基于GIS和RS的蓬萊市土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力分析

苗 苗 謝小平

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，276826，山東日照)

土地利用/覆蓋變化與全球經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)活動(dòng)以及人類的一切生產(chǎn)生活高度相關(guān),其變化都對(duì)氣候、水文、生物地球化學(xué)循環(huán)及生物多樣性有重要影響，不僅帶來地質(zhì)和地貌結(jié)構(gòu)的變化[1]，而且可通過改變大氣中氣體組成及化學(xué)性質(zhì)和過程來影響大氣質(zhì)量，并導(dǎo)致氣候變化.不合理的土地利用也會(huì)引起草場(chǎng)退化和沙化，通過對(duì)水質(zhì)、水量、水循環(huán)的影響改變水環(huán)境[2].不同的土地覆蓋類型又對(duì)應(yīng)著不同的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、群落組成[3].通過研究其作用機(jī)理有助于解決那些存在于全球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用過程中的不確定問題[4]，同時(shí)也可保障各個(gè)國(guó)家或區(qū)域得以動(dòng)態(tài)地、有效地管理其資源[5].

改革開放后我國(guó)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件迅猛發(fā)展，城市化進(jìn)程呈現(xiàn)出不斷加快的趨勢(shì)，但我國(guó)各個(gè)城市發(fā)展主要采用外延擴(kuò)張發(fā)展模式，大量農(nóng)林用地被其他土地利用類型占用[6]，我國(guó)耕地占用量已經(jīng)嚴(yán)重超過國(guó)家規(guī)定計(jì)劃數(shù)量，土地資源的綜合配置也不合理，土地利用的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益均不是特別理想，無法使土地資源最有效利用[7].山東省北部相應(yīng)的沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)速度加快，尤其是蓬萊市近年來旅游業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度日益加快，因此獲取相應(yīng)的土地利用信息并作出發(fā)展規(guī)劃也就顯得極其重要了[8].以山東省蓬菜市作為不同土地利用類型面積變化轉(zhuǎn)移的試驗(yàn)區(qū)，運(yùn)用RS和GIS等技術(shù)定量提取2008-2018年蓬萊市的土地利用分布信息，揭示近10年來蓬萊市土地覆被變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，探究該區(qū)域土地利用中存在的不合理問題并制定優(yōu)化措施加以改進(jìn)，為蓬萊市人地關(guān)系研究和土地資源管理提供參考，實(shí)現(xiàn)蓬萊市各種土地利用資源與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、社會(huì)穩(wěn)定、生態(tài)和諧共同蓬勃發(fā)展.

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況蓬萊市位于山東省煙臺(tái)市北部(37°49′27″N，120°44′27″E)，地貌特征主要為低山和丘陵地貌，地勢(shì)由東南逐漸向西北偏移，平均海拔高度大約20 m.氣候類型為大陸性氣候，氣溫適中，變化平穩(wěn)，晝夜溫差小，年均氣溫11.9 ℃.該區(qū)域地下水資源豐富，水質(zhì)較好，水資源依賴自然降水，年均降水量606.2 mm.境內(nèi)礦產(chǎn)資源有金、鐵、鉛、鋅、大理石、石灰石、氟石、花崗石等.該地盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果，是全國(guó)花生生產(chǎn)基地市之一.

蓬萊市東南西北依次與煙臺(tái)、青島、天津、大連等相鄰，有利的海上地理位置使該地區(qū)與各地的交通聯(lián)系非常便捷.路上交通則擁有包括開放口岸，高速公路、國(guó)道和省級(jí)公路在內(nèi)的交通路線，這也便捷了與相鄰地區(qū)的交流.該區(qū)域也是有百余處名勝古跡的歷史文化名城，發(fā)展較快的產(chǎn)業(yè)主要包括旅游業(yè)、新型工業(yè)、葡萄酒相關(guān)產(chǎn)業(yè)以及加工產(chǎn)業(yè).近年，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平日益提高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)類型逐漸完善，綜合實(shí)力逐漸增強(qiáng).

