基于遥感影像的博乐市土地利用变化分析

祖力亚尔·库尔班，马 瑛，祖丽菲亚·买明，阿力木江·吐斯依提，宋 敏

(新疆农业大学 管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

0 引言

土地是综合性资源，是人类生存和发展的物质基础和环境条件[1]，土地利用方式和利用结构是否合理对区域经济的可持续发展起着至关重要的作用。土地资源的可持续利用成为学者们研究的热点及重点问题之一。近年来，以土地为资本的投资确实给人们的生活水平、社会财富带来了很大的提高和积累，可这种社会物质财富的增加是以牺牲珍贵的土地资源为代价，是一种不合理的广度和深度的土地利用方式的转变，与此同时，城市化进程的不断加快也导致了农业用地转变为非农用地，优质农用地被建设用地占用，土地数量和质量下降，因此，不合理的土地利用方式不仅会造成资源的浪费，而且还会对人们的生存环境带来一系列严重的问题，使人地矛盾日益突出[2]。博乐市地处新疆自治区天山以北，是北疆地区重要的发展城市。经济的快速发展、人口的大幅增加致使土地利用结构也随之改变。虽然土地利用在改变的过程中创造了很多财富，但其也给社会、环境等带来了诸多问题。本文选择博乐市作为研究区域，利用遥感技术获取三期土地利用变化数据并分析博乐市土地利用变化情况，希望能够找到一条合理利用土地资源的道路，对于新疆这片区域提高土地利用效率有一定的实际意义。

1 研究区域概况及数据来源

1.1 博乐市概况

博乐市位于新疆西北部，地处天山西段北麓、准噶尔盆地西南部，东部和东北部与精河县和塔城地区的托里县接壤，西连温泉县，南邻伊犁哈萨克自治州的伊宁县、霍城县，北以阿拉套山为分水岭与哈萨克斯坦相连。博乐市地理坐标介于东经80°39′～82°44′，北纬44°22′～45°23′之间，东西最大宽度为164.77 km，南北最大宽度为115.60 km。

博乐市辖区内共有3个镇、2个乡、4个街道。2017年年末，博乐市总人口达到25.80万人，其中，农业人口为9.07万人，非农业人口为16.73万人。地区生产总值为144.87亿元，增长10.4%。第二产业产值为45.83亿元，较上一年增长了11.6%，占总GDP的比重为33%；第三产业产值为68.83亿元，较上一年增长了12.6%，占总GDP的比重为49%。人均地方生产总值为5.58万元，增长了11.3%。

1.2 数据来源

本文所涉及的土地利用指标数据来自遥感影像的实验操作结果,其他数据来源于《新疆维吾尔自治区统计年鉴》(2006～2016年)。

2 研究方法

2.1 土地分类系统

由于土地的分类可以分为人文分类与自然分类，遥感一般解决自然分类[3]，所以本文提到的土地分类均指自然分类。遥感由于自身特点，不可能严格按照上述土地利用现状分类的要求做到精细分类。所以本文通过借鉴已有的研究成果，结合遥感影像和博乐市独特的地理特征，利用有关图件将研究区的土地利用类型划分为耕地、林地、建设用地、水体、未利用地和草地，对二级分类的划分如表1所示。

表1 研究区土地利用类型

注：资料来源于实验操作结果。

2.2 遥感影像的分类

监督分类、非监督分类、决策树分类是遥感影像分类方法中主要应用的3种方法，本文采用的是监督分类方法。

监督分类被称为利用训练区样本建立判别函数，是通过确定建立判别函数进而把待分像代入判别函数进行判别的过程。监督分类中常用的具体分类方法包括：(1)最小距离分类法；(2)多级切割分类法；(3)特征曲线窗口法；(4)最大似然分类法等。

本文采用最大似然分类法。最大似然分类法是监督分类法中应用最为广泛的一种方法，其主要是通过求出各像素对于每个分类样区的归属概率，把该像素分到归属概率最大的分类样区中的方法。根据选择的训练区，对影像进行最大似然法分类。

2.3 遥感影像分类精度评价

精度评定能够检验出分类结果的准确度，它是遥感影像分类环节中重要的过程之一。通过对分类结果的精度检验，可以得知分类的可信度。基于以上原因本文采用了基于采样样本的精度评价方法对分类精度进行评价。结合目视解译标志，通过计算机选取的随机样本对分类图进行精度评价。得到的分类精度分别是：2006年的分类精度为87.66%，2011年的分类精度为87.41%，2016年的分类精度为86.25%。

2.4 遥感影像分类面积统计

通过ENVI 5.1软件的分类后处理的分类面积统计功能，即Post Classification——Class Statistics功能，通过监督分类方法得出2006、2011和2016年的分类结果图，然后对耕地、林地、建设用地、水体、未利用和草地面积及所占比例进行统计，结果如表2所示。

