基于GlobeLand30的山东省地表覆盖时空变化与分析

朱林烨，牛婧格，邢华桥*，陈冰瑶，刘 畅

（1.山东建筑大学 测绘地理信息学院，山东 济南 250101）

近年来，由于社会经济的日趋增长，人类加快了对土地资源利用的速度，也产生了相应的生态环境恶化、土地利用分布不均等一系列问题。以2000-2020 年山东省GlobeLand30 数据为研究对象，采用用地面积、构成占比、增量占比以及地表覆盖转移矩阵的空间分析方法，研究了山东省及其各地级市地表覆盖的空间格局、变化幅度、区域差异及变化成因，为山东省城市规划、土地利用可持续发展等方向提供理论基础[1-4]。

1 研究区与研究方法

以2000 年、2010 和2020 年的GlobeLand30 数据以及山东省16 地市的行政区划数据为数据源，分别研究山东省地表覆盖的空间格局分布、变化幅度、区域差异及变化驱动力分析等，总体思路如图1 所示。首先，利用行政区划数据裁剪覆盖山东省范围的三期GlobeLand30 数据，分别从山东省全局和16 地市对山东省地表覆盖空间格局分布进行分析；其次分别从变化量、变化率、转移矩阵等角度对2000-2020 年间的山东省地表覆盖变化进行统计；最后分析山东省地表覆盖变化的原因及其产生的影响，为山东省土地利用决策、城市发展方向、国情预测提供理论基础。

2 结果与分析

2.1 总体格局分布

结合山东省的行政区划数据，对2000 年、2010 年和2020 年的GlobeLan 30 数据进行裁剪，如图2 所示。获得山东省2000-2020 年GlobeLand 30 数据空间分布情况，并对8 个地类面积及占比结果进行统计，如表1 所示。山东省耕地面积占全省面积比例最高，这也体现出山东省土壤条件好，易于发展农业。人造地表仅次于耕地，森林和草地的面积约占总面积的4%～5%，主要分布于鲁中南山地丘陵中部区域和鲁东丘陵的北部区域，该地区地形起伏较大，易于形成森林。湿地和水体主要分布于南四湖地区和鲁西北平原北部沿海地区。

图2 山东省GlobeLand30 数据的空间分布图

表1 2000-2020 年山东省地表覆盖各地类面积及比例

2.2 变化幅度

通过分析2000-2020 年的地表覆盖的变化量和变化率，可知20 a 间山东省地表覆盖面积和结构变化的发展趋势[5]，如表2 所示。从总体上看，2000-2020 年山东省地表覆盖变化程度较大，其中，2000-2020 年间耕地变化量最大、裸地的变化量最小。在2000-2010 年间山东省的GlobeLand 30 数据没有灌木地数据。

表2 2000-2020 年山东省地表覆盖面积变化量与变化率

1）在2000-2010 年间，山东省的耕地、森林、湿地呈现减少的趋势，山东省的水体、草地、裸地、人造地表呈快速增长的趋势，减少幅度最大的地表类型为湿地，在这10 a 间减少了约226.28 km2，湿地变化率约为29.19%。森林的缩减率仅次于湿地，减少了约25.42%。耕地缩减了3 761.72 km2，但耕地缩减率仅约为2.98%，缩减率相对较低，其原因是山东省耕地面积较大，变化部分面积所占耕地总面积比例较小。在2000-2010 年间水体增长率高达41.63%，其次是草地，增加了约928.16 km2，增长率达到33.96%。裸地在2000-2010 年间由原来的126.28 km2增长到158.41 km2，增长了约25.44%。人造地表由2000 年的15 524.59 km2增长到2010 年的18 324.18 km2，在这10 a 间，其增长率约为18.03%。

2）在2010-2020 年间，山东省的耕地、水体、裸地呈现减少趋势，山东省人造地表、湿地、森林、草地呈现增长趋势。水体由2000-2010 年的增长趋势转化为现在的减少趋势。裸地变化率最大，高达27.49%。耕地一直呈缩小的趋势，且缩小趋势十分明显，这与人造地表面积的扩张存在一定的联系。人造地表的增长尤为迅速，由18 324.18 km2（2010 年）扩张至28 087.32 km2（2020 年），增长率高达53.28%。灌木地的变化率较大，其可能是由于在2000 年和2010 年灌木地的区域较少，较难提取灌木地区域。草地的增长率相比于2000-2010 年增长率减少24.17%。虽然在2010-2020 年间森林和湿地都有不同程度的增加（森林面积增长率为10.44%，湿地面积增加77.09 km2），但都未达到2000 年的森林和湿地面积量。

