2005—2020年甘州區和臨澤縣土地利用動態變化研究

馮媛媛 王世航

摘 要：監測和分析土地資源利用現狀及其變化趨勢，對當地經濟和生態文明建設可持續發展具有重要意義?；赗S和GIS技術，對甘州區和臨澤縣2005—2020年四期的遙感影像進行土地利用分類，通過土地利用動態度變化掌握該區各土地利用類型變化去向，利用轉移矩陣對礦區土地利用變化特征進行分析。研究結果表明：①由面積占比來看，未利用地最大，耕地、草地、建設用地次之，林地和水體的所占比例均很小。②2005—2020年各地類單一土地利用動態度的差異性較大，較為突出的是林地，年變化率為45.7%;其他地類的動態度均表現出小規模減少甚至還有上升的趨勢，綜合動態度為0.44%，變化呈現出階段性。③各土地利用類型的轉出面積及比例從大到小依次為草地>居民地>耕地>水體>林地>未利用地?？傮w而言，該研究區趨于良好的發展趨勢。

關鍵詞：土地利用變化;動態度變化;轉移矩陣;甘州區和臨澤縣

中圖分類號：F301.24 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0116-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.027

Abstract： Monitoring and analyzing the current situation of land resource utilization and its changing trend is of great significance to the sustainable development of local economy and ecological civilization construction. Based on RS and GIS technology， the land use classification of ganzhou district and Linze County from 2005 to 2020 was carried out by using remote sensing images. The change direction of land use types in the region was determined by the change of land use dynamic attitude， and the characteristics of land use change in the mining area were analyzed by using transfer matrix. The results show that ：① in terms of area proportion， the unused land is the largest， followed by cultivated land， grassland and construction land， and the proportion of forest land and water body is very small. ② From 2005 to 2020， there was a great difference in dynamic attitude of single land use in different regions， especially forestland. The annual change rate was 45.7%， and the other land types showed a small decrease or even an increase trend. The comprehensive dynamic attitude was 0.44%， and the change showed stages. ③ The transfer area and proportion of each land use type in descending order were grassland > residential land > cultivated land > water body > forest land > unused land. In general， the study area tends to have a good development trend.

Keywords： land use change; dynamic attitude change; transfer matrix; Ganzhou District and Linze County

0 引言

位于張掖市的甘州區和臨澤縣，屬溫帶半荒漠地區，是典型的農業灌溉區[1，2];同時，作為我國青藏高原的生態安全屏障和北方防沙帶的關鍵區域，甘州區和臨澤縣的生態環境安全，不僅事關人民的生存環境和社會的經濟發展，也是關系民族團結、社會安定、國防穩固的大事[3]。

目前，許多學者利用GIS或RS技術、空間分析技術和數理統計方法，對中國土地利用變化研究進行分析。鄭永超等[4-6]通過分析2000—2016年寧夏土地利用類型數據和能源消費數據，構建碳排放模型，結果顯示建設用地的增加是碳排放的主要因素，并且在土地流轉矩陣的基礎上探討了土地利用的演變[4-6];童威等利用2000—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[7];吳旭影等以長春市2009—2018年的城市用地為研究對象，以土地利用動態度和土地利用結構信息熵的方法為研究手段，分析土地利用類型變化和土地利用結構的穩定性[8]。筆者基于RS和GIS技術，對甘州區和臨澤縣2005—2020年四期的遙感影像進行土地利用分類，通過土地利用動態度變化掌握該區各土地利用類型變化去向，利用轉移矩陣對礦區土地利用變化特征進行分析，以期為該研究區的經濟建設和可持續發展提供理論依據。

1 研究區概況和數據源

1.1 研究區概況

研究區域是張掖市甘州區和臨澤縣。甘州區地理位置介于100°06′—100°52′E，38°32′-39°24′N，臨澤縣地處99°51′—100°30′E，38°57′—39°42′N。該研究區大部分地區氣候干燥，屬大陸性溫帶季風氣候。據2020年甘肅省統計年鑒可知，甘州區土地總面積約為4 242.12 km2，臨澤縣土地總面積為2 167.71 km2。

1.2 數據源的選取

本次試驗數據選取2005年、2010年、2015年、2020年甘州區和臨澤縣影像質量較好、云量較低、季相較近的遙感影像數據作為基礎原始數據，空間分辨率為30 m，重訪周期為16 d，輔助數據為張掖市行政邊界矢量數據和其他統計數據等。具體遙感影像信息見表1。

