近10 年青岛市土地利用景观格局时空变化特征

李嘉琪，段梦琦，尹建国，郭志谦，张晓光*

（1. 青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109；2. 山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021）

土地是人类赖以生存的基本资源，随着城市化的进一步推进，土地的合理分布和使用是区域可持续发展的重要条件之一，因而关注区域土地资源的时空动态与格局具有极其重要的意义。针对土地利用时空动态变化，众多学者从城市群、省域尺度、地市级县域尺度开展了大量研究[1-3]，既有针对综合土地利用类型的研究[4-5]，也有针对耕地、盐碱地、水域等单一土地利用类型的分析[6-8]。在研究内容方面，除关注区域土地利用类型的数量变化和空间分布演变外，还研究了土地利用变化的驱动力[4]，并对未来的土地情况开展了情景预测研究[8]。由于遥感技术能快速、大尺度地获取地面信息，因此在土地资源调查相关研究中得到广泛应用[9]。随着土地利用变化研究的深入，土地利用类型的分布格局开始得到重视。土地的分布格局更多的是利用景观格局指数从景观角度来分析[10-12]。土地景观格局指数包含大量景观格局信息，能反映景观的区域空间几何特征，对于土地的合理利用和管理具有良好的指导意义，是研究土地利用的重要分析方法[13]。

通过遥感监测获取土地利用类型变化数据，利用景观格局指数分析土地变化特征，并结合实地情况探究土地类型变化的原因和趋势，能为城市规划与发展提供依据和支撑；但不同的经济发展水平下，区域土地利用类型的面积和分布特点也不相同，且在快速发展地区的土地利用变化更为复杂。因此，本文选取我国东部经济快速发展地区——青岛市作为研究对象，通过 2009 年、2014 年和 2019 年 3 期 Landsat 系列卫星影像提取了主要土地利用类型；再结合景观格局分析等方法，对近10年青岛市的土地利用类型动态演变特征进行了分析，以期为提高土地利用率、合理优化布局提供依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

本文选取山东省青岛市作为研究区，地理坐标为35°35′~37°09′N、119°30′~121°00′E，行政区划如图1所示。青岛市下辖7 个市辖区，代管3 个县级市（胶州市、平度市、莱西市），总面积为11 293 km2；东、南部濒临黄海，是典型的海滨城市；地势东高西低，南北两侧隆起，中间低凹；空气湿润、四季分明，属温带季风气候；拥有大沽河、北胶莱河以及沿海诸河流三大水系；土壤类型丰富，主要包括棕壤、潮土、褐土、砂姜黑土等。青岛市位于中日韩自贸区的前沿地带，是山东省东部沿海快速发展地区、国家重要的现代海洋产业发展先行区，也是一带一路新亚欧大陆桥经济走廊主要节点城市和海上合作战略支点。《2019 年青岛市国民经济和社会发展统计公报》显示，青岛市生产总值达到11 741.31亿元，人均GDP 为124 282 元，外贸货物进出口总额为5 925.6 亿元[14]，表明该地区经济发展迅速，是我国东部典型的快速发展城市[15]。

图1 青岛市行政区划示意图

1.2 数据来源

本文从地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）获取了2009年的Landsat TM影像以及2014年、2019年的Landsat8 OLI 卫星影像。为了覆盖整个研究区域，3 个年份分别获取了两景空间分辨率为30 m的卫星影像。本文利用ENVI 5.1 软件对Landsat 影像进行辐射定标、几何校正、影像拼接、裁剪等预处理[16]，并对预处理后的研究区影像进行影像增强处理。

1.3 土地利用类型分类方法

根据遥感影像中地物的光谱特征，并结合野外实地调查，本文建立了林地、水域、耕地、建设用地、未利用地5 个感兴趣区；利用最大似然法对各时期的影像数据进行最大似然监督分类，从而提取不同的土地利用类型。最大似然法是一种监督分类方法，假定训练样本在光谱空间中服从高斯正态分布[17]，通过统计感兴趣区地类的影像信息，根据贝叶斯准则进行地物的判别解译。其计算公式为：

1.4 精度评价

本文采用混淆矩阵进行精度评价。混淆矩阵通过分类误差构成的矩阵来比较遥感分类结果与地表真实情况的差异。矩阵中的每一列代表地表提取的真实地物类别数，每一行代表每一列中的数值等于地表真实像元在分类图像上对应的类别数，包括像元数和百分比两种表示方法[18]。通过混淆矩阵可进一步计算遥感分类结果的总体精度（OA）和Kappa系数[19]。OA是所有被正确分类的样本数量与总体样本数量的比值，能很好地表征分类结果的整体正确率[19]；而Kappa 系数则能客观评价分类结果的质量。