1.2數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理本研究選擇2008年，2013年和2018年的Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)作為蓬萊市2008年、2013年和2018年土地利用覆被數(shù)據(jù)提取的數(shù)據(jù)源[9].選擇影像數(shù)據(jù)時(shí)盡量避免有積雪和云霧的時(shí)間段,獲得成像效果好并且質(zhì)量高的影像數(shù)據(jù)來提取所需信息(表1).結(jié)合中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的GDP和人口數(shù)據(jù)及相關(guān)政策措施，分析土地變化原因.

表1 研究區(qū)遙感影像

在ENVI5.2軟件支持下對(duì)3期影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正、拼接和分幅、圖像增強(qiáng)、影像裁剪等[10].在對(duì)比各種遙感解譯方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實(shí)測(cè)資料[11]，參照同時(shí)期的土地利用圖件成果，采用支持向量機(jī)監(jiān)督分類與傳統(tǒng)目視解譯相結(jié)合的方法對(duì)影像進(jìn)行分類，獲取土地利用/覆被變化信息[12].根據(jù)《全國(guó)土地分類》的分類體系，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地5個(gè)一級(jí)類型[13]，運(yùn)用AcrGIS10.2軟件制作蓬萊市2008年(圖1)、2013年(圖2)和2018年的土地利用圖(圖3).

圖1 2008年蓬萊市土地利用圖

圖2 2013年蓬萊市土地利用圖

圖3 2018年蓬萊市土地利用圖

1.3分析方法

1.3.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度(LUDI)：土地利用動(dòng)態(tài)度表示某特定區(qū)域單位時(shí)間內(nèi)某一土地利用類型面積總體相對(duì)應(yīng)的變化程度.其表達(dá)式為,

(1)

Ua代表研究區(qū)初期某種土地利用類型的面積，Ub代表研究區(qū)末期某種土地利用類型的面積，T則代表了a時(shí)刻到b時(shí)刻這一時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間間隔長(zhǎng)度,當(dāng)T以年為單位時(shí)間去衡量變化的時(shí)間段時(shí),LUDI則表示該類型土地利用面積的年變化率.

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 通常借助轉(zhuǎn)移矩陣(Conversion Matrix) 進(jìn)行某地區(qū)各土地利用類型內(nèi)部轉(zhuǎn)移分析[14].轉(zhuǎn)移矩陣模型為,

(2)

其中，Aij代表k時(shí)段的第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變成k+1時(shí)段第j種土地利用類型的面積.

2 結(jié)果分析

2.1蓬萊市各年土地利用情況根據(jù)監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行分類后處理，分別統(tǒng)計(jì)2008年、2013年和2018年的各土地利用類型面積(表2)，進(jìn)一步分析土地利用結(jié)構(gòu)(表3)[15].

表2 蓬萊市各年土地利用面積

表3 蓬萊市各年土地利用結(jié)構(gòu)

由表2和表3可以看出：根據(jù)國(guó)家相應(yīng)規(guī)定準(zhǔn)則把蓬萊市土地利用方式分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地5個(gè)一級(jí)類型，通過對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類和各土地類型的數(shù)據(jù)提取能得到2018年篷萊市各土地類型的空間分布結(jié)構(gòu)：耕地的總利用面積為515.48 km2，約占全市土地利用總面積的45.17%；林地的總利用面積為76.91 km2，約占全市土地利用總面積的6.74%，林地分布及其廣泛，不僅在城區(qū)外各地均有分布，而且在山地地區(qū)以及在河、湖泊旁邊也均勻分布;草地的總利用面積為37.13 km2，約占全市土地利用總面積37.13%；水體的總利用面積19.07 km2，約占全市土地利用總面積的1.67%；建設(shè)用地的總利用面積為106.01 km2，約占全市土地利用總面積的9.29%，建設(shè)用地的分布范圍則集中于城區(qū)地和農(nóng)村居住區(qū).整體來看土地利用面積較大的地區(qū)主要集中在蓬萊市東部，是屬于不均衡的發(fā)展?fàn)顟B(tài).

