基于GIS的武漢市洪山區(qū)土地利用變化分析

左玉珠，周湘博，張 帆

(太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

1 研究背景

土地既是關乎人類生存與發(fā)展的寶貴的自然資源，也是不可或缺的物質基礎。近年來，隨著經濟的快速發(fā)展，城市土地利用類型產生了較大變化，使得遙感數(shù)據被廣泛用于土地利用及土地覆蓋的研究，遙感技術成為了研究土地利用時空變化有力的工具。許多學者利用了GIS或RS信息獲取技術、空間分析技術和數(shù)理統(tǒng)計方法，對武漢市的土地利用及時空演變情況進行了分析。童威等[1]利用2000年—2019年武漢市Landsat影像，揭示了武漢市各土地利用類型變化的幅度及土地利用的狀態(tài)。高崇輝等[2]基于RS和GIS技術手段，分析了1991年—2005年武漢市土地利用變化幅度與單項土地利用類動態(tài)變化，并分析了武漢市土地利用變化的驅動力。王璐等[3]基于2016年武漢市7月、8月份的三幅Landsat-8遙感影像數(shù)據進行研究，得出武漢市土地利用景觀格局研究的最佳空間尺度為60 m。賈行飛[4]利用1990年—2015年的遙感影像，運用了景觀生態(tài)學原理，分析了武漢市景觀格局的演變。溫新秀[5]選取2000年、2005年、2010年、2015年土地利用結構數(shù)據以及洪山區(qū)土地利用上位規(guī)劃，分析了洪山區(qū)土地利用發(fā)生的變化及未來發(fā)展的趨勢。

本文將在前人研究的基礎上，以武漢市洪山區(qū)為研究區(qū)域，選取2005年、2011年、2015年三個不同時期的衛(wèi)星影像數(shù)據，利用GIS平臺的遙感處理及空間分析模塊，對比研究了武漢市洪山區(qū)10年內土地利用演變過程及城市發(fā)展狀況，以期為推動區(qū)域經濟快速發(fā)展與綠色生態(tài)協(xié)調提供有力的數(shù)據支持及科學依據。

2 研究區(qū)概況

洪山區(qū)位于武漢市東南部,東接鄂州,南抵江夏區(qū),北臨長江,西北與武昌、青山兩區(qū)毗鄰,介于東經114°7″～114°38″之間，北緯30°28″～30°42″之間，洪山區(qū)地貌以平原為主，有山有水，水闊地寬，西北略低，東南略高。洪山區(qū)版圖面積480 km2。近年來，洪山區(qū)城市化速度顯著加快。2018年武漢市洪山區(qū)城鎮(zhèn)化率達80.29%。

3 數(shù)據來源

使用的Landsat遙感影像數(shù)據來源于地理空間數(shù)據云(http://www.gscloud.cn/)，包括2005年和2011年的Landsat 4-5 TM影像及2015年的OLI_TIRS影像，利用最大似然法監(jiān)督分類的方法，建立小區(qū)合并規(guī)則，將該區(qū)域土地利用類型分為：草地、建設用地、未利用土地、耕地、水域和林地(見圖1)；利用最大似然監(jiān)督分類法得到總體分類精度和Kappa系數(shù)都高達95%以上，符合本文的研究精度要求(見表1)。

表1 監(jiān)督分類后精度評價

4 研究方法

4.1 土地利用分析模型

4.1.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度可以表達土地利用類型的動態(tài)變化過程[6]。土地利用度表達式為：

(1)

其中，K為研究時段內某一土地利用類型動態(tài)度；Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長。

4.1.2 土地利用指數(shù)變化[7]

土地利用類型轉移矩陣：土地利用類型之間的相互轉換情況主要利用土地轉移矩陣來實現(xiàn)。

(2)

其中，Sij為n×n矩陣；S為面積；n為土地類型數(shù)；i，j分別為研究期初和研究期末的土地類型。

4.2 景觀分析方法

景觀指數(shù)的重要作用在于：它通過描述景觀格局，建立景觀結構與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系，進而更好地解釋景觀功能[8]。

本文通過對遙感影像進行土地利用的監(jiān)督分類后得到武漢市洪山區(qū)多時相的變化特征。接下來利用景觀生態(tài)學的方法分析研究區(qū)景觀格局的時空演變。運用GIS平臺的統(tǒng)計分析功能，根據研究目的，分別統(tǒng)計計算兩類指標數(shù)據。第一類是斑塊級別的指標：斑塊個數(shù)(NP)；第二類是景觀級別的指標：形狀指數(shù)(Di)[9]和景觀破碎度(C)。

1)斑塊個數(shù)(NP)。

NP=ni

(3)

其中，ni為景觀中斑塊類型i的斑塊數(shù)量；NP值與景觀破碎度成正相關，值越大景觀破碎度越高。

2)形狀指數(shù)(Di)。

(4)

其中，Pi為斑塊周邊長度；Ai為斑塊面積；Di為斑塊的發(fā)育程度,Di值越大,說明斑塊周邊越發(fā)達。

3)景觀破碎度(C)。

(5)