1.5 景观指数计算

本文将提取的3 期土地利用分类结果数据导入Fragstats 4.2软件进行景观格局分析。景观格局分析包括斑块、类型和景观3 个水平的景观指数[20]。本文选择类型水平下的斑块密度（PD）、斑块数目（NP）、最大斑块指数（LPI），景观水平下的香农多样性指数（SHDI）、香农均度指数（SHEI）、蔓延度指数（CON⁃TAG）、散布并列指数（IJI）、景观形状指数（LSI）进行分析。这些指标常用于描述整个景观的异质性和景观破碎度，也可反映景观要素的丰富度以及内部斑块的连接紧密度与聚集度，是描述景观格局的重要指数。景观格局指数的定义及其生态意义详见参考文献[20]、[21]以及 Fragstats手册。

2 研究结果与分析

2.1 土地利用类型时空动态变化特征

本文对2009年、2014年、2019年3期研究区影像进行最大似然分类，分类精度如表1 所示，可以看出，分类精度较高，OA均大于80%，Kappa系数均大于0.75，分类结果可靠。本文进一步利用ArcGIS软件制作土地利用类型的空间分布图（图2），可以看出，2009—2019年青岛市的林地主要集中在崂山区、平度市、黄岛区，且林地面积逐步增加；耕地在平度市和莱西市分布广泛，胶州市和黄岛区也有分布；建设用地主要分布在市南区、市北区、崂山区、李沧区和城阳区，且随着经济发展逐步扩张；未利用地的面积持续减少。

表1 2009—2019年遥感分类混淆矩阵精度评价结果

图2 2009年、2014年、2019年青岛市土地利用类型遥感解译结果

根据分类结果，本文进一步统计了各土地利用类型的面积及其占比，并分析了各土地利用类型面积的变化趋势，如表2 和图3 所示，可以看出，2009—2019 年青岛市的林地面积迅速增加，由1 477.12 km2增至1 953.69 km2，占比由13.08%提高到17.30%，增长速度为19.34%，表明该时期青岛市响应国家号召进行生态建设，加快林业发展、实施大规模封山育林，再加上城市中的绿化建设，综合促使林地面积逐年增加；建设用地面积持续增加，由2 144.54 km2增至2 763.40 km2，占比由18.99% 提高到24.47%，其中2009—2014 年的增长速度为6.63%，2014—2019 年的增长速度为20.84%，后期增长速度快的重要原因之一是胶州湾北部城市城镇化的推动和大幅度开发，随着青岛市发展规划的推进，建设用地面积仍将呈增长趋势；2009—2019 年耕地面积先减后增，整体保持平稳，2009—2014年随着退耕还林和城镇化的推动，耕地面积有所减少，减少的耕地大部分转化为建设用地和林地，为保护耕地红线，后期开展了大量土地整理，因此2014—2019年耕地面积呈增长趋势，耕地占比由30.38%提高到33.33%，增长速度为9.71%；水域范围缩小，面积整体呈减小趋势，可能是由人类开发与不合理利用所致；随着人类开发，未利用地持续减少，2009—2014 年减少速度为8.39%，2014—2019 年减少速度攀升，为22.74%，这与城市建设、生态建设密切相关，未利用地高速转化为建设用地、林地、耕地等。

图3 2009—2019年青岛市土地利用类型面积变化趋势

表2 研究区影像最大似然分类统计结果

2.2 景观格局动态变化

2.2.1 类型水平

2009—2019年青岛市类型水平景观格局指数统计结果如表3 所示，可以看出，2009—2014 年青岛市林地的 NP 由 106 256 减少到 32 453，PD 由 4.41 下降至1.35，说明林地面积持续增长的同时其景观破碎化程度也出现降低，表明该时期青岛市林地的聚集度大幅提高；“十二五”期间青岛市委市政府出台了《中共青岛市委青岛市人民政府关于创建国家森林城市的意见》，“创森”期间青岛市进行了大规模的造林绿化建设和大幅度的绿化景观提升，2015年全市累计建设万亩林场35处，这一系列的措施提高了林地面积；截至2019 年，林地的 NP 增加至 117 098，PD 上升至 4.86，表明林地面积持续增长的同时内部斑块分布离散化，分布不均、发展不平衡，这与青岛市可造林地缩减、新增造林空间有限以及相关部门针对虫害和污染采取的积极管控工作有关。

