河北省土地利用變化圖譜特征分析*

牛志君，王曉晴，封 乾，袁大鵬，石 垚，王樹濤

(1.河北農業大學資源與環境科學學院，保定 071000；2.河北農業大學國土資源學院，保定 071000)

·資源利用·

河北省土地利用變化圖譜特征分析*

牛志君1，王曉晴1，封 乾1，袁大鵬1，石 垚1，王樹濤2※

(1.河北農業大學資源與環境科學學院，保定 071000；2.河北農業大學國土資源學院，保定 071000)

目的為了能夠充分反映土地利用變化的時空過程。方法文章基于地學信息圖譜理論與方法，運用 ArcGIS 9.3軟件，以河北省2001年、2007年和2013年3期遙感解譯數據為空間數據源合成河北省耕地利用變化模式圖譜，以及河北省生態功能用地與耕地、建設用地變化模式的圖譜，據此揭示河北省土地利用變化時空特征及分布規律。結果2001～2013年河北省土地利用變化圖譜主要以穩定型為主，主要表現為“耕地-耕地-耕地”。河北省耕地利用變化模式主要以后期變化模式類型主要為“耕地-耕地-草地”，面積達到28.876 244萬hm2，主要集中分布在燕山-太行山地以及山前平原區，是整個變化模式中最大的單體變化類型。2001～2013年河北省生態功能用地隨著時間的推移，呈現出向耕地以及建設用地轉換的趨勢，城市化進程的加快，不合理的經濟發展必然導致生態環境日益惡化。結論該文為今后河北省土地資源的合理利用和科學規劃提供科學的依據與指導。

土地利用變化 圖譜特征 耕地 生態用地 河北省

0 引言

土地利用/覆蓋變化(LUCC)是自然環境、時空關系和經濟技術等結構和行為對土地利用方式與目的改變的體現，涉及地理學、生態學、經濟學、管理學等多個學科，一直是可持續發展、全球變化等研究領域的重要方法和手段[1-2]。土地利用時空變化是LUCC研究的重要內容，研究問題主要集中在何時、何地、如何、為何等方面，其中，土地利用變化的時空過程作為基礎研究已得到廣泛開展[3-4]。目前，對于土地利用格局的動態變化研究主要是對不同時期的土地利用數據或遙感影像進行空間疊加，通過轉移矩陣獲得土地利用在數量上的變化，由此得到的土地利用變化缺乏形象思維，非空間屬性數據在空間位置方面的表達不足。地學信息圖譜能夠以圖譜單元來記錄土地利用變化的時空復合信息，具有定量地表示多時空條件下“空間格局”與“時序特征”的復合特點[5-8]。有研究表明，土地利用變化信息圖譜對土地利用變化的空間位置和空間行為具有很好的指示性，將土地利用變化過程譜系化、動態化，有利于發揮圖譜模型數據挖掘、知識發現的特長，進一步深化土地利用變化內在規律的挖掘與多維表達。作為我國經濟發達地區的典型代表，河北省城鎮化、工業化進程迅速，人地矛盾較為突出，是土地利用變化研究的熱點地區[9-12]。為此，文章基于遙感解譯數據，通過建立土地利用變化圖譜模型，對耕地利用變化模式進行專題探討，以識別河北省主要土地利用類型的變化軌跡和特征規律，為區域土地可持續利用及國土空間格局優化提供科學依據[13-14]。

1 研究區概況

河北省位于北緯36°03′～42°40′、東經113°27′～119°50′之間，南北長750km，東西寬650km。西以太行山與山西為鄰，西北部、北部、和東北部同內蒙古自治區和遼寧省接壤，東部瀕臨渤海，東南部和南部與山東、河南兩省交界，京、津兩大經濟發達區包裹其中，所以稱之為京歌大省。全省轄區土地總面積1.888 5萬km2，現共轄石家莊、唐山、秦皇島、邯鄲、邢臺、保定、張家口、承德、廊坊、滄州、衡水11個地級市，138縣(市)。河北省地處中緯度歐亞大陸東岸，屬于大陸性季風型氣候，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季晝暖夜涼，冬季寒冷少雪。全省年平均氣溫為-0.3～14.0℃，氣溫由東南到西北逐漸降低。全省年平均降雨量為350～800mm。河北省自西北向東南呈半環狀逐級下降。最北面為高原，占總面積的9.7%，海拔在1 200m以上，其下為山地丘陵，占總面積的50.5%，海拔一般為100～500m，南面為廣闊平原，占總面積的39.8%，海拔一般低于50m。

