近10 年青島市土地利用景觀格局時空變化特征

李嘉琪，段夢琦，尹建國，郭志謙，張曉光*

（1. 青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109；2. 山東省第四地質礦產勘查院，山東 濰坊 261021）

土地是人類賴以生存的基本資源，隨著城市化的進一步推進，土地的合理分布和使用是區域可持續發展的重要條件之一，因而關注區域土地資源的時空動態與格局具有極其重要的意義。針對土地利用時空動態變化，眾多學者從城市群、省域尺度、地市級縣域尺度開展了大量研究[1-3]，既有針對綜合土地利用類型的研究[4-5]，也有針對耕地、鹽堿地、水域等單一土地利用類型的分析[6-8]。在研究內容方面，除關注區域土地利用類型的數量變化和空間分布演變外，還研究了土地利用變化的驅動力[4]，并對未來的土地情況開展了情景預測研究[8]。由于遙感技術能快速、大尺度地獲取地面信息，因此在土地資源調查相關研究中得到廣泛應用[9]。隨著土地利用變化研究的深入，土地利用類型的分布格局開始得到重視。土地的分布格局更多的是利用景觀格局指數從景觀角度來分析[10-12]。土地景觀格局指數包含大量景觀格局信息，能反映景觀的區域空間幾何特征，對于土地的合理利用和管理具有良好的指導意義，是研究土地利用的重要分析方法[13]。

通過遙感監測獲取土地利用類型變化數據，利用景觀格局指數分析土地變化特征，并結合實地情況探究土地類型變化的原因和趨勢，能為城市規劃與發展提供依據和支撐；但不同的經濟發展水平下，區域土地利用類型的面積和分布特點也不相同，且在快速發展地區的土地利用變化更為復雜。因此，本文選取我國東部經濟快速發展地區——青島市作為研究對象，通過 2009 年、2014 年和 2019 年 3 期 Landsat 系列衛星影像提取了主要土地利用類型；再結合景觀格局分析等方法，對近10年青島市的土地利用類型動態演變特征進行了分析，以期為提高土地利用率、合理優化布局提供依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

本文選取山東省青島市作為研究區，地理坐標為35°35′~37°09′N、119°30′~121°00′E，行政區劃如圖1所示。青島市下轄7 個市轄區，代管3 個縣級市（膠州市、平度市、萊西市），總面積為11 293 km2；東、南部瀕臨黃海，是典型的海濱城市；地勢東高西低，南北兩側隆起，中間低凹；空氣濕潤、四季分明，屬溫帶季風氣候；擁有大沽河、北膠萊河以及沿海諸河流三大水系；土壤類型豐富，主要包括棕壤、潮土、褐土、砂姜黑土等。青島市位于中日韓自貿區的前沿地帶，是山東省東部沿海快速發展地區、國家重要的現代海洋產業發展先行區，也是一帶一路新亞歐大陸橋經濟走廊主要節點城市和海上合作戰略支點。《2019 年青島市國民經濟和社會發展統計公報》顯示，青島市生產總值達到11 741.31億元，人均GDP 為124 282 元，外貿貨物進出口總額為5 925.6 億元[14]，表明該地區經濟發展迅速，是我國東部典型的快速發展城市[15]。

圖1 青島市行政區劃示意圖

1.2 數據來源

本文從地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）獲取了2009年的Landsat TM影像以及2014年、2019年的Landsat8 OLI 衛星影像。為了覆蓋整個研究區域，3 個年份分別獲取了兩景空間分辨率為30 m的衛星影像。本文利用ENVI 5.1 軟件對Landsat 影像進行輻射定標、幾何校正、影像拼接、裁剪等預處理[16]，并對預處理后的研究區影像進行影像增強處理。

1.3 土地利用類型分類方法

根據遙感影像中地物的光譜特征，并結合野外實地調查，本文建立了林地、水域、耕地、建設用地、未利用地5 個感興趣區；利用最大似然法對各時期的影像數據進行最大似然監督分類，從而提取不同的土地利用類型。最大似然法是一種監督分類方法，假定訓練樣本在光譜空間中服從高斯正態分布[17]，通過統計感興趣區地類的影像信息，根據貝葉斯準則進行地物的判別解譯。其計算公式為：

1.4 精度評價

本文采用混淆矩陣進行精度評價。混淆矩陣通過分類誤差構成的矩陣來比較遙感分類結果與地表真實情況的差異。矩陣中的每一列代表地表提取的真實地物類別數，每一行代表每一列中的數值等于地表真實像元在分類圖像上對應的類別數，包括像元數和百分比兩種表示方法[18]。通過混淆矩陣可進一步計算遙感分類結果的總體精度（OA）和Kappa系數[19]。OA是所有被正確分類的樣本數量與總體樣本數量的比值，能很好地表征分類結果的整體正確率[19]；而Kappa 系數則能客觀評價分類結果的質量。

