基于遙感影像的2018—2020年肥城市土地利用變化分析

2024-01-01 00:00:00石舒心

鄉村科技 2024年5期

摘要：隨著經濟的快速發展和城鎮化進程的不斷推進，肥城市的土地利用格局發生了較大變化。精準把握肥城市土地利用變化特征，對優化土地利用空間格局具有重要意義。基于2018—2020年肥城市的Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像數據，采用土地利用動態度、土地利用類型轉移矩陣、重心遷移模型等方法對肥城市土地利用變化狀況進行分析。結果表明：2018—2020年，肥城市土地利用類型以耕地、城鄉建設用地、林地為主；2018—2020年，肥城市土地利用類型變化、時空變化相對較快，綜合土地利用動態度為8.73%，其中土地利用動態度最大的地類是城鄉建設用地，最小的是草地；2018—2020年，肥城市城鄉建設用地、林地、水域、未利用地面積擴大，而耕地、草地面積縮小。

關鍵詞：GIS；土地利用變化；肥城市

中圖分類號：F321.1；P237 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）5-122-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.05.028

0 引言

土地利用是指人類開展的所有有目的的開發利用土地資源的行為［1-2］。分析土地利用的時空變化是各領域的重要研究內容，能為土地資源合理利用提供重要的科學依據［3］。目前，諸多學者已對土地利用變化進行了研究。陳伊多等［4］基于各期Landsat TM/ETM遙感影像，采用土地利用動態度、轉化趨勢等方法分析了西藏自治區土地利用/覆被特征。馮應斌等［5］綜合運用空間自相關模型、地理探測器等，分析了貴州省耕地顯性邊際化的總體態勢、空間集聚效應及相關影響因素。廖美玉等［6］采用Mann-Kendall、滑動t檢驗、標準差橢圓和重心遷移模型等方法，探究了近40年黃河流域土地利用/覆被時空變化特征。張晨基等［7］在采用土地利用動態度及土地利用轉移矩陣方法的基礎上，疊合DEM高程數據，對新疆土地利用時空變化進行研究。安彬［8］采用土地利用程度綜合指數、土地利用信息圖譜等方法，研究了1985—2020年漢江生態經濟帶土地利用/覆蓋演變特征。以上研究多從大的時間和空間尺度上對土地利用進行分析，不利于捕捉小的時間和空間尺度上的土地利用時空變化。基于此，筆者以肥城市為研究區域，基于2018—2020年的土地利用狀況，探究該區域的時空變化特征，以期為肥城市土地利用空間規劃提供理論依據。

1 研究區概況

肥城市隸屬于山東省泰安市，地處山東中部、泰山西麓，位于北緯35°53′～36°19′，東經116°28′～116°59′；地勢北高南低，由東北向西南傾斜；中部隆起地帶為丘陵山地，北部是康匯平原，南部是汶陽平原，自然形成了平原、山地、丘陵等多種地貌形態［9］；屬溫帶季風氣候區，四季分明，雨熱同期，光照充足，氣候溫暖，年平均降水量為659 mm。肥城市礦產資源豐富，礦業勘探開發歷史悠久，探明資源量大。目前，肥城市已發現礦產29種，占山東省已發現礦產總數的47.6%。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源

2018—2020年肥城市土地利用遙感監測數據來自地理空間數據云。各年份土地利用類型數據通過對各期Landsat 8 OLI_TIRS 遙感影像（分辨率為30 m）人工目視解譯生成，利用ENVI 5.6裁剪、輻射定標、大氣校正等預處理，在ArcGIS 10.2和Excel中進行處理統計。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度

土地利用動態度反映一定時期內某一區域不同土地利用類型的數量變化，一般分為單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度［10］。

2.2.1.1 單一土地利用動態度

單一土地利用動態度表示一定時期內某一區域某一種土地利用類型的數量變化情況［11］，其表達式見式（1）。

式（1）中：Ki為研究區域內第i類土地利用類型在a～b時段內的土地利用動態度；Uia、Uib分別為a、b時段第i類土地類型的面積；Ta、Tb分別為研究初期時間與研究末期時間。

Ki值越大，表示該土地利用類型轉化為其他類型土地的數量越多，即在研究時段內相對變化程度較大；反之，轉化數量越少，在研究時段內相對變化程度較小。

2.2.1.2 綜合土地利用動態度

綜合土地利用動態度表示一定時期內某一區域不同土地利用類型之間的數量變化情況［12］，其表達式見式（2）。

式（2）中：LC為一定時期內綜合土地利用動態度；LUi為研究初期第i類土地利用類型的面積；ΔLUi為研究期內第i類土地利用類型轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為研究時段。

LC值越大，表示該區域土地利用類型的變化程度越大；反之，表示該區域土地利用類型的變化程度越小。

2.2.2 土地利用類型轉移矩陣

土地利用類型轉移矩陣以矩陣的形式將2個不同時期土地利用類型之間互相轉換的數量關系展現出來，是具體反映土地利用變化的結構特征和各類型之間轉移方向的重要方法［13］。其表達式見式（3）。

式（3）中：Sij表示從研究初期到研究末期土地類型由i轉化為j的土地面積；n表示土地利用類型的數量；i、j分別為研究初期、研究末期的土地利用類型。

2.2.3 重心遷移模型

重心遷移模型用于反映研究區域內各土地利用類型在時空分布上的動態變化，可以精確把握土地利用類型的空間遷移趨勢［14］。其表達式見式（4）。

式（4）中：Xt和Yt分別為t時期某種土地利用類型質心的經度和緯度坐標；Cti為t時期某種土地利用類型第i個斑塊的面積；Xti和Yti分別為t時期土地利用類型第i個斑塊的幾何重心經度和緯度坐標。

