基于地形梯度的礦業城市土地利用格局變化特征分析

摘要 以礦業城市雞西市為例，在RS和GIS支持下，運用地形位指數、分布指數和土地利用變化圖譜等方法，定量分析礦業城市土地利用格局的變化特征。結果表明：受采礦活動和城市擴張的影響，礦業城市土地利用類型在不同地形上的分布具有較強烈的差異性；耕地和建設用地在低地勢區域的變化頻率較高，且逐漸向高地勢區域拓展；在中地勢區域多發生耕地、林地和草地的交替轉化。

關鍵詞 土地利用變化；地形梯度；礦業城市；RS；GIS

中圖分類號 F301；P901 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）13-0055-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.13.014

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Change Characteristics of Land Use Pattern in Mining City Based on Terrain Gradient—Taking Jixi City as an Example

DONG Lun，YE Xin

（School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science & Technology，Harbin，Heilongjiang 150022）

Abstract Taking Jixi City， a typical mining city as an example， this paper quantitatively analyzed the changing characteristics of land use patterns in mining cities by using the methods of terrain location index， distribution index and land use change map under the support of RS and GIS. The results showed that affected by mining activities and urban expansion， land use types had strong differences in different terrain gradients;arable land and construction land had a high frequency of change in low-lying areas， and gradually expanded to high-lying areas;alternate transformation of arable land， forest land and grassland occurs frequently in topographic areas.

Key words Land use change;Terrain gradient;Mining city;RS;GIS

基金項目 黑龍江省自然科學基金優秀青年項目（YQ2019D006）；黑龍江省普通本科高校青年創新人才培養計劃項目（UNPYSCT-2020032）。

作者簡介 董倫（1996—），男，黑龍江雞東人，助教，碩士，從事3S技術集成與應用研究。*通信作者，講師，博士，從事土地信息技術應用與地理信息系統研究。

收稿日期 2023-11-30；修回日期 2023-12-25

隨著人類社會經濟的發展，土地利用格局變化對全球氣候、環境、生態等都產生了一定影響［1-2］。地形是影響土地利用格局變化的重要因素之一［2］，對區域內的水、熱、營養起到再分配的作用［3-5］，區域土地利用的方式和發展方向在很大程度上也受到了地形的影響［6］。分析土地利用類型的分布與地形梯度之間的相互關系，對探究城市土地利用格局的空間結構和土地利用類型在不同地形上的分布規律具有重要作用［4，7-8］。近年來，許多學者對典型城市不同地形上土地利用的分異特征進行了定量研究，分析其內在規律［9-13］，但以礦業城市為對象的研究比較少見。作為以礦山為主導發展要素的城市，礦業城市的地形具有一定特殊性：一方面，采礦活動使礦業城市土地形成了大量采空區，對區域地表土地利用變化造成了極大影響［14］；另一方面，大量土地、植被資源遭到礦山占壓和破壞，剝離了煤層上覆巖土層［15］，改變了礦區原有的地形地貌。因此，從地形的視角研究礦業城市的土地利用格局演變特征，對后續礦業城市的土地利用規劃和轉型發展具有重要的科學參考價值。筆者以典型礦業城市雞西市為研究區，在RS和GIS支持下，運用地形位指數、分布指數和土地利用變化圖譜等方法，定量分析礦業城市土地利用格局的變化特征和分布特征，探討變化原因，以期為礦業城市土地利用規劃和可持續發展提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

雞西市位于黑龍江省東南部，市域總面積2.25萬km2，下轄雞冠區、麻山區、恒山區等6個區。雞西市地形以山地、丘陵、平原為主，境內礦產資源十分豐富，曾經在黑龍江省“四大煤城”中位居第一。截至2020年，雞西市煤炭儲存量約為59.12億t。然而，由于礦產資源的不合理開發和土地資源的濫用，部分合理的景觀結構和生態環境受到破壞，極大影響了區域地表的土地利用格局。

1.2 數據來源

該研究數據來源于Landsat系列遙感影像，空間分辨率為30 m，其中1990、1998、2009年影像數據來源于Landsat 4-5 TM衛星，2016、2020年影像數據來源于Landsat 8 OLI衛星。通過目視解譯方法，結合研究區實際情況將研究區土地利用類型分為耕地、林地、水域、建設用地、草地、未利用地6類。DEM數據來源于地理空間數據云網站，用于提取高程和坡度信息。