2.3 区域差异

利用ArcGIS 软件得到2000-2020 年山东省地表覆盖变化转移矩阵。如表3～4 所示，从总体上看，山东省耕地面积减少的主要原因是人造地表面积增加，2000-2010 年耕地转出总面积为7 748.14 km2，其中转入人造地表面积为4 930.62 km2，占63.64%，另有部分耕地转化为森林、草地等其他地类。2010-2020 年耕地转化为人造地表面积占比高达78.35%。由此可知，山东省在这20 a 内城市化水平仍在提高。

表3 2000-2010 年山东省地表覆盖转移矩阵

表4 2010-2020 年山东省地表覆盖转移矩阵

对2000-2020 年间山东省各地级市的地表覆盖面积变化量进行统计，如图3 所示。可以看出2000-2010 年烟台市、东营市、青岛市的地表覆盖面积变化量较大，枣庄市、德州市、聊城市等其他地级市地表覆盖面积变化较小，山东省的地表覆盖变化呈现出明显的区域差异性[6]。2010-2020 年临沂市地表覆盖面积变化量较大，威海市地表覆盖面积变化量最小，其他地级市地表覆盖均有不同程度的变化。具体表现为:

图3 山东省各地级市地表覆盖面积变化量

1）山东省各地级市耕地均有不同程度的减少，但耕地减少区域分布相对分散。2000-2010 年耕地减少量较大的地区为潍坊市、东营市、临沂市、青岛市。耕地减少最大的地区为东营市，由2000 年的5 293.28 km2减少至2010 年的4 383.91 km2。潍坊市、东营市、临沂市、青岛市在2000-2010 年间耕地面积减少量为2 223.58 km2，山东省耕地总体减少量为3 761.72 km2，占59.12%。2010-2020 年耕地转化为人造地表的区域面积更大，且几乎遍布整个山东省。结合图4a 和图4g所示，森林区域主要集中在鲁中南山地丘陵中部地区（即，济南市和淄博市）；耕地转化为湿地、水体的区域主要分布于鲁西北平原北部；各地级市中心及其周围地区是耕地转化为人造地表的主要地区，主要呈现从中心向外部扩张的趋势。

2）森林变化量由减少趋势转化为略微增加的趋势。在2000-2010 年间，烟台市、青岛市、威海市是山东省森林变化幅度较大的区域。烟台市、青岛市、威海市森林面积减少量为1 345.56 km2，超过山东省森林减少总量1 251.31 km2。结合图4b 所示，森林转化耕地、草地的区域主要分布鲁东丘陵东北部地区，主要由于该区域经济发展条件较好，导致森林面积减少量较大。在2010-2020 年间，结合图4b 和图4h 可知，16 地级市的森林变化量基本都呈现增加的趋势。其中，潍坊市、临沂市、淄博市森林面积增加量较大。

3）山东省草地面积一直处于增加的趋势。在2000-2010 年间，山东省草地变化幅度较大区域为烟台市、青岛市、威海市、东营市。草地增加最大的地区为烟台市，由2000 年的622.95 km2增加为2010 年的1 121.91 km2。烟台市、青岛市、威海市、东营市草地共增加了1 096.91 km2，而山东省森林共增加了927.58 km2，超过山东省草地增加总量。结合图4c 和图4i 所示，山东省草地增长区域主要集中于鲁中南山地丘陵中部区域（即济南市、淄博市等地），以及属于鲁东丘陵的东南部的日照市。

4）山东省水体面积在2000-2010 年间呈现较大程度的增加，而在2010-2020 年间呈现小幅度的减少。潍坊市、东营市、济宁市是山东省水体变化幅度较大的区域。在这20 a 间水体面积变化最大的地区为济宁市。结合图4e 和图4k 所示，水体转移主要分布在鲁西北平原北部沿海地区，以及属于鲁东丘陵地区的日照市、青岛市，南四湖区域也是水体转移的主要区域。

图4 2000-2020 年各地类转移的空间分布

5）山东省各地级市人造地表均有不同程度的增加，主要分布在城市中心及其近郊区域，新增人造地表大多集中于现有人造地表周围。在2000-2010 年间，人造地表增加量较大的地区为烟台市、临沂市、青岛市。人造地表增加最大的地区为青岛（由2000 年的1 087.79 km2增加为2010 年的1 542.71 km2）。烟台市、临沂市、青岛市人造地表共增加了1 207.36 km2，占人造地表增加总面积的43.12%。结合图4f 和图4l 所示，人造地表面积显著增加。