考慮到數據系統的完整性與遙感數據對應的一致性及可獲取性，通過搜集張掖市統計年鑒、甘州區和臨澤縣統計年鑒、土地利用總體規劃等相關資料，對研究區2005—2020年的各類社會經濟數據進行統計，以便了解和掌握甘州區自然環境和社會經濟狀況[1]。土地利用分類依據已有土地利用分類標準，再借鑒國內外現有土地利用覆被變化研究成果[9]，結合研究區的實際情況，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、居民地、水體、未利用地六類，最終形成了甘州區和臨澤縣土地利用遙感分類體系[2]（見表2）。

2 研究方法與過程

2.1 監督分類

首先在ENVI5.3中對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像增強和幾何精度校正等圖像預處理，對同期影像做圖幅鑲嵌處理，再按研究區矢量邊界范圍對圖像進行裁剪;然后通過4、3、2波段通道進行假彩色合成，選取ROI樣本，采用最大似然法進行監督分類[10]，并結合目視解譯對分類結果進行修改，通過混淆矩陣對分類結果進行評價得出變化檢測結果[11];最后利用ArcGIS10.5軟件提取各土地利用類型信息，通過對結果的分析得出土地利用變化的范圍和數量[12]，基于此得到甘州區和臨澤縣2005—2020年四期土地利用類型圖。

2.2 土地利用動態度模型

土地利用動態度模型分為單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[13]，可從定量分析的角度闡明土地利用變化的速度，對比分析不同時期的土地利用變化差異和依據當前的發展趨勢預測未來土地利用變化作用明顯。

2.2.1 單一動態度。依據某個研究區在一個或多個時期中某一土地利用類型表現出數量上的變化情況[13]。計算公式如式（1）。

式中：[K]為單一土地利用動態度，[u1]為初始面積，[u2]為末期面積，[t1]為初始面積對應的初始時間，[t2]為末期面積對應的時間[13]。

2.2.2 綜合動態度。研究區內各種土地利用類型數量變化的總體速度[13]。其計算公式如式（2）。

式中：[LC]為綜合土地利用動態度，[?LA（ij）]為[t2～t1]時期內第[i]類土地利用類型轉變為非[i]類土地利用類型面積的絕對值，[LA（i，t1）]為第[i]類土地類型在監測開始階段[t1]時期的面積數據，[t2～t1]為研究時長[13]。

2.2.3 土地利用轉移矩陣。通過對土地利用結構及動態度分析僅能反映變化面積及速率，構建轉移矩陣[14]則可以明確地類之間的轉化規律，從而判斷不同地類的流轉方向，結合實際可對內部規律進行分析。

3 結果與分析

土地利用變化分析是多角度和多方面的。本文從土地利用類型數量變化、結構變化和轉移方向三個角度分析了2005—2020年甘州區和臨澤縣的土地利用變化特征，并在此基礎上研究土地利用類型及結構變化對區域生態環境質量的影響。

3.1 土地利用現狀分析

研究期間甘州區和臨澤縣的土地利用變化總體較為穩定，個別地類數量變化緩慢起伏，城市擴張較為迅速，林地面積變化顯著。

通過分析2005、2010、2015和2020年的土地利用現狀圖，利用ArcGIS10.5軟件得到該研究區四個年份的土地利用類型面積變化及所占比例變化情況（表3）。

由表3可知，研究區總面積為6 409.834 2 km2，土地利用變化首先反映在不同土地利用類型數量變化幅度上，近年來甘州區和臨澤縣大部分土地利用變化類型的變化幅度顯著。其中，未利用地的面積所占比例最大，耕地、草地、建設用地次之，林地和水體面積所占比例均很小。

2005年，未利用地的數量為4 300.991 1 km2，占總面積比例最高，為67.10%;其次為耕地，面積為1 136.247 3 km2，占比為17.73%;草地、居民地的面積相當，面積分別為365.073 3 km2、330.193 8 km2，占總面積的5.70%和5.15%;再次，林地的面積為217.548 km2，占比為3.39%;水體的面積相對較小，占比總和不足1%，是研究區面積最小的土地利用類型。

2010年，未利用地的數量為4 220.664 3 km2，仍居于主導地位，占土地總面積的65.84%;耕地和草地面積增加明顯，分別為1 398.248 1 km2、441.315 9 km2，二者占比21.81%和6.89%;居民地和林地在這五年間下降速度最明顯，總的占比不足5%;水體面積不斷減少，但幅度并不大，說明水域對土地利用變化擾動作用逐漸減弱，這種情況針對甘州區和臨澤縣主要是因為地形因素和綠洲連年干涸等原因。

2015年，未利用地的面積有小幅度的下降，但仍居主導地位;耕地和草地有所減少，面積為1 291.069 8 km2、309.502 8 km2，占比為20.14%和4.83%;同時，居民地和林地的面積分別為354.961 8 km2、278.128 8 km2，相較于2010年增長幅度很大;水體的面積為64.515 6 km2，占比為1.01%。

