基于遥感影像的2018—2020年肥城市土地利用变化分析

2024-01-01石舒心

乡村科技 2024年5期

摘要：随着经济的快速发展和城镇化进程的不断推进，肥城市的土地利用格局发生了较大变化。精准把握肥城市土地利用变化特征，对优化土地利用空间格局具有重要意义。基于2018—2020年肥城市的Landsat 8 OLI_TIRS遥感影像数据，采用土地利用动态度、土地利用类型转移矩阵、重心迁移模型等方法对肥城市土地利用变化状况进行分析。结果表明：2018—2020年，肥城市土地利用类型以耕地、城乡建设用地、林地为主；2018—2020年，肥城市土地利用类型变化、时空变化相对较快，综合土地利用动态度为8.73%，其中土地利用动态度最大的地类是城乡建设用地，最小的是草地；2018—2020年，肥城市城乡建设用地、林地、水域、未利用地面积扩大，而耕地、草地面积缩小。

关键词：GIS；土地利用变化；肥城市

中图分类号：F321.1；P237 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）5-122-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.05.028

0 引言

土地利用是指人类开展的所有有目的的开发利用土地资源的行为［1-2］。分析土地利用的时空变化是各领域的重要研究内容，能为土地资源合理利用提供重要的科学依据［3］。目前，诸多学者已对土地利用变化进行了研究。陈伊多等［4］基于各期Landsat TM/ETM遥感影像，采用土地利用动态度、转化趋势等方法分析了西藏自治区土地利用/覆被特征。冯应斌等［5］综合运用空间自相关模型、地理探测器等，分析了贵州省耕地显性边际化的总体态势、空间集聚效应及相关影响因素。廖美玉等［6］采用Mann-Kendall、滑动t检验、标准差椭圆和重心迁移模型等方法，探究了近40年黄河流域土地利用/覆被时空变化特征。张晨基等［7］在采用土地利用动态度及土地利用转移矩阵方法的基础上，叠合DEM高程数据，对新疆土地利用时空变化进行研究。安彬［8］采用土地利用程度综合指数、土地利用信息图谱等方法，研究了1985—2020年汉江生态经济带土地利用/覆盖演变特征。以上研究多从大的时间和空间尺度上对土地利用进行分析，不利于捕捉小的时间和空间尺度上的土地利用时空变化。基于此，笔者以肥城市为研究区域，基于2018—2020年的土地利用状况，探究该区域的时空变化特征，以期为肥城市土地利用空间规划提供理论依据。

1 研究区概况

肥城市隶属于山东省泰安市，地处山东中部、泰山西麓，位于北纬35°53′～36°19′，东经116°28′～116°59′；地势北高南低，由东北向西南倾斜；中部隆起地带为丘陵山地，北部是康汇平原，南部是汶阳平原，自然形成了平原、山地、丘陵等多种地貌形态［9］；属温带季风气候区，四季分明，雨热同期，光照充足，气候温暖，年平均降水量为659 mm。肥城市矿产资源丰富，矿业勘探开发历史悠久，探明资源量大。目前，肥城市已发现矿产29种，占山东省已发现矿产总数的47.6%。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

2018—2020年肥城市土地利用遥感监测数据来自地理空间数据云。各年份土地利用类型数据通过对各期Landsat 8 OLI_TIRS 遥感影像（分辨率为30 m）人工目视解译生成，利用ENVI 5.6裁剪、辐射定标、大气校正等预处理，在ArcGIS 10.2和Excel中进行处理统计。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度反映一定时期内某一区域不同土地利用类型的数量变化，一般分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度［10］。

2.2.1.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度表示一定时期内某一区域某一种土地利用类型的数量变化情况［11］，其表达式见式（1）。

式（1）中：Ki为研究区域内第i类土地利用类型在a～b时段内的土地利用动态度；Uia、Uib分别为a、b时段第i类土地类型的面积；Ta、Tb分别为研究初期时间与研究末期时间。

Ki值越大，表示该土地利用类型转化为其他类型土地的数量越多，即在研究时段内相对变化程度较大；反之，转化数量越少，在研究时段内相对变化程度较小。

2.2.1.2 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度表示一定时期内某一区域不同土地利用类型之间的数量变化情况［12］，其表达式见式（2）。

式（2）中：LC为一定时期内综合土地利用动态度；LUi为研究初期第i类土地利用类型的面积；ΔLUi为研究期内第i类土地利用类型转化为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为研究时段。

LC值越大，表示该区域土地利用类型的变化程度越大；反之，表示该区域土地利用类型的变化程度越小。

2.2.2 土地利用类型转移矩阵

土地利用类型转移矩阵以矩阵的形式将2个不同时期土地利用类型之间互相转换的数量关系展现出来，是具体反映土地利用变化的结构特征和各类型之间转移方向的重要方法［13］。其表达式见式（3）。

式（3）中：Sij表示从研究初期到研究末期土地类型由i转化为j的土地面积；n表示土地利用类型的数量；i、j分别为研究初期、研究末期的土地利用类型。

2.2.3 重心迁移模型

重心迁移模型用于反映研究区域内各土地利用类型在时空分布上的动态变化，可以精确把握土地利用类型的空间迁移趋势［14］。其表达式见式（4）。

式（4）中：Xt和Yt分别为t时期某种土地利用类型质心的经度和纬度坐标；Cti为t时期某种土地利用类型第i个斑块的面积；Xti和Yti分别为t时期土地利用类型第i个斑块的几何重心经度和纬度坐标。

3 结果分析

3.1 土地利用分类结果

研究利用ENVI 5.6与ArcGIS 10.2，根据土地利用分级系统，对2018年、2019年、2020年肥城市3期土地利用遥感影像进行目视解译，得到3个时间节点的土地利用类型分类格局。

