基于随机森林算法的山西万荣县土地利用变化分析

刘焕才， 郭俊莉， 张洁，李曼

1.山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041000；2.山西师范大学现代文理学院，山西 临汾 041000

0 引言

作为人类生存和发展的重要基础和物质来源，土地资源的变化过程深刻反映社会经济发展[1].自1995年《土地利用/土地覆被变化科学研究计划》发布以来[2]，土地利用/覆被变化(Land Use/Cover Changes,LUCC)已成为全球环境变化研究的重点领域之一.LUCC研究在我国起步较早，1978以后已有连续性工作开展，尤其是进入21世纪后，我国已成为全球城市化和工业化发展最富活力的地域之一，LUCC正在发生剧变并对粮食安全、生态安全等产生深远影响[3～5]，因此相关研究也呈快速递增趋势.

中国幅员辽阔，地区间自然、经济、社会条件差异明显，因此开展不同空间尺度和地域的土地利用变化研究是深刻认识我国LUCC及其驱动力的切入点，大量的实地研究成效显著.例如重庆市在2005年以后土地利用变化朝着越来越稳定的方向发展，总体上其土地利用水平处于发展期，但区县之间各类土地利用变化的相对速率差异较大[6].京津冀城市建设用地增长由三产产值、地方财政支出、公路营运里程和房屋施工面积4个变量决定，但对于不同类别的城市来说，其核心驱动力存在着明显差异[7].而对新疆阿克苏河流域的研究发现，耕地、建设用地以单向转入为主，草地、水域以单向转出为主，不断加强的人类活动是主要驱动力，而气候变化起到基础性作用[8].山西省的土地利用变化也已经做了大量的研究工作[9～16].总体上山西以农田和林地为主，2000年～2010年农田和林地显著增加，而草地和水体湿地类面积却显著减少，建设用地先降后增，荒地类面积变化不明显[9]，但各地区土地利用变化差异较大.例如汾河上游林草地面积呈增加趋势，农用地与水域面积呈减少趋势，该变化对汾河径流量的减少有重要影响[10].2000年～2010 年忻州市土地利用变化整体表现为耕地与湿地减少，而林地、草地、水体与建设用地相应增加[11].而晋南地区近25年总体上水体、耕地、林地呈减少趋势，建筑用地和裸地呈增加趋势，气候与人口是土地变化主要的驱动因素[12].

万荣县位于汾河与黄河交汇处，地处华北、西北、中原三大地域连接处的山西省西南部，隶属于山西省运城市，文化底蕴深厚，是重要的农业生产基地和旅游胜地.基于此，本文利用1990年、1999年、2008年、2017年4个时段的Landsat遥感影像及社会统计数据，采用随机森林分析万荣县近30年来的土地利用动态变化特征及其驱动因素，以期为当地土地利用规划及管理提供决策依据.

1 研究区概况

万荣县位于山西省的西南部，运城市的西北方向，有汾河的支流和黄河少部分水域流经万荣县(图1).地势起伏不大，由东南向西北方向稍稍倾斜，属于运城盆地.东部一带地区地貌表现出台状型的黄土高原地貌，其中稷王山与孤峰山居高，人口稀少，水资源极其匮乏；中西部呈现为黄土谷地地貌，地势较平坦，人口多且分布相对均匀，水资源相比东部多，属于暖温带半湿润气候区，年平均气温12.0℃，年降水量522.2 mm[17].万荣县境内有209、108国道穿境而过，交通便利.产业结构以种植农业为主，有优质果品基地县的称号.

图1 万荣县地理位置示意图
Fig.1 Map showing the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

万荣县1990年、1999年、2008年和2017 年的土地利用数据以地理空间数据云平台提供的4期Landsat遥感影像作为数据源(表1).所选取年份的影像取自当年6月～9月云量为0或趋于0的遥感影像，此阶段植被覆盖率大，有利于保证土地分类的准确度，然后在ArcGIS中加载中国矢量边界后提取万荣县矢量边界，用于万荣县遥感影像的边界裁剪.此外，还包括1∶200 000万荣县行政区划图和《山西省统计年鉴》.