2 研究方法

2.1 數據收集與處理

該文所采用的高程數據為DEM數據，數據的空間分辨率為30m×30m，土地利用數據從地理空間數據云下載，選用2001年、2007年以及2013年的Landsat-TM/ETM為數據源，其成像時間均選擇在秋季，軌道號均為122/33，數據空間分辨率為30m×30m，該文參照全國土地利用現狀分類將研究區劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地以及其他用地共7種土地利用類型，其中該文將草地、園地、林地以及水域定義為生態功能用地。利用ENVI 4.8軟件對2013年的遙感影像進行二次多項式幾何校正，保證糾正后誤差小于0.5個像元。將該遙感影像作為參考，采用Image to Image模塊完成2001、2007年遙感影像自動配準，以行政區作為掩膜完成遙感圖像的裁剪，采用監督分類并結合人機交互的方法完成遙感影像的分類，并借助于地面實測數據(GPS 野外調查)來檢驗解譯精度，隨機選取若干樣點，利用混淆矩陣法進行評價分析，結果表明3期遙感影像分類結果的總體精度分別為83.85%、82.21%和85.69%，解譯精度均超過了80%(圖1)[15-17]。

圖1 2001年、2007年、2013年河北省遙感影像分類

2.2 土地利用圖譜分析

土地利用變化信息圖譜可以用來描述土地利用變化的過程，是進行土地利用變化驅動力診斷分析和模型構建的有效依據。同樣耕地的保護關系到國家的糧食安全，關系到國家的長治久安，而生態用地因提供了比其他用地更多、更重要的生態服務功能而成為衡量區域生態環境質量好壞的依據，也成為區域生態安全格局構建的核心內容，因此該文的研究重點是耕地以及生態用地的圖譜特征變化。該文利用ArcGIS空間分析工具，將2001年、2007年、2013年3個時期土地利用圖譜單元類型進行重組，可得到10年來河北省土地利用變化的信息圖譜，每一個圖譜單元記錄著2001年、2007年、2013年3個采樣時間點上土地利用單元的類型，反映了10多年間土地利用變化的歷程[18-20]。一般將圖譜變化分為5種類型：(1)穩定型：在2001～2013年都保持不變，未發生變化的類型；(2)前期變化型：在2001～2007年發生變化，而2007～2013年未發生變化類型；(3)后期變化型：在2001～2007年未發生變化，而2007～2013年發生變化類型；(4)反復變化型：在2001～2007年變為一種類型，而2007～2013年又變回原來類型；(5)持續變化型：在2001～2013年一直發生變化，也未還原成原來類型的變化形式[21-24]。

3 結果與分析

3.1 土地利用圖譜特征分析

由表1結果分析可知，研究區主要以穩定型和后期變化型為主，穩定型面積比例最大，占研究區總面積的43.38%，主要表現為“耕地-耕地-耕地”的土地利用變化模式，其面積達到745.719 333萬hm2，所占比例達到39.80%，主要分布在河北省的南部地區，以石家莊、保定、衡水、廊坊、邢臺以及邯鄲為代表的平原地帶。表明河北省在這10年中仍然注重耕地的保護，基本農田的數量保持不變，耕地保護與糧食安全將成為河北省今后發展的重中之重；其次為后期變化型，主要分布于河北省北部承德、張家口為代表的山地區域，以“草地-草地-耕地”面積最大，占該類圖譜面積83.71%，2001～2013年隨著人們對耕地重視程度的增加，壩上地區大量的草地開墾為耕地，以滿足人類的糧食需求量；以“耕地-草地-園地”為代表的持續變化型象征著河北省逐漸將以大田作物為象征的耕地轉化為經濟效益更加明顯的園地，主要集中分布在唐山以及秦皇島等沿海區域。其他兩種形態圖譜所占面積比例較為均衡，前期變化型圖譜和反復變化型圖譜以“草地-耕地-耕地”和“耕地-草地-耕地”圖譜為主；草地與耕地之間的不斷轉變，其本質在于水源位置的不穩定性，人們在這近10年里，隨著人口壓力的增加，人地矛盾突出，對于糧食的需求量不斷提升，導致環境的破壞問題也隨之而來，對于植被和水域的破壞加重，人們逐漸開始認識到土地的重要性，保護耕地，從而達到緩解人口、糧食以及生態的壓力。從空間上分析，河北省土地利用變化圖譜分布極為工整，不同變化類型之間存在明顯界限，已經形成規?；⒕奂?、區域化的發展模式。在面對京津冀一體化的時代，河北省作為經濟發展帶動的關鍵性區域，要杜絕只顧追求經濟效益最大化，而漸漸忽視了對于生態環境的保護，面對社會、人口、環境多方面的壓力，更要把好科技的關卡，讓科技服務于農，在提高糧食數量、質量的同時，大力發展生態農業，建立“生態-農業-生態”的發展模式，而協調好城市用地理性擴展也逐步成為土地可持續利用的核心問題。

