贵港市土地利用变化遥感动态监测研究

唐 宁，杨凭波

1.广西自然资源产品质量检验中心，广西 南宁 530000

2.广西测绘职业技术学校，广西 南宁 530000

传统的实地测绘方式获取土地利用变化数据的方法存在效率低、成本高、更新速度慢等缺点[1]，卫星遥感技术以其快速、高效、大面积观测等优点，逐渐成为土地利用类型变化监测的主要手段，并得到了广泛应用。刘纪远等[2]利用遥感数据通过人机交互解译方式，对2010—2015 年中国土地类型的变化进行遥感动态监测；刘敬杰等[3]基于多智能体方法构建模型，定量研究了我国农村土地变化的驱动因子；王越等[4]通过土地利用动态度、土地利用类型区域指数等评价指标，深入分析了松嫩高平原土地利用类型变化的数量和时空格局特征。

近年来，贵港市经济社会发展及城市化建设速度明显加快。随着城市化进程的加快，该市土地利用类型变化显著。研究小组基于地表覆被遥感数据，使用土地利用转移矩阵、动态度、状态指数等方法，揭示贵港市2000—2020 年土地利用类型时空变化特征，以期为合理利用区域土地提供可靠依据。

1 研究区及数据源

1.1 研究区概况

贵港市位于广西东南部、珠江干流西江中游地区，东临梧州市，南与玉林市、钦州市接壤，西邻南宁市，北接来宾市。2020 年贵港市行政辖区面积为10606km²，年末常住人口为431.63 万人。其北部与东南部地势较高，中部地区较为平坦。市内土地资源丰富但结构比较复杂，主要地貌类型为平原及丘陵，属亚热带季风气候，降雨量充沛，气候湿润[5]。

1.2 数据源及预处理

研究小组此次使用的数据主要来源于《广西统计年鉴2021》《2020 年贵港市国民经济和社会发展统计公报》，遥感影像数据来源于Globe-Land30 全球地理信息公共产品网站（http：//globeland30.org）2000 年、2010 年、2020 年3 期地表覆被数据。GlobeLand30 数据主要由30m 分辨率的Landsat 多光谱遥感数据与HJ-1 多光谱数据共同制作而成，精度评价指标采用的是总体精度及Kappa 系数。研究小组所采用的各年份影像数据，空间分辨率为30 m，总体精度＞80%，Kappa 系数＞0.7，分类精度较好，符合土地利用变化监测的要求。研究小组所使用的土地利用数据分类方式如表1 所示。

表1 土地利用类型分类表

数据预处理方面，研究小组使用ArcGIS软件分别对各年份的地表覆盖数据进行影像镶嵌，然后利用贵港市矢量边界对其进行裁剪，得到该地区各年份土地覆被数据。

2 研究方法

2.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度K是指某种用地类型在研究期间，其面积的变化状况。其数学模型[6]为：

式（1）中，Li为某种用地类型在研究开始时的面积大小；Lj为同类土地在研究结束时的面积；T为研究期长度；当T为年时，K为某种土地类型的年变化率。土地利用动态度为负值时表示该类用地面积减少，为正值时表示该类用地面积增加。

2.2 土地利用类型转移矩阵

转移矩阵作为土地利用类型变化的重要分析指标，可以计算出各种土地利用类型之间相互转移的方向及面积，可以定量描述某一时期内土地利用类型的结构及方向变化。其数学表达式为[7]：

式（2）中，n为土地利用类型个数；S为土地面积；i、j分别为研究开始时和研究结束时的土地利用类型。

2.3 土地利用状态指数

土地利用状态指数是指在一定研究范围内，某种用地类型发生变化的情况及态势，在评价区域土地利用程度方面具有显著意义。其表达式[8]为：

式（3）中，R为某一用地类型的状态指数，值域范围在[-1，1]之间；ΔSin为研究时间范围内，其他用地类型转变为第i类土地的面积；ΔSout为第i类土地转换成其他用地类型的面积。

3 结果与分析

3.1 贵港市2000—2020 年土地利用总体特征

研究小组使用ArcGIS10.2 软件对贵港市2000 年、2010 年、2020 年3 期地表覆被遥感影像数据做统计分析，得到相应年份的土地利用类型空间分布情况。

（1）在数量结构方面，贵港市土地利用类型面积占比最大的是林地和耕地。其中，2000年、2010 年、2020年林地及耕地面积总和占所有用地类型面积总和的比例分别为95%、94%、90%，总体呈下降趋势。

