基于GIS与RS的喀斯特山地土地利用动态变化研究

魏媛+王阳+姚晨

摘要：土地利用变化是引起喀斯特生态系统演变的最主要影响因素之一，随着城镇化的快速推进，城市土地利用发生了较大的变化。运用RS与GIS技术方法对2001、2013年2期的遥感影像进行处理，提取贵阳市二环内土地利用信息，并对该区土地利用动态变化规律进行研究，以期为研究区土地资源可持续利用及生态环境建设提供一定的参考依据。研究结果表明：（1）研究区土地利用类型以耕地、林地和建筑用地为主，三者总占比大于97%，占绝对优势；（2）2001—2013年研究区建筑用地面积明显增加，水域面积略有增加；耕地面积明显下降，林地面积和未利用地少量减少。（3）单一土地利用动态度分析表明，各地类变化速度从快到慢依次为未利用地>建筑用地>耕地>林地>水域；就综合土地利用动态度而言，则速度从快到慢依次为：未利用地>耕地>水域>林地>建筑用地。（4）从土地利用综合程度来看，研究区土地利用正处于发展期，土地利用集约化程度在不断提高。

关键词：RS；GIS；土地利用动态；土地利用综合程度；喀斯特山地；贵阳市

中图分类号： S127；F323.211 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0435-04

土地是人类活动的基本场所，是人类赖以生存的自然资源，在人类社会经济活动中起着不可替代的重要作用。十八大报告指出，要加快建立生态文明制度，健全资源节约、国土空间开发和生态环境保护的体制机制，推动人与自然和谐的新发展模式。生态文明制度建设是要求在法律制度体系的监督下，对生态平衡、土地资源合理利用进行系统建设，将生态文明建设的重要载体—土地，进行合理、科学开发利用，优化土地结构，促进土地资源的可持续发展。近年来，在国家西部大开发带动下，贵州省贵阳市经济发展迅速，城市化进程加快，大量的农业人口流入城市，转化为非农业人口，城市建设用地不断增加，耕地、林地不断减少，脆弱的喀斯特生态环境遭受破坏。为快速、客观、准确掌握贵阳市土地利用变化情况，及时提出土地利用规划和喀斯特生态环境相适应的策略，本研究采用RS和GIS技术，选取2001年和2013年贵阳市二环内2期TM影像，通过遥感监督分类方法提取土地利用现状图，利用 GIS 技术进行图像处理和数据提取。依据处理的图象、数据并结合现状，对贵阳市土地利用动态变化特征进行分析，为贵阳市制定科学合理的土地利用规划、提高城市土地利用率、实现土地的优化配置提供依据，以促进贵阳市生态文明城市建设和区域喀斯特生态环境的可持续发展。

1 研究范围的界定与研究方法

1.1 研究范围的界定

以贵阳市二环高速公路作为研究区域界线，研究范围是贵阳二环以内区域。因为贵阳市二环以内区域是贵阳市城市化进程最快的地区，土地利用类型的变化速度最快、最明显，对生态系统服务价值的影响最大。对其进行土地利用及生态系统服务价值动态研究的目的是为促进贵阳市区域的土地集约利用和生态系统服务价值最大化。

1.2 研究方法

运用RS和GIS技术方法，利用2001年和2013年贵阳市二环内2期TM影像，通过遥感监督分类方法得到土地利用现状图，采用 GIS 技术处理图像并提取数据，运用土地利用变化综合指数和土地利用变化动态度分析研究区内土地利用变化特征，有效揭示贵阳市二环区域土地利用变化现状。

1.2.1 图像处理与信息提取

（1）图像的波段组合、校正与剪切。选取的数据分别为2001年Landsat-7影像和2013年Landsat-8影像。波段组合是将各波段数据转换为ERDAS IMAGINE的IMG文件，利用软件添加同地区图像的各个波段，合成1幅多波段图像。为了突出水体、植被等土地利用类型，选择543波段合成标准假彩色图像，运用多项式模型对处理后的图像进行几何校正，并对校正后图像进行AOI多边形剪不规则剪裁，作为研究区域并保存。

（2）图像的增强处理。增强目的是改变图像灰度等级，提高图像对比度，针对给定图像的不同应用，强调图像的整體或局部性，将图像变得清晰或增强区域特征，扩大不同物体特征差距，满足分析需要。本研究采用辐射增强中的直方图均衡化对图像进行增强处理，通过灰度变换将随机分布的图象直方图变换成均匀分布的直方图，即在每个灰度级上都具有相同的像元点数，使得分类的视觉效果更加明显。

（3）图像分类和信息提取。首先建立研究区影像判读解译标志：通过影像特征（色调、纹理和形状等）与研究区土地利用类型特征（表1）和自然景观的比较分析[1]，建立土地利用类型的遥感影像判读解译标志（表2），作为室内判读的依据；其次建立分类模板：2期遥感影像的分类模板有5个土地利用类型，包括水体、建筑用地、林地、未利用地和耕地；再次根据解译标志和分类模板进行监督分类；最后提取贵阳市二环土地利用变化信息。应用GIS的地统计模块，对修改合并后的土地利用矢量数据进行统计分析，以提取2001年和2013年2期图像的建筑用地、林地、耕地、水体、未利用地等土地利用信息，统计分析结果见表3和表4。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化总量分析