根据实际情况并结合全国第二次土地利用调查分类，将万荣县近30年的土地类型分为5种大类：水域(包括河流、水库等)、耕地(包括旱地、园地等)、林草地(包括灌木林地、疏林地、草地等)、建设用地(包括城镇村庄、交通用地、工矿用地等)和未利用土地(包括裸地、荒草地等).

表1 遥感影像数据表Tab.1 Information of remote sensing images

2.2 研究方法

2.2.1 土地分类方法

随机森林(Random Forests, RF)是一种基于分类与回归决策树(CART)的集成学习算法，是对决策树算法的一种改进.它用Bagging算法生成有差异的训练样本集，并随机选择特征对内部节点进行属性分裂，以此随机构建多棵决策树，其中每棵决策树代表一个分类结果，随后对所有决策树的分类结果进行投票，将投票次数最多的类别指定为最终输出[18].该方法具有准确率高、运算速度快、易并行化等诸多优点，其在遥感影像分类中甚至优于支持向量机和最大似然法[19，20]，因此是本研究主要的土地分类方法.

2.2.2 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度反映研究区某种土地利用类型在一定时间段内的变化速度情况[21].其数学模型为

(1)

式中，Ki为i类土地在t1到t2时段内的动态度，Ki值越小，表明该类土地转化为其他类型土地的数量越少，在研究期内相对稳定；Sit1和Sit2分别表示t1、t2时间上i类土地的面积.

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征

从图2可以看出，万荣县土地利用一直以耕地和林草地为主，共占土地总面积的85.21 %以上.在空间分布格局上，耕地基本上在整个研究区均有分布；林草地主要分布在以孤峰山、稷王山为代表的山地、丘陵及河谷地带；建设用地总体呈团簇状均匀分布于万荣县县城及周边相对集中区域；水域主要为研究区西部黄河、汾河河流水面.1990年～2017年，各类土地均发生不同程度的变化(表2)，其中耕地和林草地变化程度显著，耕地持续下降，但近年来势头减缓，总体减少130.13 km2，而林草地则持续增加，近年来同样增势减缓，总体增加112.52 km2.水域呈波动减少趋势，总体减少23.62 km2，而建设用地和未利用地却呈现波动增加态势，分别增加11.00 km2和30.24 km2.近30年，万荣县单一土地利用动态度最大的是未利用地，达3.58 %，其次为林草地和水域，分别为2.67 %和-2.11 %，而耕地和建设用地变化速率并不快.

具体来说，林草地的增加以及水域的减少是1990年～1999年土地利用变化的主要特征.面积变化最大的是林草地，增加31.02 km2，其次是水域和建设用地，分别减少22.28 km2和9.73 km2，耕地和未利用地几乎没有变化.从单一土地利用动态度来看，变率最大的为水域(-5.98 %)，其次是林草地和建设用地(2.21 %和-1.68 %).

1999年～2008年间，耕地的大幅减少以及其他用地不同程度的增加是其主要特征，该时期各土地利用类型变化幅度最为剧烈.面积变化最大的是耕地，达到-127.62 km2，其次是林草地(74.73 km2)，增幅较前一时段更加显著，未利用地和建设用地开始出现增加现象，分别增加25.78 km2和19.36 km2，水域面积转为增加，但变化幅度最小，该时段仅增加7.03 km2.从单一土地利用动态度来看，未利用地变率最大，高达9.33 %，其次是林草地(4.43 %)、水域(4.09 %)和建设用地(3.94 %)，耕地变率反而最小(-1.88 %).

2008年～2017年间，水域的减少以及林草地的增加是其主要特征，但各类土地变化幅度已开始缓和.土地面积变化最大的是水域，又开始出现减少趋势(-8.38 km2)，其次是林草地、未利用地和耕地，但较前一时期变幅放缓明显，仅分别为6.77 km2、5.03 km2和-4.08 km2，建设用地趋于稳定.从单一土地利用动态度来看，水域面积变率最大(-3.56 %)，其他用地变率不明显.

