基于地理信息系统的天津市土地利用格局变化分析

2022-09-27邵伊宁王松妍吴雅男

智慧农业导刊 2022年18期

张卓，邵伊宁，徐锋，王松妍，吴雅男

（大连理工大学城市学院，辽宁大连 116600）

土地利用/土地覆盖变化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC），其目的在于提示人类赖以生存的地球环境系统与人类日益发展的生产系统的农业化、工业化和城市化等之间相互作用的基本过程。土地是有限的不可再生资源，随着近些年人类需求的增加，经济的飞速发展，让土地越来越多地被开发，引发了一系列的自然环境问题，对植物、动物、人类及社会经济发展都产生一定程度的影响。由此可见，土地利用规划对社会发展意义重大。

1 研究资料与方法

1.1 研究区概况

天津市地势北高南低，从北部的燕山山脉逐步下降到东南部的沿海平原，地貌呈箕状。天津地形相对平坦，平原面积占93%，地形主要是平原和洼地。

根据天津市土地利用变更调查，2019年末，全市各类用地情况如下：农用地面积698253 hm2，占土地总面积的58.6%。建设用地面积409349 hm2，占土地总面积的34.3%；未利用地面积84125 hm2，占土地总面积的7.1%。

1.2 数据来源

本文以天津市2000—2020年Landsat8 OLI_TIRS影像数据和土地调查数据库为基础，每5 a一个跨度，选取2000、2005、2010、2015和2020年的3—5月中适合的两景影像。空间分辨率为30 m×30 m，天津市四季分明，选择3—5月的影像信息有利于更好地进行目视解译[1]。基础数据包括来自中科院资源环境中心网天津市行政区划边界以及天津市土地利用现状数据。

1.3 数据预处理

遥感影像成像过程会受到很多因素影响，例如大气分子和气溶胶散射、航拍角度误差、多幅影像位置偏差、有云而使画面模糊不清和影像数据范围过大等，所以在进行研究之前，先对影像数据进行预处理。使用ENVI5.1软件对Landsat8原始影像进行预处理，包括辐射定标、大气校正、几何校正、图像融合及图像镶嵌和裁剪等预处理，得到所研究区域的清晰影像，数据预处理过程如图1所示。最后对融合完的影像进行裁剪和镶嵌，使用天津市行政边界矢量数据对影像进行不规则裁剪，利用ENVI 5.1软件中的Mosaicking/Seamless Mosaic工具对裁剪后影像做镶嵌处理。

图1 影像预处理流程图

1.4 遥感影像分类

分别对研究区数据进行监督分类和非监督分类，首先选择1个类型较全的区域作为对比区域，通过对比选定区域类别的分类情况和分类结果精度、Kappa系数，监督分类精度达到了97.4%，Kappa系数为0.9636；而非监督分类精度仅有30.6%，Kappa系数仅为0.0708[2]。因此本文采用监督分类方法，参考土地利用类型分析及历年土地利用资料参考，将研究区域天津市的土地利用/覆被类型划分为6大类，分别为耕地、林地、草地、水体、建筑用地和未利用地。

1.5 土地利用变化分析

土地利用变化时空格局指的是土地利用变化随时间变化的数量统计。2000—2020年天津市土地利用类型面积及占比见表1，天津市内主要土地利用类型为耕地、水体和建筑用地，这3者的总面积占天津市总面积的93.28%。20 a内天津市耕地面积持续减少，从2000年至2020年，总计降低占比9.46%；建设用地面积占比持续升高，建设用地从2000年至2020年，总计提高占比10.26%；未利用地从2000年至2020年，总计提高占比1.79%。天津市面临着既要满足经济建设必需的用地需求，又要落实耕地保护责任，同时兼顾环境保护和生态建设的巨大挑战。

表1 2000—2020年土地利用类型面积及占比

2000—2020年天津市土地利用空间分布如图2所示。20 a内耕地始终是天津市面积占比最大的土地利用类型，但整体呈下降趋势；建设用地面积占比持续升高，水体面积占比呈波动下降趋势；林地和草地是最稳定的土地利用类型，变化极小，总体分别维持在3.9%～4.1%和2.0%～2.6%。

图2 2000—2020年土地利用图

2 结果与分析

2.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度是用来描述单一地类动态变化时所采用的模型，是表示某种土地利用类型在一定时间范围内的数量变化情况，其表达式如下[3]

式中：Ks为在某一时段内、某一土地利用类型的单一土地利用动态度；Ua、Ub分别为研究时段的初始时间、最终时间对应的某一土地利用类型的面积；T为研究时段的间隔长度。当Ks为正值时，表示该地类在研究时段内的增加率，当其为负值时表示该地类在研究时段内的减少率。

由表2可得出，除2015—2020年以外，各个年份各个土地利用类型单一土地利用动态度均在±5%的范围内浮动。其中未利用地波动较为剧烈，建设用地和草地波动较大，耕地、林地和水体波动相对较小。

表2 2000—2020年单一土地利用动态度

2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是一个二维的数学矩阵。其是将研究区域不同的2个年份之间的地类面积以二维矩阵的形式表达，能够非常准确地描述土地类型转换的情况。本文利用转移矩阵来分析2000年—2020年天津市土地利用类型之间的转移情况[4]。结果见表3。

由表3可看出耕地明显减少，林地、草地、水体和建筑用地都呈现出先增加后减少的趋势[5]。2005—2010年、2010—2015年，主要转移依旧是建设用地，分别有38 km2和115 km2的建设用地转移成为耕地。2015—2020年，各种土地类型相互转换，是土地类型变换最丰富的一年[6]。

表3 2000-2020年天津市土地利用转移矩阵km2

从转移强度上来看，2000—2005年发生土地利用类型转移的面积共计603 km2，转移强度为5.2%；2005—2010年发生土地利用类型转移的面积共计76 km2，转移强度为0.66%；2010—2015年发生土地利用类型转移的面积共计227 km2，转移强度为1.9%；2015—2020年发生土地利用类型转移的面积共计3699 km2，转移强度为32%。