（2）在空间分布方面，林地主要分布于贵港市北部、东北部及东南部地区；耕地大部分分布于中部、中西部及中东部地区；草地分布于北部部分区域；建设用地部分主要分布于贵港市区，部分零星散乱分布于中部地区；水域主要为黔江、郁江及浔江的水面；湿地面积占比较小，各年份不超过土地利用总面积的1%。

（3）2000—2020 年，贵港市林地及耕地面积持续下降。其中，林地面积下降趋势较为平稳，而耕地面积下降幅度呈递增趋势；水体及建设用地面积表现为持续增长的趋势，建设用地面积增长速度在2000—2010 年期间较慢，在2010—2020 年期间增长加速；草地面积表现为先减少后增加，总体减少的趋势；湿地面积持续增加，但面积占比不超过1%。

3.2 单一土地利用动态度分析

研究小组根据公式（1）分别计算出2000—2010 年、2010—2020 年各年份土地利用类型变化面积及动态度（见表2）。计算结果显示，2000—2010 年、2010—2020 年2 个时间段，耕地与林地的单一土地利用动态度都是负值，分别为-0.006%、-1.61%，-0.30%、-0.14%，这表明2000—2020 年贵港市耕地与林地的面积在减少，耕地面积减少的速度增大，林地面积减少的速度逐渐降低。2000—2010 年、2010—2020 年2 个时间段，草地与水体的动态度先为负值后为正值，分别为-4.64%、1.22%，-16.91%、1.88%，这表明草地及水体的面积表现为先减少后增加，总体减少的趋势。2000—2010 年、2010—2020 年，建设用地土地利用动态度分别为1.42%、35.34%，其面积变化及面积变化速度增大。各年份单一土地利用动态度最大的是湿地，分别为73.46%、267.82%，其面积增加了620.1 hm2。

3.3 土地利用类型转移分析

研究小组根据式（2）及地图信息可视化方法[9]，得到2000—2020 年贵港市土地利用类型转移矩阵（见表3）。

从时段变化特征来看，2000—2010 年，草地转出面积为2503.71 hm²，其中79.5%转换为耕地，5.18% 转为林地，15.06% 转为水体；草地转入面积为260.55 hm²，其中59.48% 由林地转入，31.36% 由耕地转入。耕地转出面积为25975.80hm²，其中51.65%转为林地，35.24%转为水体，12.63%转为建设用地；由其他用地类型转为耕地的面积为24376.68 hm²，其中76.23%由林地转入，8.35%由水体转入，8.17%由草地转入，7.25%由建设用地转入。建设用地转出面积为2122.20 hm²，主要转为耕地，占比为83.33%；建设用地转入面积为3584.88hm²，主要由耕地转入。林地转出面积为22176.09 hm²，其中大部分转为耕地，占比为83.80%，14.35%转为水体；林地转入面积为14311.35 hm²，主要由耕地转入。水体转出面积为2735.55 hm²，其中74.40%转为耕地，23.40%转为林地；水体转入面积为12945.51 hm²，主要由耕地及林地转入。湿地面积没有明显变化。

2010—2020 年，该市草地转出面积为976.32 hm²，其中72.18%转为林地，18.01%转为建设用地；草地转入面积为1428.03 hm²，主要由林地及耕地转入。耕地转出面积为43795.53 hm²，转为建设用地、林地、水体的面积占比分别为81.00%、10.11%、7.88%；其他用地类型转为耕地的较少。建设用地转入面积为39734.19 hm²，主要由耕地转入；建设用地转出面积较小。林地转出为草地、耕地、建设用地、水体的面积占比分别为10.98%、33.56%、39.56%、15.19%；林地转入面积为5417.19 hm²，主要由耕地转入。水体转出面积较小，其他用地类型转为水体的面积为5023.98 hm²。湿地面积变化较小。上述各地类转移占比数据如表4 所示。

