基于遙感影像的博樂市土地利用變化分析

祖力亞爾·庫爾班，馬 瑛，祖麗菲亞·買明，阿力木江·吐斯依提，宋 敏

(新疆農業大學 管理學院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

土地是綜合性資源，是人類生存和發展的物質基礎和環境條件[1]，土地利用方式和利用結構是否合理對區域經濟的可持續發展起著至關重要的作用。土地資源的可持續利用成為學者們研究的熱點及重點問題之一。近年來，以土地為資本的投資確實給人們的生活水平、社會財富帶來了很大的提高和積累，可這種社會物質財富的增加是以犧牲珍貴的土地資源為代價，是一種不合理的廣度和深度的土地利用方式的轉變，與此同時，城市化進程的不斷加快也導致了農業用地轉變為非農用地，優質農用地被建設用地占用，土地數量和質量下降，因此，不合理的土地利用方式不僅會造成資源的浪費，而且還會對人們的生存環境帶來一系列嚴重的問題，使人地矛盾日益突出[2]。博樂市地處新疆自治區天山以北，是北疆地區重要的發展城市。經濟的快速發展、人口的大幅增加致使土地利用結構也隨之改變。雖然土地利用在改變的過程中創造了很多財富，但其也給社會、環境等帶來了諸多問題。本文選擇博樂市作為研究區域，利用遙感技術獲取三期土地利用變化數據并分析博樂市土地利用變化情況，希望能夠找到一條合理利用土地資源的道路，對于新疆這片區域提高土地利用效率有一定的實際意義。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 博樂市概況

博樂市位于新疆西北部，地處天山西段北麓、準噶爾盆地西南部，東部和東北部與精河縣和塔城地區的托里縣接壤，西連溫泉縣，南鄰伊犁哈薩克自治州的伊寧縣、霍城縣，北以阿拉套山為分水嶺與哈薩克斯坦相連。博樂市地理坐標介于東經80°39′～82°44′，北緯44°22′～45°23′之間，東西最大寬度為164.77 km，南北最大寬度為115.60 km。

博樂市轄區內共有3個鎮、2個鄉、4個街道。2017年年末，博樂市總人口達到25.80萬人，其中，農業人口為9.07萬人，非農業人口為16.73萬人。地區生產總值為144.87億元，增長10.4%。第二產業產值為45.83億元，較上一年增長了11.6%，占總GDP的比重為33%；第三產業產值為68.83億元，較上一年增長了12.6%，占總GDP的比重為49%。人均地方生產總值為5.58萬元，增長了11.3%。

1.2 數據來源

本文所涉及的土地利用指標數據來自遙感影像的實驗操作結果,其他數據來源于《新疆維吾爾自治區統計年鑒》(2006～2016年)。

2 研究方法

2.1 土地分類系統

由于土地的分類可以分為人文分類與自然分類，遙感一般解決自然分類[3]，所以本文提到的土地分類均指自然分類。遙感由于自身特點，不可能嚴格按照上述土地利用現狀分類的要求做到精細分類。所以本文通過借鑒已有的研究成果，結合遙感影像和博樂市獨特的地理特征，利用有關圖件將研究區的土地利用類型劃分為耕地、林地、建設用地、水體、未利用地和草地，對二級分類的劃分如表1所示。

表1 研究區土地利用類型

注：資料來源于實驗操作結果。

2.2 遙感影像的分類

監督分類、非監督分類、決策樹分類是遙感影像分類方法中主要應用的3種方法，本文采用的是監督分類方法。

監督分類被稱為利用訓練區樣本建立判別函數，是通過確定建立判別函數進而把待分像代入判別函數進行判別的過程。監督分類中常用的具體分類方法包括：(1)最小距離分類法；(2)多級切割分類法；(3)特征曲線窗口法；(4)最大似然分類法等。

本文采用最大似然分類法。最大似然分類法是監督分類法中應用最為廣泛的一種方法，其主要是通過求出各像素對于每個分類樣區的歸屬概率，把該像素分到歸屬概率最大的分類樣區中的方法。根據選擇的訓練區，對影像進行最大似然法分類。