2.2土地利用動(dòng)態(tài)度分析根據(jù)公式(1)計(jì)算蓬萊市的土地利用類型變化幅度和年變化率(表4)，由單一土地利用動(dòng)態(tài)度變化可知：2008-2013年和2013-2018年，研究區(qū)土地利用分類面積始終占前兩位的是草地和耕地，從耕地面積變化來看，2008-2013年間，耕地的年變化速率為+6.89%，呈增加趨勢(shì)；2013-2018年間，耕地的年變化速率為+0.62%也呈增加趨勢(shì)，但增加的幅度明顯小于前者，這說明耕地的增加趨勢(shì)隨著發(fā)展變化遞減.從水體面積變化來看，2008-2013年間，水體的年變化速率為-6.92%，呈減少趨勢(shì)；2013-2018年間，水體的年變化速率為+6.16%，呈增加趨勢(shì)，這說明水體的減少趨勢(shì)被遏制轉(zhuǎn)為增長(zhǎng)趨勢(shì).從建設(shè)用地面積變化來看，2008-2013年間，建設(shè)用地的年變化率為+17.52 %，呈增加趨勢(shì)；2013-2018年間，建設(shè)用地的年變化率為+1.62%，也呈增加趨勢(shì)，其速度明顯小于前者，這說明建設(shè)用地的開發(fā)利用的不斷增長(zhǎng)帶來了的負(fù)面因素已經(jīng)受到開發(fā)規(guī)劃人員的重視，并著手進(jìn)行改變.從林地面積變化來看，2008-2013年間，林地的年變化率為+8.24%，呈遞增趨勢(shì)；2013-2018年間，林地的年變化率為-2.96%，呈減少趨勢(shì)，并且遞減趨勢(shì)明顯小于前者.2008-2013年間，面積變化最大的是草地，但其年變化率是最小的，年變化率最大的是建設(shè)用地；2013-2018年間，面積變化最大的是耕地，但其年變化率卻是最小的，年變化率最大的是水體.

從2008-2013年的5年中，各土地類型變化速度由大到小的順序?yàn)椋航ㄔO(shè)用地>林地>水體>耕地>草地；從2013-2018年的5年中，各土地類型變化速度由大到小的順序?yàn)椋核w>林地>建設(shè)用地>草地>耕地.

表4 2008-2018年蓬萊市土地利用類型面積變化及比率

注：“+”為增加，“-”為減少.

綜合以上相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，該區(qū)域的土地利用類型結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn).首先，耕地面積占有總面積的比重呈持續(xù)增加趨勢(shì)，相對(duì)應(yīng)的是草地面積的大量減少，兩者轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化形式形成互補(bǔ)效應(yīng).其次，建設(shè)用地面積的不斷增加已經(jīng)成為現(xiàn)在土地利用類型面積變化的主要一方面，并且在2008-2013年間，其占據(jù)總面積的變化率是所有土地利用類型面積中變化最大的.再次，林地比重偏低而對(duì)應(yīng)的建設(shè)用地占地多，長(zhǎng)此以往發(fā)展下去土地利用不合理會(huì)不斷對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，草地面積占有總面積的比重呈持續(xù)銳減趨勢(shì)也要求我們要合理規(guī)劃.

2.3土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析根據(jù)全市土地利用數(shù)據(jù)空間疊置分析數(shù)據(jù)，通過公式(2)計(jì)算蓬萊市2008-2013年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表5)和2013-2018年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表6)[16].

表5 2008-2013年蓬萊市各土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表6 2013- 2018年蓬萊市各土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由表5可知蓬萊市從2013-2018年，土地利用類型轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)化、草地和林地之間的相互轉(zhuǎn)化以及耕地和建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)化，該時(shí)期草地、耕地除相互轉(zhuǎn)化外多轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地和林地.耕地轉(zhuǎn)移為草地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換量分別是108.27 km2和34.07 km2，草地轉(zhuǎn)移為耕地和林地的轉(zhuǎn)換量分別是127.31 km2和23.42 km2.林地向草地的轉(zhuǎn)移量是29.18 km2，草地與林地兩者間的凈轉(zhuǎn)換量為5.76 km2；耕地與建設(shè)兩者間的凈轉(zhuǎn)換量為8.5 km2，轉(zhuǎn)移方向?yàn)楦剞D(zhuǎn)移建設(shè)用地.