3 結果分析

3.1 土地利用分類結果

研究利用ENVI 5.6與ArcGIS 10.2，根據土地利用分級系統，對2018年、2019年、2020年肥城市3期土地利用遙感影像進行目視解譯，得到3個時間節點的土地利用類型分類格局。

肥城市土地利用類型統計情況見表1。由表1可知，在肥城市的土地利用構成中，耕地、城鄉建設用地和林地是三大主導類型，這3種類型的土地總面積占據了全市土地總面積的90%以上。在所有土地利用類型中，耕地面積所占比重一直最大但呈逐年遞減的趨勢，城鄉建設用地面積逐年增加，林地面積整體呈上升趨勢，草地、水域及未利用地面積占比較小且波動較小。

具體到空間分布上，肥城市的耕地面積最大，主要分布在肥城市北部的康匯平原和肥城市南部的汶陽平原，而在肥城市中部的丘陵地帶則有相對零星分布；城鄉建設用地在肥城市北部地區更為密集，而在肥城市南部較為分散；林地主要集中分布在肥城市北部山區和肥城市中部丘陵地帶；草地多分布在肥城市北部山麓和肥城市中部的丘陵地帶；水域則主要分布在肥城市南部的大汶河、肥城市中部的康王河及肥城市北部的礦區塌陷區；未利用地在肥城市極為少見，只在肥城市北部山區的某些區域有少量分布。

3.2 土地利用時間變化

2018—2020年肥城市土地利用動態度見表2。由表2可知，2018—2020年，土地利用動態度最大的是城鄉建設用地，最小的是草地，說明在此期間城鄉建設用地增加的幅度和草地減少的幅度最為明顯；耕地的土地利用動態度小于０，表明耕地面積逐年減少，這種現象可能是由城市化進程加快造成的；林地、水域、草地、未利用地的土地利用動態度均從小于0到大于0，表明其面積均為先減少后增加，2019年后這4類土地利用類型面積增大，可能與人類工農業活動、出行減少有關；城鄉建設用地的土地利用動態度均大于0，表明城鄉建設用地的土地利用面積持續增加，說明2018—2020年肥城市經濟發展速度較快、人類活動強度加劇。2018—2020年肥城市的綜合土地利用動態度為8.73%，綜合土地利用動態度大于2.50%，說明土地利用變化為快速變動型［15］，整體土地利用類型數量變化相對較快。

3.3 土地利用空間變化

3.3.1 土地利用轉移矩陣

2018—2019年、2019—2020年肥城市土地利用類型轉移矩陣分別見表3和表4。由表3和表4可知，2018—2020年，耕地的流出面積最多，流出面積為184.81 km2，主要流向了城鄉建設用地和林地；林地的流出面積次之，流出面積為47.13 km2，主要流向了耕地。流入面積最多的是城鄉建設用地，流入面積為110.18 km2，主要來源于耕地和林地；林地的流入面積次之，流入面積為85.13 km2，主要來源于耕地和草地。

總體而言，肥城市土地利用變化表現為城鄉建設用地、林地和水域的面積增加，而耕地、草地和未利用地的面積減少。這一變化主要是因為城市化進程加快，城鄉邊界不斷擴展，城市化水平逐漸提高。同時，退耕還林政策的實施和礦區塌陷區的植被恢復，尤其是速生楊的種植，也是林地面積增加的重要原因；礦區塌陷形成的水體導致水域面積增加。這些變化反映了肥城市土地利用的動態調整既是城市化發展的必然結果，也是生態恢復和環境治理政策實施的具體體現。

3.3.2 重心遷移

2018—2020年肥城市土地利用類型的重心變化情況見表5。由表5可知，肥城市耕地重心向肥城市東南方向遷移，城鄉建設用地重心向肥城市西北方向遷移，二者遷移方向相反，主要是因為城市擴張占用大量耕地資源、消耗大量水資源，西北部地形平坦且有河流經過，適宜城市建設，因此城市向西北方向遷移。

4 結束語

筆者根據地理空間數據云的遙感監測數據，采用土地利用動態度、土地利用類型轉移矩陣、重心遷移模型等方法，并借助ArcGIS10.2、ENVI5.6和Excel，對2018—2020年肥城市土地利用類型時空變化特征進行研究，得出以下結論。

①2018—2020年，肥城市土地利用類型以耕地、城鄉建設用地、林地為主；肥城市的綜合土地利用動態度為8.73%，整體土地利用類型數量變化相對較快，多數土地利用類型的單一動態度數量變化相對劇烈，與城市快速擴張有關。因此，政府部門應重視土地利用空間規劃，合理規劃利用土地，確保城市可持續發展。

②2018—2020年，肥城市城鄉建設用地、林地、水域、未利用地面積擴大，耕地、草地面積縮?。桓刂匦南蚍食鞘袞|南方向遷移，城鄉建設用地重心向肥城市西北方向遷移。因此，政府部門應加強對非農業用地侵占基本農田的管理，減少耕地非農化、非糧化，確保耕地面積合理穩定。

此研究以縣級市為例，從多種土地利用類型的綜合利用到單一土地利用類型的綜合利用的變化，綜合研究了肥城市土地利用類型特征，彌補了從大的時間和空間尺度上研究的局限性與片面性。但由于數據的可獲取性有限，僅研究了部分現象，沒有具體分析肥城市土地利用類型變化的驅動因子，并且直接利用遙感影像數據進行監督分類，土地利用分類精度可能會存在一定的誤差。因此，在未來的研究中，研究者應完善對肥城市土地利用類型驅動因子的分析，提高分類精度，以得到更精確的研究結果。

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