表2 2006、2011和2016年分类结果统计

注：资料来源于实验操作结果。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化分析

3.1.1 土地利用幅度变化分析 土地利用变化幅度即在时间尺度上土地利用类型的面积增减，反映的是某一区域土地利用状况的总体变化情况[4]，以及变化趋势，其计算公式为[5]：

R=(Ub-Ua)/Ua×10

(1)

式中，R为土地利用变化幅度，Ua为土地利用类型的基期面积，Ub为土地利用类型的期末面积。

本文将博乐市2006～2016年土地利用分类数据划分为3个研究时间段，基期年分别为2006、2011和2016年，土地利用变化幅度计算结果如表3所示。

表3 博乐市土地利用面积变化和变化幅度

注：数据来源于计算结果。

从表3可知：2006～2016年期间耕地一直在减少，从2006年的84507.68 hm2减少到2016年的82409.99 hm2。城市人口的增多，经济的快速发展以及农业结构的调整都是耕地减少的主要因素。由于城市人口的不断增加，城市化发展水平的提升，使得建筑用地面积需求过大，城市建筑用地供不应求，导致城市建筑用地占用部分耕地，进一步导致耕地面积的减少；随着经济的发展，工业也随之发展，新增的工矿用地占用部分耕地，从而导致耕地面积的减少；农业结构的调整也会导致部分耕地的减少，如将耕地转为林地、园地等。

2006～2016年期间林地一直在增加，从2006年的53500.28 hm2增加到2016年的54168.49 hm2。林地的增加一方面是开荒造田，招商引资，扩大防护林建设造成的，如博乐市近年来不断优化城市旅游环境、防止风沙灾害、改善生态环境和保护农田等，加大了对林地的建设，政府部门也不断加大对防护林建设和城市绿化力度。另一方面是由于水土资源改善,灌木林生长成林以及条田林带增加和退耕还林。

2006～2016年期间建设用地一直在增加，从2006年的15965.68 hm2增加到2016年的21812.98 hm2。这与博乐市经济的不断发展和人民生活水平的不断提高有着密切关系，经济的发展对矿产资源的开采力度增加，能源和矿业开发实现了升级，博乐市旅游资源得天独厚，旅游业也成为拉动经济增长的主要来源，依托自然环境的风景名胜用地也不断增加。另一方面近年来博乐市经济的快速发展，带动中心城区以及产业新区的不断发展，从而导致城镇体系的不断优化，社会发展迅速，人口增长，人们对住房、基础设施用地以及工业化、城市化建设用地的需要进一步增强。

2006～2016年期间水体面积一直在增加，从2006年的55688.94 hm2增加到2016年的55879.32 hm2。水利条件的改善和水利设施建设的不断增加，也是其变化的主要因素。博乐市与耕地相配套的农田水利设施的不断完善使水利设施用地不断增加。降水增加等使河水不断冲刷，导致河流水面扩大。

2006～2016年期间草地面积一直在减少，从2006年的50214.22 hm2减少到2016年的4777.76 hm2。草地的减少与耕地的增加在一定程度上呈反比关系。一方面投资者的不断开发利用，致使草地不断的转换为其他土地利用类型，另一方面主要是由于小营盘镇北山草场几个牧业村的建立，居民对耕地和人工牧草地的需求，进而大量开垦，导致草地面积的减少。

2006～2016年期间未利用地面积一直在减少，从2006年的525430.78 hm2减少到2016年的517805.46 hm2。随着城市化水平的提高，社会经济的繁荣发展，土地不断地被开发利用，导致其他土地类型的土地面积总体减少。经济的发展，社会的进步需要更多的空间，在耕地保护政策的严格要求下，从经济发展的角度考虑更多的项目占用土地，将占用未利用地作为首要选择，致使未利用地面积减少。

3.1.2 土地利用变化动态度分析 单一动态度和综合动态度的分析方法是目前土地利用变化动态度分析常用的2种研究方法[6]。本文选择采用单一动态度分析方法。

单一动态度分析是对某一种土地利用类型的单纬度分析，是综合动态度分析的基础，公式为[7]：

(2)

其中，Ua、UC分别为某种土地利用类型的基期和末期面积，T为动态度分析时间期限。

从表4的数据计算来看，2006～2016年期间，林地、建设用地、水体分别以0.25%、7.32%、0.07%的速率增加；耕地、未利用地和草地分别以0.50%、0.97%和0.29%的速率减少。在整个研究时段内，建设用地数量大量增加且增长比例最快，博乐市建成区面积从2006年的13.10 km2增加到2016年的21.40 km2，这与博乐市的经济发展、城市规模增大和人口增长等有密切关系。

表4土地利用变化动态度分析结果%

年份单一土地利用动态度耕地林地建设用地水体未利用地草地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：数据来源于计算结果。