表3 2009—2019年青岛市类型水平景观格局指数统计结果

2009—2019 年水域面积整体呈减小趋势，NP 持续降低，PD由4.29下降至0.97，表明水域的斑块离散化程度降低，呈现强烈的聚集趋势。其原因是近年来由于水污染和不合理用水问题凸显，青岛市大力开展了大沽河水系的综合治理以及“水系连通”工作，进而水域呈现聚集联通特点。

2009—2019 年建设用地面积持续增加，但其NP经历了先增后减的过程，由156 196 增加到176 270，后又减少至98 600。前期经济社会飞速发展，GDP与建设用地面积呈正相关，建设用地在全市内快速扩张，景观破碎化程度加剧；而后期随着政府对建设用地审批与管理工作的推进以及征地与开发项目的开展，土地规划更加合理，使得建设用地面积增加的同时景观内部产生聚集大斑块。

2009—2019年耕地的NP由68 774减少到49 173，后又增加至90 002，PD也呈先减后增的趋势。前期由于建设用地与林地的扩张以及未利用地的开发，耕地迅速减少；2014—2019 年耕地的景观破碎化程度较大，由聚集大斑块离散为小斑块的程度加剧，表明该时期受外部影响较大，青岛市坚持保护耕地红线、采取积极措施确保耕地面积不减少、质量有提高，耕地景观内部斑块数目逐步增多。

2009—2019年未利用地面积持续大幅减少，2019年NP 下降至66 960，PD 下降至2.78，原因在于青岛市未来城市的规划布局已批复，不断开发未利用土地进行农业、林业等的建设。

LPI能反映景观规模以及景观内部优势斑块类型，间接反映土地利用变化的方向和强弱[12]。2009 年、2014 年、2019 年青岛市LPI 对比如图4 所示，可以看出，整体变化幅度依次为未利用地＞耕地＞建设用地＞林地＞水域，说明未利用地是变化最强烈的土地利用类型，2009—2019年青岛市的未利用地开发活动比较剧烈；而水域是土地利用类型变化最弱的，因此水域是受人类活动影响最小的土地利用类型。

图4 2009年、2014年、2019年青岛市景观类型LPI对比

2.2.2 景观水平

SHDI能反映景观的空间异质性，其值为0表示该景观仅由一个大的斑块组成，值越大表明该地区土地利用类型越丰富，各斑块的均衡化趋势越明显。SHEI也是一个敏感指标，其值越接近1 说明该景观的多样性越大、分布越均匀。CONTAG与景观破碎化程度密切相关，其值越高表示优势土地利用类型具有很好的连通性。LSI 是表征整个区域内土地斑块形状特点的指数，能反映土地斑块形状的复杂程度[22]。由表4 可知，2009—2019年青岛市SHDI均大于1，且值比较接近，说明青岛市近年来土地利用类型一直较为丰富且分布均衡；2009—2019 年青岛市SHEI 偏大，说明存在多种优势斑块类型且趋于稳定；2009—2014 年CONTAG 升高，景观破碎度减小，优势斑块连接紧密，2014—2019 年CONTAG 降低，离散化程度加剧，形成包含多种要素的密集景观格局；2014年、2019年的IJI 均比2009 年有所降低，说明后期优势斑块变得相互邻近；LSI 持续下降表明青岛市景观形状趋于规则化，在一定程度上说明了土地利用与开发正在变得由点及面的规模化。

表4 2009年、2014年、2019年青岛市景观水平景观格局指数统计结果

综合分析2009—2019年青岛市土地利用时空动态变化与景观动态变化可知，青岛市土地利用类型丰富，总体分布相对均衡，但变化过程复杂，不同时期时空动态变化速度不同，整体景观破碎化程度与各土地利用类型景观破碎度不具有相关性。

3 结 语

1）2009—2019 年青岛市的林地、建设用地面积逐步增加，未利用地面积持续减少。各时期的增长速度不同，除耕地外，其他土地利用类型均有较大波动，在时空变化上复杂多变。

2）整体景观破碎化程度与各土地利用类型景观破碎度不具有相关性。2009—2019年青岛市整体景观格局具有多样性，类型丰富且分布均衡稳定，景观破碎度呈减小趋势，表现为形状较规则、斑块较密集的特征。