表1 2001～2013年河北省土地利用變化圖譜

圖2 2001～2013年河北省土地利用變化圖譜 圖3 2001～2013年河北省耕地利用變化圖譜

3.2 耕地利用變化模式的圖譜特征

對2001～2013年河北省土地利用變化圖譜分析可知，在此階段中變化圖譜單元總量最大、圖譜轉移最為顯著的是耕地的占用與補充過程。為了進一步研究耕地利用變化模式，通過融合3年的土地利用現狀數據，構建耕地利用變化模式圖譜來探究耕地在每一變化模式的圖譜變化特征及其原因。全省耕地利用變化模式以后期變化型為主，其次為持續變化型，其他的兩類變化類型相對較小，耕地利用變化模式出現了明顯的時間序列特征。

(1)前期變化型指耕地僅僅在2001～2007年之間發生的轉移，河北省前期變化型的圖譜類型分布范圍較廣，主要分布在承德、唐山、秦皇島以及保定等河北平原區，呈現東北-西南對角分布，以河北省東北部分布較為密集，均靠近在沿海城市的邊緣，以“耕地-草地-草地”以及“耕地-林地-林地”為主，兩者面積占據整個轉移階段的16.16%。

(2)后期變化型主要指在2007～2013年期間耕地圖譜類型發生的轉移，后期變化型模式在整個轉移模式中所占比例最大，主要集中分布在燕山-太行山地以及山前平原區，出現明顯的“聚集”現象，以廊坊市、張家口南部、保定北部地區最為顯著，另外在一些沿海城市也有零散分布。后期變化模式類型主要為“耕地-耕地-草地”，面積達到28.876 244萬hm2，是整個變化模式中最大的單體變化類型。

(3)反復變化型指在2007年發生轉移，2001年和2013年均保持耕地的類型不變。河北省反復變化型在省內的各個城市均有分布，且分布極為分散。表明人類在利用土地上仍然處于探索時期，2007年全省對于耕地的占用開發均存在不合理的情況，在2013年之后又重新開發為耕地，一方面是響應了保證1.2億hm2耕地紅線的號召，另一方面則是沒有更加科學可持續的利用土地。反復變化型模式主要以“耕地-草地-耕地”的變化類型為主，面積達到15.242 692萬hm2。

(4)持續變化型模式指在2001～2013年土地利用類型均發生改變，由耕地轉化為其他類型的土地，并且變化種類呈現多樣化。主要分布在河北省的中部地區以及東北部地區，集中在以唐山、秦皇島為主的濱海平原地帶以及保定、石家莊等山前平原地帶。

表2 2001～2013年河北省耕地變化模式圖譜特征

3.3 生態功能用地變化模式的圖譜特征

生態用地的合理利用和管理是建設“資源節約型、環境友好型”社會的重要研究內容。由于生態用地的轉換類型較為繁瑣，數據量較大，單一整體的圖譜類型無法細致化的研究生態用地的轉換本質，因此，該文選取2001～2007年和2007～2013年兩個時間段，著重研究生態用地向建設用地以及耕地轉換的圖譜特征，為構建區域生態安全格局奠定科學基礎。