图2 万荣县1990年(a)，1999年(b)，2008年(c)和2017年(d)土地利用空间格局Fig.2 Spatial distribution of land use in Wanrong County in 1990(a), 1999(b), 2008(c) and 2017(d)

表2 1990年～2017年万荣县各土地利用类型面积变化及单一土地利用动态度Tab.2 Area change and dynamic indices of different land use types in Wanrong County during 1990～2017

3.2 土地利用转化特征

土地利用转移矩阵表征各土地利用类型的转移方向和转移数量，可揭示土地利用变化的内在过程[22].因此，本文对选取的相邻时期影像进行转移矩阵变化分析，得到1990年～1999年、1999年～2008年、2008年～2017年万荣县土地利用变化矩阵表(表3).

1990年～1999年间，耕地与其他土地利用类型间的频繁转换是主要特征.水域主要以单向转出为主，转出面积28.27 km2，大部分转化成为耕地(77.26 %).林草地面积转入大于转出，但均比较剧烈，转入面积103.67 km2，耕地能占到93.39 %，万荣县南部和西部耕地是主要的转化对象；转出面积72.65 km2，也主要转化成为耕地(89.06 %)，尤其是县城周边的转化程度比较明显.建设用地转出面积37.55 km2，耕地占比高达91.16 %，主要发生在万荣县南部和西部乡村地区；转入面积27.82 km2，同样也主要由耕地(79.94 %)转化而来，主要发生在县城地区.未利用地面积转出与转入大致相当，转出面积为16.35 km2，主要开垦为耕地(90.09 %)；转入面积15.78 km2，主要是由耕地撂荒导致(79.40 %).与之对应地，耕地面积虽总体变化不大，但内部转化相当剧烈.转出面积133.94 km2，主要转化为林草地(72.29 %)和建设用地(16.61 %)；转入面积135.50 km2，同样主要来自林草地(47.75 %)，其次是建设用地(26.00 %)和水域(16.12 %).

该时段水域面积的减少主要是由于围河造田等人为因素引起.此外，20世纪末期降水的异常减少也起到重要作用，其中1997年万荣县年降水仅为206.1 mm，为有器测记录以来最低[17].对于其他土地利用类型的变化，人口的转移以及工业化活动可能是主要推动力量.自改革开放到20世纪末期，万荣县政府大力发展化学工业，化肥厂、炼镁厂、焦化厂等工厂陆续在县城及周边兴建，同时工业化活动的开展也吸引了越来越多的乡村人口，万荣县城镇人口比例已由1990年的2.63 %增加到1999年的6.15 %.总之，人口规模的不断增加以及工业化活动的大规模开展，使得县城周边的耕地被转化为建设用地，县城规模得到相应扩大，同时对耕地的需求也使当地一部分林草地被改造成耕地.相反地，万荣县南部和西部地区乡村人口的不断迁出使得当地耕地和建设用地缩减，而林草地面积则得到相应增加.

1999年～2008年间各土地利用类型之间的转化更为频繁和复杂.水域面积转入18.4 km2，主要来自耕地(69.95 %)和未利用地(15.33 %)；转出面积11.38 km2，主要转化为耕地(52.20 %)和林草地(24.69 %).林草地面积转入依然大于转出，并且较前一时段转化更加剧烈，转入面积159.77 km2，绝大部分来自耕地(94.89 %)，万荣县南部地区尤为典型；转出面积84.99 km2，耕地能占到91.95 %，主要发生在万荣县北部地区.建设用地面积转入43.79 km2，主要来自耕地(89.20 %)；转出面积24.43 km2，向耕地的转化亦最多(74.17 %)，主要发生在万荣县西北部地区.未利用地转入面积51.93 km2，主要来自耕地(90.30 %)；转出面积26.15 km2，也主要转化为耕地(81.41 %).与这些用地类型转化特征不同的是，该时段耕地转出面积远大于转入面积，耕地出现大面积缩减.其转出面积250.44 km2，主要转化为林草地(60.54 %)、未利用地(18.72 %)和建设用地(15.60 %)；转入面积123.50 km2，主要来自林草地(63.28 %)和未利用地(17.24 %).可见，该时段耕地的大量减少是其他用地类型尤其是林草地显著增加的主要原因.

