基于遙感的青島市區(qū)土地利用動態(tài)變化研究

高琳，鄧清海，耿許可，胡善祥，李宏

(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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基于遙感的青島市區(qū)土地利用動態(tài)變化研究

高琳，鄧清海，耿許可，胡善祥，李宏

(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

基于青島市區(qū)2005年4月和2015年4月的TM影像，利用ENVI中監(jiān)督分類法，結(jié)合人工目視解譯，得出2005年和2015年青島市區(qū)土地利用類型分布情況。利用土地利用類型動態(tài)模型，分析了10年間青島市土地利用類型的變化規(guī)律。認為2005—2015年，青島市土地利用類型產(chǎn)生了較大的變化，建設(shè)用地、耕地、水面、草地、林地的面積變化顯著。其中，建設(shè)用地面積增加200.98km2；耕地面積減少105.89km2；水面面積減少76.68km2；草地面積減少69.53km2；林地面積增加54.45km2；未利用土地面積減少。說明青島市區(qū)處于土地利用發(fā)展的時期，政府應(yīng)該注重土地資源的合理利用。

監(jiān)督分類；土地利用；轉(zhuǎn)移矩陣；動態(tài)變化；青島市區(qū)

0 引言

土地是人類賴以生存和活動的重要基礎(chǔ)，在區(qū)域人口、資源、環(huán)境與發(fā)展(PRED)的復(fù)合系統(tǒng)中，處于核心地位[1-2],也是全球環(huán)境變化領(lǐng)域的核心研究內(nèi)容之一[3-5]。一個國家或區(qū)域要實現(xiàn)快速、健康的可持續(xù)發(fā)展，首先必須要合理分配土地類型[6]。青島擁有國際性海港和區(qū)域性樞紐港灣，未來必將迎來更大的發(fā)展機遇，因此，研究青島地區(qū)的土地利用變化具有重要意義。崔永勝等利用地理信息系統(tǒng)軟件(ArcView 3.2)對青島開發(fā)區(qū)的土地利用變化進行了研究[7]。郭麗英等利用縣土地利用詳查變更數(shù)據(jù)研究環(huán)渤海區(qū)域土地利用類型動態(tài)變化[8]。韋晶、孫林等基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，從廣域的空間尺度分析顆粒污染物對土地覆蓋變化的響應(yīng)[9]。邢容容將CCA分析用于土地利用變化驅(qū)動因子進行分析研究[10]。馬安青、馬冰然等進行了熱環(huán)境與土地利用變化的研究[11]。

遙感和地理信息技術(shù)的發(fā)展對土地利用變化的研究提供了強大的技術(shù)支撐[12]，但利用遙感技術(shù)定量分析青島市土地利用變化的還不多見，結(jié)合山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展的大背景，該文選取青島市區(qū)作為研究區(qū)域，對2005年及2015年兩期TM影像進行遙感解譯，計算土地利用變化最重要的2個指標，單一土地利用類型動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度[13-15]，并對土地利用類型動態(tài)度和土地面積轉(zhuǎn)移矩陣進行分析，得出10年間青島市區(qū)的土地利用變化情況。對加強土地資源的利用與保護，促進人地協(xié)調(diào)與土地可持續(xù)利用具有重要意義[16]。

1 研究區(qū)概況

青島市位于山東半島南端，東、南瀕臨黃海，東北與威海市毗鄰，西與濰坊市相連，西南與日照市接壤。地形總體南北兩翼隆起，東高西低，中部低陷，屬華北暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，由于受海洋環(huán)境的影響和調(diào)節(jié)，具有明顯的海洋性氣候特點。降水時空分布不均，汛期降水量占全年降水量的70%～76%[17]。該次研究的范圍為青島市所轄的市南、市北、李滄、嶗山、城陽、黃島6區(qū)，總面積1333km2。