表3 2001～2007年河北省生態用地-建設用地變化模式圖譜特征

(1)生態用地與建設用地的轉換模式

由表3、4可知，河北省生態用地-建設用地變化模式主要以前期變化型、后期變化型以及持續變化型為主，隨著城市化進程不斷加快，大量的生態用地向建設用地轉變。

其中在前期變化型中，地處河北平原區的邯鄲市、邢臺市、保定市以及唐山市經濟發展水平較快，城市化進程不斷提高，生態用地向建設用地的轉換面積比分別為22.14%、17.16%、15.51%以及15.47%，占整個河北省前期變化模式生態用地轉向建設用地面積的70.28%，其中均以“草地-建設用地-建設用地”的轉換類型為主；而以“園地-建設用地-建設用地”為代表的張家口市和以“草地-建設用地-建設用地”承德市為代表的燕山-太行山地區則生態用地的轉換面積較少，兩者之和僅占到1.52%，說明張承地區的經濟發展水平雖然遠落后于平原地區，但其重工業園區較少，生態環境相對較好，霧霾程度較低，是旅游業發展的優良之地。滄州市、衡水市、廊坊市以及秦皇島市轉換類型較為單一，全部為“草地-建設用地-建設用地”，而石家莊市同樣以“草地-建設用地-建設用地”為主要的圖譜轉換類型。

在后期變化型和持續變化型中，主要以邯鄲市、唐山市、承德市以及張家口市的變化為主，生態用地向建設用地的轉換面積比分別為21.88%、15.70%、13.45%以及11.49%，占整個河北省后期、持續變化模式生態用地轉向建設用地面積的62.52%，其中承德市和張家口市從2007年起，不斷推進城市化進程，大力開展經濟建設，生態用地轉向建設用地的面積分別達到430.12hm2和367.29hm2，主要轉換類型為“草地-草地-建設用地”、“園地-園地-建設用地”以及“林地-草地-建設用地”。而保定市、滄州市、衡水市和邢臺市的圖譜轉換類型較為單一，均以“草地-草地-建設用地”為主要的轉換類型。隨著人們對于保護生態環境意識的不斷增強，從2001～2007年到2007～2013年城市化速率不斷減弱，其中廊坊市、石家莊市以及秦皇島市等經濟發展水平較高的城市，也不斷控制對于建設用地的增加，開始對園地、林地、草地以及水域等生態功能用地的保護。

表4 2007～2013年河北省生態用地-建設用地變化模式圖譜特征

(2)生態用地與耕地的轉換模式

從表5和表6可知，河北省“生態功能用地-耕地”變化模式主要為前期變化型、后期變化性和持續變化性。隨著人與耕地矛盾日益增加，后備耕地資源短缺，大量的生態用地向耕地轉換成了必然趨勢。前期變化型“生態功能用地-耕地”轉換幅度較小，主要以承德市轉換面積最大，占比82.95%，主要是因為承德市地處山地丘陵區，農田生產力低，糧田安全不能保障，因此加大其耕地數量，其他市域占比均較??；省域內轉化類型主要以“草地-耕地-耕地”為主，其中承德市轉換35.173 079萬hm2，張家口市轉換3.636 501萬hm2，保定市轉換1.248 234萬hm2，主要是由于草地分布較廣，地形較緩，適宜開發為耕地，其他市域該類型轉換面積較小。后期變化型和持續變化型“生態功能用地-耕地”轉換幅度較大，主要以保定市轉換面積最大，占比91.61%，使耕地資源與社會經濟協調發展是其變化的主要原因，其他市域占比均較??；省域內轉化類型主要以“草地-草地-耕地”為主，其中保定轉換面積最大，為441.642 639萬hm2，占比高達98.05%，主要是由于保定市地處平原區，氣候溫度雨量適宜，是河北省較大的糧食主產區；其次以承德市的“園地-林地-耕地”變換類型為主，變換面積為5.405 809萬hm2，其他市域轉換類型面積變化占比均較小。

