基于GIS與RS的海岸帶土地利用變化分析

(1.長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136； 2.長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011；3.水利部 水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心,江蘇 南京 210012)

海岸帶連接著海洋和內(nèi)陸，城市海岸帶更是人類活動的密集區(qū)，面臨著人類與自然的雙重影響，是資源環(huán)境條件最為優(yōu)越的人文活動區(qū)域，復(fù)合性、邊緣性和活躍性是海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的典型特征。鑒于海岸帶在全球環(huán)境和人類社會發(fā)展中至關(guān)重要的作用以及其不斷惡化的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)海岸帶資源的科學(xué)管理和持續(xù)利用，人類迫切需要及時、準(zhǔn)確、高效地獲取海岸帶的各種土地利用信息，并監(jiān)測其動態(tài)變化[1]。

1 研究區(qū)域概況

連云港海岸帶呈東南至西北走向，從南邊的灌河口往北綿延至繡針河口，海岸線長 161.58 km，研究區(qū)域土地總面積約為7 444 km2，海域面積約為 1 759 km2。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，區(qū)域內(nèi)的土地利用越發(fā)活躍，土地利用率也逐年提高。大規(guī)模的圍墾種植、圍海養(yǎng)殖以及各種臨港工業(yè)的建設(shè)，使連云港市海岸帶的土地格局發(fā)生了重大變化[2]。

如圖1所示，連云港海岸帶的研究范圍為：將沿海的海堤、基巖、岬角以及具有明顯植被特征的地方作為海岸岸線，由海岸線向陸、海兩方向各延伸10 km，面積為 2 084.970 0 km2。

圖1 研究區(qū)域范圍

遙感圖像資料為：1987,2002,2007年和2012年4期Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)為連云港市地形圖。數(shù)據(jù)影像由地理空間數(shù)據(jù)云提供，并經(jīng)輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)處理等數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2 遙感圖像土地類型劃分

將地形圖與遙感影像精確關(guān)聯(lián)并進(jìn)行校正，以shape格式的矢量省界為參考界線，通過ArcGIS空間分析(Spatial Analyst)模塊下的圖像轉(zhuǎn)換(Convert Features to Raster)，將矢量的界線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，運(yùn)用Raster Calculator建立關(guān)系式，將柵格的界線文件和經(jīng)處理的遙感影像相乘，裁剪出研究區(qū)域。

運(yùn)用迭代自組合數(shù)據(jù)分析技術(shù)(IsoData)訓(xùn)練方法(基于最小光譜距離公式)，分別將最大初始分類數(shù)目、最大循環(huán)次數(shù)及最大循環(huán)收斂閾值確定為40類、24次及95%，執(zhí)行非監(jiān)督分類，生成初步分類結(jié)果圖像。

綜合專題資料和遙感影像資料，解譯結(jié)果以矢量格式轉(zhuǎn)入地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中，利用ArcGIS專題制圖，得到連云港海岸帶的土地利用的分類圖。

表1 1987～2002年土地利用類型的面積轉(zhuǎn)換情況 km2

3 土地利用變化分析

3.1 土地變化速度分析

為了對比區(qū)域內(nèi)土地利用變化的差異，并對未來的變化趨勢做出預(yù)測，采用單一土地利用動態(tài)度這一概念,描述研究區(qū)域內(nèi)的土地利用類型變化的速率[3]。公式如下

(1)

式中,R單指的是單一土地利用動態(tài)度可定量描述區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型變化的速度，即耕地的變化速度；Ua，Ub分別為研究初期和研究末期的土地利用類型的數(shù)量；T為研究期時段長。當(dāng)T的時間段設(shè)定為年時，R表示為土地類型的年變化率。

通過各個時間點(diǎn)的不同土地類型的面積及各時間段年變化率繪出1987～2012年各土地利用類型面積變化圖(見圖2)，借助圖像可以更直觀地看出該區(qū)域25 a間大體的變化趨勢。

圖2 1987～2012年各土地類型面積變化

從圖2可見，25 a來變化較為劇烈的是耕地與建筑用地。耕地面積呈遞減趨勢，而建筑用地呈遞增趨勢, 但2002年以后耕地面積減少的速度得以有效控制，而建筑用地面積則依然呈現(xiàn)快速增長的勢頭。其他土地利用類型多年來變化不大，僅鹽場在整體上有遞減趨勢。