表4 2000—2020 年贵港市土地利用类型转移百分比（转出/转入）表 （%）

从表3 整体变化特征来看，贵港市各时段耕地转出面积持续增加，耕地由主要转变为林地改为主要转变为建设用地，转化为林地的面积呈下降态势，同时转换成建设用地的面积呈上升趋势。研究小组对比观察2000—2010 年、2010—2020 年2 期数据发现，只有建设用地转入面积增加幅度较为明显，其他用地类型面积都表现为减少或平稳增长趋势。可以看出，转为建设用地类型的土地主要集中于贵港市原城市建设区附近，主要由耕地、林地转入。耕地转入面积主要来源于林地、水体、草地等，表现为快速减少趋势。林地转入面积大部分来自于耕地。贵港市土地利用类型主要变化发生在2010—2020年期间，主要表现为建设用地面积大幅增加，说明该市城镇化进程主要发生在2010—2020 年间。

表3 2000—2020 年贵港市土地利用类型转移矩阵表 （单位：hm² ）

3.4 土地利用状态分析

研究小组根据式（3）计算出贵港市各年份土地利用类型状态指数（见表5）。由表5 可知，2000—2010 年、2010—2020 年2 个时间段，耕地与林地的状态指数为负值，表明这两类土地的转入速度小于转出速度，且在该时期内面积在减少。其中，2000—2010 年期间，耕地状态指数为-0.03%，接近于0，表明在此期间耕地面积转入速度与转出速度差距较小；2010—2020 年期间，耕地状态指数为-0.80%，与-1%接近，表明其转出速度远大于转入速度，土地利用处于不稳定状态。

表5 2000—2020 年贵港市土地利用类型状态指数表 （% ）

2000—2010 年，草地状态指数为-0.81%，表明在此期间转入速度小于转出速度，草地面积大量减少；2010—2020 年，草地状态指数为0.19%，略大于0，说明转入速度略大于转出速度，草地面积有所增加。

2000—2010 年、2010—2020 年2 个时间段，水体、湿地、建设用地的土地利用状态指数＞0，表明这3 类土地在此期间的转入速度大于转出速度，面积持续增加。其中，2010—2020 年，建设用地的状态指数为0.96%，接近于1，表明其转入速度大于转出速度，建设用地面积增加，土地利用状态不稳定。

总体来看，2000—2020 年，贵港市耕地、林地、草地的状态指数分别为-0.46%、-0.25%、-0.36%，均为负值，表明这3 类用地类型整体面积变化呈减少趋势；水体、湿地、建设用地的状态指数分别为0.78%、0.97%、0.92%，均为正值，表明其整体面积变化呈增加趋势。所有用地类型面积变化趋势与土地利用类型转移的分析结果趋于一致。土地利用状态从稳定到不稳定依次为林地、草地、耕地、水体、建设用地、湿地。

4 结 语

研究小组以贵港市为研究区，基于该市2000—2020 年3 期地表覆被遥感数据，运用土地利用转移矩阵、动态度、状态指数等研究方法，揭示该市近20 年土地利用类型变化方向、各类用地类型结构以及面积变化趋势。研究结果表明：（1）2000—2020 年，耕地与林地的动态度是负值，建设用地及湿地的动态度是正值，草地及水体的动态度为先负值后正值，具有同步性。（2）过去20 年间，该市耕地、林地面积持续减少，林地面积减少速度较为平稳，面积从2000 年的525339.90 hm²减少为2020 年的513772.74 hm²；耕地面积减少速度呈递增趋势，面积从487175.94 hm²减少为446552.10 hm²；建设用地面积大幅度增长，面积从2000 年的20590.29 hm²增长为2020年的61021.44 hm2，其增加的面积主要来源于对耕地和林地的占用。（3）耕地、林地、草地的土地利用状态指数＜0，整体面积变化较小；水体、湿地、建设用地状态指数＞0，整体面积增加。

根据研究结果及贵港市的实际，笔者提出以下3 个建议：（1）提升卫星遥感技术支撑能力，进一步增强遥感应用氛围，建立空天地一体化自然资源监测监管系统，提升遥感影像人工智能解译技术，对地物分类、变化检测、目标识别等能快速发现、快速处理，形成“发现、核查、整改、复核”闭环管理。（2）强化耕地数量和质量占补平衡，推行“田长制”以及建立激励机制，整治耕地“非农化”“非粮化”，严格耕地用途管制，严格非农建设占用耕地，严格管控耕地转为园地、林地、草地等其他农用地。（3）建立“多规合一”的国土空间规划体系，统筹划定落实生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界3 条控制线。加强生态文明建设，促进资源节约集约利用，推进耕地、林地及低效建设用地的规划治理，加大批而未供和闲置土地的处置力度，盘活城镇低效用地，努力建设山清水秀、人与自然和谐相处的生态文明城市。