由表6可以看出蓬萊市從2008-2013年，土地利用類型轉(zhuǎn)變量最大的是草地與耕地間的轉(zhuǎn)換，草地向耕地轉(zhuǎn)換量達(dá)到223.14 km2，耕地向草地轉(zhuǎn)換量達(dá)到71.13 km2，草地和耕地兩者間凈轉(zhuǎn)移量為152.01 km2.草地和耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的面積分別為17.29 km2和35.40 km2，是建設(shè)用地的主要來源，林地與草地之間的轉(zhuǎn)換中，林地的凈增加面積為26.14 km2.此外，水體也有3.14 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，占水體總面積比重較大.

整體上看，蓬萊市2008-2018年，蓬萊市土地利用變化的總體趨勢(shì)是大量草地轉(zhuǎn)為耕地，當(dāng)草地不足時(shí)由耕地和林地補(bǔ)充.同時(shí)，建設(shè)用地的增加是占用了草地和耕地，建設(shè)用地與草地、耕地在不同的空間區(qū)位上也發(fā)生了相應(yīng)轉(zhuǎn)化，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張迅速導(dǎo)致大量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，耕地不足轉(zhuǎn)而由草地補(bǔ)充，伴隨著建成區(qū)的擴(kuò)張，城市邊緣區(qū)的大量耕地及原有的農(nóng)村居民點(diǎn)周邊的大量耕地都被占用為建設(shè)用.蓬萊市所有類型土地利用和土地覆被變化的整體趨勢(shì)表明所有土地利用和土地覆被類型的雙向轉(zhuǎn)換較為頻繁.

3 驅(qū)動(dòng)力分析

3.1人口增長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)集聚項(xiàng)目帶動(dòng)農(nóng)民就業(yè)創(chuàng)業(yè)，吸引了大量外來務(wù)工人員，帶動(dòng)城鎮(zhèn)人口數(shù)量增加，進(jìn)而刺激了城鎮(zhèn)服務(wù)業(yè)發(fā)展和居住用地面積的擴(kuò)張.園區(qū)發(fā)展也提升城鎮(zhèn)承載功能，吸納農(nóng)民向城鎮(zhèn)聚集，推動(dòng)城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施延伸[17].

3.2政策調(diào)控2008年到 2018年間，蓬萊市政府實(shí)施了一系列舊城改版、產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策和鼓勵(lì)工業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展的措施；確定并實(shí)施產(chǎn)業(yè)園區(qū)帶動(dòng)城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略，這些改造措施從某種程度上來說優(yōu)化了各種類型的土地利用結(jié)構(gòu)，從而引起耕地向非農(nóng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移速度增加，園區(qū)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)集聚，形成了船舶工業(yè)聚集區(qū)、物流產(chǎn)業(yè)園、新興產(chǎn)業(yè)集群和食品工業(yè)園抱團(tuán)發(fā)展，這些都促進(jìn)了建設(shè)用地面積的增加；蓬萊市政府做出的關(guān)于支持旅游業(yè)并鼓勵(lì)旅游建設(shè)和發(fā)展的相關(guān)措施,也促使各土地利用類型轉(zhuǎn)化；蓬萊市開發(fā)區(qū)發(fā)展迅速并與國(guó)外建立了跨國(guó)合作關(guān)系，港口和交通用地的需求增加也加速了土地?cái)U(kuò)張；政府的耕地保護(hù)意識(shí)也促使草地轉(zhuǎn)為耕地，同時(shí)也控制了建設(shè)用地的增長(zhǎng)速度.