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)換分析

為獲取研究區(qū)域3個時間段(1987～2002年、2002～2007年、2007～2012年)的土地利用轉(zhuǎn)換矩陣，采用ArcGIS軟件按矢量層交集操作方式進(jìn)行空間疊加分析(見表1～3)。

表2 2002～2007年土地利用類型的面積轉(zhuǎn)換情況 km2

表3 2007～2012年土地利用類型的面積轉(zhuǎn)換情況 km2

通過轉(zhuǎn)換矩陣可以看出，建設(shè)用地占用耕地比例持續(xù)過高，海域向其他類型用地的轉(zhuǎn)化量極少，未利用地轉(zhuǎn)化率較高，說明未利用地開發(fā)程度很高，其他土地均有不同程度的轉(zhuǎn)換利用。正是由于土地類型間的相互轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致了土地利用結(jié)構(gòu)、幅度和速度的變化。

3.3 土地利用變化驅(qū)動力分析

(1)自然驅(qū)動。自然驅(qū)動的因素多種多樣，如水文氣象、地形地貌、植被環(huán)境等[6]。耕地、林地等農(nóng)用地的土壤類型應(yīng)適合農(nóng)作物和林木生長；建筑用地的土壤類型一般比較堅(jiān)固且不易松散。土壤中含鹽量較高的鹽場則一般分布在沿海的圍堤內(nèi)居多。由此看來，影響土地利用類型分布的重要因素之一就是土壤環(huán)境，這一因素也在不同程度上影響了土地類型的相互轉(zhuǎn)換。土地的自然特性往往影響和驅(qū)動著人類的活動，而人類活動對土地利用類型轉(zhuǎn)換作用明顯。海拔較高的林地、遠(yuǎn)離城郊的灘涂等區(qū)域，由于人類活動的影響較小，其土地利用類型變化也小。而地勢較低的山腳、交通便利的平原等則更易受人類活動的影響，其土地利用類型變化也更為劇烈。

(2)人力驅(qū)動。導(dǎo)致土地利用類型變化的另一重要原因是人口變化[7]。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域人口的變化與建筑用地面積的變化存在必然的關(guān)聯(lián)。總體來看，人口增加對應(yīng)著建筑用地面積的增加。然而，從2007～2012年對比數(shù)據(jù)來看，人口減少而建設(shè)用地面積卻依舊增長，這可能是由于多種因素綜合作用而形成的現(xiàn)象，比如灘涂、岸線的開發(fā)利用等。除了人口變化這一重要因素之外，近年來連云港GDP增長速度明顯加快，這與建筑用地在此期間的持續(xù)增長有著密不可分的關(guān)系。隨著建筑用地的增加，預(yù)計(jì)未來幾年的GDP總值會繼續(xù)呈增長趨勢。此外，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)體制的改革、政治政策的引導(dǎo)等因素也不同程度地影響著土地利用類型的變化。

表4 1987～2012年各時期人口、建筑用地與GDP對比

4 結(jié) 語

利用ArcGIS分析1987，2002，2007年和2012年的數(shù)據(jù)，得知連云港海岸耕地的數(shù)量逐年減少，且減少的速度有不斷加速的趨勢。對應(yīng)耕地減少，建設(shè)用地在大幅度增長，這一變化趨勢反映出耕地未被充分利用。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，其他非農(nóng)用地占用耕地，土地矛盾會一直存在。

鑒于此，提出以下建議：①退耕還林、退耕還湖；②做好城市土地利用規(guī)劃；③挖掘未利用土地的潛力；④針對已利用土地，控制建設(shè)用地，切實(shí)保護(hù)耕地。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)對有限耕地資源的合理利用與保護(hù)，從而獲得最佳的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益，為實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供用地保障。

RS技術(shù)對土地利用類型的信息解譯具有較大

優(yōu)勢，大大提高了判讀的速度和精確度，再利用ArcGIS對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，將兩者結(jié)合起來具有不可估計(jì)的應(yīng)用前景。