2 數(shù)據(jù)獲取處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)研究的時段需求，結(jié)合影像季節(jié)變化的特征，選用云量較少，色彩表現(xiàn)較好的2005年4月和2015年4月兩期的Landsat TM影像，分辨率為多光譜30m，全色15m。需要說明的是，兩份影像處于同一季節(jié)，地表植被類型接近，色調(diào)變化較小，這樣便于對比研究。輔助數(shù)據(jù)為青島市政邊界圖。軟件平臺為ENVI，ArcGIS。

2.2 數(shù)據(jù)的處理及信息提取

在ENVI中，利用Image to Map方法，在青島市政邊界圖中均勻選取9個控制點(GCP)，配準精度保持在0.5像元以內(nèi)，對圖像進行精確配準。利用ArcGIS對市政邊界圖進行二值化處理，并提取研究區(qū)邊界，對兩期TM影像進行裁剪，得到所在研究區(qū)的遙感影像。土地利用分類采用中國科學(xué)院土地資源分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)以1984年全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會《土地利用調(diào)查技術(shù)規(guī)程》為基礎(chǔ)，對TM影像建立Region of Interest，并對其可分離性進行計算，選用Maximum Likelihood的方法，結(jié)合人工目視解譯，將土地利用分為耕地、建設(shè)用地、林地、草地、水面及未利用土地6類(圖1)[18]。

圖1 2005年青島市區(qū)土地利用狀況

圖2 2015年青島市區(qū)土地利用狀況

2.3 精度驗證

將研究區(qū)內(nèi)的黃島地區(qū)作為野外驗證區(qū)域，隨機選取了110個地類光斑，利用混淆矩陣的方法，得到各土地類型的解譯精度(表1)。解譯完成之后，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析與定量分析相結(jié)合的方法，分析分類結(jié)果。利用Class Statistics，分別計算出2005年和2015年青島市區(qū)各土地利用類型的面積及其占總面積的百分比，然后利用Change Detection Statistics，對兩年的監(jiān)督分類結(jié)果進行對比分析，得到土地利用類型的動態(tài)變化情況。

表1 精度驗證混淆矩陣

3 青島市區(qū)土地利用動態(tài)變化分析

3.1 土地利用類型動態(tài)模型

利用土地利用動態(tài)模型，對青島市區(qū)2005—2015年土地類型的變化程度開展定量分析，選用單一土地利用動態(tài)程度和綜合土地利用動態(tài)程度，可以很好地表現(xiàn)反映土地利用變化的變化速率。

(1)單一土地利用動態(tài)度反映研究區(qū)內(nèi)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達式為[19]：

(1)

式中：K—研究期內(nèi)研究區(qū)某一土地利用類型的動態(tài)度；Ua，Ub—研究期初和期末該土地利用類型的面積；T—研究時段。

(2)綜合土地利用動態(tài)度表示某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)土地利用的數(shù)量變化情況，其表達式為[20]：

(2)

式中：LUi—研究初期第i類土地利用類型面積；△LUi-j—研究期內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為j類土地利用類型面積的絕對值；T—研究時段。

3.2 土地利用類型面積變化分析

2005—2015年青島市區(qū)土地利用類型的變化首先表現(xiàn)在各土地利用類型總量的變化上，通過分析各土地利用類型總量的變化，可大致分析出土地利用結(jié)構(gòu)的變化(表2)。

表2 青島市2005—2015年土地利用類型變化

10年期間，建設(shè)用地面積增加200.98km2，占總面積的比例由2005年的26.77%增長至2015年的41.85%；林地面積增加54.45km2，比例由2005年的26.63%增長至2015年的30.71%；耕地面積減少105.89km2，占總面積的比例由2005年的22.83%減少至2015年的14.89%；草地、水面面積分別減少69.53km2；76.68km2；未利用土地面積減少3.33km2。