进入21世纪，为改善民生问题，政府实施建设大型的水利工程，沿岸部分耕地和未利用地的转化使得水域面积稳步增加.此外，2003年的强降水也起到了一定作用[17].对于其他土地利用类型的变化，退耕还林政策以及经济的提速可能是主要推动力量.2000年以来政府大力鼓励植树造林、生态退耕，使得大量耕地除了部分被建设用地占用外开始向林草地大规模转化，尤其是万荣县南部地区林草地增加显著.此外，该时期经济发展势头强劲，2008年地区生产总值已达26.90亿元，较1999年增长3倍有余，经济的改善不仅使城镇规模进一步扩大，而且乡村也开始重新繁荣起来，建设用地的相应增加势必要牺牲周边的耕地.

2008年～2017年这段时间内，尽管内部之间的转换依然剧烈，但转出与转入基本已经达到平衡，各土地利用类型变幅均放缓.水域面积转出20.91 km2，主要转化为耕地(60.02 %)和未利用地(20.52 %)；转入面积12.53 km2，主要来自耕地(67.04 %).林草地面积转入133.31 km2，主要来自耕地(87.95 %)；面积转出126.64 km2，转化为耕地的比例高达93.64 %.建设用地面积转出与转入大致相当，转出面积24.34 km2，除耕地(52.63 %)外，向林草地的转化也占有一定比例(28.72 %)；转入面积25.72 km2，主要来自耕地(70.61 %).由建设用地的空间变化可以看出，县城规模在该时段有了进一步扩大，但总体上万荣县城镇化发展速度已开始放缓.未利用地转入面积50.00 km2，主要来自耕地(78.56 %)；转出面积44.97 km2，主要由耕地撂荒引起(76.56 %).耕地的转移特征较为复杂，面积转出183.07 km2，主要转化为林草地(64.04 %)和未利用地(21.46 %)；转入面积178.38 km2，主要来自林草地(66.48 %)和未利用地(19.30 %).

由上述土地转换特征可以看出，优化土地利用类型的空间结构以兼顾经济发展与环境保护可能是该时段的主要推动力量.比如万荣县南部地区，该地区地势平坦，适宜耕作.因此该地区部分林草地开始向耕地转化，而在山地、丘陵和城区附近林草地面积有相应增加.当然，人口规模的持续增加可能也是该时期用地类型进行调整的重要原因，截止到2017年，万荣县人口总数已达45.66万人.万荣县以此为契机，因地制宜，建立了多个果业基地，不断优化农业结构，大力发展特色农业，被评为“中国优质果品基地县”“中国苹果20强县”，2017年地区生产总值已达66.13亿元.

表3 1990年～2017年万荣县各土地利用类型转移矩阵(km2)Tab.3 Transfer matrix of land use in Wanrong County from 1990 to 2017(km2)

4 结论

本文以山西省运城市万荣县为研究区，基于1990年、1999年、2008年和2017年4期遥感影像资料和社会统计数据，运用RS和GIS技术从土地面积变化、土地利用动态度以及土地转移等方面对万荣县近30年土地利用动态变化特征及驱动力进行分析.研究发现，万荣县主要以耕地和林草地为主，并且不同阶段土地利用变化存在差异.

具体来说，在变化幅度及速率上，林草地的增加(31.02 km2)以及水域的减少(-22.28 km2)是1990年～1999年的主要特征，但水域的变率更快(-5.98 %)；1999年～2008年间，耕地的大幅减少以及以林草地为代表的其他用地不同程度的增加是其主要特征，耕地减少达127.62 km2，而林草地增加74.73 km2，但未利用地的变率更快(9.33 %)，该时期是各用地类型变幅最为剧烈的一个阶段.2008年～2017年各类土地变幅已开始缓和，水域(-8.38 km2)及林草地(6.77 km2)变幅较大，并且水域的变率也最快(-3.56 %).

近30年万荣县各类用地之间转化频繁，并有越来越剧烈的态势，其中耕地与其他用地类型尤其是林草地和建设用地之间的相互转换更为突出，但各时段的驱动力存在一定差异.具体来说，乡村人口向城镇的转移以及工业化活动的开展在1990年～1999年间可能相对重要，1999年～2008年退耕还林政策以及经济的提速是推动土地转移的主要原因，而优化土地利用类型的空间结构以兼顾经济发展与环境保护可能是2008年～2017年的主要驱动力.总体上，人口增长与转移、经济活动以及退耕还林政策是万荣县土地变化的主要推动力量.此外，气候变化也起到一定作用.