基于地理信息系統(tǒng)的天津市土地利用格局變化分析

張 卓，邵伊寧，徐 鋒，王松妍，吳雅男

（大連理工大學(xué) 城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

土地利用/土地覆蓋變化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC），其目的在于提示人類賴以生存的地球環(huán)境系統(tǒng)與人類日益發(fā)展的生產(chǎn)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)化、工業(yè)化和城市化等之間相互作用的基本過程。土地是有限的不可再生資源，隨著近些年人類需求的增加，經(jīng)濟的飛速發(fā)展，讓土地越來越多地被開發(fā)，引發(fā)了一系列的自然環(huán)境問題，對植物、動物、人類及社會經(jīng)濟發(fā)展都產(chǎn)生一定程度的影響。由此可見，土地利用規(guī)劃對社會發(fā)展意義重大。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天津市地勢北高南低，從北部的燕山山脈逐步下降到東南部的沿海平原，地貌呈箕狀。天津地形相對平坦，平原面積占93%，地形主要是平原和洼地。

根據(jù)天津市土地利用變更調(diào)查，2019年末，全市各類用地情況如下：農(nóng)用地面積698253 hm2，占土地總面積的58.6%。建設(shè)用地面積409349 hm2，占土地總面積的34.3%；未利用地面積84125 hm2，占土地總面積的7.1%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文以天津市2000—2020年Landsat8 OLI_TIRS影像數(shù)據(jù)和土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，每5 a一個跨度，選取2000、2005、2010、2015和2020年的3—5月中適合的兩景影像。空間分辨率為30 m×30 m，天津市四季分明，選擇3—5月的影像信息有利于更好地進行目視解譯[1]。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括來自中科院資源環(huán)境中心網(wǎng)天津市行政區(qū)劃邊界以及天津市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像成像過程會受到很多因素影響，例如大氣分子和氣溶膠散射、航拍角度誤差、多幅影像位置偏差、有云而使畫面模糊不清和影像數(shù)據(jù)范圍過大等，所以在進行研究之前，先對影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。使用ENVI5.1軟件對Landsat8原始影像進行預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、圖像融合及圖像鑲嵌和裁剪等預(yù)處理，得到所研究區(qū)域的清晰影像，數(shù)據(jù)預(yù)處理過程如圖1所示。最后對融合完的影像進行裁剪和鑲嵌，使用天津市行政邊界矢量數(shù)據(jù)對影像進行不規(guī)則裁剪，利用ENVI 5.1軟件中的Mosaicking/Seamless Mosaic工具對裁剪后影像做鑲嵌處理。

圖1 影像預(yù)處理流程圖

1.4 遙感影像分類

分別對研究區(qū)數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類，首先選擇1個類型較全的區(qū)域作為對比區(qū)域，通過對比選定區(qū)域類別的分類情況和分類結(jié)果精度、Kappa系數(shù)，監(jiān)督分類精度達到了97.4%，Kappa系數(shù)為0.9636；而非監(jiān)督分類精度僅有30.6%，Kappa系數(shù)僅為0.0708[2]。因此本文采用監(jiān)督分類方法，參考土地利用類型分析及歷年土地利用資料參考，將研究區(qū)域天津市的土地利用/覆被類型劃分為6大類，分別為耕地、林地、草地、水體、建筑用地和未利用地。

1.5 土地利用變化分析

土地利用變化時空格局指的是土地利用變化隨時間變化的數(shù)量統(tǒng)計。2000—2020年天津市土地利用類型面積及占比見表1，天津市內(nèi)主要土地利用類型為耕地、水體和建筑用地，這3者的總面積占天津市總面積的93.28%。20 a內(nèi)天津市耕地面積持續(xù)減少，從2000年至2020年，總計降低占比9.46%；建設(shè)用地面積占比持續(xù)升高，建設(shè)用地從2000年至2020年，總計提高占比10.26%；未利用地從2000年至2020年，總計提高占比1.79%。天津市面臨著既要滿足經(jīng)濟建設(shè)必需的用地需求，又要落實耕地保護責(zé)任，同時兼顧環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)的巨大挑戰(zhàn)。

表1 2000—2020年土地利用類型面積及占比

2000—2020年天津市土地利用空間分布如圖2所示。20 a內(nèi)耕地始終是天津市面積占比最大的土地利用類型，但整體呈下降趨勢；建設(shè)用地面積占比持續(xù)升高，水體面積占比呈波動下降趨勢；林地和草地是最穩(wěn)定的土地利用類型，變化極小，總體分別維持在3.9%～4.1%和2.0%～2.6%。

圖2 2000—2020年土地利用圖

2 結(jié)果與分析

2.1 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度是用來描述單一地類動態(tài)變化時所采用的模型，是表示某種土地利用類型在一定時間范圍內(nèi)的數(shù)量變化情況，其表達式如下[3]

式中：Ks為在某一時段內(nèi)、某一土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究時段的初始時間、最終時間對應(yīng)的某一土地利用類型的面積；T為研究時段的間隔長度。當(dāng)Ks為正值時，表示該地類在研究時段內(nèi)的增加率，當(dāng)其為負值時表示該地類在研究時段內(nèi)的減少率。

由表2可得出，除2015—2020年以外，各個年份各個土地利用類型單一土地利用動態(tài)度均在±5%的范圍內(nèi)浮動。其中未利用地波動較為劇烈，建設(shè)用地和草地波動較大，耕地、林地和水體波動相對較小。

表2 2000—2020年單一土地利用動態(tài)度

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是一個二維的數(shù)學(xué)矩陣。其是將研究區(qū)域不同的2個年份之間的地類面積以二維矩陣的形式表達，能夠非常準(zhǔn)確地描述土地類型轉(zhuǎn)換的情況。本文利用轉(zhuǎn)移矩陣來分析2000年—2020年天津市土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移情況[4]。結(jié)果見表3。

由表3可看出耕地明顯減少，林地、草地、水體和建筑用地都呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢[5]。2005—2010年、2010—2015年，主要轉(zhuǎn)移依舊是建設(shè)用地，分別有38 km2和115 km2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)移成為耕地。2015—2020年，各種土地類型相互轉(zhuǎn)換，是土地類型變換最豐富的一年[6]。

表3 2000-2020年天津市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣km2

從轉(zhuǎn)移強度上來看，2000—2005年發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)移的面積共計603 km2，轉(zhuǎn)移強度為5.2%；2005—2010年發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)移的面積共計76 km2，轉(zhuǎn)移強度為0.66%；2010—2015年發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)移的面積共計227 km2，轉(zhuǎn)移強度為1.9%；2015—2020年發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)移的面積共計3699 km2，轉(zhuǎn)移強度為32%。

3 結(jié)束語

天津市2000—2020年的耕地廣泛分布且20 a內(nèi)變化較小，建設(shè)用地開始不斷擴大，以市內(nèi)6區(qū)為中心逐漸向外擴大。其中，津南區(qū)、西青區(qū)的建設(shè)面積增加最大。整體來看，需要進一步統(tǒng)籌土地利用和經(jīng)濟社會發(fā)展，推進土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整。

本文解譯結(jié)果由于受影像精度限制的影響，誤差不可避免，應(yīng)采取多種適宜的方法進行分類。除此之外，還應(yīng)進一步研究，更深層次地對城區(qū)擴展驅(qū)動力進行研究，為相關(guān)決策規(guī)劃提供依據(jù)。