3.3 土地利用動態(tài)度分析

(1)從單一土地利用動態(tài)度分析結(jié)果可以看出，未利用土地和建設(shè)用地的動態(tài)度變化最大。2005—2015年，青島市區(qū)進入快速發(fā)展階段，房價飛漲，房地廠商抓緊商機，在市區(qū)建造房屋，大量的未利用土地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。耕地、草地和水面的地利用動態(tài)度呈負值，說明城區(qū)面積的擴展造成耕地、草地、水面面積的流失。林地的土地利用動態(tài)度呈正值，但變化幅度較小，主要是近年來封山育林，加強水土保持的結(jié)果，使得林地面積有所增加(表3)。

表3 青島市區(qū)土地類型動態(tài)變化統(tǒng)計

(2)2005—2015年期間青島市區(qū)綜合土地利用動態(tài)度為1.76%，土地利用類型變化幅度較為明顯，說明青島市正處于土地利用迅速發(fā)展的時期。其中林地和建設(shè)用地面積有所增加，變化度為1.53%，5.63%。耕地，草地，水面，未利用土地面積都有所減少，變化度分別為-3.48%，-3.77%，-5.98%，-8.45%(表3)。

3.4 土地利用類型轉(zhuǎn)移特征分析

利用ENVI下Change Detection Statistics方法，先后選取2005年和2015年青島市區(qū)土地利用類型的分類結(jié)果，得到土地轉(zhuǎn)移面積變化矩陣(表4)。

表4 青島市區(qū)2005—2015年土地轉(zhuǎn)移面積矩陣(km2)

(1)林地的總面積增加，主要由草地和耕地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化面積分別為44.64km2和30.87km2，另外還有6.07km2的建設(shè)用地，4.95km2的水面和0.09km2的未利用土地轉(zhuǎn)化為林地。2005年，人類的環(huán)保意識比較弱，林地保護政策不夠完善，不合理采伐現(xiàn)象嚴重。近年來，青島市加強對林地的保護管理，植樹造林、退耕還林，確保了森林覆蓋率的增長。而在林地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的過程中，也有14.65km2的林地轉(zhuǎn)化為耕地，說明毀林開荒與植樹造林的現(xiàn)象同時存在。

(2)建設(shè)用地的總面積明顯增長，主要由耕地、水面、草地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化面積分別為110.75km2，61.42km2，52.63km2。GDP與建設(shè)用地面積呈正相關(guān)，說明經(jīng)濟增長是建設(shè)用地擴張的最根本因素[21]。2005—2015年，青島市經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化進程加劇，城區(qū)面積擴張占用了大量的耕地、草地和水面。在建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的過程中，也有小面積的建設(shè)用地還原成耕地、林地、草地和水體。

(3)耕地面積明顯減少，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積最大，為110.75km2，其次由大到小依次是：草地33.94km2，林地30.87km2，水面2.425km2，未利用土地0.23km2。一是城市化、交通、工礦建設(shè)占用了大量的耕地，二是居民點增多，擠占了已有的耕地。城市化發(fā)展對土地類型分配產(chǎn)生了不良影響。在其他土地利用類型轉(zhuǎn)入耕地的過程中，有23.29km2的建設(shè)用地、31.62km2的草地以及11.47km2的水面轉(zhuǎn)化為耕地。

(4)草地面積有所減少，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積最大，為52.63km2，其次由大到小依次是：林地44.64km2，耕地31.62km2，水面0.435km2，未利用土地0.04km2。同時，也有33.94km2的耕地轉(zhuǎn)化為草地，體現(xiàn)了人類環(huán)保意識的增強，退耕還草政策已見成效。

(5)水面面積明顯減少，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積最大，為61.42km2，其次由大到小依次是：耕地11.47km2，草地5.74km2，林地4.95km2，未利用土地0.1km2。原因是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展、填海造陸面積逐年增加使得水體轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

(6)未利用土地面積減少，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積最大為3.53km2，其次由大到小依次是：耕地0.17km2，草地0.15km2，林地0.09km2。近年來，隨著城市的發(fā)展，加大了對未利用土地的開墾力度，進一步提高土地利用程度，進一步擴大人類影響范圍。