人类活动与自然界间的互动最直接的表现为土地利用类型面积变化[7]。土地利用面积的整体变化情况在对土地利用变化的研究中有着非常重要的作用，通过对土地利用面积的变化状况分析，可以有效反映出各种土地类型和土地面积在总量上的变化情况。贵阳市二环内2001年、2013年土地利用现状分类如图1。根据式（1）计算出2001年、2013年研究区土地利用变化情况（表5），根据表5的分析结果得出研究区土地利用面积对比图（图2）。

表5分析结果表明：研究区土地利用类型以耕地、林地和建筑用地为主，三者总占比大于97%，占绝对优势。2001—2013年研究区土地利用变化显著，2001年研究区各类土地利用面积占总面积的比重由大到小依次为：建筑用地>耕地>林地>未利用地>水域，建筑用地面积最大，占总面积的33.41%，水域面积最小，占总面积的0.83%。2013年研究区各类土地利用面积占总面积的比重由大到小依次为：建筑 用地>林地>耕地>水域>未利用地，建筑用地面积最大，占总面积的54.84%，未利用地面积最小，占总面积的0.06%。

从图2中可以看出，2001—2013年12年间研究区各类土地利用面积发生了明显的变化。其中耕地、林地、未利用地面积下降，其中耕地面积减少得最多，12年间一共减少了20.473 km2，年均递减1.706 km2，年变化率为4.364%；林地面积减少3.407 km2，年变化率为0.759%；未利用地面积一共减少1.696 km2，年变化率为7.985%；建筑用地面积和水域面积增加，其中建筑面积在12年间增加了25.505 km2，年均增加2.13 km2，年变化率为5.346%。水域面积12年间共增加了0.035 km2，年变化率为0.297%，2001—2013年间，研究区土地利用变化以耕地和建设用地的变化最为显著，这与毛腾等的研究结果相似[8-9]，建筑用地增加量超出了耕地面积减少量，说明研究区建筑用地的扩张除了占用了大量的耕地外还导致了林地面积、未利用地面积的减少[10]。

2.2 土地利用程度综合指数分析

土地利用程度综合指数能够有效反映出土地利用的集约化程度，根据Liu等提出的土地利用程度的综合分析方法[7]，进行土地利用分级（表6） 。

根据公式（2）和表6中的不同土地利用类型分级指数计算得出贵阳市二环内的土地利用程度综合指数，2001年和2013年分别为298.18和325.30，计算结果表明从2001年到2013年研究区土地利用程度综合指数在不断提高，说明随着贵阳市社会经济的快速发展，土地利用集约化程度在不断提高。

2.3 土地利用变化量分析

土地利用变化量可以通过土地利用程度指数表示，可以有效地体现出土地利用所处的发展阶段，并衡量城市土地利用发展水平，促进城市土地利用可持续发展。当ΔLb-a<0时，则表示该区域的土地利用处于调整或者衰退时期，当土地利用程度变化量ΔLb-a>0时，表示该区域土地利用处于发展时期[11]。

根据公式（3）计算出土地利用程度综合指数，2001—2013年研究区土地利用变化量为27.12，说明贵阳市二环内的土地正处于发展期，并且由于土地利用程度最高值为400，可见贵阳市二环地区土地发展和开发程度属于中、高速开发状态。

2.4 土地利用变化动态度分析

2.4.1 单一土地利用动态度 单一动态度可以分析某一区域内某种土地利用类型的数量变化，动态度是说明土地利用类型相对的稳定度，即数值绝对值越大，对应的土地利用类型越不稳定；反之，数值绝对值越小，对应的土地利用类型越趋于稳定。由表7分析可得，单一土地利用动态度数值绝对值由大到小的顺序依次为未利用地>建筑用地>耕地>林地>水域，表明研究区未利用地变化速度最显著，土地类型数量不稳定，其次是建筑用地，水域面积变化不大，在5种土地利用类型中最稳定。

2.4.2 综合土地利用动态度 综合土地利用动态度侧重于土地利用类型变化的速度和年变化率，计算结果见表7。从表7中可以看出，综合土地利用动态度数值由大到小的顺序依次为未利用地>耕地>水域>林地>建筑用地，说明2001—2013年间研究区域未利用地的变化强度最大，反映了人类与土地之间进行物质、能量、信息交流的强度也最大，其次为耕地，建筑用地变化强度最小，表明建筑用地转为其他类土地利用面积的绝对值最小，建设用地的增加是耕地、林地、未利用地面积减少的主要原因。

3 结论与讨论

3.1 结论

运用RS与GIS技术方法对贵阳市2001、2013年2期的遥感影像进行处理，提取贵阳市二环内土地利用变化信息；运用土地利用动态度、土地利用程度等分析方法，对研究区土地利用数量变化及利用程度进行分析，得出以下主要结论：