其中，C為景觀破碎度；ni為景觀類型i中的斑塊總數(shù)；Ai為景觀類型i的面積。C的值越大，則景觀類型的破碎化程度越大，說明受人類活動影響越顯著。

4.3 歸一化植被指數(shù)分析

植被的光合作用表現(xiàn)為對紅光(Red)和藍紫光(Blue)的強烈吸收而使其反射光譜曲線在該部分波段呈波谷形態(tài)，對綠光(Green)尤其是近紅外(NIR)有強烈反射，從紅光到紅外裸地反射率基數(shù)較高但增幅很小。根據光合作用的這個特點，強化Red和NIR差別的數(shù)學變換的“歸一化植被指數(shù)(NDVI)”，NDVI定義為[10]：

NDVI=(CHNIR-CHRED)/(CHNIR+CHRED)

(6)

其中，CHNIR為遙感衛(wèi)星的近紅外通道;CHRED為紅光通道反射率。

如果NDVI值為0，研究區(qū)域為巖石或裸土；為負值時，說明研究區(qū)域地面有雨水、降雪覆蓋，或者有云量；為正值時，則表示研究區(qū)域有植被覆蓋，且植被覆蓋度越高，NDVI值越高。NDVI變化率的公式為：

A=(K2-K1)/K1

(7)

其中，A為變化率;K1為前一個影像時間年的對應值;K2為后一個影像時間年的對應值。

5 結果與分析

5.1 土地利用結果分析

5.1.1 土地利用結構

各年土地利用類型面積圖見圖2，從圖2可看出，武漢市洪山區(qū)建設用地在2005年、2011年、2015年的面積占比依次為20%，35%，47%，呈現(xiàn)出連續(xù)增大的變化現(xiàn)象；耕地在該3 a的面積占比值依次為9%，6%，8%，體現(xiàn)為面積先減小后增大的變化特征，同樣的變化特征還有林地和未利用土地；主城區(qū)的草地在上述3 a的面積占比依次為30%，24%，13%，與城區(qū)恰恰相反體現(xiàn)為連續(xù)減少的現(xiàn)象；水域在3 a的面積占比依次為20%，31%，19%，由于2011年武漢市暴雨導致洪災，水域呈現(xiàn)先增大再減小的現(xiàn)象，但從長期看，水域面積并未發(fā)生大規(guī)模變化。

5.1.2 土地利用動態(tài)度

利用式(1)計算2005年—2011年、2011年—2015年的土地利用類型年變化率，得到結果如表2所示。

表2 2005年、2011年、2015年洪山區(qū)各土地利用類型年變化率

從表2數(shù)據來看，2005年與2011年對比可知，在這6 a間，建設用地和水域呈增加態(tài)勢，未利用土地、草地、林地、耕地呈減少態(tài)勢，未利用土地面積明顯減少。其中，水域變化尤為異常，原因是2011年湖北省遭遇罕見暴雨導致洪澇災害發(fā)生，致使影像數(shù)據中水域面積異常增大。同時草地的年變化率最小，為-3.13%；未利用土地的年變化率最大，為-14.39%，說明城市不斷發(fā)展，未利用土地的利用率增加。2011年與2015年數(shù)據對比可得，2015年的城鄉(xiāng)建設依舊在穩(wěn)步發(fā)展，面積不斷擴大；水域、草地面積呈增加態(tài)勢，林地、耕地、未利用土地的面積較2011年呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，其中林地范圍有明顯增大，未利用土地增大幅度明顯，說明2011年未利用土地面積很大程度被水域覆蓋。

1)利用2005年和2011年土地利用轉移矩陣(見表3)，分析可以看出水域和建設用地的面積在增加，其余面積都在減少，其中建設用地的變化率為80.62%，林地及未利用土地的變化率分別為-73.87%，-86.35%，說明2005年與2011年相較，林地，未利用和建設用地變化較劇烈，建設用地的面積增長率最大，而未利用土地的減少率最大，表明武漢市洪山區(qū)土地利用轉移具有一定的方向性，城市化進程主要以城鄉(xiāng)區(qū)域的擴張為主，未利用土地的大幅減少，也可以看出城市化進程在這6 a間加快。

表3 2005年、2011年變化轉移矩陣

2)利用2011年和2015年土地利用轉移矩陣(如表4所示)分析可知，除草地和水域面積減少以外，其他類型土地面積都在增加，土地利用轉移速率較上階段的變化速率稍有減緩，分析其原因主要是由于2011年洪水從土地退散后使得林地和未利用土地面積有所增加；2015年建設用地較2011年增加了33.26%，說明了城市化進程中建設用地的增長仍是主流趨勢。林、耕、草的增加能夠降低脆弱度，建設用地的增加則提高脆弱度[11]。通過比較三期的土地利用和轉移情況，發(fā)現(xiàn)建設用地的面積在逐年增加，說明在城市進程發(fā)展加快的同時，土地的脆弱度也在增加。