2.3 遙感影像分類精度評價

精度評定能夠檢驗出分類結果的準確度，它是遙感影像分類環節中重要的過程之一。通過對分類結果的精度檢驗，可以得知分類的可信度。基于以上原因本文采用了基于采樣樣本的精度評價方法對分類精度進行評價。結合目視解譯標志，通過計算機選取的隨機樣本對分類圖進行精度評價。得到的分類精度分別是：2006年的分類精度為87.66%，2011年的分類精度為87.41%，2016年的分類精度為86.25%。

2.4 遙感影像分類面積統計

通過ENVI 5.1軟件的分類后處理的分類面積統計功能，即Post Classification——Class Statistics功能，通過監督分類方法得出2006、2011和2016年的分類結果圖，然后對耕地、林地、建設用地、水體、未利用和草地面積及所占比例進行統計，結果如表2所示。

表2 2006、2011和2016年分類結果統計

注：資料來源于實驗操作結果。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化分析

3.1.1 土地利用幅度變化分析 土地利用變化幅度即在時間尺度上土地利用類型的面積增減，反映的是某一區域土地利用狀況的總體變化情況[4]，以及變化趨勢，其計算公式為[5]：

R=(Ub-Ua)/Ua×10

(1)

式中，R為土地利用變化幅度，Ua為土地利用類型的基期面積，Ub為土地利用類型的期末面積。

本文將博樂市2006～2016年土地利用分類數據劃分為3個研究時間段，基期年分別為2006、2011和2016年，土地利用變化幅度計算結果如表3所示。

表3 博樂市土地利用面積變化和變化幅度

注：數據來源于計算結果。

從表3可知：2006～2016年期間耕地一直在減少，從2006年的84507.68 hm2減少到2016年的82409.99 hm2。城市人口的增多，經濟的快速發展以及農業結構的調整都是耕地減少的主要因素。由于城市人口的不斷增加，城市化發展水平的提升，使得建筑用地面積需求過大，城市建筑用地供不應求，導致城市建筑用地占用部分耕地，進一步導致耕地面積的減少；隨著經濟的發展，工業也隨之發展，新增的工礦用地占用部分耕地，從而導致耕地面積的減少；農業結構的調整也會導致部分耕地的減少，如將耕地轉為林地、園地等。

2006～2016年期間林地一直在增加，從2006年的53500.28 hm2增加到2016年的54168.49 hm2。林地的增加一方面是開荒造田，招商引資，擴大防護林建設造成的，如博樂市近年來不斷優化城市旅游環境、防止風沙災害、改善生態環境和保護農田等，加大了對林地的建設，政府部門也不斷加大對防護林建設和城市綠化力度。另一方面是由于水土資源改善,灌木林生長成林以及條田林帶增加和退耕還林。

2006～2016年期間建設用地一直在增加，從2006年的15965.68 hm2增加到2016年的21812.98 hm2。這與博樂市經濟的不斷發展和人民生活水平的不斷提高有著密切關系，經濟的發展對礦產資源的開采力度增加，能源和礦業開發實現了升級，博樂市旅游資源得天獨厚，旅游業也成為拉動經濟增長的主要來源，依托自然環境的風景名勝用地也不斷增加。另一方面近年來博樂市經濟的快速發展，帶動中心城區以及產業新區的不斷發展，從而導致城鎮體系的不斷優化，社會發展迅速，人口增長，人們對住房、基礎設施用地以及工業化、城市化建設用地的需要進一步增強。

2006～2016年期間水體面積一直在增加，從2006年的55688.94 hm2增加到2016年的55879.32 hm2。水利條件的改善和水利設施建設的不斷增加，也是其變化的主要因素。博樂市與耕地相配套的農田水利設施的不斷完善使水利設施用地不斷增加。降水增加等使河水不斷沖刷，導致河流水面擴大。