1.3 研究方法

1.3.1 地形位指數。

地形和高程作為地形條件會影響土地利用類型的分布，為體現兩者的綜合影響，將高程與坡度2個因子進行組合，得到地形位指數（T），以此劃分研究區的地形梯度［2，16-17］。

T=log［（E+1）（S+1）］（1）

式中：E為任意一點的高程；S為任意一點的坡度；為平均高程；為平均坡度。

1.3.2 分布指數。

不同地形梯度上的各種土地利用類型的分布情況可以用分布指數P來表示，見公式（2），它可以消除由于面積比例不同而產生的量綱差異［2，16-17］。當P<1時，表明在此梯度上該土地利用類型呈劣勢分布。

P=（SieSi）/（SeS）（2）

式中：Sie為在e級梯度上第i種土地利用類型分布的面積；Si為第i種土地利用類型的總面積；Se為e級梯度的總面積；S為研究區的總面積。

1.3.3 土地利用變化圖譜。

土地利用變化圖譜是一種土地利用類型空間結構特征和時間相結合的專題地圖，它可以反映出土地利用類型變化的屬性和過程［17-18］。參考相關研究［19-20］，結合該研究的實際情況改進得到土地利用變化圖譜Y的計算公式：

Y=（G1990）×104+（G1998）×103+（G2009）×102+（G2016）×10+G2020（3）

式中，Gn表示為第n期的土地利用柵格屬性值。

2 結果與分析

2.1 土地利用格局分布特征分析

將研究區的地形梯度進行分類（表1），其中1～3級為低地勢區，4～6級為中地勢區，7～10級為高地勢區（圖1），從表1來看，研究區內大部分地區為中低地形區域，其中1～6級面積占比達到91.39%；7～10級面積占比僅為8.61%，說明研究區內有較少的高地勢區域。并且土地利用類型分布面積占比隨梯度的增加呈現出先上升后下降的趨勢。從圖1來看，研究區內地勢總體上表現為南低北高。

從土地利用類型在地形梯度上的分布情況（圖2）來看，耕地、建設用地和水域集中分布于低地勢區域，隨著時間的增加，耕地和建設用地的分布指數減小，在高地勢區域，這2種類型的分布均有所增加，一方面，由于城市化建設活動的推進侵占了部分低地勢區域的耕地，使耕地向高地勢區域移動；另一方面，隨著人民生活品質逐漸提高，增加了對綠色生態環境的需求量，減少了單一建設用地的無序擴張［17］，但隨著城市轉型發展工作的需要，建設用地開始向高地勢區域擴張。林地集中分布于高地勢區域，1990—2016年退耕還林等保護環境的政策使林地的分布指數持續增加，2016年起，雞西市轉型發展工作推進，城市現代化建設活動使林地的分布指數減小。草地主要分布在中高地勢區域。未利用地分布指數的變化情況相對復雜，但整體表現為隨著地形梯度的增加呈逐漸下降的趨勢，煤炭資源的開采活動和土地復墾活動決定了采煤廢棄地數量的增加和減少，進而影響了未利用地的變化。

2.2 土地利用類型變化特征分析

借助ArcGIS 10.6軟件，采用公式（3）計算得到土地利用變化圖譜，根據相關研究［21］，1990—2020年雞西市的發展經歷了4個階段，其中1990—1998年為導入期，1999—2008年為成長期，2009—2015年為成熟期，2016—2020年為轉型期［17］，基于此劃分結果，該研究將圖譜分為5種模式，并統計出各圖譜模式中主要變化圖譜的面積（表2）。