3.2 土地利用程度变化

土地利用程度反应的是土地的开发利用情况，可以用一套科学客观的评价方法进行定量评估，包括开发利用级别、再开发利用情况、土地利用集约情况、土地利用的综合水平等。刘纪元等从生态学角度提出了土地综合体在社会因素影响的综合评价法，将土地自然平衡状态分为4个级别(表5)，通过分级赋值完成了定量化综合评价。

表5 土地利用程度分级赋值

土地利用程度综合指数等于各土地利用类型的利用级与面积比重乘积的和，数学表达式为：

(3)

式中：Lj为j区域土地利用程度综合指数；Ai为第i级土地利用程度分级指数；Ci为第i级土地利用类型面积百分比；n为土地利用程度分级数。土地利用程度综合指数介于(100,400)，公式数学意义表明，土地利用结构越单一L值越大；数值越小，土地利用程度越分散。博乐市2006～2016年的土地利用程度综合指数结果计算如表6所示。

表6 2006～2016年博乐市土地利用程度综合指数

注：数据来源于计算结果。

土地利用程度变化指数通常用土地利用变化量和变化率来表示，表达式为：

(4)

(5)

式中：ΔLb-a为土地利用变化值；La、Lb分别是期末与期初值；R为土地利用程度综合指数变化率，用期末与期初的综合指数差值变化百分比计算得到。

公式(4)反映了变化的数值，公式(5)反映了变化的幅度，当ΔLb-a>0且R>0时，解读为土地利用处于正向发展阶段，状况较好；当ΔLb-a<0且R<0时，土地利用程度需要调整和改善，避免其持续衰退。

博乐市2006～2011、2011～2016以及2006～2016年3个时间段的土地利用程度变化指数计算如下(表7)。

表7 土地利用程度变化量与变化率

注：数据来源于计算结果。

从表7可以看出，在整体水平上，博乐市土地资源处于中等集约利用水平；从土地利用综合指数变化情况看，10年间综合指数不断提高，年均提高0.18。可以看出，10年间博乐市土地利用状况逐步向集约、高效方向发展，但综合指数值(211.09)还处于100～400的第二梯度，还有较大的提升空间。从表4～表8可以看出，2006～2016年博乐市土地利用程度变化量为1.78，年均变化量为0.18。其中，近5年(2011～2016年)变化量最大，是2006～2011年的0.43倍，表明10年间土地利用程度变化较大，尤其是近5年，已达到总量的50%以上。从土地利用程度变化率上看，总体变化率为0.85%，变化幅度不大，但从2个时间阶段划分来看，2011～2016年的变化幅度比2006～2011年高0.45%。这表明，近5年土地利用开发强度和开发深度有了较快速的提高。

3.3 土地利用景观变化分析

3.3.1 景观多样性指数 土地利用结构信息熵(景观多样性指数)能够有效地反映出城市土地利用的结构特征[8]和结构的均衡程度。Shannon定义的信息熵(H)是以地类面积比重为前提的，公式为：

H=-SUM(Pi×lnPi)

(6)

(7)

式中，P为面积比重，P值相差越小，土地利用结构越均衡。H值为土地利用结构信息熵，H值越大表示土地利用景观的多样性就越大，比如未开发状态的地类H值为0，当各地类开发成熟，结构趋于均衡，即mi=1/n时，土地利用结构信息熵最大。

2006～2016年博乐市土地利用景观多样性指数(信息熵)计算结果显示(表8和图1)：10年间土地利用景观多样性指数增加0.1343，增加百分比为13.80%，其中，前5年增加值为0.1206，后5年增加值为0.0137，前5年增加值是后5年增加值的8.8倍，表明近5年土地利用多样性变化不大。

总体来看，2006～2016年博乐市的土地利用景观多样性指数稳步上升，与土地利用变化程度指数变化一致，也从侧面反映了博乐市经济社会发展的稳步增加趋势。

3.3.2 优势度指数 景观优势度指数是用来定量描述景观结构对景观分配程度的概念，与景观多样性意思相反，即景观类型多样性指数越高，优势度则越低。计算公式为：

(8)

式中：D值为景观优势度指数，Hmax为景观多样性指数最大值(信息熵最大值)，P为面积比重。当D值为0时，土地利用类型比例相等，比较均衡；当D值较大，说明土地利用类型分散，比例严重不均，个别土地景观类型占主导优势。

表8 2006～2016年博乐市土地利用结构信息熵

注：数据来源于计算结果。

图1 2006～2016年博乐市土地利用结构信息熵变化历程

3.3.3 均匀度指数 均匀度指数描述的是景观组成均匀程度，与景观多样性指数有直接关联，计算公式为：

(9)