4 結(jié)論

該文利用2005和2015年兩期Landsat遙感影像，以ENVI軟件為處理平臺，得出2005年和2015年青島市區(qū)耕地、建設(shè)用地、林地、草地、水面及未利用土地這六類土地利用類型的分布情況。并對單一土地利用類型的動態(tài)度、綜合土地利用動態(tài)度以及土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣進行了分析研究。得出了以下結(jié)論：

(1)從單一土地動態(tài)度上看，未利用土地、水面、建設(shè)用地變化最為顯著，分別為-8.45%，-5.98%，5.63%。建議制定科學(xué)合理的用地計劃，結(jié)合土地本身的環(huán)境資源、自然條件、地理位置，因地制宜地進行土地資源的合理配置，實現(xiàn)土地資源利用率最大化。及時修正不合理用地規(guī)劃進行，堅持土地資源的發(fā)展與利用相適應(yīng)的原則。

(2)2005—2015年，城市用地面積凈增加200.98km2，GDP由2005年的2695.5億元增加到9400億元，研究顯示，經(jīng)濟活動與建設(shè)用地面積呈正相關(guān)，說明經(jīng)濟增長是推動土地利用類型變化的最根本因素。耕地面積減少105.89km2，水面面積減少76.68km2，將對糧食及水資源供應(yīng)產(chǎn)生不利影響。大量農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，且浪費現(xiàn)象嚴重，建議加強用地項目的審核，避免出現(xiàn)閑置土地、浪費土地的現(xiàn)象，提高土地的利用率。減少城鄉(xiāng)周邊耕地的流失，進行農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，提高糧食產(chǎn)量，保證對民眾糧食的供給。隨著水面面積的缺少，青島市區(qū)水資源短缺的現(xiàn)象越來越嚴重，在開發(fā)利用過程中，必須遵守自然規(guī)律，以達到社會效益與生態(tài)效益共同提高。

(3)林地面積凈增加54.45km2，人類環(huán)境保護意識增強。應(yīng)繼續(xù)加強宣傳教育，增強民眾的林地保護意識。樹立土地資源可持續(xù)利用的觀念，合理利用有限的土地資源。加強對土地利用的監(jiān)督，完善土地保護法律，處罰不合理利用土地的工礦企業(yè)及個人。

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Analysis on Dynamic Changes of Land Use in Qingdao City based on Remote Sensing

GAO Lin, DENG Qinghai, GENG Xuke, HU Shanxiang, LI Hong

(Earth Science and Engineering College of Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266590, China)

Based on TM images in April of 2005 and 2015, by using supervised classification of the ENVI software and artificial visual interpretation, distribution of land use types in Qingdao City in 2005 and 2015 have been gained. By using dynamic model of land use types, change rule of land use types in ten years have been analyzed. It is regarded that land use types have been changed a lot , and the areas of construction using land, arable land, water, grassland and woodland changed obviously. Among them, the area of construction using land has increased 200.98km2; the area of farmland has reduced 105.89km2; the area of water has reduced 76.68km2; grassland has reduced 69.53km2; forestland has increased 54.45km2; the area of unused land has reduced, and the degree of land use has become greater year by year, which indicates that Qingdao City is in the period of the development of land use. The government should pay more attention to reasonable use of land resources. The research results will be of most importance for reasonable land utilization in this region.

Supervised classification; land use; transition matrix; dynamic change; Qingdao City

2017-01-05；

2017-02-08；編輯：曹麗麗 基金項目：露天轉(zhuǎn)地下開采后采坑圍巖變形行為及其發(fā)生機理，編號：(41272298) 作者簡介：高琳(1995—)，女，山東青島人，主要從事土地利用和水文地質(zhì)研究；E-mail:342100236@qq.com

高琳，鄧清海，耿許可，等.基于遙感的青島市區(qū)土地利用動態(tài)變化研究[J].山東國土資源，2017,33(7)：86-91.GAO Lin, DENG Qinghai, GENG Xuke, etc.Analysis on Dynamic Changes of Land Use in Qingdao City based on Remote Sensing[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(7)：86-91.

F301.2

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