1.5 景觀指數計算

本文將提取的3 期土地利用分類結果數據導入Fragstats 4.2軟件進行景觀格局分析。景觀格局分析包括斑塊、類型和景觀3 個水平的景觀指數[20]。本文選擇類型水平下的斑塊密度（PD）、斑塊數目（NP）、最大斑塊指數（LPI），景觀水平下的香農多樣性指數（SHDI）、香農均度指數（SHEI）、蔓延度指數（CON?TAG）、散布并列指數（IJI）、景觀形狀指數（LSI）進行分析。這些指標常用于描述整個景觀的異質性和景觀破碎度，也可反映景觀要素的豐富度以及內部斑塊的連接緊密度與聚集度，是描述景觀格局的重要指數。景觀格局指數的定義及其生態意義詳見參考文獻[20]、[21]以及 Fragstats手冊。

2 研究結果與分析

2.1 土地利用類型時空動態變化特征

本文對2009年、2014年、2019年3期研究區影像進行最大似然分類，分類精度如表1 所示，可以看出，分類精度較高，OA均大于80%，Kappa系數均大于0.75，分類結果可靠。本文進一步利用ArcGIS軟件制作土地利用類型的空間分布圖（圖2），可以看出，2009—2019年青島市的林地主要集中在嶗山區、平度市、黃島區，且林地面積逐步增加；耕地在平度市和萊西市分布廣泛，膠州市和黃島區也有分布；建設用地主要分布在市南區、市北區、嶗山區、李滄區和城陽區，且隨著經濟發展逐步擴張；未利用地的面積持續減少。

表1 2009—2019年遙感分類混淆矩陣精度評價結果

圖2 2009年、2014年、2019年青島市土地利用類型遙感解譯結果

根據分類結果，本文進一步統計了各土地利用類型的面積及其占比，并分析了各土地利用類型面積的變化趨勢，如表2 和圖3 所示，可以看出，2009—2019 年青島市的林地面積迅速增加，由1 477.12 km2增至1 953.69 km2，占比由13.08%提高到17.30%，增長速度為19.34%，表明該時期青島市響應國家號召進行生態建設，加快林業發展、實施大規模封山育林，再加上城市中的綠化建設，綜合促使林地面積逐年增加；建設用地面積持續增加，由2 144.54 km2增至2 763.40 km2，占比由18.99% 提高到24.47%，其中2009—2014 年的增長速度為6.63%，2014—2019 年的增長速度為20.84%，后期增長速度快的重要原因之一是膠州灣北部城市城鎮化的推動和大幅度開發，隨著青島市發展規劃的推進，建設用地面積仍將呈增長趨勢；2009—2019 年耕地面積先減后增，整體保持平穩，2009—2014年隨著退耕還林和城鎮化的推動，耕地面積有所減少，減少的耕地大部分轉化為建設用地和林地，為保護耕地紅線，后期開展了大量土地整理，因此2014—2019年耕地面積呈增長趨勢，耕地占比由30.38%提高到33.33%，增長速度為9.71%；水域范圍縮小，面積整體呈減小趨勢，可能是由人類開發與不合理利用所致；隨著人類開發，未利用地持續減少，2009—2014 年減少速度為8.39%，2014—2019 年減少速度攀升，為22.74%，這與城市建設、生態建設密切相關，未利用地高速轉化為建設用地、林地、耕地等。

圖3 2009—2019年青島市土地利用類型面積變化趨勢

表2 研究區影像最大似然分類統計結果

2.2 景觀格局動態變化

2.2.1 類型水平

2009—2019年青島市類型水平景觀格局指數統計結果如表3 所示，可以看出，2009—2014 年青島市林地的 NP 由 106 256 減少到 32 453，PD 由 4.41 下降至1.35，說明林地面積持續增長的同時其景觀破碎化程度也出現降低，表明該時期青島市林地的聚集度大幅提高；“十二五”期間青島市委市政府出臺了《中共青島市委青島市人民政府關于創建國家森林城市的意見》，“創森”期間青島市進行了大規模的造林綠化建設和大幅度的綠化景觀提升，2015年全市累計建設萬畝林場35處，這一系列的措施提高了林地面積；截至2019 年，林地的 NP 增加至 117 098，PD 上升至 4.86，表明林地面積持續增長的同時內部斑塊分布離散化，分布不均、發展不平衡，這與青島市可造林地縮減、新增造林空間有限以及相關部門針對蟲害和污染采取的積極管控工作有關。