肥城市土地利用类型统计情况见表1。由表1可知，在肥城市的土地利用构成中，耕地、城乡建设用地和林地是三大主导类型，这3种类型的土地总面积占据了全市土地总面积的90%以上。在所有土地利用类型中，耕地面积所占比重一直最大但呈逐年递减的趋势，城乡建设用地面积逐年增加，林地面积整体呈上升趋势，草地、水域及未利用地面积占比较小且波动较小。

具体到空间分布上，肥城市的耕地面积最大，主要分布在肥城市北部的康汇平原和肥城市南部的汶阳平原，而在肥城市中部的丘陵地带则有相对零星分布；城乡建设用地在肥城市北部地区更为密集，而在肥城市南部较为分散；林地主要集中分布在肥城市北部山区和肥城市中部丘陵地带；草地多分布在肥城市北部山麓和肥城市中部的丘陵地带；水域则主要分布在肥城市南部的大汶河、肥城市中部的康王河及肥城市北部的矿区塌陷区；未利用地在肥城市极为少见，只在肥城市北部山区的某些区域有少量分布。

3.2 土地利用时间变化

2018—2020年肥城市土地利用动态度见表2。由表2可知，2018—2020年，土地利用动态度最大的是城乡建设用地，最小的是草地，说明在此期间城乡建设用地增加的幅度和草地减少的幅度最为明显；耕地的土地利用动态度小于０，表明耕地面积逐年减少，这种现象可能是由城市化进程加快造成的；林地、水域、草地、未利用地的土地利用动态度均从小于0到大于0，表明其面积均为先减少后增加，2019年后这4类土地利用类型面积增大，可能与人类工农业活动、出行减少有关；城乡建设用地的土地利用动态度均大于0，表明城乡建设用地的土地利用面积持续增加，说明2018—2020年肥城市经济发展速度较快、人类活动强度加剧。2018—2020年肥城市的综合土地利用动态度为8.73%，综合土地利用动态度大于2.50%，说明土地利用变化为快速变动型［15］，整体土地利用类型数量变化相对较快。

3.3 土地利用空间变化

3.3.1 土地利用转移矩阵

2018—2019年、2019—2020年肥城市土地利用类型转移矩阵分别见表3和表4。由表3和表4可知，2018—2020年，耕地的流出面积最多，流出面积为184.81 km2，主要流向了城乡建设用地和林地；林地的流出面积次之，流出面积为47.13 km2，主要流向了耕地。流入面积最多的是城乡建设用地，流入面积为110.18 km2，主要来源于耕地和林地；林地的流入面积次之，流入面积为85.13 km2，主要来源于耕地和草地。

总体而言，肥城市土地利用变化表现为城乡建设用地、林地和水域的面积增加，而耕地、草地和未利用地的面积减少。这一变化主要是因为城市化进程加快，城乡边界不断扩展，城市化水平逐渐提高。同时，退耕还林政策的实施和矿区塌陷区的植被恢复，尤其是速生杨的种植，也是林地面积增加的重要原因；矿区塌陷形成的水体导致水域面积增加。这些变化反映了肥城市土地利用的动态调整既是城市化发展的必然结果，也是生态恢复和环境治理政策实施的具体体现。

3.3.2 重心迁移

2018—2020年肥城市土地利用类型的重心变化情况见表5。由表5可知，肥城市耕地重心向肥城市东南方向迁移，城乡建设用地重心向肥城市西北方向迁移，二者迁移方向相反，主要是因为城市扩张占用大量耕地资源、消耗大量水资源，西北部地形平坦且有河流经过，适宜城市建设，因此城市向西北方向迁移。

4 结束语

笔者根据地理空间数据云的遥感监测数据，采用土地利用动态度、土地利用类型转移矩阵、重心迁移模型等方法，并借助ArcGIS10.2、ENVI5.6和Excel，对2018—2020年肥城市土地利用类型时空变化特征进行研究，得出以下结论。

①2018—2020年，肥城市土地利用类型以耕地、城乡建设用地、林地为主；肥城市的综合土地利用动态度为8.73%，整体土地利用类型数量变化相对较快，多数土地利用类型的单一动态度数量变化相对剧烈，与城市快速扩张有关。因此，政府部门应重视土地利用空间规划，合理规划利用土地，确保城市可持续发展。

②2018—2020年，肥城市城乡建设用地、林地、水域、未利用地面积扩大，耕地、草地面积缩小；耕地重心向肥城市东南方向迁移，城乡建设用地重心向肥城市西北方向迁移。因此，政府部门应加强对非农业用地侵占基本农田的管理，减少耕地非农化、非粮化，确保耕地面积合理稳定。

此研究以县级市为例，从多种土地利用类型的综合利用到单一土地利用类型的综合利用的变化，综合研究了肥城市土地利用类型特征，弥补了从大的时间和空间尺度上研究的局限性与片面性。但由于数据的可获取性有限，仅研究了部分现象，没有具体分析肥城市土地利用类型变化的驱动因子，并且直接利用遥感影像数据进行监督分类，土地利用分类精度可能会存在一定的误差。因此，在未来的研究中，研究者应完善对肥城市土地利用类型驱动因子的分析，提高分类精度，以得到更精确的研究结果。

参考文献：

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［5］冯应斌，杨溪源.基于土地利用变化的贵州省耕地显性边际化时空演变及其影响因素［J］.水土保持通报，2023，43（6）：263-271.

［6］廖美玉，方秀琴，蒋心远，等.黄河流域近40年土地利用/覆被时空变化特征［J/OL］.水土保持学报，1-14［2024-04-19］.https：//doi.org/10.13870/j.cnki.stbcxb.2024.02.030.

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