式中，E为均匀度指数，E值越大，景观类型分配越均匀。

博乐市200～2016年土地利用景观优势度指数和均匀优势度指数计算结果如图2所示。

结果显示，2006～2016年期间，优势度指数呈下降趋势，10年间优势度下降0.134，下降幅度为32.44%，年均减少0.013。均匀优势度指数10年间增加0.097，增加幅度为13.8%。优势度指数的下降和均匀优势度的上升，都从侧面支持了景观多样性趋于均衡，用地结构稳定的结论。

4 结论与建议

2006～2016年间，博乐市林地、建设用地和水体面积有所增加；耕地、未利用地和草地面积有所减少，变化幅度最大的是建设用地。根据博乐市2006～2016年的土地利用情况来看，博乐市土地利用程度从2006年的209.31增加到2015年的211.09。说明这段时间内土地利用集约程度有所提高，但总体来看博乐市土地利用程度综合指数与土地利用程度的极限值400还存在一定的差距，显然博乐市当前的土地节约集约利用水平并不高，需要提高博乐市土地利用综合水平，最大可能地发掘出土地利用的潜力。

图2 博乐市2006～2016年优势度及均匀优势度

近年来，博乐市土地利用方式多样化，但人地关系进一步紧张。为了博乐市土地可持续利用，结合研究结论为博乐市今后的土地可持续利用提出以下建议。

(1)增加有效耕地面积，确保耕地占补平衡，加强耕地保护力度。随着社会经济和城市化水平的不断提高、城市规模的不断扩大，非农建设用地占用耕地的现象是不可避免的。博乐市地少人多，近年来人口规模急剧膨胀，人们需要更多的土地来发展，特别是在城镇周围地区耕地的保护受到威胁，博乐市耕地面临的压力也进一步增大。研究结果显示，博乐市耕地面积逐年减少，人口却逐年增长，因此人们对粮食需求逐年增加，两者之间矛盾越来越突出。应解决人地之间的矛盾，实现耕地总量与质量的动态平衡，满足人们日益增大的粮食需求。因此，必须合理规划城市发展，因地制宜，建立有效的保护机制，协调耕地与建设用地之间的矛盾。坚持耕地数量、质量和生态三位一体，增大土地整治及开发力度，保证土地的占补平衡。坚持“保质保量、应保尽保”的原则，落实耕地保护责任制，实行严格的耕地保护制度，确保完成耕地与基本农田保护任务。加大对耕地的保护与土地国策和国法的宣传力度、提高耕地质量。按党中央和国土资源部的要求，严格执行《土地管理法》，认真贯彻和执行基本农田保护制度，认真落实基本农田保护区的划定和监管，重点保护肥沃土地。

(2)挖掘土地潜力，提高土地利用集约度。根据计算结果可知，目前，博乐市的土地利用程度处于中等水平，集约利用潜力比较大，应及时发现土地粗放利用、批而未用等问题，采取合理调控手段，实现土地的科学、高效利用。在城市化快速发展的背景下，适度控制城市规模的扩大，注重挖掘城市土地的潜力，提高土地利用效益。博乐市的旧城区大部分以地城建筑为主，土地容积率不高，利用不充分。因此加强旧城区改造不仅能实现土地集约利用，而且还能改善人们的生活环境，提高人们生活质量等。坚持以加强城乡基础设施和经济社会发展薄弱环节建设为着力点，以结构调整和促进城乡统筹发展为主线，以加快新型工业化和城市化进程为突破口，大力发展外向型经济，推进社会主义新农村建设，加强生态保护和环境建设，走可持续发展道路，推动全市经济、社会、人口、资源、环境向全面、协调和可持续发展的方向迈进。

(3)做到土地利用与生态保护的一致性。长期以来，受自然、历史和人为因素的影响，加上有的乡镇、村未能处理好土地利用与保护之间的关系，致使水土流失、土地沙化、撂荒、草地退化日趋严重。按照建设环境友好型社会的要求，建设与保护并重，加强博乐市土地利用由经济增长主导向社会生态并重方向转变，寻求生态友好，生态空间优化，生态价值提高的用地模式。建立健全和严格落实环境保护目标责任制，划定生态保护红线，切实把生态环境保护融入经济社会发展全过程。加大对博尔塔拉河、赛里木湖、艾比湖湿地自然保护区、哈日图热格风景区等主要生态功能区的生态环境保护与建设力度，禁止进行破坏生态环境和污染环境的任何活动及项目，标准化污染排放量和环境保护的相关制度，大幅度减少污染排放。加大环境保护力度，提高植被覆盖率，减少自然灾害的发生，促进生态恢复功能。围绕生态环境可持续发展，坚持生态立市，以更大的力度、更扎实的措施，坚决保护好生态环境，鼓励群众从自身开始加入保护环境的队伍，从小的事情开始做起，自行监管污染和破坏生态环境的行为，大家一起努力建设美好的家园，让博乐的山更绿、水更清、天更蓝，自然环境更优美。