2006～2016年期間草地面積一直在減少，從2006年的50214.22 hm2減少到2016年的4777.76 hm2。草地的減少與耕地的增加在一定程度上呈反比關系。一方面投資者的不斷開發利用，致使草地不斷的轉換為其他土地利用類型，另一方面主要是由于小營盤鎮北山草場幾個牧業村的建立，居民對耕地和人工牧草地的需求，進而大量開墾，導致草地面積的減少。

2006～2016年期間未利用地面積一直在減少，從2006年的525430.78 hm2減少到2016年的517805.46 hm2。隨著城市化水平的提高，社會經濟的繁榮發展，土地不斷地被開發利用，導致其他土地類型的土地面積總體減少。經濟的發展，社會的進步需要更多的空間，在耕地保護政策的嚴格要求下，從經濟發展的角度考慮更多的項目占用土地，將占用未利用地作為首要選擇，致使未利用地面積減少。

3.1.2 土地利用變化動態度分析 單一動態度和綜合動態度的分析方法是目前土地利用變化動態度分析常用的2種研究方法[6]。本文選擇采用單一動態度分析方法。

單一動態度分析是對某一種土地利用類型的單緯度分析，是綜合動態度分析的基礎，公式為[7]：

(2)

其中，Ua、UC分別為某種土地利用類型的基期和末期面積，T為動態度分析時間期限。

從表4的數據計算來看，2006～2016年期間，林地、建設用地、水體分別以0.25%、7.32%、0.07%的速率增加；耕地、未利用地和草地分別以0.50%、0.97%和0.29%的速率減少。在整個研究時段內，建設用地數量大量增加且增長比例最快，博樂市建成區面積從2006年的13.10 km2增加到2016年的21.40 km2，這與博樂市的經濟發展、城市規模增大和人口增長等有密切關系。

表4土地利用變化動態度分析結果%

年份單一土地利用動態度耕地林地建設用地水體未利用地草地2006～2011年-0.490.092.260.02-0.61-0.182011～2016年-0.080.164.550.04-0.37-0.112006～2016年-0.500.257.320.07-0.97-0.29

注：數據來源于計算結果。

3.2 土地利用程度變化

土地利用程度反應的是土地的開發利用情況，可以用一套科學客觀的評價方法進行定量評估，包括開發利用級別、再開發利用情況、土地利用集約情況、土地利用的綜合水平等。劉紀元等從生態學角度提出了土地綜合體在社會因素影響的綜合評價法，將土地自然平衡狀態分為4個級別(表5)，通過分級賦值完成了定量化綜合評價。

表5 土地利用程度分級賦值

土地利用程度綜合指數等于各土地利用類型的利用級與面積比重乘積的和，數學表達式為：

(3)

式中：Lj為j區域土地利用程度綜合指數；Ai為第i級土地利用程度分級指數；Ci為第i級土地利用類型面積百分比；n為土地利用程度分級數。土地利用程度綜合指數介于(100,400)，公式數學意義表明，土地利用結構越單一L值越大；數值越小，土地利用程度越分散。博樂市2006～2016年的土地利用程度綜合指數結果計算如表6所示。

表6 2006～2016年博樂市土地利用程度綜合指數

注：數據來源于計算結果。

土地利用程度變化指數通常用土地利用變化量和變化率來表示，表達式為：

(4)

(5)

式中：ΔLb-a為土地利用變化值；La、Lb分別是期末與期初值；R為土地利用程度綜合指數變化率，用期末與期初的綜合指數差值變化百分比計算得到。

公式(4)反映了變化的數值，公式(5)反映了變化的幅度，當ΔLb-a>0且R>0時，解讀為土地利用處于正向發展階段，狀況較好；當ΔLb-a<0且R<0時，土地利用程度需要調整和改善，避免其持續衰退。

