基于遥感的天津滨海新区土地利用/覆盖变化分析

2014-03-22王丰刘书明卢文虎杜琼玮姜伟男李佳芮

海洋通报 2014年6期

王丰，刘书明，卢文虎，杜琼玮，姜伟男，李佳芮

（1.厦门大学海洋与地球学院，福建厦门 361005；2.国家海洋信息中心，天津 300171）

土地，是人类赖以生存和发展的最根本的物质基础。随着全球变化研究的深入，人们逐渐认识到，由于人类活动所导致的土地利用/土地覆盖变化（Land Use and Cover Change）最终会反过来影响到人类自身的生存和发展。

土地分类方式多种多样，有利用方式分类、功能分类、资源分类、综合分类等，本文使用的土地覆盖/土地利用（LC/LU）分类是随着遥感技术发展而出现的新的土地分类方法。使用遥感分类方法对土地进行分类具有速度快、精度高、范围广等特点，充分体现了监测的及时性、客观性和广域性。利用遥感技术对土地进行观测，揭示其空间变化规律，建立区域土地利用变化驱动力模型进行分析，成为当今开展土地利用/覆盖变化研究的主要动向。其研究内容涉及到土地资源的保护与利用、生态环境的保护与治理、社会经济的可持续发展等一系列重大问题（宫文等，2011；刘俊，2010）。

天津滨海新区位于天津市东部滨海地带，包括原塘沽、汉沽和大港3个行政区以及东丽区、津南区的部分区域，以建立资源节约型、环境友好型城市发展模式和建设生态城市为战略目标，被国家“十一五”规划纳入全国总体发展战略布局（吴佳丽等，2011）。因此，当前众多政府机构、研究部门、社会团体以及研究学者都不断加强对该区土地利用/覆盖变化的关注程度。孟伟庆等（2010）使用景观生态学的方法对近30年滨海湿地的景观指标进行定量分析，表明滨海湿地目前趋于破碎化及人工化。徐大勇等（2010）基于归一化植被指数（NDVI）模型对该区的植被覆盖变化进行影像提取、分析及预测，得出该区域植被覆盖呈明显下降趋势，威胁生态安全。以上研究选取年份相对久远，时间间隔相对较长，无法充分反映出滨海新区近几年，尤其是被纳入“十一五”规划及推行“十大战役”战略后的土地变化；另外，上述对象较为单一，各种类型地物变化及相互转化情况未能充分反映。

本研究在总结前人经验基础上，基于Landsat卫星TM遥感影像编制出2000年、2005年、2010年三期滨海新区土地利用/覆盖分类图，进行相应统计，并运用土地利用转移矩阵对近10年来滨海新区土地利用/覆盖变化进行定量描述。在此基础上进一步分析了经济、人口等人为驱动因子对该区土地利用/覆盖变化的影响，更为全面具体地描述了近10年来各种土地类型面积变化及相互转移情况，分析各种因素对其造成的影响，为滨海新区的环境保护和可持续发展提供理论依据。

1 研究方法及数据来源

1.1 土地利用的分类系统

土地利用/覆盖的分类体系是对其进行研究的首要前提，它既影响着研究结果的表达，也决定着研究数据的应用领域。20世纪70年代以来，随着3S与计算机技术的发展，以研究土地利用/覆盖为主的分类系统迅速发展起来，它着重于土地类型的差异，用于调查研究。因此，应综合考虑调查比例尺的大小、精度、遥感资料可判辩性，区域特点、实用性和系统性（赵庚星等，2000）。

为适用于特定研究目的与尺度，各国学者从不同角度构建了众多的土地分类系统，没有统一标准，兼容性差，给数据的汇总、分析与共享带来了诸多不便。但迄今仍没有一个为国家社会广泛认可和具有普适性的“万能”土地分类系统（张景华等，2011）。鉴于此，本研究综合比较分析以上分类系统，本着实用、简洁的原则，在国土资源部2001年颁布的《全国土地分类（试行）》标准的基础上，根据滨海新区的土地利用和植被特点，制订出适合天津滨海新区的土地利用/覆盖两级分类系统（表1），其中，I级包括建筑用地，沼泽，海洋，淡水域，滩涂，盐田，植被，及未利用地8个大类。

表1 天津滨海新区LUCC 分类系统

1.2 遥感数据处理

研究中主要使用美国陆地资源卫星Landsat传感器TM/ETM数据，选取2000年、2005年和2010年3个年份的数据进行比较研究。

采用天津滨海新区1∶50 000地形图得到滨海新区边界矢量图，对影像进行几何精校正，将对比度较差的影像进行直方图均衡化、影像融合和去薄云等图像增强处理，利用ENVI软件对原始遥感影像进行裁剪（图1）。

在影像分类中，本研究采用监督分类和基于纹理的面向对象模糊分类相结合的方法进行计算机自动分类。为保证各种地物信息提取的精确性，进行了实地考察加以校验，并且使用1∶50 000地形图及相应时期的Google Earth影像作为人工目视解译的参考，确保数据准确。最终得出2000年、2005年、2010年的最终分类图像数据（图2）。

