基于RS和GIS的濱州城區土地利用變化研究

衛寶立, 王 琳, 展二鵬

(1.中國海洋大學 環境科學與工程學院, 山東 青島 266100; 2.青島市規劃局, 山東 青島 266071)

基于RS和GIS的濱州城區土地利用變化研究

衛寶立1, 王 琳1, 展二鵬2

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院,山東青島266100; 2.青島市規劃局,山東青島266071)

[目的] 研究山東省濱州城區在城市化過程中的土地利用變化規律，為城區土地合理規劃和利用提供參考。 [方法] 以Landsat影像為主要數據源，獲取濱州城區1996—2014年5期土地利用分類信息，引入土地利用動態度、轉移矩陣和土地利用空間重心，定量分析城區土地利用時空變化規律。 [結果] 1996—2014年，耕地以平均3.63%/a的速率減少，林地、水體和建設用地表現出增加的趨勢，變化率分別為5.43%/a，0.79%/a和5.70%/a。林地和水體以轉出為主變為轉入量大于轉出量，2005—2009年時段林地轉入量出現峰值，2001—2005年時段水體轉入量達到峰值。耕地和建設用地重心分別位于市政廣場的西南側和東側，耕地重心往西南方向遠離市政廣場，建設用地重心往西遷移逐漸靠近市政廣場。 [結論] 城區土地利用變化表現為耕地面積不斷減少，林地和水體面積先減后增，建設用地面積不斷增加的總體趨勢，土地利用轉移主要發生在耕地和建設用地之間，林地和水體轉移受城區水利工程和綠化工程實施的影響較大，建設用地重心遷移與西城區的開發建設密切相關。

土地利用; 動態度; 轉移矩陣; 空間重心; 遷移

文獻參數： 衛寶立, 王琳, 展二鵬.基于RS和GIS的濱州城區土地利用變化研究[J].水土保持通報，2017,37(4)：138-142.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.023； Wei Baoli, Wang Lin, Zhan Erpeng. Research on land use changes in central Binzhou city based on RS and GIS[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：138-142.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.023

土地利用是人類對土地自然屬性有目的和有意圖的利用，是自然與社會過程交叉最密切的問題[1-2]。隨著人口、資源和環境之間的矛盾日益加劇，土地利用/覆被變化作為全球環境變化與可持續發展的重要內容，受到了越來越多的關注。基于此，IGBP(國際地圈與生物圈計劃)和IHDP(人與環境計劃)于1995年開始擬定《土地利用/土地覆被變化科學研究計劃》，提出“土地利用和土地覆被變化”研究計劃，逐漸使其成為全球變化研究的熱點領域[3-6]。土地利用變化特征研究根本目標在于深入了解土地利用與土地利用在區域尺度上的互動與變化[7]。土地利用變化研究有助于了解土地利用變化的原因與機制，在調整人類社會活動的基礎上，使土地利用更加合理，達到可持續利用土地資源的目的。遙感技術(RS)和地理信息技術(GIS)為快速、準確和動態監測土地利用變化提供了有效手段，已成為土地利用變化研究的重要方法。史利江和代晨陽等[8-9]基于RS/GIS技術對上海市和廈門市的土地利用動態變化進行研究，王佳和張忠輝等[10-11]分析了北京和松原市等地的土地利用景觀格局動態變化。城區是土地利用變化最劇烈的地方，越來越多的學者針對城區土地利用變化進行研究，并取得了一系列的研究成果[12-16]。山東省濱州市近20 a經歷了快速城市化過程，城市建設對城區土地利用產生了深刻影響。因此，本文以濱州城區為研究單元，運用RS和GIS技術，定量分析研究區土地利用變化的類型、強度和方向，研究濱州城區在城市化過程中土地利用變化規律，為城區土地合理規劃和利用提供參考。

1 研究區和數據來源

1.1 研究區概述

濱州城區位于濱城區，地理坐標介于東經117°52′56″—118°4′27″，北緯37°17′27″—37°26′09″，占地總面積178.96 km2，占濱城區面積的17.21%。城區分為東城區、西城區和開發區。研究區屬溫帶季風氣候，氣候溫和、四季分明，光照充足，雨熱同期。年平均氣溫為12.5 ℃，年平均降雨量為583.2 mm，年內降雨主要集中在汛期(6—9月)，汛期降雨量占年降雨總量的75.6%。

1.2 基礎數據

所用的基礎數據包括濱城區1∶1萬地形圖，Landsat影像、Quickbird影像、Spot5影像和利用GPS的實地調查數據；濱州市城市總體規劃(2005—2020年)；濱州城區土地利用現狀圖(2004年)；濱城區統計年鑒。其中，Landsat遙感影像用于土地利用分類，包括1996，2001，2005，2009和2014年5個年份的遙感影像，通過對比選取云量和降水干擾很少的共15幅遙感影像用于研究區土地利用分類。數據處理軟件包括ArcGIS 9.3，ENVI 5.1。