博樂市2006～2011、2011～2016以及2006～2016年3個時間段的土地利用程度變化指數計算如下(表7)。

表7 土地利用程度變化量與變化率

注：數據來源于計算結果。

從表7可以看出，在整體水平上，博樂市土地資源處于中等集約利用水平；從土地利用綜合指數變化情況看，10年間綜合指數不斷提高，年均提高0.18。可以看出，10年間博樂市土地利用狀況逐步向集約、高效方向發展，但綜合指數值(211.09)還處于100～400的第二梯度，還有較大的提升空間。從表4～表8可以看出，2006～2016年博樂市土地利用程度變化量為1.78，年均變化量為0.18。其中，近5年(2011～2016年)變化量最大，是2006～2011年的0.43倍，表明10年間土地利用程度變化較大，尤其是近5年，已達到總量的50%以上。從土地利用程度變化率上看，總體變化率為0.85%，變化幅度不大，但從2個時間階段劃分來看，2011～2016年的變化幅度比2006～2011年高0.45%。這表明，近5年土地利用開發強度和開發深度有了較快速的提高。

3.3 土地利用景觀變化分析

3.3.1 景觀多樣性指數 土地利用結構信息熵(景觀多樣性指數)能夠有效地反映出城市土地利用的結構特征[8]和結構的均衡程度。Shannon定義的信息熵(H)是以地類面積比重為前提的，公式為：

H=-SUM(Pi×lnPi)

(6)

(7)

式中，P為面積比重，P值相差越小，土地利用結構越均衡。H值為土地利用結構信息熵，H值越大表示土地利用景觀的多樣性就越大，比如未開發狀態的地類H值為0，當各地類開發成熟，結構趨于均衡，即mi=1/n時，土地利用結構信息熵最大。

2006～2016年博樂市土地利用景觀多樣性指數(信息熵)計算結果顯示(表8和圖1)：10年間土地利用景觀多樣性指數增加0.1343，增加百分比為13.80%，其中，前5年增加值為0.1206，后5年增加值為0.0137，前5年增加值是后5年增加值的8.8倍，表明近5年土地利用多樣性變化不大。

總體來看，2006～2016年博樂市的土地利用景觀多樣性指數穩步上升，與土地利用變化程度指數變化一致，也從側面反映了博樂市經濟社會發展的穩步增加趨勢。

3.3.2 優勢度指數 景觀優勢度指數是用來定量描述景觀結構對景觀分配程度的概念，與景觀多樣性意思相反，即景觀類型多樣性指數越高，優勢度則越低。計算公式為：

(8)

式中：D值為景觀優勢度指數，Hmax為景觀多樣性指數最大值(信息熵最大值)，P為面積比重。當D值為0時，土地利用類型比例相等，比較均衡；當D值較大，說明土地利用類型分散，比例嚴重不均，個別土地景觀類型占主導優勢。

表8 2006～2016年博樂市土地利用結構信息熵

注：數據來源于計算結果。

圖1 2006～2016年博樂市土地利用結構信息熵變化歷程

3.3.3 均勻度指數 均勻度指數描述的是景觀組成均勻程度，與景觀多樣性指數有直接關聯，計算公式為：

(9)

式中，E為均勻度指數，E值越大，景觀類型分配越均勻。

博樂市200～2016年土地利用景觀優勢度指數和均勻優勢度指數計算結果如圖2所示。

結果顯示，2006～2016年期間，優勢度指數呈下降趨勢，10年間優勢度下降0.134，下降幅度為32.44%，年均減少0.013。均勻優勢度指數10年間增加0.097，增加幅度為13.8%。優勢度指數的下降和均勻優勢度的上升，都從側面支持了景觀多樣性趨于均衡，用地結構穩定的結論。

4 結論與建議

2006～2016年間，博樂市林地、建設用地和水體面積有所增加；耕地、未利用地和草地面積有所減少，變化幅度最大的是建設用地。根據博樂市2006～2016年的土地利用情況來看，博樂市土地利用程度從2006年的209.31增加到2015年的211.09。說明這段時間內土地利用集約程度有所提高，但總體來看博樂市土地利用程度綜合指數與土地利用程度的極限值400還存在一定的差距，顯然博樂市當前的土地節約集約利用水平并不高，需要提高博樂市土地利用綜合水平，最大可能地發掘出土地利用的潛力。