图1 滨海新区裁剪范围

2 土地利用/覆盖变化的统计分析

2.1 滨海新区土地利用/覆盖的总体数量变化及特征分析

2.1.1 土地利用变化的幅度

土地利用/土地覆盖的变化包括不同土地类型的面积、空间与质量的变化。面积变化首先反映在不同土地类型的总量上，通过分析各土地利用类型总量的变化，可了解土地利用结构的变化及变化的总态势（朱会义等，2001）。

利用上述资料，对滨海新区三期的土地利用分类数据（图2）分别进行统计分析，得出表2及图3的结果。

图2 滨海新区2000年、2005年、2010年三期的土地利用分类数据（从左向右）

表2 滨海新区10年间各类型土地利用/土地覆盖面积变化（单位：km2）

结果表明：10年间，滨海新区土地利用类型的数量变化以建筑用地、未利用地的大幅增加及植被、海洋的锐减为主。建筑用地、未利用地面积增长量分别为335.113km2和202.417km2，而植被与海洋面积的消减也高达-238.859km2和-139.542km2。随着近年来多项政策的实施，开发进程的加快，2005-2010年的面积变化幅度明显大于2000-2005年。

图3 10年间各类型土地利用/土地覆盖面积变化统计图

2.1.2 土地利用/覆盖变化的动态度

土地利用类型的动态度是指某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，它定量地描述了土地资源数量的变化速度，对预测未来土地利用变化趋势有积极的作用（王秀兰等，1999）。

其表达式如下：

式中Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地类型的数量；T 为研究时段长，当T 的时段设定为一年时，土地利用类型的动态度K 的值即为研究区该土地类型的年变化率。

由表2可知，近10年间，天津滨海新区的未利用地及建筑用地面积以较大的速率增加，年变化率分别高达54.05%和14.46%。植被、盐田、淡水域、沼泽、海洋及滩涂等土地类型面积都有不同速率的减少，其中年变化率以滩涂的-6.05%和植被的-2.49%较为明显。另外，尽管海洋年变化率较小，为-0.72%，但考虑到其较大的面积基数，更应参考其变化幅度得出最终结果。

上述两种方法及结果可较好地反映出滨海新区土地利用/覆盖变化的数量及速度，却忽略了土地利用变化的内在过程。因此，需寻求其他研究方法做进一步描述。

2.2 土地利用转移矩阵

在一定条件下，土地利用类型之间的相互转化情况具有马尔柯夫随机过程的性质，因此可采用马尔柯夫转移矩阵模型来进一步描述。马尔柯夫链来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述（徐岚等，1993），是一种具有“无后效性”的特殊随机运动过程，它反映的是一系列特定的时间间隔下，一个亚稳态系统由T1时刻向T2时刻状态转化的一系列过程，这种转化要求T2时刻的状态只与T1时刻的状态有关（王思远等，2002）。

通常的情况下，马尔柯夫模型在土地类型转化上的应用，关键在于转移概率矩阵的确定。转移矩阵可以显示从某一年到另一年之间某一土地利用/覆盖类型的动态变化，即有某类型有多少的比例仍然保持不变，有多少转化为其他类型以及转化到其他各类型的比例各为多少（陈四清等，2003）。

表3 土地利用转移矩阵模型

表3 中，行表示T1时点土地利用类型，列表示T2时点土地利用类型。Pij表示T1-T2期间土地类型i 转换为土地类型j 的面积占土地总面积的百分比；Pii表示T1-T2期间i 种土地利用类型保持不变的面积百分比。Pi+表示T1时点地类i 的总面积百分比。P+j表示T2时点j 种土地利用类型的总面积百分比。Pi+-Pii为T1-T2期间地类i 面积减少的百分比；P+j-Pjj为T1-T2期间地类j 面积增加的百分比（刘瑞等，2010）。

从转移矩阵得出：

两段时间内，有较大比例的滩涂及未利用地发生转移，其余土地类型的转移程度相对较小。

2000-2005年间：未利用地与滩涂的面积转化比例高达83.8723%和41.2035%。其中未利用地的主要目标地物为盐田及建筑用地；而有较大比例的滩涂转化为未利用地和盐田。

2005-2010年更为明显：滩涂总面积的35.9239%转化为未利用地，总转化率达60.6857%；而未利用地面积的69.6897%转化为建筑用地，总转化率高达76.7737%；另外有17.5097%的绿地转化为建筑用地。