2020年，除林地面積大幅度增加外，其余五種土地利用類型的面積都有一定程度的下降;耕地和水體的下降速度明顯，面積為1 011.222 9 km2、37.249 2 km2，占比分別為15.78%和0.58%;林地面積由原來的278.128 8 km2增加到現在的814.008 6 km2，占比由不足5%增長到12.70%;居民地和未利用地的面積不斷減少，但變化幅度不明顯，總的占比為67.34%，未利用地依舊占比最大。

3.2 土地利用動態度變化分析

本研究基于2005—2020年土地利用現狀圖，通過土地利用單一動態度（變化率）以及綜合動態度來描述2005—2020年土地利用類型變化速度。

由表4可知，2005—2020年各種地類變化差異較大，較為明顯的是林地。2005—2010年，水體為-5.23%，林地為-9.35%，未利用地為-0.31%，居民地為-5.91%，草地為3.48%，耕地為3.84%，此時段各地類大幅度變化，耕地和草地緩慢增加，而其他地類則表現出大規模減少。2010—2015年，水體為9.54%，林地為31.89%，未利用地為-0.43%，居民地為11.09%，草地為-4.98%，耕地為-1.28%，此時段居民地和林地變化顯著，未利用地單一動態度緩慢降低，草地和耕地的變化率先增加在降低。2015—2020年，只有林地年變化率呈現明顯增長，年變化率為32.11%，未利用地和草地的年變化率分別為-0.42%和-4.25%;耕地、水體和居民地年變化率持續下降，其中水體和居民地的年變化速度最快為-7.04%、-2.12%，其次是耕地-3.61%。2005—2020年增長速度最快依舊是林地，年變化率為45.70%，其他地類動態度均表現出小規模減少甚至還有上升的趨勢。綜合土地利用動態度在2005—2010年達到0.88%，然后在2010—2015年增加到0.91%，在2015—2020年達到峰值1.39%，近15年其綜合動態度為0.44%，呈現出階段性變化。

3.3 土地利用類型轉移分析

基于甘州區和臨澤縣2005年、2020年的分類結果，依靠ArcGIS中的相交工具將兩期數據疊加，添加字段計算地圖單元面積（取整），并將結果導出至Excel，利用數據透視表得到轉移矩陣表（表5），通過建立甘州區和臨澤縣2005—2020年的土地利用轉移矩陣來分析，各類土地利用變化趨勢。

從表中可以得出：2005—2020年，耕地轉換為其他地類的面積比例順序為林地>草地>未利用地>居民地>水體，共轉出46.75%;草地轉換為其他地類的面積比例順序為耕地>林地>未利用地>居民地>水體，共轉出89.04%;居民地轉換為其他地類的面積比例順序為耕地>未利用地>林地>草地>水體，共轉出78.48%;未利用地轉換為其他地類的面積比例順序為林地>耕地>居民地>草地>水體，共轉出11.76%;林地轉換為其他地類的面積比例順序為耕地>草地>居民地>未利用地>水體，共轉出13.2%;水體轉換為其他地類的面積比例順序為林地>居民地>耕地>草地>未利用地，共轉出33.70%。

4 結語

根據甘州區和臨澤縣2005年、2010年、2015年和2020年土地利用現狀圖，該研究區內的土地利用類型主要以耕地和未利用地為主。在整個研究時期內，未利用地的占地面積一直居于主導地位，占比在60%以上;耕地面積居于第二位，占總面積的15%以上;草地、居民地的面積次之，兩者總和占比例為10%左右;林地面積在2020年急劇增加，占比從3.39%提升至12.70%;水體面積不斷減少，但幅度并不大。

四個時期，研究區主要地類為未利用地、耕地和林地，三者占整個研究區的85%以上。其中，未利用地所占比例最大，平均為64.90%，水體所占比例最小，平均比例不超過1%。林地面積總體增大，主要原因是國家實施鄉村振興戰略和政府頒布的退耕還林政策。居民地面積先減少后增加，原因是社會經濟的發展和人民生活水平的提高造成中心城區與居民住宅不斷向未利用地擴張，用地面積增加。耕地的面積平穩減少且變化不大，主要向林地和草地轉移。草地面積連續減少，這與人類活動、城市的急速擴張緊密相連。水體面積不斷減少，很大原因是地理環境和氣候變化導致的。未利用地在所有土地利用類型中所占比例最大，但比例持續下降，這是因為社會經濟的快速發展，城市擴張速率增快。

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