圖2 博樂市2006～2016年優勢度及均勻優勢度

近年來，博樂市土地利用方式多樣化，但人地關系進一步緊張。為了博樂市土地可持續利用，結合研究結論為博樂市今后的土地可持續利用提出以下建議。

(1)增加有效耕地面積，確保耕地占補平衡，加強耕地保護力度。隨著社會經濟和城市化水平的不斷提高、城市規模的不斷擴大，非農建設用地占用耕地的現象是不可避免的。博樂市地少人多，近年來人口規模急劇膨脹，人們需要更多的土地來發展，特別是在城鎮周圍地區耕地的保護受到威脅，博樂市耕地面臨的壓力也進一步增大。研究結果顯示，博樂市耕地面積逐年減少，人口卻逐年增長，因此人們對糧食需求逐年增加，兩者之間矛盾越來越突出。應解決人地之間的矛盾，實現耕地總量與質量的動態平衡，滿足人們日益增大的糧食需求。因此，必須合理規劃城市發展，因地制宜，建立有效的保護機制，協調耕地與建設用地之間的矛盾。堅持耕地數量、質量和生態三位一體，增大土地整治及開發力度，保證土地的占補平衡。堅持“保質保量、應保盡保”的原則，落實耕地保護責任制，實行嚴格的耕地保護制度，確保完成耕地與基本農田保護任務。加大對耕地的保護與土地國策和國法的宣傳力度、提高耕地質量。按黨中央和國土資源部的要求，嚴格執行《土地管理法》，認真貫徹和執行基本農田保護制度，認真落實基本農田保護區的劃定和監管，重點保護肥沃土地。

(2)挖掘土地潛力，提高土地利用集約度。根據計算結果可知，目前，博樂市的土地利用程度處于中等水平，集約利用潛力比較大，應及時發現土地粗放利用、批而未用等問題，采取合理調控手段，實現土地的科學、高效利用。在城市化快速發展的背景下，適度控制城市規模的擴大，注重挖掘城市土地的潛力，提高土地利用效益。博樂市的舊城區大部分以地城建筑為主，土地容積率不高，利用不充分。因此加強舊城區改造不僅能實現土地集約利用，而且還能改善人們的生活環境，提高人們生活質量等。堅持以加強城鄉基礎設施和經濟社會發展薄弱環節建設為著力點，以結構調整和促進城鄉統籌發展為主線，以加快新型工業化和城市化進程為突破口，大力發展外向型經濟，推進社會主義新農村建設，加強生態保護和環境建設，走可持續發展道路，推動全市經濟、社會、人口、資源、環境向全面、協調和可持續發展的方向邁進。

(3)做到土地利用與生態保護的一致性。長期以來，受自然、歷史和人為因素的影響，加上有的鄉鎮、村未能處理好土地利用與保護之間的關系，致使水土流失、土地沙化、撂荒、草地退化日趨嚴重。按照建設環境友好型社會的要求，建設與保護并重，加強博樂市土地利用由經濟增長主導向社會生態并重方向轉變，尋求生態友好，生態空間優化，生態價值提高的用地模式。建立健全和嚴格落實環境保護目標責任制，劃定生態保護紅線，切實把生態環境保護融入經濟社會發展全過程。加大對博爾塔拉河、賽里木湖、艾比湖濕地自然保護區、哈日圖熱格風景區等主要生態功能區的生態環境保護與建設力度，禁止進行破壞生態環境和污染環境的任何活動及項目，標準化污染排放量和環境保護的相關制度，大幅度減少污染排放。加大環境保護力度，提高植被覆蓋率，減少自然災害的發生，促進生態恢復功能。圍繞生態環境可持續發展，堅持生態立市，以更大的力度、更扎實的措施，堅決保護好生態環境，鼓勵群眾從自身開始加入保護環境的隊伍，從小的事情開始做起，自行監管污染和破壞生態環境的行為，大家一起努力建設美好的家園，讓博樂的山更綠、水更清、天更藍，自然環境更優美。