（1）2001—2013年研究区土地利用类型以耕地、林地和建筑用地为主，三者总占比大于97%，占绝对优势；12年间研究区耕地、林地、未利用地面积下降，其中耕地面积减少得最多，12年间一共减少了20.473 km2；林地面積减少 3.407 km2；未利用地面积一共减少1.696 km2；建筑用地面积和水域面积增加，其中建筑面积在12年间增加了 25.505 km2，水域面积12间共增加了0.035 km2。2001—2013年间，研究区土地利用变化以耕地和建设用地的变化最为显著，建筑用地增加量超出了耕地面积减少量，说明研究区建筑用地的扩张除了占用了大量的耕地外还导致了林地面积、未利用地面积的减少。

（2）贵阳市二环内的土地利用程度综合指数由2001年的298.18上升到2013年的325.30，说明从2001年到2013年随着研究区社会经济的快速发展，其土地利用方式逐渐由粗放型向集约型转变，土地利用集约化程度在不断提高。2001—2013年研究区土地利用变化量为27.12，说明贵阳市二环内的土地正处于发展期，进入了利用方式逐渐由粗放型向集约型转变土地开发利用的新阶段。

（3）土地利用变化速度研究结果表明，研究区未利用地变化速度最显著，从单一土地利用动态度来看，各地类变化速度从快到慢依次为未利用地>建筑用地>耕地>林地>水域，说明土地类型数量不稳定，其次是建筑用地，水域面积变化不大，在5种土地利用类型中最稳定；就综合土地利用动态度而言，则速度从快到慢依次为未利用地>耕地>水域>林地>建筑用地，表明建筑用地转为其他类土地利用面积的绝对值最小，建设用地快速增加是耕地、林地、未利用地面积减少的主要原因。

3.2 讨论

随着喀斯特生态脆弱区经济社会的不断发展，快速推进的城镇化必然带来建设用地不断增加，耕地、林地、未利用地面积下降，人地矛盾日趋紧张，影响城市的绿色可持续发展。因此，研究区必须协调城市发展与土地利用之间的关系，缓解人地矛盾。首先适度控制人口数量，提高人口素质，确保土地的集约化程度和利用效率的提高；其次以土地集约高效利用为目标，加强林地、耕地和基本农田保护，减少建设用地的扩张；科学规划和开发利用土地，加强土地资源的宏观调控和用途管制，优化土地资源配置。在区域宏观政策与喀斯特生态脆弱区发展政策的指导下开发与保护并重，使土地利用格局变化与研究区的社会经济发展相适应[12]。

喀斯特生态脆弱区土地利用变化是一个复杂、综合的动态过程，驱动因素很多[12]，本研究只对2期的遥感影像数据进行了分析，运用多期的遥感影像数据对土地利用动态变化信息进行提取和预测，并对其土地利用驱动因素进行全面深入分析有待于进一步研究。

参考文献：

[1]张红红，林 楠，王晓志，等. 基于RS和GIS的吉林地区土地利用变化研究[J]. 测绘与空间地理信息，2016，39（2）：68-70，74.

[2]龙花楼，李秀彬. 长江沿线样带土地利用格局及其影响因子分析[J]. 地理学报，2001，56（4）：417-425.

[3]摆万奇，阎建忠，张镱锂.大渡河上游地区土地利用/土地覆被变化与驱动力分析[J]. 地理科学进展，2004，23（1）：71-78.

[4]王秀兰，包玉海. 土地利用动态变化研究方法探讨[J]. 地理科学进展，1999，18（1）：81-87.

[5]凌 侠，王丹秋. 基于RS 和GIS 的固阳县土地利用动态变化研究[J]. 内蒙古农业大学学报，2013，34（5）：47-52.

[6]张 丽，杨国范，刘吉平.1986—2012年抚顺市土地利用动态变化及热点分析[J]. 地理科学，2014，34（2）：186-191.[HJ1.45mm]

[7]Liu J Y，Kuang W H，Zhang Z X，et al. Spatiotemporal characteristics，patterns，and causes of land-use changes in China since the late 1980s[J]. Journal of Geographical Sciences，2014，24（2）：195-210.

[8]毛 騰. 基于RS和GIS的土地利用动态变化分析——以南京市为例[J]. 辽宁农业科学，2015（6）：28-31.

[9]李 丽，刘普幸，姚玉龙. 近28年金昌市土地利用动态变化及模拟预测[J]. 生态学杂志，2015，34（4）：1097-1104.

[10]魏 媛，吴长勇，徐筑燕. 贵阳市土地利用变化对生态系统服务价值的影响[J]. 贵州农业科学，2015，43（2）：185-188，192.

[11]余嘉琦，李 钢，赵 华，等. 江苏省沛县土地利用变化及其生态服务价值研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（6）：371-376.

[12]陈瑜琦，王 雯，李建林. 生态脆弱区土地利用动态变化研究——以甘肃省榆中县为例[J]. 国土资源科技管理，2015，32（6）：24-31.