2 研究方法

2.1 土地利用分類

利用ENVI 5.1和ArcGIS 9.3軟件，以地物光譜特征和現場調查分析為依據，采用分層分類法[17,18]進行土地利用分類。根據國家標準《土地利用現狀分類標準(GB-T21010-2007)》分類體系，參考濱州城區土地利用特征，將城區土地利用類型分為耕地、林地、水體和建設用地共4個一級類別。最終得到濱州城區土地利用分類結果如附圖3所示。經過精度檢驗，1996，2001，2005，2009和2014年5期分類圖的總體精度分別為91.15%，93.22%，92.83%，90.15%和93.66%，可滿足本研究精度要求。

2.2 土地利用變化指數

2.2.1 土地利用動態度 土地利用動態度是指一定時間內，某種土地利用類型的數量變化情況。動態度可反映土地利用變化的劇烈程度，對于未來土地利用變化趨勢預測具有積極作用[19]。其計算公式為：

(1)

式中：K——研究時段內某用地類型動態度；Ua——研究期初某用地類型面積；Ub——研究期末某用地類型面積；T——研究時間跨度。

2.2.2 轉移矩陣 轉移矩陣可從結構分析的角度全面描述研究區土地利用變化的特征和各用地類型的變化方向，它不但反映靜態的某時間點的各地類面積數據，而且包含期初各地類轉出和期末各地類轉入信息。土地利用轉移矩陣的形式為[20]：

(2)

式中：S——面積；i，j(i,j=1,2,…,n)——轉移前與轉移后的土地利用類型；Sij——土地利用從類型i變化為j的面積；n——轉移前后土地利用類型數。

2.2.3 土地利用空間重心遷移 土地利用類型重心的遷移可以反映研究區土地利用變化的總體特征，各用地類型重心計算方法如下：

(3)

(4)

式中：X，Y——某用地類型重心坐標；Ci——該用地類型第i個斑塊面積；Xi，Yi——第i個斑塊的重心坐標。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化基本特征及動態度分析

統計研究區5期土地利用數據，得到1996,2001,2005,2009和2014年研究區耕地、林地、水體和建設用地4種用地類型的面積(如表1和圖1所示)。

表1 研究區各期土地利用統計

研究區土地利用構成以耕地和建設用地為主，以1996年為例，耕地和林地面積占比分別為59.21%和33.19%，兩種用地占總面積的92.40%，林地和水體僅占7.60%。如圖2所示，城區土地利用變化表現為耕地面積不斷減少，林地和水體先減后增，建設用地面積不斷增加的總體趨勢。從土地利用變化數量上來看，耕地變化量最大，研究時段內減少了69.22 km2，占研究區比例由59.21%減少到20.56%；建設用地變化量僅次于耕地，研究時段內增加了60.96 km2，面積占比由33.19%增加到67.27%；林地面積增加，由1996年的7.46 km2增加到14.76 km2，所占比例由4.17%變為8.25%；水體變化較小，增加了0.87 km2，所占比例由3.43%增加到3.99%。耕地年平均減少最大量出現在2009—2014時段，年均減少5.43 km2，年均減少量排在第2—4位的依次是2005—2009，2001—2005，1996—2001時段。建設用地2009—2014時段內年均增加量最大，為5.39 km2/a，與耕地年均減少最大量出現在同一時段，年增加量處于第2位的是1996—2001年時段，為3.63 km2/a，說明2009—2014年時段是城市擴張速度最快的時段，且遠高于其他3個階段。水體在1996—2001時段年均減少0.44 km2，2001—2005，2005—2009時段年均增加分別為0.43和0.37 km2，2009—2014時段水體面積小幅減少。林地面積變化與水體有相似的規律，1996—2001時段林地面積減少，2001—2005，2005—2009時段林地面積增加，2009—2014時段林地面積基本不變。

圖1 研究區各期土地利用類型柱狀圖

根據公式(1)計算研究區4個時段內土地利用變化動態度(表2)，對比分析不同時段土地利用變化速度。從土地利用動態度來看，1996—2014年，耕地以平均3.63%/a的速率減少，林地、水體和建設用地表現出增加的趨勢，變化率分別為5.43%/a，0.79%/a和5.70%/a。耕地面積減少速率逐漸增加，由1996—2001時段的-2.88%/a變為2009—2014時段的-8.49%/a，主要有2個原因，耕地不斷轉出導致耕地基數減少，另外，隨著城市不斷擴張，耕地轉為其他用地的量也在增加。林地1996—2001年減少速率為1.91%/a，2005—2009時段變化率最大，達到了15.95%/a，2009—2014時段林地增速放緩。水體增速最快的時段是2001—2005年，該時段是水利工程建設的初始階段，表明水利工程建設在水體恢復中的作用顯著，2005—2009時段水體面積增速放慢，到2009—2014年，水體面積有緩慢的減少，表明這一時段水體面積基本穩定，受蒸發、用水等影響會有一些變化。