表3 2009—2019年青島市類型水平景觀格局指數統計結果

2009—2019 年水域面積整體呈減小趨勢，NP 持續降低，PD由4.29下降至0.97，表明水域的斑塊離散化程度降低，呈現強烈的聚集趨勢。其原因是近年來由于水污染和不合理用水問題凸顯，青島市大力開展了大沽河水系的綜合治理以及“水系連通”工作，進而水域呈現聚集聯通特點。

2009—2019 年建設用地面積持續增加，但其NP經歷了先增后減的過程，由156 196 增加到176 270，后又減少至98 600。前期經濟社會飛速發展，GDP與建設用地面積呈正相關，建設用地在全市內快速擴張，景觀破碎化程度加劇；而后期隨著政府對建設用地審批與管理工作的推進以及征地與開發項目的開展，土地規劃更加合理，使得建設用地面積增加的同時景觀內部產生聚集大斑塊。

2009—2019年耕地的NP由68 774減少到49 173，后又增加至90 002，PD也呈先減后增的趨勢。前期由于建設用地與林地的擴張以及未利用地的開發，耕地迅速減少；2014—2019 年耕地的景觀破碎化程度較大，由聚集大斑塊離散為小斑塊的程度加劇，表明該時期受外部影響較大，青島市堅持保護耕地紅線、采取積極措施確保耕地面積不減少、質量有提高，耕地景觀內部斑塊數目逐步增多。

2009—2019年未利用地面積持續大幅減少，2019年NP 下降至66 960，PD 下降至2.78，原因在于青島市未來城市的規劃布局已批復，不斷開發未利用土地進行農業、林業等的建設。

LPI能反映景觀規模以及景觀內部優勢斑塊類型，間接反映土地利用變化的方向和強弱[12]。2009 年、2014 年、2019 年青島市LPI 對比如圖4 所示，可以看出，整體變化幅度依次為未利用地＞耕地＞建設用地＞林地＞水域，說明未利用地是變化最強烈的土地利用類型，2009—2019年青島市的未利用地開發活動比較劇烈；而水域是土地利用類型變化最弱的，因此水域是受人類活動影響最小的土地利用類型。

圖4 2009年、2014年、2019年青島市景觀類型LPI對比

2.2.2 景觀水平

SHDI能反映景觀的空間異質性，其值為0表示該景觀僅由一個大的斑塊組成，值越大表明該地區土地利用類型越豐富，各斑塊的均衡化趨勢越明顯。SHEI也是一個敏感指標，其值越接近1 說明該景觀的多樣性越大、分布越均勻。CONTAG與景觀破碎化程度密切相關，其值越高表示優勢土地利用類型具有很好的連通性。LSI 是表征整個區域內土地斑塊形狀特點的指數，能反映土地斑塊形狀的復雜程度[22]。由表4 可知，2009—2019年青島市SHDI均大于1，且值比較接近，說明青島市近年來土地利用類型一直較為豐富且分布均衡；2009—2019 年青島市SHEI 偏大，說明存在多種優勢斑塊類型且趨于穩定；2009—2014 年CONTAG 升高，景觀破碎度減小，優勢斑塊連接緊密，2014—2019 年CONTAG 降低，離散化程度加劇，形成包含多種要素的密集景觀格局；2014年、2019年的IJI 均比2009 年有所降低，說明后期優勢斑塊變得相互鄰近；LSI 持續下降表明青島市景觀形狀趨于規則化，在一定程度上說明了土地利用與開發正在變得由點及面的規模化。

表4 2009年、2014年、2019年青島市景觀水平景觀格局指數統計結果

綜合分析2009—2019年青島市土地利用時空動態變化與景觀動態變化可知，青島市土地利用類型豐富，總體分布相對均衡，但變化過程復雜，不同時期時空動態變化速度不同，整體景觀破碎化程度與各土地利用類型景觀破碎度不具有相關性。

3 結 語

1）2009—2019 年青島市的林地、建設用地面積逐步增加，未利用地面積持續減少。各時期的增長速度不同，除耕地外，其他土地利用類型均有較大波動，在時空變化上復雜多變。

2）整體景觀破碎化程度與各土地利用類型景觀破碎度不具有相關性。2009—2019年青島市整體景觀格局具有多樣性，類型豐富且分布均衡穩定，景觀破碎度呈減小趨勢，表現為形狀較規則、斑塊較密集的特征。