基于遙感與GIS的銅陵縣土地利用變化特征分析

唐 炎，馬 麗 (安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽蕪湖241000)

隨著人口增長以及資源逐漸短缺等諸多全球性問題的出現，土地利用/覆被變化(LUCC)對人類生產活動以及生態環境的影響越來越受到國內外研究學者的關注［1－3］。在遙感以及GIS的技術支持下，對典型區域進行土地利用/覆被變化研究是認識區域土地利用/覆被變化與資源、環境問題關系的關鍵，也是協調人地關系保持區域持續發展的關鍵［4］，對于區域土地資源有效利用和管理具有重要意義。

遙感以其宏觀性、多光譜性、多時相性等特點，可以快速、準確地反映土地利用時空變化過程，在不同區域空間尺度土地利用動態監測研究中具有明顯優勢［5－9］。筆者以安徽省銅陵縣為研究對象，通過對Landsat TM的2000、2005、2010年3期影像進行遙感解譯，結合GIS技術和相關數學方法，對研究區2000～2010年的土地利用變化特征進行分析，以期為研究區土地資源利用和管理提供決策參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況 銅陵縣(117°42'～ 118°10'E，30°45'～31°07'N)位于安徽省中南部地區，總面積807.8 km2，屬亞熱帶季風區域，全年氣候溫和，降雨充足。境內河流屬長江水系，長江由西南往北再東折，西南以青通河與池州市分界，東北隔黃滸河與蕪湖市為鄰。銅陵縣位于長江中下游平原與皖南山區的中間地帶，在新構造運動的影響下，地貌景觀上存在明顯地域差異性，主要被分為3個類型區，從北到南分別依次是洲圩區、丘陵區、低山區，總體地勢北低南高，中間為地勢過渡地帶。

1.2 數據來源 以銅陵縣2000、2005、2010年3期Landsat TM遙感影像作為基礎數據，參考1∶10萬的地形圖，對遙感影像進行幾何校正。土地利用分類參照我國現行的土地利用類型編碼［10］，并結合遙感影像解譯的可行性，將銅陵縣土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、居民點及工礦用地、交通用地、未利用地等7類。在Envi 4.7環境下，采用人機交互的監督方式對3期遙感影響數據進行解譯。經檢驗，3期遙感影像解譯精度均達到90%以上，滿足后期分析要求。3期圖像的解譯結果如圖1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型動態度。土地利用動態度(Land Use Dynamic Degree，LUDD)是能夠反映出在一定研究時段中研究區域內某種土地利用類型的數量變化率［11］。其計算公式為:

式中，KS為土地利用動態度;At1、At2分別為t1、t2時某一類土地利用類型的面積。利用此公式可以反應出不同土地利用類型之間變化速率的差異。

1.3.2 土地利用類型轉移矩陣。土地利用類型轉移矩陣是研究土地利用格局變化的一種非常重要的方法，它來源于系統分析理論中對系統狀態以及狀態轉移的定量描述，可以動態地反映各種土地利用類型相互轉換的過程。土地利用類型轉移矩陣不但包括面積數據，而且還包含各種土地利用類型之間相互轉入及轉出的信息，其一般形式為［12］:

式中，S代表各種土地利用類型面積;n代表轉移前后地類數目;i，j(i，j=1，2，…，n)代表轉移前后土地利用類型。矩陣橫行代表開始時期土地利用類型轉化為終止時期的其他類型的面積，縱行則表示開始時期其他類型轉換為終止時期土地類型的面積。

1.3.3 土地利用程度綜合指數。土地利用程度指數是通過數量指標體系的方法，來反映多種土地利用類型結構的總體變化，以期了解研究期內區域土地利用變化趨勢以及土地開發利用水平。依據莊大方等提出的土地利用程度綜合體系［13］，按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態對土地利用類型進行分級賦值(表1)。由于不同的土地利用級依據其自身類型占據面積比例的不同，對土地利用程度具有不同的影響。因此，區域土地利用程度在上述基礎上進行數學綜合，通過綜合指數的大小來反映土地利用程度的高低。土地利用程度綜合指數公式如下:

式中，La為土地利用綜合指數，Ai為土地利用程度分類值(表1);Ci為第i級土地利用面積占研究區總面積的百分比;n為土地利用分類數。

表1 土地利用分級值

2 結果與分析

2.1 土地利用變化的總體特征 據遙感解譯結果，銅陵縣2000、2005、2010年3期土地利用數據見表2。由表2可知，2010年銅陵縣耕地面積21 027.16 hm2，占26.03%;林地面積25 350.52 hm2，占 31.38%;水域面積 18 598.76 hm2，占23.02%;居民點及工礦用地面積 1 200.77 hm2，占 15.72%;交通用地面積1 450.74 hm2，占1.8%;草地面積980.67 hm2，占1.21%;未利用地面積 671.38 hm2，占 0.83%。

研究時段內，銅陵縣耕地面積減少了4 883.29 hm2，其中，2000～2005年耕地面積減少2 999.10 hm2，2005～2010年耕地面積減少1 884.19 hm2。水域面積減少了590.80 hm2，其中，2000～2005年水域面積減少438.56 hm2，2005～2010年水域面積減少152.24 hm2。居民點及工礦用地面積2000～2005年增加了 2 500.95 hm2，2005 ～2010年增加了1 576.65 hm2，共增加了4 077.60 hm2。交通用地與林地的面積均有一定的增長，其中交通用地面積2000～2005年增加了521.86 hm2，2005 ～2010年增加了 150.54 hm2。林地面積2000～2005、2005～2010年2個時段增長數值分別為559.54和288.32 hm2。2000～2010年銅陵縣草地以及未利用地面積變化幅度不大，分別減少了76.92和46.85 hm2。

表2 銅陵縣土地利用類型統計hm2

2.2 土地利用變化的動態分析 利用公式(1)計算得出2000～2010年銅陵縣不同時段的土地利用動態度(表3)。整體上看，總體趨勢與2000～2005和2005～2010年2個時段土地利用類型面積變化趨勢相一致，并且前5年的土地利用類型動態度變化的絕對值均大于后5年，說明銅陵縣2000～2005年土地利用變化最強烈，而2005～2010年這種變化強度有所減弱。從具體數值上看，耕地的土地利用動態度絕對值在2個時段內分別為2.31%和1.64%，水域的動態度絕對值為0.46%和0.16%，這說明二者在2005～2010年的土地面積變化速率大于2000～2005年的變化速率，這反映了隨著可持續發展理念的推進以及生態農業的大力倡導，人們對當地生態環境保護意識也在不斷增強，同時隨著國家基本農田保護政策的實施，減緩了上述兩者的下降趨勢。與之相應的是，隨著人口增長以及經濟的發展，居民點及工礦用地、交通用地雖一直處于增長狀態，但上述兩者在2000～2005和2000～2010年2個時段的土地利用動態度呈現先升后降的趨勢，其中居民點及工礦用地的土地利用類型動態度在2個時段內分別為5.80%和2.83%。這是因為銅陵縣一直在進行城鎮化建設，同時該地是個礦產資源豐富的地區，2000～2005年當地的礦產資源得到充分開發，工礦用地飛速增長，但由于過度無序開采，導致一些地方礦產資源耗盡，加上政府大力整治、關閉小礦山等因素，致使居民點及工礦用地的增速得到一定緩解;交通用地的土地利用動態度分別為13.41%和2.32%，這是由于2005年前國家完成了“村村通”工程，銅陵縣2000～2005年交通用地增長較快，而2005～2010年交通道路體系已經完善，所以交通用地土地利用類型動態度較小。草地以及未利用地的情況和耕地變化情況類似，2000～2005年中受城鎮化進程的影響，土地利用動態度變化較大，2005～2010年則變化較小，整體變化整體趨于平穩。