4 結論與討論

4.1 結論

運用GIS 和 RS技術，基于地學信息圖譜理論與方法，分析河北省2001～2013年土地利用變化時空特征，結論如下。

(1)2001～2013年河北省耕地面積不斷增加，土地利用變化以“耕地-耕地-耕地”的穩定型和“林地-草地-草地”的后期變化型為主。穩定性圖譜特征主要分布在河北平原地帶，而后期變化型主要分布在壩上地區以及燕山-太行山地地區。

表5 2001～2007年河北省生態用地-耕地變化模式圖譜特征

表6 2007～2013年河北省生態用地-耕地變化模式圖譜特征

(2)河北省耕地利用變化模式主要后期變化型為主，其次為持續變化型，前期變化型與反復變化型相差不多。前期變化型圖譜類型分布范圍較廣，主要分布在承德、唐山、秦皇島以及保定等河北平原區，呈現東北-西南對角分布，以河北省東北部分布較為密集，均靠近在沿海城市的邊緣，以“耕地-草地-草地”以及“耕地-林地-林地”為主；后期變化型模式在整個轉移模式中所占比例最大，主要集中分布在燕山-太行山地以及山前平原區，出現明顯的“聚集”現象，以廊坊市、張家口南部、保定北部地區最為顯著，另外在一些沿海城市也有零散分布。

(3)河北省“生態用地-建設用地”變化模式主要以前期變化型、后期變化型以及持續變化型為主，隨著城市化進程不斷加快，大量的生態用地向建設用地轉變；河北省“生態功能用地-耕地”變化模式主要為前期變化型、后期變化性和持續變化性，隨著人地矛盾日益增加，后備耕地資源短缺，大量的生態用地向耕地轉換已經成為必然趨勢。

4.2 討論

該文通過運用GIS 和 RS技術，基于地學信息圖譜理論與方法，分析河北省2001～2013年土地利用變化時空特征，以傳統的疊加分析方式來探索河北省10年的土地利用變化規律，分析出在河北省壩上高原區、燕山-太行山地區以及河北平原區中的分布規律。土地利用變化圖譜能充分反映時間序列上土地利用變化過程在空間上的分異規律，是對以轉移概率為代表的傳統研究方法的革新，但是其自身仍然存在缺陷，隨著土地利用類型數的增加，圖譜數量呈幾何級數增長，因此，目前大多數研究只分析土地利用分類中一級類型的變化，很少用來分析二級類型甚至更加細化的分析。該文通過對河北省一級地類圖譜特征的分析，為進一步理清不同類型下區域變化的原因以及為區域土地資源合理規劃利用，保護區域生態環境提供理論支撐與政策建議。如何優化合理配置各類型土地，更加細化的利用圖譜特征深入研究土地利用變化的驅動力分析以及變化趨勢的模擬預測，發揮不同區域不同地類下土地利用的最大化將是有待于進一步探索的問題。

[1]匡文慧，張樹文，侯偉，等.三江平原寶清縣土地利用變化圖譜分析.中國科學院大學學報，2006,23(2): 242～250

[2]劉琦，任志遠，李晶.區域土地利用變化圖譜分析及其生態效應評價——以太原市城區及近郊區為例.中國農業科學，2007,40(10): 2259～2266

[3]朱占永，郭偉志，張海力.海河流域土地利用變化圖譜分析.安徽農業科學，2012,40(14): 1139～1144

[4]常雄凱，劉淼，李春林，等.遼寧沿海土地利用變化的圖譜特征.生態學雜志，2015,34(12): 3459～3465

[5]李月連.南流江流域土地利用變化圖譜及驅動力研究.廣西師范學院，2013

[6]呂曉，史洋洋，黃賢金，等.江蘇省土地利用變化的圖譜特征.應用生態學報，2016,27(4): 1077～1084

[7]何錦峰.金沙江干熱河谷區土地利用/土地覆被變化研究一以云南省元謀縣為例.2003

[8]張岑，任志遠，孫素梅.基于RS和GIS的河西走廊地區城市土地利用時空變化圖譜分析——以張掖市甘州區為例.干旱地區農業研究，2008,26(1): 166～170