3.3經(jīng)濟(jì)調(diào)控比較經(jīng)濟(jì)利益優(yōu)先驅(qū)動(dòng)發(fā)展，非農(nóng)建設(shè)用地獲利更高，獲利周期也短，間接促進(jìn)了土地利用類型的轉(zhuǎn)移，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)了旅游業(yè)飛速發(fā)展.長(zhǎng)期以來，蓬萊市偏重發(fā)展旅游業(yè)，產(chǎn)業(yè)較為單一，產(chǎn)業(yè)支撐能力不夠強(qiáng)，尤其是二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后.近年來所確定的四大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)(葡萄酒產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、船舶工業(yè)、旅游產(chǎn)業(yè))，大多集中于蓬萊城區(qū)周圍，且絕大多數(shù)企業(yè)規(guī)模偏小，產(chǎn)業(yè)吸納剩余勞動(dòng)力的能力降低[18].

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)蓬萊市土地利用現(xiàn)狀、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及引起土地利用變化因素進(jìn)行綜合分析后，得出以下幾個(gè)主要結(jié)論.

1) 2008-2018年，蓬萊市土地利用變化特征為,在2008-2013年間，土地利用變化最顯著的為建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，草地、水體面積顯著減少，耕地、林地面積有一定程度增加，該時(shí)間段研究區(qū)所有土地利用/覆被類型的雙向轉(zhuǎn)換較為頻繁，草地轉(zhuǎn)化為耕地的幅度較大.2013-2018年間，土地利用變化為水體面積增加明顯，耕地、建設(shè)用地面積有一定程度增加，林地、草地面積有一定程度減少.在此期間土地利用/覆被類型的雙向轉(zhuǎn)換程度相對(duì)較低.從土地利用整體布局上來看，主要趨勢(shì)是由城市中心地向東部區(qū)域逐步發(fā)展，適當(dāng)向西和南2個(gè)方向發(fā)展.

2) 從人類活動(dòng)分析推動(dòng)蓬萊市土地利用變化的原因，蓬萊市的地理位置特征及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等綜合因素共同決定該區(qū)域的發(fā)展方向，生產(chǎn)生活環(huán)境的變化使多種土地利用類型相互轉(zhuǎn)化；城市化和工業(yè)化的發(fā)展帶來的人口壓力增大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度低迷及環(huán)境的惡化，也進(jìn)一步推動(dòng)各地類的相互轉(zhuǎn)化；政府制定的各種發(fā)展政策，使得各地類間的相互轉(zhuǎn)化向著利于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)全面發(fā)展的方向進(jìn)行.

3) 蓬萊市進(jìn)入了城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的重要階段，具備加快推進(jìn)城鎮(zhèn)化的各種條件.然而受到多種因素影響，蓬萊市城鎮(zhèn)建設(shè)相對(duì)滯后，城鎮(zhèn)化率比全國(guó)、全省、煙臺(tái)市平均水平分別低 7.5% 、7.3% 、11.7% ，與旅游城市的地位極不相稱.人增地減的逆向發(fā)展態(tài)勢(shì)使土地資源的有效供給和日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求之間的矛盾更趨激化，制約著全市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展.因此，控制人口與城鎮(zhèn)建設(shè)的規(guī)模，加強(qiáng)基本農(nóng)田保護(hù)，協(xié)調(diào)人地關(guān)系，以保障全市經(jīng)濟(jì)高速、持續(xù)、健康發(fā)展是亟待解決的戰(zhàn)略問題.

4) 隨著城市化的進(jìn)程加快,土地利用類型轉(zhuǎn)換速度也會(huì)提高，及時(shí)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)分析，提出解決方案也將成為今后的研究熱點(diǎn).因此新型的處理信息和數(shù)據(jù)的技術(shù)和軟件都需及時(shí)掌握，在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和地理數(shù)字模型技術(shù)在監(jiān)測(cè)和研究分析土地利用面積動(dòng)態(tài)變化方面發(fā)揮很大的作用，在研究方法上要充分運(yùn)用如GIS和RS及3S技術(shù)等新型研究數(shù)據(jù)和處理圖像的技術(shù).