基于RS和GIS的海伦市土地利用变化分析

杨 飞，李长苓，靳 昕，周利军

(1.哈尔滨师范大学;2.建三江分局局直子弟学校;3.绥化学院)

0 引言

土地利用是人类根据土地的自然特点，按一定的经济、社会目的，采取一系列生物、技术手段，对土地进行长期性或周期性的经营管理和治理改造［1］.土地利用既受到自然条件的制约，也受人口、经济、科技、政策等条件的影响.土地覆盖是被自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，包括地表植被、土壤、湖泊、沼泽、湿地及各种建筑物(如道路)，具有特定时间和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化［2］.土地利用/土地覆盖变化既是全球环境变化的原因，也是全球环境变化的结果.它不仅是人类利用土地进行生产、生活、活动的发展趋势的主要反映，而且也影响着社会经济的持续发展［3］.上世纪90年代开始，遥感、地理信息系统技术的应用和强调对自然地理因素和社会经济因素的综合，成为这段时间内土地利用与覆盖变化科学研究中的三个十分重要的趋势［4］.1993年，在两大国际性的组织IGBP和IHDP共同开展“土地利用/覆盖变化”的综合科学研究之后，一些具有国际性影响的组织机构和国家也陆续开展了与土地利用/土地覆盖变化相关的科学研究［5］.我国正式开始遥感在土地利用方面的研究于20世纪70年代，但研究成果的正式出版是在20世纪80年代，在20世纪90年代开始了全方位的土地利用/土地覆盖变化方面的研究［6］.

该研究利用RS和GIS技术，结合海伦市的社会经济数据，对海伦市1980年、1995年和2000年三个时段的土地利用/覆盖进行动态监测及变化分析，为当地土地利用的合理布局和林业规划提供依据，为当地的生态环境建设提供定量的信息，促进社会的可持续发展.

1 研究地区概况

海伦市位于黑龙江省中部，距哈尔滨市225km.地理坐标为北纬 46°58＇～ 47°52＇，东经126°14＇～127°45＇.东部隔克音河与绥棱县为界，西部隔通肯河与青冈、明水、拜泉县相望，北部与北安市接壤，南部与绥化市、望奎县为邻.全境从东北到西南 150 km;南北 78 km，总面积为4667 km2.2012年末人口数为84.7万人，其中农业人口65万人.气候类型为大陆性季风气候，冬季严寒漫长，气候干燥，夏季湿热多雨，气候湿润.年平均气温1.5℃，最高气温37.7℃，最低温度零下40.3℃.年降水量为500～600 mm，年日照 2600－2800 h，≥10℃ 积温为 2400～2600℃.无霜期为120 d左右，终霜期多在5月中、下旬.地貌类型以起伏台地为主，是由小兴安岭向松嫩平原的过度地带.地势东北高西南低，东部为起伏的低丘陵，中部和南部为漫川漫岗区，西部沿河一带为低洼平原，海拔为147～471 m，地形总体格局是二山一水七分田.海伦市植被类型主要有森林、灌丛、草甸和沼泽.成土母质绝大部分为河－湖相冰水沉积物，除沿河泛滥地具有砂砾、砂壤质冲积物和丘陵区具有花岗岩风化物外，在广阔的高平原上均被黄土性粘土所覆盖，粘土层厚度10～30 m或更深，本区是典型的黑土分布区，其中黑土地占81.53%，草甸土占17.77%［7］.

近几年，海伦市社会经济发展迅速提高.地区生产总值实现53.9亿元同比增长13.7%.其中:第一产业增加值28.5亿元，增长19.1%;第二产业增加值9.8亿元，增长18.3%;第三产业增加值15.6亿元，增长3.3%，取得可喜成绩.2011年，海伦市集中建设现代农业示范区、工业示范园区、海西新区，“三区”建设齐头并进，为经济社会健康发展提速.在城区的北郊规划建设了面积10 km2的工业园区，内设农产品加工产业区、新能源产业区、机械制造产业区、高新技术产业区、轻化工产业区和生物环保产业区等六个主导产业板块.海伦市着重推进海西新区的开发，将建成集现代化办公写字楼、宾馆、现代商务中心、高档社区为一体的城市新区，为实现海伦由农业大市向农业强市转变奠定基础.到2015年，力争再新入驻规模企业60户以上，争取实现利税120亿以上，将园区建成基础设施齐全，各项功能配套，项目摆放科学的省级现代化产业园区.

2 数据处理与土地分类体系

2.1 数据处理

运用遥感方法监测土地利用变化是一项具有周期性的连续性工作，在试点工作中，选择卫星数据时，应考虑以下因素:数据的连续性、数据的稳定性、数据的精度、数据的价位、数据的可获取性［9］.根据以上因素，该文选自美国陆地资源卫星MSS和TM遥感影像，具体为1980年的MSS遥感影像、1995年和2000年的TM遥感影像，该影像可以从马里兰大学网站上直接下载(http://glcf.umiacs.umd.edu/data/landsat/).辅助资料有1968年1∶10万的地形图用于纠正遥感影像，其他资料还有2003土地详查资料、1980—2000黑龙江省统计年鉴社会经济发展统计资料数据.

利用1∶10万的地形图对所获取的2000年的TM遥感影像进行几何纠正，纠正方法采用三次多项式，然后以2000年的影像为参考影像来纠正另外两景影像，把纠正的影像以海伦市轮廓矢量图为范围进行裁切，获得研究区域的遥感影像，三期影像均选用TM4、3、2波段进行假彩色合成，以便建立不同土地利用类型的判读标志并进行人机交互解译，再进行实地效验，修改无误后建立海伦市土地利用数据库.数据格式Coverage，投影方式为等面积割圆锥投影(Albers)，中央经线为105°E，双标准纬线分别为25°N和47°N，坐标原点为(0，0).

