大英縣2002-2017年土地利用分類動態分析

孫姣姣，王 琦，鄭 潔，劉姝伶，李 慧

（1.西南科技大學 城市學院，四川 綿陽 621000；2.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079）

土地是人類生存和生產的基本場所與根基[1]，土地利用調查為國家土地的用途制定、資源管理、國民經濟和社會的可持續發展建設提供了有力的數據支撐[2]。自“國際地圈與生物圈計劃（IGBP）”和“全球環境變化人文計劃（HDP）”提出土地利用/覆被變化（LUCC）以來，LUCC已逐漸成為學者們關注的研究熱點[3]。LUCC是人類活動對自然環境的直接體現形式，也是影響全球環境變化的主要原因之一，與社會可持續發展和人類生存息息相關[4]。隨著影像分類方法的迅猛發展以及高分辨率遙感影像的應用普及，基于遙感技術進行土地利用分類，從而真實、客觀地反映土地利用現狀的方式得到廣大學者的認可[5-6]。該方法基于地物目標間的波段差異性及其地物紋理和顏色的區別，利用計算機解譯或目視解譯的方式來獲得不同地物屬性[7]，具有周期短、提取快速、操作性強等優勢，不僅可有效減少人力物力，而且增加了土地調查數據的真實性和可靠性[8]。

近年來，由于我國經濟和城鎮化的飛速發展，土地利用類型發生了大幅變化，許多學者基于遙感技術進行了土地利用和景觀格局現狀的研究[9-10]。Paracchini M L[11]等創建了基于空間權衡評價的聚合模型，將土地利用中的部分指標相互聯合起來對多方面的土地利用功能進行評價和預測；金石柱[12]等基于Landsat TM/ETM+遙感影像，利用最大似然法對延吉市進行了土地利用分類，并通過時序分析得到延吉市1991年、2001年和2006年居民地面積呈快速增加趨勢，耕地和草地逐漸減少，該地區的生態環境惡化與土地的錯誤利用有很大關系的結論；呂桂軍[13]收集整理了北京市海淀區1980-2010年的Landsat系列影像數據，探索了長時間序列Landsat影像在地理國情監測中的重要作用；杜挺[14]結合Landsat8 OLI數據，對比分析了遙感圖像的融合算法，探索了土地利用分類在土地使用中的適應性；陶蕊[15]等基于Landsat8和TM遙感影像，結合RS和GIS技術分析了滁州市2000年、2005年、2010年和2015年的土地利用變化情況，研究表明滁州市土地利用發生改變的原因是城鎮化以及退耕還林等。目前土地利用分類的研究主要集中在分類方法的比較[16]、大中城市[17]、流域[18]等方面，針對縣級小城市的研究還較少。四川省素有“天府之國”的美譽，城市擴張使得各城市土地利用狀況發生了很大改變[19]。大英縣位于四川盆地中部，是成渝雙城經濟圈黃金分割點。隨著城市基礎建設力度的加大、城鎮化水平大幅提高，大英縣耕地等其他用地大面積減少。平衡的生態環境與人類活動息息相關，城市發展路線將影響人類社會與自然環境的和諧相處[20]，依托可持續發展戰略，合理的資源配置與調整是重中之重[21]。因此，城市的土地利用規劃和調整十分重要，開展基于土地利用狀況的時空變化分析研究十分必要。本文首先對大英縣2002-2017年的地物類型進行了分類提取，再結合土地利用面積變化、動態變化幅度、動態度和轉移矩陣4個指標分析了各地物類型的時間序列變化情況。該研究成果以期為土地利用規劃與調整提供相應的科學參考。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

大英縣位于四川省中部，是成渝雙城經濟圈黃金分割點，經緯度范圍為 30°29′～30°44′N、105°15′～105°40′E。縣域東西長約為32 km，南北長約為26 km，交通便利、水系發達、河流縱橫；地形主要由3個區域合構而成，南北方向地勢高，中間區域低緩，西北沿東方向微微傾斜；土地類型以中、小丘陵為主，土壤類型為棕黃色黏土、亞黏土和紫色土[22]。

1.2 數據來源

本文采用來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）的Landsat系列遙感影像。該數據在可見光—近紅外（VNIR）波段光譜范圍大，波譜對地物響應敏感，可較好地分辨地物變化情況[23]。本文選用2002年、2006年、2009年、2014年和2017年5景遙感影像，影像質量良好，研究區無云，如表1所示。遙感數據的成像過程會受傳感器、大氣氣溶膠等其他客觀因素的影響，為獲取地表真實反射率，本文對Landsat系列數據進行輻射定標、大氣校正等預處理[24]。