[9]余明，李慧珍.土地利用與土地覆蓋變化信息的圖譜研究——以大福州為例.遙感信息，2007，(3)：29～33

[10]馬士彬，張勇榮，安裕倫.山區城市土地利用動態空間分布特征：以貴州省六盤水市為例.自然資源學報，2012,27(3): 489～496

[11]張榮華，劉霞，李歡，等.桐柏大別山區土地利用時空變化圖譜分析.中國水土保持科學，2011,9(4): 16～22

[12]徐芮，謝跟蹤，邱彭華.?？谑型恋乩酶窬肿兓瘓D譜分析.江蘇農業科學，2015，(8)：379～383

[13]王亮.平譚島土地利用/土地覆被信息圖譜分析研究.福建師范大學，2013

[14]湯國安，宋佳.基于DEM坡度圖制圖中坡度分級方法的比較研究.水土保持學報，2006,20(2): 157～192

[15]任曼麗，貢璐，呂光輝.阿克蘇綠洲土地利用變化的圖譜分析.全國地理學研究生學術年會.2011

[16]申懷飛，吳國璽，丁圣彥.豫西黃河流域土地利用空間格局地形梯度特征分析.地域研究與開發，2012,31(3): 159～162

[17]Anwar M.Land use change dynamics：A dynamic spatial simulation.Journal of Applied Probability，2002,(1)：290

[18]Yoshimura A，Dokyu N，Kurosawa T，et al.Impact of land-use map color coding on area characteristics judgments.Journal of the City Planning Institute of Japan，2014，49

[19]Verburg P H，Schulp C J E，Witte N，et al.Downscaling of land use change scenarios to assess the dynamics of European landscapes.Agriculture Ecosystems & Environment，2006,114(1): 39～56

[20]葉慶華，劉高煥，姚一鳴，等.黃河三角洲新生濕地土地利用變化圖譜.地理科學進展，2003,22(2): 141～148

[21]任春穎，劉湘南.區域土地利用變化信息圖譜模型研究.地理與地理信息科學，2004,20(6): 13～17

[22]王金亮，邵景安，李陽兵.近20年三峽庫區農林地利用變化圖譜特征分析.自然資源學報，2015,(2)：235～247

[23]劉紀遠，劉明亮，莊大方，等.中國近期土地利用變化的空間格局分析.中國科學：地球科學，2002,32(12): 1031～1040

[24]龔道溢，史培軍，陳浮，等.城市邊緣區土地利用變化及人文驅動力機制研究.自然資源學報，2001,16(3): 204～210

ANALYSISOFTHECHARACTERISTICSOFLANDUSECHANGEINHEBEIPROVINCE*

NiuZhijun1,WangXiaoqing1,FengQian1,YuanDapeng1,ShiYao1,WangShutao2※

(1.Resources and Environmental Science,Hebei Agricultural University,Baoding 071000,China; 2.Land and Resources College,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China)

In order to fully reflect the land use spatio-temporal process changes,based on the map information in Hebei Province and remote sensing data of 2001,2007 and 2013 periods,this paper constructed the change patterns map of spatial data sources of arable land,the ecological function of land and farmland,and land use pattern in Hebei Province,and revealed the spatial temporal characteristics of land use change and distribution.The results showed that the land use change map was mainly in the stable type and showed cultivated land patterns.The change area from arable land to grassland area was 288 762.44hm2,which mainly distributed in Yanshan-Taihang Mountains and piedmont plain.The ecological function areas began to converse to city urbanization lands.The unreasonable economic development inevitably deteriorated the ecological environment.This paper provided a scientific basis and guidance for the rational utilization and scientific planning of land resources in Hebei province.

land use change; characteristics of geo-spectrum; arable land; ecological land; Hebei province

10.7621/cjarrp.1005-9121.20171008

2017-05-01

牛志君(1993—)，男，河北張家口人，碩士生。研究方向：土壤與土地資源持續利用

※通訊作者：王樹濤(1978—)，男，河北威縣人，副教授、博士。研究方向：土地資源持續利用。Email：wangst@hebau.edu.cn

*資助項目：河北省社會科學基金項目“京津冀生態補償機制構建研究”(HB16YJ060)；河北農業大學社會科學基金項目“河北省淶源縣土地生態補償研究”(SK201619)

F301.24

A

1005-9121[2017]10054-10