表4 2011年、2015年變化轉移矩陣

5.1.3 城市質心遷移

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，2005年—2011年土地利用轉變最為明顯的就是城鄉(xiāng)建設用地。城市的中心作為反映城市發(fā)展方向軌跡的非常指標性的因素，表現(xiàn)在既可以反映發(fā)展的阻力，也可以評價城市發(fā)展的動力[12]。

主建成區(qū)質心位置見表5，從表5可知，主建成區(qū)在2005年—2011年間發(fā)生了變化，變化體現(xiàn)在質心經度向西方移動，緯度向北移動，偏移距離為4.667 km，偏移角度為北偏西26.29°；而在2011年—2015年間，主建成區(qū)質心經度向東方移動，緯度向南移動，質心則向南偏東72.74°方向移動了5.011 km，見圖3。為了適應城市人口的激增，大量的耕地和未利用土地被城鎮(zhèn)取代，2005年、2011年及2015年的洪山區(qū)主建成區(qū)都在發(fā)生不同程度的變化，并且主要的發(fā)展方向有所改變導致城鄉(xiāng)建設用地的重心遷移明顯。

表5 主建成區(qū)質心位置表

5.2 景觀分析

為了更好地描述景觀格局，建立景觀結構與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系，解釋景觀功能，本研究對武漢市洪山區(qū)進行了景觀分析，得到景觀指數(shù)計算結果(見表6)。

表6 景觀指數(shù)計算結果

根據表6可知，2005年未利用土地Di值、C值最大，說明未利用土地周邊較復雜且受人類活動影響顯著；2011年草地Di值最大，說明周邊較復雜且不規(guī)則，耕地C值最大，說明耕地在2011年受到人類活動的影響最大，可能占用這些土地來拓展城市、發(fā)展工業(yè)等；2015年草地Di值最大，未利用土地C值最大[13]。由上分析可知，2005年—2015年這10 a間，未利用土地受人類影響較大，可能與城市擴張，發(fā)展工業(yè)和經濟建設，與實際城鎮(zhèn)化速率較快的情況相符。

5.3 NDVI分析結果

NDVI>0.3就意味著有植被覆蓋，NDVI<0.3為非植被覆蓋區(qū)，如河流、城市建筑、硬化的廣場及道路等。植被指數(shù)變化圖見圖4。由圖4可以看出，2005年植被集中于區(qū)域中部，但NDVI值高于0.3的區(qū)域較少，總體來說植被覆蓋度較??；2011年NDVI>0.3的區(qū)域明顯增多，并且多集中于區(qū)域中部，說明2011年植被覆蓋度較高；2015年僅在右上角出現(xiàn)NDVI>0.3區(qū)域，大面積區(qū)域的NDVI值介于-0.129～0.086 3之間，可知2015年植被覆蓋度最小。HDVI值對比表見表7，分析表7可以看出，2005年、2011年、2015年的NDVI平均值分別為0.097，0.134，0.087，NDVI值先增大后減小，說明洪山區(qū)的植被覆蓋度在10 a間呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。

表7 NDVI值對比表

6 結論

1)武漢市洪山區(qū)2005年、2011年及2015年三期的土地利用結構主要以草地、水域、建設用地為主，其中建設用地分布最為廣泛，且呈現(xiàn)出增長的趨勢，10 a間增長了152.35 km2。比較2005年和2015年的分析結果可以看出來，除了建設用地面積增加以外，其他類型土地都呈減少態(tài)勢，其中草地降幅最大，10 a降幅達93.6 km2,說明隨著城市化進程的加快，建設用地對其他類型的土地都進行了一定程度的侵蝕，對城市的生態(tài)發(fā)展產生不利影響，提高了土地的脆弱度。

2)通過兩個階段土地利用轉移矩陣可知，2005年、2011年、2015年3 a對比可以發(fā)現(xiàn)，武漢市洪山區(qū)變化最劇烈的土地類型是建設用地，兩個階段都呈增長趨勢，說明2005年與2015年武漢市洪山區(qū)以建設用地擴張為主，其中2005年與2011年對比可知，以草地轉化為建設用地為主；2011年和2015年對比可知，以草地、水域轉化為建設用地為主，但建設用地的擴張速率明顯小于上一階段，可見洪山區(qū)城市擴張的速率在減緩。在城市質心轉移分析中，得出武漢市洪山區(qū)質心逐漸向東南方向偏移，主建成區(qū)逐漸沿水域向外擴散。為了有利于人類活動和促進地區(qū)經濟發(fā)展，可進一步沿水域發(fā)展。

3)根據對洪山區(qū)景觀指數(shù)的分析，對比三期數(shù)據，2005年、2011年及2015年未利用土地周邊最為發(fā)達、最不規(guī)則，且破碎度值最大，說明受到了顯著的外界干預，土地利用程度增加，如利用這些土地拓展城市、開發(fā)耕地等。而水域破碎度最小，說明其受到的人類的影響最小。NDVI分析結果可知，洪山區(qū)植被覆蓋度整體較低，且在10 a間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這樣的發(fā)展趨勢與地區(qū)經濟發(fā)展和城市化進程加快息息相關。