表2 研究區土地利用變化動態度

3.2 土地利用變化過程分析

將5期土地利用圖輸入ENVI 5.1，計算不同時段土地利用轉移矩陣，結果詳見表3。分析不同時段土地利用轉移矩陣，得到城區土地利用類型變化規律：耕地在1996—2001年轉出面積為34.22 km2，轉出去向主要以建設用地為主，轉為建設用地面積占耕地轉出面積的82.90%，東城區周邊耕地轉移為建設用地，建設用地向四周蔓延是這一階段的主要特征；其他用地轉入耕地的面積為18.97 km2，建設用地轉入耕地面積占比為64.73%，主要位于東城區以北和東北方向。農村居民點歸并和整理是建設用地轉為耕地的原因，另外，耕地和建設用地交界范圍廣，有一部分轉移量由轉移分析誤差所致。2001—2005年，耕地轉出面積為33.56 km2，轉為建設用地的比例為75.01%，主要以大斑塊分布在東城區西側，耕地轉移為水體，出現了“中海”和“南海”兩個大型水體，西城區開發和水利工程的建設是造成這一現象的原因，轉為林地部分以小斑塊分散在整個研究區。2005—2009年耕地轉為林地的面積增加，轉為建設用地的面積減少，耕地轉出面積為29.19 km2，轉為林地和建設用地的比例分別為33.73%和62.24%。2009—2014年耕地轉出面積為37.44 km2，林地和建設用地占比分別為23.42%和72.49%。

林地在1996—2001年主要與耕地轉入與轉出，林地轉出面積為6.22 km2，其中有84.26%轉為耕地，轉為耕地的部分以小斑塊零散的分布于研究區西南部；林地轉入總面積為5.51 km2，耕地轉入量占比為85.87%，主要分布于東城區周邊，少量分布于西南部。2001—2005年，林地主要轉出為耕地和建設用地，兩者分別占林地轉出總面積的59.50%和37.72%，林地轉為耕地主要發生在研究區南部和東部，轉為建設用地出現在東城區周邊；轉入林地的總面積為7.56 km2，耕地占78.73%，在西城區內部和周邊出現較大的林地斑塊，西城區的綠化占用耕地。建設用地轉為林地出現在新立河和環城河沿線，由河道綠化引起。2005—2009年，林地轉出總面積為5.34 km2，轉為耕地和建設用地的比例分別為59.85%和39.19%，轉為耕地部分分布在西北部和西南部，轉為建設用地部分在東城區周圍。2009—2014時段，林地轉為其他用地的總面積為10.01 km2，轉為建設用地的面積超過耕地，占比分別為54.15%和44.46%；林地轉入面積為10.25 km2，耕地轉入面積占比85.59%，分布在研究區周邊，在西南部較為集中。

水體在1996—2001年轉出總面積為3.57 km2，轉出水體的主要去向為建設用地，占比為51.92%，轉為耕地部分占比為40.35%，轉為建設用地的水體位于東城區周邊，主要為小面積水體，轉為林地的水體主要位于東城區西北方向；水體轉入面積為1.39 km2，耕地轉入量占比為80.73%。2001—2005年水體轉出面積為2.00 km2，主要去向為耕地和建設用地，占比分別為54.21%和42.45%；耕地和建設用地轉為水體，出現了四環河、新立河、“中海”和“南海”等水體，該階段水體變化主要特點是小面積分散的水體大量減少，這與西城區建設占用水體有關。2005—2009年，水體轉出為其他用地的面積較小，轉出總面積為1.52 km2，分布在水體周邊，主要由水位變化和配準誤差導致；水體轉入面積為2.97 km2，耕地和建設用地分別占39.53%和58.75%，耕地和建設用地轉為大面積的水體斑塊，增加了白蓮湖、白鷺湖、彩虹湖和太陽湖等水體。2009—2014年，水體轉出去向主要是建設用地，水體轉出面積2.52 km2，建設用地占88.09%，主要分布在大型水體周邊，由水位下降引起；水體主要由耕地轉移而來，“南海”東側的耕地轉為水體。