表1 各年份影像信息

2 研究方法

2.1 分類方法

本文根據GB/T 21010-2017《土地利用現狀分類》[25]和大英縣土地利用實際情況[26]，利用最大似然法將研究區分為耕地、建設用地、林地、水域和其他用地5種土地利用類型。各土地利用類型解譯所選取的訓練樣本分離度均大于1.8，屬于合格樣本。土地利用分類結果通過聚類處理對小圖斑進行修正，Kappa系數均大于82.33%，滿足判別要求。

2.2 土地利用面積變化

本文根據土地利用分類結果，統計了2002年、2006年、2009年、2014年和2017年相鄰兩期的土地利用類型面積，并計算其面積變化情況，計算公式為；

式中， ΔS為相鄰兩期土地利用類型面積差值；S1為前期土地利用類型面積，單位為km2；S2為后期土地利用類型面積，單位為km2。

2.3 土地利用動態變化

土地利用時空動態幅度能反映不同年份土地利用面積的變化情況，揭示各土地利用類型在各年份的時空動態變化[27]；土地利用動態度是表示區域土地利用變化劇烈程度和變化差異的指標，反映了階段時間中土地利用變化的速度[28]。其計算公式為；

式中，RS為土地利用時空動態幅度；DS為土地利用動態度；S1為前期土地利用類型面積；S2為后期土地利用類型面積；T為相鄰兩期時間差。

2.4 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是表征一段時間內土地利用類型穩定轉移方向、結構的指標，能反映各土地利用類型的轉移情況[29]。其計算公式為；

式中，i、j為轉移前后的土地利用類型；n為轉移前后土地利用類型的數目；Sij為期間內i類土地利用類型轉移為j類土地利用類型的面積。

3 研究結果與分析

3.1 土地利用分類與面積變化

本文根據2002-2017年5期遙感影像數據，解譯得到各時期土地利用狀況的分類結果，如圖1所示，可以看出，15 a來大英縣的林地與建設用地面積逐漸增加，耕地面積逐漸減少。

圖1 大英縣土地利用分類結果

結合分類結果和式（1），得到各期各土地利用類型的面積及其變化情況，如圖2、表2所示，可以看出，大英縣的耕地面積最大，占比65%以上，其次是林地和建設用地，分別占比12%和14%以上；2002-2017年耕地面積逐年減少，由505.33 km2減少至461.78 km2，減少了8.6%；建設用地面積逐年增加，15 a間增量為3.23 km2，面積占比由11.94%上升至12.4%，這與大英縣近年來加大城市基礎建設力度、城鎮用地需求增加的現狀相一致；2002-2017年在國家倡導退耕還林和植樹造林、保護生態環境的政策基礎上，大英縣的林地面積也呈逐年增加的趨勢，增加了41.25 km2，漲幅為42.33%，面積占比由13.9%上升至19.8%；2002-2006年水域面積減小了0.51 km2，2006-2014年水域面積呈增加趨勢，增加至13.8 km2，2017年又減少至13.24 km2；2002-2014年其他用地面積持續增加，增加了0.5 km2，隨后減少至2017年的0.34 km2，降幅為62.5%；水域和其他用地呈波動變化趨勢，除土地利用類型存在轉移外，還可能源于影像采集時間的不一致，豐水期和平水期時涪江、郪江的水位會快速上升或下降，導致灘涂消退或顯現，影響面積的變化。

表2 各土地利用類型面積的總量變化

圖2 各期各土地利用類型的面積變化情況

3.2 土地利用動態變化分析

本文利用式（2）、（3）計算得到土地利用變化幅度和土地利用動態度，結果如表3所示，可以看出，耕地面積變化幅度均為負值，即土地面積逐期減少，但減少速度呈由快到慢的趨勢；2002-2006年、2006-2009年、2009-2014年耕地變化幅度分別為-1.44%、-2.21%和-3.5%，2014-2017年土地面積減小速度變慢，變化幅度上升至-1.75%，說明大英縣近年來在堅守18億畝耕地紅線政策實施上有所成效；2002-2014年林地面積的變化幅度逐期增大，分別為6.93%、9.11%、14.35%，而2014-2017年其變化幅度有所下降，下降幅度為7.66%，這是由于在四川省耕地保護系列措施中，林地作為耕地被建設用地占用后“占補平衡”的補充用地，總體來說林地面積在15a間整體變化幅度均為正值，呈持續增加趨勢；建設用地面積的增加速度在2002-2009年持續變快，變化幅度由1.23%增至1.38%，2009-2014年減至0.52%，2014-2017年又回升至0.67%，這是由于在城鎮化發展背景下，農村建設用地發生了大量轉移，繼而影響建設用地面積的占比，大英縣響應節約集約利用荒棄土地政策，減少建設用地的浪費，從而實現區域協調發展。