由表2可知，1990—2020年，穩定型是研究區的主要圖譜模式，面積比例為66.91%，其主要變化圖譜類型為“F-F-F-F-F”和“A-A-A-A-A”，說明林地和耕地是雞西市的主要土地利用類型。反復變化型主要表現為“F-F-A-A-F”和“A-A-F-F-A”，受早期的毀林開荒活動和后期的退耕還林政策的綜合影響，部分林地和耕地發生相互轉換。前期變化型主要為“G-G-A-A-A”和“A-A-C-C-C”，后期變化型主要為“A-A-A-A-C”，反映出為滿足人們生活的需求，部分草地轉化為耕地，而由于城市現代化建設的需要，部分耕地也受到其他土地類型的侵占。持續變化型面積占比僅為1.27%，以“G-G-F-F-A”變化為主，說明部分原始草地轉化為林地后又轉化為人們所需要的耕地。

2.3 土地利用類型變化分布特征分析

從主要變化圖譜在不同地形梯度上的分布情況（圖3）可以看出，穩定型“F-F-F-F-F”圖譜在高地勢區域分布較多，“A-A-A-A-A”圖譜在低地勢區域分布較多，這表明林地和耕地變化的分布嚴格受到地形的限制；反復變化型“F-F-A-A-F”和“A-A-F-F-A”優勢分布于中地勢區域，且變化趨勢相同，均表現為先上升后下降；前期變化型“A-A-C-C-C”圖譜主要分布在低地形區域，“G-G-A-A-A”圖譜主要分布于中地勢區域；后期變化型“A-A-A-A-C”圖譜優勢分布于低地勢區；持續變化型“G-G-F-F-A”圖譜主要分布于中地勢區域。可見，研究區土地利用類型的變化主要分布于低地勢和中地勢區域，較少分布于高地勢區域，隨著礦業城市經濟發展和城市轉型發展的需要，采礦活動和城市建設活動增加，且多發生在低地勢區域，對低地勢區域原有土地類型造成較大影響，使土地變化向其他地勢區域蔓延，具體表現為林地與耕地在中地勢區域的相互轉化，耕地在低地勢區域轉化為建設用地以及草地在低地勢區域轉化為耕地。

3 結論與討論

該研究以雞西市1990、1998、2009、2016和2020年5期土地利用數據為基礎，采用土地利用變化圖譜、地形位指數和分布指數等方法，分析了礦業城市土地利用格局的變化特征，結果表明：

（1）土地利用類型在不同地形梯度上的分布具有明顯的差異性。耕地主要分布于低地勢區域，林地則主要分布于高地勢區域。建設用地主要分布于低地勢區域，說明在礦業城市中，不僅住宅、商業等各類城市用地的建設受地形條件約束，一些煤炭開采、礦物加工等大型生產基地也多集中于地勢平坦區域［22］。水域主要分布于低地勢區域。草地主要分布在中高等級地形梯度上，未利用地分布無明顯規律，這2種土地利用類型的分布受采礦活動強度的影響較大。

（2）土地利用類型之間轉化的頻率在不同地形梯度上也具有明顯的差異性。在中地勢區域多發生耕地和林地的交替轉化以及草地向耕地的轉化；在低地勢區域多發生耕地向建設用地的轉化［17］，且土地利用類型轉化現象多出現在2016年之前。1999—2015年，雞西市礦業產業規模穩步上升，經濟發展迅速，隨著礦產資源開采規模的進一步擴大，生態景觀和地質環境受到嚴重影響，而中地勢區域作為耕地和林地優勢區域的交界區域，容易發生二者的相互轉化，并且為了滿足礦業生產的需要，新增的城市基礎設施用地也對其他土地類型造成了干擾和侵占。2016年，雞西市開始進入轉型期，一方面，隨著礦業產業的衰落，采礦活動對地表的破壞作用逐漸減弱，政府實施的土地復墾等宏觀調控手段使得部分耕地與林地面積得以恢復，但另一方面，隨著新的城市建設活動的增加，在低地勢區依然存在建設用地侵占耕地的現象。

（3）采煤等礦產資源開發利用活動使得礦業城市土地利用類型在不同地形梯度上分布的差異性更加明顯。在礦業城市的轉型發展中，首先，應當保護和合理利用農用地，增加林地面積，充分發揮其生態效益，節約集約利用建設用地，合理配置新增建設用地；其次，加大礦業廢棄地整治及復墾力度，對廢棄地進行適宜性評價和布局優化設計，實現對土地的再利用［14］；最后，加強生態環境的治理，改善生存空間，有助于控制人口流失并吸引外來投資。

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