建設用地在1996—2001年轉出總面積為13.04 km2，主要去向為耕地；建設用地轉入面積為31.18 km2，其中耕地轉入28.37 km2，占比90.99%。2001—2005年建設用地轉出19.06 km2，按轉移量排序為耕地、林地和水體；轉入28.07 km2，其中耕地轉入占比89.67%。2005—2009年建設用地轉出和轉入量均有所減少，分別為13.92，20.80 km2，轉入和轉出以耕地為主。2009—2014年，建設用地轉出量減少，而轉入量明顯增加，分別為7.84和34.78 km2，轉入和轉出仍以耕地為主。

表3 不同時段土地利用轉移矩陣

3.3 土地利用空間變化特征

根據以上分析可知，研究區土地利用主要由耕地和建設用地構成，而土地利用轉移主要發生在兩種用地之間，因此利用ArcGIS軟件根據公式(3)—(4)計算不同年份耕地和建設用地的空間重心，輸出兩種土地利用類型空間重心分布圖。耕地和建設用地分別位于市政廣場西南側和東側。研究時段內，耕地重心往西南方向遠離市政廣場，建設用地重心向西遷移，逐漸靠近市政廣場。1996年，建設用地主要集中在研究區東部的東城區，到2001年，建設用地向東城區周邊擴張，同時東城區以西建設用地面積增加，2005年位于東城區以西的西城區初具規模，2005—2014年西城區面積不斷增加，導致建設用地重心不斷向西遷移。

4 結 論

(1) 1996—2014年，城區土地利用變化表現為耕地面積不斷減少，林地和水體先減后增，建設用地面積不斷增加的總體趨勢。耕地以平均3.63%/a的速率減少，林地、水體和建設用地表現為增加的趨勢，變化率分別為5.43%/a，0.79%/a和5.70%/a。

(2) 耕地不斷轉出為其他用地，耕地轉出量遠高于轉入量；其他用地轉為建設用地的面積遠高于建設用地轉出量；林地和水體的轉入、轉出受重點工程實施影響較大，隨著城區水利工程和綠化工程的開展，林地和水體以原來的轉出為主變為轉入量大于轉出量，2005—2009年林地轉入量出現峰值，2001—2005年水體轉入量出現峰值。

(3) 耕地和建設用地重心分別位于市政廣場的西南側和東側，耕地重心往西南方向遠離市政廣場，建設用地重心往西遷移逐漸靠近市政廣場。建設用地重心往西遷移與西城區的開發建設密切相關。

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Research on Land Use Changes in Central Binzhou City Based on RS and GIS

WEI Baoli, WANG Lin1, ZHAN Erpeng2

(1.Ocean University of China, College of Environmental Science and Engineering, Qingdao, Shandong 266100， China; 2.Qingdao Municipal Urban Planning Commission, Qingdao, Shandong 266071， China)

[Objective] The aim of this research was to examine the characteristics of land use change in central Binzhou City of Shandong Province so as to provide reference for the proper land planning and utilization. [Methods] Based on the Landsat images from 1996 to 2014, dynamic index, conversion matrix and spatial center of land use were used to quantitatively analyze the spatial-temporal change trend of land use in central area of Binzhou City. [Results] From 1996 to 2014, the average decrease rate of cropland was 3.63%/a, the increase rates of forestland, water body and construction land were 5.43%/a, 0.79%/a and 5.70%/a. The transferred-in area of forestland and water body was more than the transferred-out area. The transferred-in area of forestland reached the peak value in the period of 2005 to 2009, the transferred-in area of water body peaked in the period of 2001 to 2005. The spatial centers of cropland and construction land were respectively located on the southwest side and east side of the city square. The spatial center of cropland was moving away from city square toward the southwestern part. The spatial center of construction land was moving west toward the city square. [Conclusion] Cropland area decreased constantly, forestland and water body area decreased in the beginning and then increased, construction land area increased constantly in the central city. The major trend of land use change was the transfer from cropland to construction land. The implementations of hydraulic engineering and landscape engineering had great impacts on the transfers of forestland and water body. The spatial center movement of construction land was closely related to the development and construction of west urban area.

landuse;dynamicindex;conversionmatrix;spatialcenter;movement

A

： 1000-288X(2017)04-0138-05

： F301.24

2016-11-28

：2016-12-13

山東省省級水利科研項目“基于地理信息技術城市雨水綜合利用研究”(SDSLKY201312); 山東省氣象科學技術研究項目“基于遙感技術濱州熱島效應及水體溫度調控作用研究”(2016SDQXM20)

衛寶立(1988—),男(漢族),山東省臨沂市人,博士研究生,研究方向為遙感與GIS技術應用、水資源利用與規劃。E-mail:weibaoli10@126.com。

王琳(1966—),女(漢族),黑龍江省哈爾濱市人,博士,教授,主要從事水資源利用與規劃方面的研究。E-mail:lwangouc@126.com。