基于地学信息图谱肇州县土地利用时空变化分析研究

杜 崇,刘月阳,郭显锋,徐铖龙

(黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

土地利用作为人类活动和环境变化相互作用的复杂几何体，它不仅可以记录人类的活动过程，也可以预测未来土地变化情况[1-2]。土地利用/覆被变化( land use /cover change，LUCC) 是国际上研究学者研究全球变化的核心内容之一[3-4]。土地利用变化主要表现在“时间分布”和“空间分布”的变化，而地学信息图谱可以通过图形和图谱来对研究区土地利用时空间变化进行有效表达，是一种时空复合分析的研究方法[5-9]。它弥补了原有方法的单一性，利用图形语言来进行时间和空间的表达与分析，为土地利用研究找到了新的方向[10]。近年来，国际上的学者运用地学信息图谱对土地利用时空变化进行分析研究，取得了许多的科研成果。雷师[11]对中国中部和东南部城市土地利用变化对比研究，叶庆华[12]通过GIS的时空复合体对土地利用变化进行研究，李娜[13]对重庆市的土地利用结构效率进行评价并对影响因素进行分析。

基于2013年、2020年2期遥感数据为数据源，合成时序单元土地利用信息图谱和涨落势图谱，从而对2013—2020年间的肇州县土地利用动态变化格局及时空间变化进行分析[14-15]，可以准确的表达出肇州县土地利用变化，为以后的研究提供研究方法及科学依据[16-17]。

1 研究区域概况

肇州县地处黑龙江省的西南部，松花江的北部，位于松嫩平原腹地，地处124°48′12″E—125°48′03″E，45°35′02″N—46°16′08″N，东与肇东市相邻，西与大同区交界，南与肇源县接壤，北与安达市相连，背靠大庆油田，全县面积2445 km2，拥有耕地148 000.00 hm2，草原56 666.67 hm2，总人口46.7万人。肇州县作为中国五大气田之一拥有十分丰富的境内汽油资源，原油产量100万t。肇州县属中温带大陆性季风气候，其属于低山丘陵平原区，海拔高度在134～578 m之间。除基本农田外，还有大量的盐碱地、荒废地尚未被开发利用。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究遥感数据来源于2013年和2020年的landsat8 OLI影像( USGS,https: //glovis.usgs.gov /),运用ENVI5.3软件完成了辐射定标、大气校正、几何校正、镶嵌及裁剪等处理，采用最大似然法完成遥感影像分类，完成精度验证，满足研究区土地利用变化数据的需求，以此获取了肇州县土地利用研究数据。分辨率为30 m×30 m。根据中国土地利用分类体系，结合土地利用现状特点，将研究区土地利用类型分为林地、耕地、草地、水库、建筑用地和未利用地6种地并赋予1～6代码。在ArcMap 10.2软件支持下，构建2013年和2020年的土地利用现状图(如图1)。

图1 2013—2020年肇州县土地利用现状图

2.2 研究方法

2.2.1 构建图谱模型

首先，确定30 m×30 m作为基本图谱单元，然后将两期数据导入，进行地图代数运算，合成土地利用变化图谱。具体如式(1)：

W= 10C+D

(1)

式中：W为新生成的图谱单元编码值;C为前一时刻图谱单元编码值；D为后一时刻图谱单元编码值。

其次，对以上生成的图谱单元进行排序。图谱单元作为地学信息图谱的基本单元，其表达了研究时段的土地利用变化类型。通过对该时段图谱单元的排序，可以找到研究时段主要的图谱变化类型，了解其土地变化特征。

2.2.2 土地利用变化比率

为了更清楚地表达研究区在时空演变过程中的特征，以单一的土地利用图谱单元为基础，引入变化比率作为量化的指标，计算公式如式(2)所示:

(2)

式中：Vij为变化比率，即单个的土地利用变化图谱单元面积占所有的土地利用变化图谱单元面积的比率;Sij表示初期的第i种土地利用类型转变为末期的第j种土地利用类型的面积;i，j分别表示初期与末期的土地利用类型;n为土地利用类型个数。

2.2.3 土地利用变化转移矩阵

转移矩阵可描述不同地类之间的转移情况，对土地利用变化的方向与结构特征做更全面的表达，其数学表达式如式(3)所示:

(3)

转移矩阵中，行表示初期的第i种土地利用类型，列表示末期的第j种土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 2013—2020年土地利用变化图谱分析

由表1和图2可知，2013—2020年共有36类土地转移图谱发生了变化，总面积为1054.46 km2，其中，16类图谱变化最为显著，转移面积为1004.36 km2，占总转移面积比率的95.25%。首先，耕地→未利用地变化最为显著(编码26)，转移面积为213.24 km2，变化比率为20.22%，主要集中分布于榆树乡的卫星四分场、新福乡的杨小绪屯、永乐镇的新路村及乐园等。肇州县是以农业为主的县城，2013—2020年部分耕地转化成为了未利用地，这是由于这7年间经济发展加快，城镇化加快使得耕地转变为弃耕地逐渐转变为未利用地；第二，耕地→草地(编码23)，转移面积为140.98 km2，变化比率为13.37%，主要分布于兴城镇的双井村、新福乡的德明村、双发乡的九三村及朝阳乡的北大山屯等，是一部分源于耕地被废弃逐渐演变成为草地，另一部分原因是耕地占用太多，人工建设草地，这些都说明肇州县开始注重生态环境的保护，建设绿色城市；第三,建筑用地→耕地(编码52)，转移面积为95.07 km2，变化比率为9.02%，主要转移发生在新福乡乐业村等,最后是林地→水库变化比率最小，仅占1.00%。

表1 2013—2020年土地利用变化主要图谱单元排序

图2 2013—2020年肇州县土地利用变化转移图谱

3.2 涨落势图谱分析

由表2和图3可知，2013—2020年草地呈现最大涨势，新增面积为345.40 km2，主要分布在卫星牧场、二矿三号站、新福乡的民安村和德明村等、兴城镇、草地主要转入来源为耕地、林地及居民用户地，永乐镇的东双井屯等及托谷乡的南岗乡等地；其次是新增未利用地，新增面积为308.37 km2，主要分布于卫星牧场、二矿三号场、榆树乡的赵家屯、新福乡的吕八屯等、永乐镇的中华村及托谷乡的王家岗等地；第三是耕地，新增面积为260.24 km2，涨势基本遍布全县，呈“蔓延式”分布，主要位于榆树乡、新福乡、肇州镇及朝阳沟镇等地；最后，林地新增面积最小，为15.62 km2。2013—2020年，最大落势为耕地，萎缩面积为420.76 km2，占萎缩面积比例的39.90%，耕地转出向草地和未利用地转化，主要分布于二矿三号站、新福乡的腰屯及保产村等和朝阳乡的幸福村等；然后是建筑用地，萎缩面积为242.65 km2，建筑用地转出主要向耕地和草地转化，集中分布于肇州镇、朝阳乡的共和村等地；第三是林地，萎缩面积为176.25 km2位于永乐镇的新祥村与新福乡的乐园村；水库萎缩面积最小，面积仅占比例的2.60%，分布于八一水库等水域。

表2 2013—2020年土地利用涨落势图谱数据

4 结 论

本文在RS和GIS技术的支持下，以2013年、2020年为主要数据源，运用地学信息图谱构建了土地利用变化图谱和涨落势图谱，以此来分析2013—2020年肇州县土地利用变化过程，得到的主要结论如下：

(1)2013—2020年，肇州县主要是以耕地为主，说明肇州县经济发展仍以农业为主。草地、未利用地及耕地均呈增加趋势，其中，草地主要来源于耕地、林地及建筑用地，未利用地来源于耕地、耕地主要来源于建筑用地和未利用地，这些地类呈循环反复变化。

(2)2013—2020年，土地利用变化图谱主要以耕地→未利用地和耕地→草地为主，占变化比率的33.59%，耕地向未利用地和草地转化，说明肇州县不仅仅是以农业为主的县城，目前开始经济发展和生态环境的保护，林地向水库转化的最少，仅占转化比率的1.00%。

(3)从2013—2020年涨落势图谱可知，草地呈最大涨势，占新增面积比例的32.76%；耕地呈最大落势，占萎缩面积比例的39.90%；林地、水库分别为新增面积、萎缩面积最小，仅占比例的1.48%、2.60%。