表3 各土地利用類型的動態變化/%

2002-2017 年大英縣耕地和其他用地動態度呈負值變化，建設用地、林地和水域動態度呈正值變化，其中林地面積變化最劇烈，在2002-2009年增長速度達到最大值，動態度從1.73%上升至3.04%，2009-2017年增長速度減緩，降至2.23%；其次為建設用地，各時段的動態度分別為0.31%、0.46%、0.10%、0.22%，建設用地面積變化劇烈程度先增后減，直至平穩；耕地面積逐期減小，縮減速度先由2002-2006年的0.36%上升至2006-2009年的0.74%，然后在2014-2017年逐漸減小為0.58%，土地面積動態變化劇烈程度緩慢減小；水域面積由于受降水、干旱等外因影響較大，不參與動態度分析。

3.3 土地利用轉移矩陣分析

土地利用類型不僅在面積上有所增減，還存在各土地利用類型之間的相互轉移。本文利用5景土地利用分類數據，分別對相鄰兩期土地利用類型面積進行轉移矩陣分析，得到各土地利用類型的面積轉化情況，如表4～7所示。

表4 2002-2006年大英縣土地利用類型轉移情況

表5 2006-2009年大英縣土地利用類型轉移情況

表6 2009-2014年大英縣土地利用類型轉移情況

表7 2014-2017年大英縣土地利用類型轉移情況

2002-2017 年大英縣土地利用類型發生了較大變化。耕地面積變化以轉出為主，轉出類型主要是林地和建設用地，2002-2006年的轉出量為12.66 km2，耕地分別向林地和建設用地轉移了8.33 km2和2.78 km2，分別占轉出總面積的65.7%和21.96%；2006-2009年、2009-2014年和2014-2017年3期耕地轉出為林地的面積占比最大，轉出量分別為12.9 km2、19.67 km2和11.15 km2，分別占轉出總量的86.12%、93.62%和93.78%；15a內轉出為水域的累計面積為2.12 km2，存在旱地轉水田的可能，耕地與其他用地之間幾乎無轉移關系。林地面積變化以轉入為主，15a間轉入林地最多的是耕地，各期轉入面積分別占轉入總量的87.41%、90.53%、96.28%和91.77%；同時林地每個時期也有不同程度地轉出為耕地，可能是在城鎮化發展占用耕地時，為保證耕地紅線而采取的林耕轉移以達到“占補平衡”的措施；林地轉出為水域的面積較小，僅為1.45 km2，且在2014-2017年無相互轉移，林地和其他用地之間幾乎無相互轉移關系。建設用地面積變化以轉入為主，耕地、林地、水域和其他用地均有轉入，其中耕地貢獻量最大，累計轉入面積為6.7 km2，貢獻率為64.05%，其次是林地，轉入面積為2.99 km2，貢獻率為28.59%，建設用地與水域、其他用地的轉移關系較微弱。2002-2017年水域主要轉出為耕地和林地，累計轉出量分別為3.75 km2和1.45 km2，其中2014-2017年水域和林地無相互轉移；其他用地由于影像時相的原因，表現出轉移較頻繁且轉移對象不盡相同的現象，但總體相互轉移面積較小。

4 結 語

本文以2002年、2006年、2009年、2014年和2017年5期大英縣遙感影像為數據源，從土地利用面積變化、土地利用動態變化幅度、動態度和土地利用轉移矩陣4個方面對大英縣2002-2017年土地利用時空變化情況進行了分析，得出的結論為；

1）大英縣土地利用類型以耕地為主，占全縣面積的65%以上；其次是林地和建設用地，分別占比12%和14%以上；水域和其他用地面積較小。各土地利用類型面積變化差異較大，耕地面積逐期減少，凈減少量為43.55 km2；建設用地和林地面積則逐期增加，分別凈增長了3.23 km2和41.25 km2；水域面積先減后增；其他用地面積先增后減。

2）2002-2017 年不同時期土地利用動態變化幅度和動態度變化存在較大差異。耕地面積變化幅度為負值，即土地面積逐期減少，面積縮減率先增后減；林地和建設用地面積變化幅度為正值，面積增長率先增后減。15a間動態度變化較為劇烈的是耕地和林地，建設用地面積變化劇烈程度先增后減，然后至平穩。

3）耕地向建設用地和林地轉移、林地和耕地相互轉移是2002-2017年大英縣的主要土地利用轉移類型。15 a間耕地向林地的轉移量最多，其次是建設用地和水域；林地轉出為耕地各期面積比重較大，轉出為水域面積較小；建設用地轉入土地類型中耕地貢獻量最大，其次是林地；水域主要轉移為耕地和林地；其他用地相互轉移面積較小。