6）山东省湿地变化幅度较大的区域为东营市、济宁市。结合图4d 和图4j 所示，2000-2020 年湿地增加最大的地区为东营市，2000-2010 年间东营市湿地增加168.70 km2，2010-2020 年间东营市湿地增加60.71 km2，其湿地增加的主要原因与独特的地理优势和当地政府政策有密切关系。在这20 a 间湿地减少最大的地区为济宁市，由2000 年的508.59 km2减少到2020 年的71.94 km2，其湿地减少的主要原因与南四湖区域的水体面积增加有关。

3 山东省地表覆盖数据时空变化驱动力分析

地表覆盖变化由多种因素共同影响造成，主要受经济、文化、人口、政策等多重因素的制约[7]。原因如下:

1）经济增长和人口增加是导致地表覆盖变化的主要因素。2000-2020 年，山东省的经济和人口正在处于迅猛发展阶段，山东省生产总值（GDP）由2000 年的8 337.47 亿元增长至2019 年的71 067.5 亿元，生产总值增长了62 730.03 亿元。人口由2000 年的8 998.00 万增长至2019 年的10 070.21 万人。经济增长和人口增加导致城市建设用地的需求增加，占用城市边缘地区的其他地类。因此，山东省耕地面积大幅下降，并转化为建设用地和其他类型用地[8-9]。虽然山东省颁布了相关的耕地保护政策，在一定的程度上对耕地起到了保护的作用，由于建设用地与耕地之间的矛盾日益加剧，耕地保护政策不能够阻止建设用地的扩张，所以耕地面积减少明显。

2）经济效益或产值的差异是水体变化的主要原因。2000-2020 年，山东省水体面积呈现先增加后减少的趋势。随着时间的推移，不同土地利用类型的经济效益不同[10]。由于山东省地表覆盖变化选择GlobeLand30 数据在气候方面存在较大的差异性，如:2000 年山东省属于较为干旱的年份，而2010 年山东省属于较为湿润的年份，因此，GlobeLand 30 数据在解译过程中可能存在误差，导致2000-2010 年水体面积的增加。

3）政策因素是推动湿地变化的主要因素。由于《中国湿地保护行动计划》、南水北调等政策的推行，山东省对湿地保护补助工作的开展，加上山东省独特的地理环境优势，促进了湿地的生成和扩大，山东省部分地区修建水库将湿地转化成水体，提高了山东省环境修复能力[11-12]。

4）保护意识的增强是森林、草地变化的主要原因。森林面积由减少趋势转向增加趋势，草地面积呈现一直增加的趋势，是由于地区环境保护意识增强、以及相关环境保护法律体系的完善。如《退耕还林条例》等政策制定，部分耕地转化为森林和草地。为了推动产业结构的调整和经济发展方式的革新，山东省政府制定相关的土地利用政策。

4 结 语

基于GlobeLand-30 数据，对山东省及其各地级市地表覆盖的时空变化进行分析，得出以下结论:

1）山东省主要的地表覆盖类型为耕地、人造地表。山东省耕地面积和人造地表面积占山东省总地表面积的91%～92%，其中人造地表主要分布在各地级市域的中心和其临近地区。

2）在2000-2020 年20 a 年间，山东省地表覆盖面积发生了较大的变化。耕地呈现大幅度减少的趋势，减少量为14 707.28 km2。人造地表呈现急剧增加的趋势，山东省人造地表面积增加12 562.73 km2，水体、草地呈现增加的趋势，其他地类变化程度较小。

3）山东省地表覆盖变化呈现出明显的区域差异性，各地级市地表覆盖均有不同程度的变化。其中，2000-2010 年间东营市的耕地面积变化最大，减少量为909.37 km2；2000-2010 年间青岛市的人造地表面积变化最大，面积增加了454.92 km2；2010-2020 年间16 地级市耕地和人造地表均有较大程度变化。草地和森林的变化主要集中在鲁东丘陵的东北部地区和鲁中南山地丘陵中部区域，湿地和水体的变化主要集中在鲁西北平原北部沿海地区和南四湖地区。

4）山东省地表覆盖变化是多种驱动力因素共同影响的结果，经济增长、人口增长、政策法规制定和实施等是大部分地表覆盖变化的主要因素。山东省森林和草地的变化主要原因是人们对森林保护意识的增强和相关法律法规的制定；水体的变化主要来自经济效益或产值的差异的影响；耕地的减少、人造地表的增加主要原因是经济水平的提高和人口的增长促进城市的扩张；湿地的变化主要由于政策的制定与实施。

GlobeLand 30 数据有效提高了山东省地表覆盖数据的精度质量，为研究环境变化、生态系统调查、土地利用监测和调控等方向提供了可靠的数据材料。在后续研究中，将采用现势性更好、空间分辨率更高的资源卫星数据，对山东省及其各地级市地表覆盖时空变化进行多尺度与长时序的分析，为山东省土地利用决策、城市发展方向、国情预测提供理论基础。