利用程度分級指數；Ci——研究區域內土地利用程度分級面積百分比；n——土地利用程度的分級數。

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土地的總面積。

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

3　結果與分析

3.1研究區土地利用數量變化分析

利用ArcGIS9.3軟件的統計分析功能對2000—2013年研究區土地利用數據進行分類統計，計算出各類土地利用類型面積，結果見表2。

從表2可以看出三峽庫區2000—2013年土地利用類型的分布狀況。三峽庫區總體上呈現草地、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，水域面積呈現出了增加的趨勢；草地和未利用地面積變化數量很小，是由于草地和未利用地在三峽庫區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，隨著經濟的發展，城鄉規劃范圍的擴大，城鄉擴張導致用地緊張，從而對未利用地進行了開發利用，致使未利用地面積減少。

表2　2004-2013年三峽庫區各土地利用類型面積統計

在ArcGIS 9.3中得到三峽庫區土地利用現狀圖(附圖12—13)，從圖中可以看出2000—2013年研究區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的中上游段，即江津區、巴南區、江北區、長壽區、豐都縣、忠縣和萬州區；林地主要分布在三峽庫區的下游段，即宜昌市的夷陵區、興山縣、秭歸縣、巴東縣和巫溪縣，重慶都市區內也有林地的分布，因該區域分布有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；由于草地數量較少，草地較為零星的分布在三峽庫區的北部和東部，即涪陵區、武隆縣、石柱土家族自治縣、云陽縣和奉節縣；城鎮建設用地規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和宜昌市的夷陵區；由于三峽庫區近年蓄水面積的增加，使三峽庫區的水域面積有所擴大。

3.2研究區土地利用動態度分析

土地利用動態度的分析采用單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度的分析方法，利用2000—2013年三峽庫區土地利用矢量數據，統計出各個土地類型的面積，通過單一動態度和綜合動態度的公式計算出各個土地利用類型的動態度值，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年這兩期內增加的速度分別達到了2.891，4.628；其次是水域面積出現了明顯的增加，這主要是受三峽庫區蓄水的影響；草地、耕地和林地各個階段內都在減少，減少比較明顯的是在2007—2010年研究期；未利用地面積在2007—2010年階段內出現了增加，其他三個階段在減少。

綜合土地利用動態度較大的時段是2007—2010年和2010—2013年，動態度分別為為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；動態值比較大且為負值的是耕地，說明耕地在這兩個時段內以較快的速度減少。

2004—2007年時段為綜合土地利用動態度的第二階段，動態度值為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，動態度值為0.640；未利用地動態度值為-0.201，說明未利用地以較快的速度在減少；草地、耕地、林地在這一時段內也有不同程度的減少。

2000—2004年時段為綜合土地利用動態度的第三階段，動態度值為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，水域動態度值為1.568，水域以較快的速度在增加，而未利用地動態度值為-1.012說明未利用地在以較快的速度減少。

綜上分析可以發現，在所有4個時段中建設用地和水域變化動態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增加；草地、耕地、林地動態度均為負值，說明其用地面積在一直持續減少，雖然耕地的減少數量也較大，但因其本身基數面積大，因此動態度值變化不大；而未利用地面積經了先減少后增加再減少的階段。

3.3研究區土地利用程度分析

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展程度和驅動力系統的作用方式[17]，了解到研究區土地利用處于發展期還是衰退期。利用2000—2013年土地利用矢量數據，統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，說明三峽庫區土地利用在2000—2013年土地利用處于發展期。

對表4各年數據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2000-2013年各類土地利用動態度

表4　三峽庫區2000-2013年各類土地利用程度綜合指數

4　結 論

本文基于RS和GIS技術對三峽庫區2000—2013年土地利用數量、土地利用動態度、土地利用程度等變化特征進行系統地分析。得到結論如下：

(1) 2000—2013年，三峽庫區總體上呈現草地、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，三峽庫區各個土地利用類型的動態度變化呈現出差異性。其中建設用地和水域變化動態度一直比較大，且土地動態度值均為正值，即建設用地和水域用地面積持續增加。

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

(4) 從總體來看，2000—2013年近13 a來土地利用綜合程度指數在逐漸上升，近13 a三峽庫區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展期。

[1]何小燕.衡陽南岳區土地利用現狀及其變化分析[J].貴州農業科學,2008,36(6):173-176.

[2]劉紀遠.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究[M].北京:中國科學技術出版社,1996.

[3]張惠遠,趙昕奕,蔡運龍等.喀斯特山區土地利用變化的人類驅動力機制研究[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變化及驅動力研究[J].國土資源遙感,2004(1):60-64.

[6]呂國,宋唯一,鄭愛珍.甘肅西部地區土地與氣候資源現狀及農業可持續發展戰略[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三江并流區土地利用/覆被現狀格局研究[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衛星影像的徐徑鎮城市景觀格局分析[J].江蘇環境科技,2007,20(S1):41-43.

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

[11]王秀蘭,包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[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:科技技術出版社,1998.

[13]王秀蘭,包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[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特征分析[J].應用生態學報,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,土地利用與規劃。E-mail：zqg1050@126.com

F301.24

A

1005-3409(2016)02-0313-05