表4 土地类型利用变化转移矩阵（2000-2005年）

表5 土地类型利用变化转移矩阵（2005-2010年）

以上所得结果与滨海新区区域建设、社区拆迁、填海造陆等项目的实施以及“十大战役”战略中重点发展的项目工程建设目标较为吻合。

3 讨论

土地利用/覆盖的动态变化是各种驱动力作用下土地利用目的与方式的改变。影响土地利用变化的驱动因子很多，总体上可将其分为自然因子与人文因子两大类：自然因子是指对土地利用管理和利用方式具有一定影响的地球生物物理因子，主要包括气候、水文、地形、土壤、植被及自然灾害等；人文因子包括社会经济和政治文化、技术进步等方面，这些因子之间相互联系、相互作用和影响（梁长秀，2009）。从一个较短时间来看，自然要素变化的频率和速率同社会经济要素的复杂快速变化相比都显得迟钝和缓慢，滨海新区近10年间的土地利用/覆盖变化主要由人类活动所造成，因而分析土地利用的人文驱动因子更为重要。

3.1 经济因素

经济因素是决定土地开发利用的基本条件，包括经济结构与发展水平、工业和交通运输条件、城镇发展与市场条件、商业和贸易发展等。这些经济因素的变化特点，直接影响开发利用的方向、结构、规模、布局及效益（吴传钧等，1994）。

近十年以来，滨海新区深化改革、扩大开放，主动与国际经济接轨，完善投资条件，力争创造一流的投资环境，经济保持了持续、高速发展。十年间，天津滨海新区的第一总产值平均年递增5.72%，第二产业总产值平均年递增79.52%，第三产业总产值平均年递增76.79%，滨海新区生产总值由2000年的571.74亿元增长到2010年的5030.11亿元（宗国英等，2011）（表6）。

表6 滨海新区生产总值统计表（亿元）

在滨海新区由于产业结构的变化引起土地资源在产业上的重新分配，从而导致土地利用结构的变化。第一产业比重趋于下降，第二、三产业比重趋于上升。受经济利益机制的驱使，土地利用由低效益的农业不断转向非农产业用地，呈现失衡发展的态势。同时，随着社会经济的发展和生产总值的增长，人们开发利用土地的能力得以提升，为较深较广的开发利用提供了基础条件，进一步促进了各类荒地的开发和中低产农林用地的改造。

3.2 人口因素

人口作为一个独特的因素，是土地利用/覆盖变化的人文因素中最主要的因子，也是最具活力的土地利用/土地覆盖变化的驱动力之一。首先，人口数量的多少直接影响到土地利用/覆盖的变化；其次，人类通过改变土地利用/覆盖的类型与结构，增强对土地这个自然综合体的干预程度，来满足人类对生存环境的需求。因此，在土地利用/覆盖变化研究中，人口因素常被作为综合参数来反映人类活动在土地利用/土地覆盖变化中的贡献（王秀兰，2000）。

2010年滨海新区常住人口为248.21万人，10年共增加129.31万人，增长108.75%。年平均增长率为7.64%（天津市统计局，2011）。常住人口中，人口居住较为集中的地域有：塘沽850974人，占全区人口总量的34.28%，汉沽217107人，占全区人口总量的8.75%，大港523144人，占全区人口总量的21.08%。

如果把滨海新区土地利用比作一个开放性的系统整体，人口则是该系统结构中的组织者、参与者，同时还是系统输出品消费者。换言之，人通过生产技术、活动方式调节、组织土地利用系统结构，使滨海新区土地开发速度加快，利用率增大；同时，作为参与者，也占有一定面积的土地用作生存生活的场所——建筑用地；最后，还作为消费者，消耗土地利用系统的产品，增加对土地生态系统生产力的压力。因此，人口的增长导致了建筑用地的增加，并使其不断减少的农林绿地承载更大的生产压力（秦明周，1998）。

3.3 政策实施及填海造陆工程

对于具有区域尺度特征的土地利用变化，政府政策引导会起到关键的作用（刘纪远，2002）。“十一五”规划以来，天津滨海新区成为国家继深圳特区、浦东新区后又一个潜在的经济增长极；政府部门又于2009年部署实施“十大战役”发展战略。然而，在土地利用开发利用政策制定的过程中，过分重视经济建设，而在一定程度上对环境建设有所忽略，造成目前滨海新区土地可持续利用水平不高，土地利用没有真正实现由经济主导的发展模式向可持续的发展模式转变（曹颖，2013）。最终导致有利于维护生态稳定的植被、湿地、滩涂等土地类型面积急剧下降，而用于经济发展的建筑用地面积大幅增加。若照此方向发展下去，必将制约今后滨海新区的环境、经济、社会的可持续发展。

天津滨海新区的填海造陆工程，是目前中国国内最大的填海造陆工程，规划总面积达200余平方公里，包括东疆港区、临港工业区、临港产业区、南港工业区等填海项目。该工程在一定程度上缓解了工业及居住用地的紧缺，满足了经济发展，人口增长对土地储备的需求，并使得上述区域岸线曲折度和长度增加（赵英杰等，2011）。但是，该工程的实施，导致原有的滩涂、湿地等天然土地类型面积减少且破碎度加剧，使滨海的生态环境将面临严重挑战。