2.2 土地利用分类体系

参照我国土地利用编码，采用两级分类系统，包括6个一级类型和21个二级类型［8］.海伦市涉及到16类(如表1所示)，其中一级类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用地;二级类型则根据土地的覆盖特征、覆盖度及人为利用方式上的差异做进一步的划分，例如将水域划分为湖泊、水库坑塘和滩地等.根据研究需要，该文将土地利用类型分为7类，即采用一级分类类型前提下，耕地进一步划分为水田和旱地.

表1 土地利用/覆盖变化分类体系

续表1

表2 海伦市1980—2000年土地利用类型及现状图

3 结果分析

3.1 海伦市土地利用/覆盖总体状况

利用ArcMap将3个时段的土地利用数据进行制图和分类汇总，具体见图1、图2、图3和表2.

图1 1980年海伦市土地利用类型分布图

从以上图表可以得出:海伦市土地利用类型以旱作耕地为主，遍布整个海伦市，水田面积较小，主要分布在河流两边，林地主要分布在东北

图2 1995年海伦市土地利用类型分布图

图3 2000年海伦市土地利用类型分布图

地区地势较高的地区，未利用地主要分布在西部.以2000年为例:旱地占总面积的74.95%，林地占总面积的13.54%，未利用地占总面积的7.83%，其他几种土地利用类型较少.

3.2 海伦市土地利用/覆盖变化状况

利用Excel软件将不同时段不同土地利用类型的数量制成柱状图，如图4.

图4 海伦市1980～2000年土地利用变化图(km2)

从图4可以看出，海伦市林地面积在持续减少，20年间减少了163.46 km2，平均每年减少8.17 km2，旱田面积在持续增加，到2000年面积达到3502.52 km2，比1980年增加了219.5 km2，平均每年增加10.98 km2，草地的面积在1980～1995年间减少了12.79 km2，减少了将近一半，到2000年虽然有所增加，但增加的幅度很小，只有0.39 km2，未利用地呈现先增加后减少的状态，水田出现先减少后增加的状态，水域和建筑用地变化不大.

3.3 单一类型的土地利用/覆盖动态度变化

单一类型的土地利用动态指数是研究区域在一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况［9－10］，其表达式为:

式中Lc表示研究时段某一土地利用类型动态度指数，若Lc＞0，则表示该土地利用类型面积减少，若Lc＜0，则表示该土地利用类型面积增加，Ua和Ub分别表示研究初期和末期某类型土地的数量，T表示研究时段.根据计算公式可以得出各土地利用类型的动态度指数，1980—2000年动态度指数见表3.

在第一时段主要表现草地大量减少，其动态度指数为3.22%，其次为未利用地增加，动态度指数为－0.59%，林地的变化与未利用地相当，只是呈减少状态.在第二时段主要是未利用地和林地减少，动态度指数分别为3.50%和2.62%，是所有土地利用类型中变化最大的，水田和旱田以增加为主，动态度指数分别为 －1.91%和－1.02%，该指数明显大于前一时段，水域和建筑用地也表现出减少的趋势，二者的动态度指数大小相当.从整个研究时段来看，动态度指数为正且大于1的有草地、林地，分别为1.03%、2.34%，水田和旱田的动态度指数为负，虽然很小，但其基数很大，特别是旱田变化的数量最大，其他几种土地利用类型的动态度指数均为正值，说明在整个时段面积在减小.

根据1980年的MSS遥感影像、1995年和2000年的TM遥感图像，结合2003年土地详查资料，运用 GIS软件，制作1980年、1995年和2000年的土地类型分布图，并提取了20年间的土地利用类型动态变化数据.结果表明海伦市在1980年至2000年间土地利用情况发生了大幅度的变化.全区耕地面积20年内增加了219.5 km2，未利用土地减少了41.46 km2，林地面积减少了 163.46 km2，草地面积减少了12.79 km2，建筑用地和水域面积变化幅度不大.分时段来看，在第一个时段内，主要表现为草地减少，耕地和未利用地增加为主要趋势，在第二个时段内，主要表现为耕地增加，未利用地和林地减少.

［1］ 史培军，潘耀忠，陈晋，等.深圳市土地利用覆盖/变化与生态环境安全分析［J］.自然资源学报，1999(4):293－299.

［2］ 赵俊美，李晋陵，马庆勋.GIS和遥感技术在土地利用与土地覆盖动态监测中的应用探讨［J］.现代农业科技，2008(10):226－227.

［3］ 蔺卿，罗格平，陈曦.LUCC驱动力模型研究综述［J］.地理科学进展，2005，24(5):79 －86.

［4］ 王秀兰，包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨［J］.地理科学进展，1999，18(1):81 －87.

［5］ 王兵，臧玲.我国土地利用/覆盖变化研究近期进展［J］.地域研究与开发，2006，25(2):86 －91.

［6］ 路云阁.基于遥感技术和GIS的小流域土地利用覆被变化分析［J］.地理科学进展，2005，24(1):79 －87.

［7］ 汪景宽，赵永存，张旭东.海伦县土壤重金属含量的空间变异性研究［J］.土壤通报，2003，34(5):399 －403.

［8］ 史培军，江源泉，王静爱，土地利用覆盖变化与生态安全响应机制［M］.北京:科学出版社，2004.105－106.

［9］ 谢花林，刘黎明，土地利用变化的多尺度空间自相关分析——以内蒙古翁牛特旗为例［J］.地理学报，2006，61(4):389－400.

［10］朱会义，何书金，张明.环渤海地区土地利用变化的驱动力分析［J］.地理研究，2001，12(6):670 －680.