表3 銅陵縣土地利用動態度 %

2.3 土地利用轉移分析 利用ArcGIS 10.1的空間疊置分析功能得到銅陵縣土地利用轉移數量統計(表4)。從2000～2005和2005～2010年2個時期的土地利用轉移數量分析來看，銅陵縣的耕地、水域、居民地及工礦用地、交通用地、林地相互間轉移量較多。從土地利用轉移方向來看，2000～2005年耕地向居民點及工礦用地流失的面積為4 140.85 hm2，而2005～2010年僅為 2 577.51 hm2，這是由于 2000 ～2005年銅陵縣城鎮化和能源、交通、水利等基礎設施建設進程的不斷加快，各項建設占用耕地面積較大，耕地受到一定的侵占，2005～2010年強化了對耕地特別是基本農田的保護，耕地侵占情況的得到一定緩解，耕地的使用趨于合理;水域同耕地相互轉換較為頻繁，結合當地統計年鑒以及實地調查，其中大部分屬于可調整的坑塘用地，部分耕地用于水產養殖，導致水域及耕地的面積有所變化;林地、耕地之間的土地轉移主要是由于農業產業調整以及生態退耕因素等造成的;居民點及工礦用地2000～2005年向耕地轉移面積僅為79.20 hm2，而2005 ～2010年達到了 3 751.11 hm2，這說明銅陵縣在控制了建設用地總規模的基礎上，加大了土地整理以及尾礦復墾的力度，有效地補充了耕地面積，緩解了耕地資源緊張的情況，同時隨著城鎮用地布局進一步優化以及“村村通”工程的實施，原先分散的居民點進行集中，實現了土地資源節約利用，增加了有效耕地面積。2005～2010年銅陵縣交通用地向耕地轉移了1 565.98 hm2，這是由于一些交通路線隨著居民點集中集聚以及相關礦山的關閉失去其運輸功能，被復墾為耕地。

表4 銅陵縣土地利用轉移數量 hm2

2.4 土地利用程度分析 通過對2000～2010年的土地動態度以及土地轉移分析得出，銅陵縣各種土地利用類型在研究時段內面積一直保持變化，不同類型之間的土地進行相互流轉，而這種土地利用類型的轉移同時也引起了土地利用強度的變化。利用公式(2)計算得到銅陵縣2000、2005、2010年的土地利用程度綜合指數及相應的變化量，結果顯示:2010年銅陵縣的土地利用程度指數為260.24，高于全國平均水平(231.92)［14］，表明銅陵縣總體土地利用程度較高，土地呈集約利用。從變化量來看，2000～2010年銅陵縣土地利用程度指數受到人口增長以及城鎮化進程的影響，整體呈上升趨勢，其中在2000～2005年變化較快，由254.46增加到258.31，增加了3.85，這是由于居民點及工礦用地、交通用地等分級指數較大的土地利用類型面積增長較快有關，導致整體土地利用程度不斷提高，2005～2010年土地利用程度變化量增速放緩，土地利用綜合指數由258.31增加到260.24，增加了1.93，說明銅陵縣的整體土地利用變化趨于平緩。

3 結論

隨著銅陵縣社會經濟發展與城鎮化進程的影響，耕地作為銅陵縣主要土地利用類型，其面積在2000～2010年內減少最多，水域面積在研究期內也有一定的減少;居民地以及工礦用地、交通用地面積得到增加;林地、草地和未利用地面積變化幅度不大。研究時段內居民地以及工礦用地、交通用地動態度一直保持增長趨勢，2005～2010年的增速較2000～2005年有所降低;而耕地、水域土地利用動態度總體雖然一直在減少，但減少速率有所放緩。耕地在2000～2005年主要轉移方向是居民地及工礦用地及交通用地，2005～2010年居民地及工礦用地及交通用地逐漸向耕地進行轉移，表明在隨著銅陵縣在嚴格控制建設占用耕地、加大土地整理復墾力度、優化居民地以工礦用地的結構，使得耕地資源得到了一定補充。但隨著土地后備資源有限整理復墾開發難度逐年增大，使得耕地總體補充資源及質量均不夠，耕地面積仍舊持續下降。從土地利用程度綜合指數可以得出，銅陵縣整體土地利用程度較高且逐漸趨于集約化、高效化及合理化。今后在發展中仍要協調好農用地與非農用地間的矛盾，合理規劃和調整土地利用結構和布局，充分挖潛存量用地潛力，改善土地生態環境，實現土地利用可持續發展。

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