基于rs與gis的海倫市土地利用變化與景觀格局分析

基于rs與gis的海倫市土地利用變化與景觀格局分析

現(xiàn)在，隨著人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展，對土地資源的需求變得越來越大。人類的外部影響和對人類生活和生態(tài)環(huán)境的影響引起了人們的注意。土地利用變化是在錯綜復雜的自然因素和社會經(jīng)濟因素的合力作用下形成的,其變化是引起其他全球變化問題的主要原因之一,隨著全球環(huán)境變化研究領域逐漸對土地利用/土地覆蓋變化研究的加強,近年來,對土地利用空間格局與時空變化的研究已經(jīng)成為熱點問題。海倫市位于東北典型黑土區(qū)的中心地帶,黑土是自然肥力很高的農(nóng)耕土壤,東北典型黑土區(qū)是中國重要的商品糧基地。近20a來海倫市土地利用發(fā)生了較大變化,由此帶來了土地退化、水土流失等環(huán)境問題。因此,以海倫市為研究對象,利用遙感和GIS技術,結合景觀生態(tài)學和農(nóng)業(yè)生態(tài)學等的方法,分析和明確20a來該區(qū)域土地利用空間格局與變化,可以為該區(qū)域土地利用合理布局,農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供了科學依據(jù)。1材料和方法1.1陰山山地地貌海倫市(46°58′～47°52′N,126°14′～127°45′E)位于黑龍江省中部,距哈爾濱市225km。東部隔克音河與綏棱縣為鄰,西部隔通肯河與青岡、明水、拜泉縣相望,北部與北安市接壤,南部與綏化市、望奎縣為鄰。全境從東北到西南較長,150km;南北較短,78km,幅員面積為4551km2。在地貌上位于小興安嶺山地向松嫩平原的過渡地帶,屬松嫩平原的一部分。地勢從東北到西南,由低丘陵、高平原、河階地、河漫灘依次呈階梯形逐漸降低。海拔高度最高471m,最低147m,一般為200m左右。境內無高山峻嶺,除少量殘丘外,大部分為波狀起伏的高平原,即所謂漫川漫崗。在土壤方面,黑土占海倫市總面積的62.7%,占總耕地面積的81.5%。水分、養(yǎng)分條件較好,潛在肥力很高。1.2遙感影像解譯本文以海倫市1986年、1995年、2007年3期30m分辨率陸地衛(wèi)星(LandsatTM)影像作為基礎數(shù)據(jù),在1∶5萬地形圖校正的基礎上,利用ERDAS軟件對遙感影像進行解譯,解譯結果請當?shù)貙＜诣b定和實地初步驗證,解譯精度在90%以上,應用Arc/INFO軟件的空間分析和統(tǒng)計功能建立了3個時期土地利用圖和相應的屬性數(shù)據(jù)。1.3土地利用分類土地利用分類是根據(jù)中國《土地利用現(xiàn)狀調查技術規(guī)程》以及土地的用途、利用方式、覆蓋特點和生態(tài)類型作為分類依據(jù),將海倫市土地利用分為旱田、水田、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)建設用地、鄉(xiāng)村建設用地和未利用土地8類。1.4分析1.4.1土地利用轉移矩陣馬爾可夫模型是研究土地利用中的非常有用的隨機模型,它是基于馬爾可夫鏈,根據(jù)時間的目前狀況預測其將來各個時刻(或時期)變動狀況的一種預測方法。在模型中,其基本形式是表示在特殊的時間間隔從一空間到另一空間轉移的概率矩陣,且狀態(tài)轉移過程是無后效性的。馬爾可夫轉移矩陣模型如下:Aij=???A11A21An1A12A22An2A13A23An3.........A1nA2nAmn???(1)Aij=[A11A12A13...A1nA21A22A23...A2nAn1An2An3...Amn](1)式(1)中,i行表示起始狀態(tài)的土地利用類型轉化為終止狀態(tài)的其他類型的面積;j列表示起始狀態(tài)的其他類型轉化為終止狀態(tài)土地利用類型的面積;Aij為研究階段內土地利用類型i轉化為土地利用類型j的面積。利用公式Pij=Aij/∑j=1nAijΡij=Aij/∑j=1nAij可以得出土地利用轉移概率矩陣。根據(jù)原始轉移矩陣得到1986年、2007年間不同土地利用類型之間的轉置矩陣,進而得到1986～2007年土地利用轉移矩陣表。1.4.2土地類型數(shù)量k單一土地利用類型動態(tài)度可以定量的描述研究區(qū)域內在一定的時間間隔土地利用類型的變化速度。其計算公式如下:K=U2?U1U1×1T×100%(2)Κ=U2-U1U1×1Τ×100%(2)式(2)中,K為研究時段內某一土地利用動態(tài)度,U1,U2分別為研究期初、研究期末某一土地類型數(shù)量。T為研究時段,以年為基本單位時間,K為年變化率。利用此模型可以對研究區(qū)域內各種土地利用類型之間的變化速度做分析比較。1.4.3土地利用強度綜合指數(shù)la不同的利用類型和方式對土地的利用強度是不同的。以莊大方、劉紀遠提出的土地利用程度數(shù)量化綜合指標體系為基礎,根據(jù)土地利用的強度對研究區(qū)土地的8個類進行分級賦值(表1)。由公式(3)求得1986年、1995年和2007年海倫市土地利用強度綜合指數(shù),通過比較反映土地利用類型轉變引起的土地利用強度的變化。La={∑Ai(Si/S)}/n×100%(3)La={∑Ai(Si/S)}/n×100%(3)式(3)中,La為土地利用程度綜合指數(shù);Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù);Si為第i級土地利用面積;S為該區(qū)域內土地總面積;n為土地利用分類數(shù)。1.4.4土地利用景觀格局變化應用景觀格局分析方法,計算表征海倫市景觀格局特征的指數(shù),用于揭示土地利用空間分布特征,探討景觀格局內部規(guī)律。本文選用的景觀格局指數(shù)有類斑近圓指數(shù)、斑塊密度、斑塊破碎度、多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)和景觀均勻度指數(shù)。2結果與討論2.1耕地的數(shù)量變化從1986～2007年各種土地利用類型的轉化方向來看(表2),水田和旱田相互轉換頻繁,研究期間,水田主要轉變?yōu)楹堤?轉變的面積為3376.97hm2,旱田主要轉變?yōu)樗?轉換的面積1927.14hm2;林地、草地和未利用土地主要轉變?yōu)樗锖秃堤?轉換的面積比例分別是1.09%、11.19%、13%、28.06%和7.69%、14.59%(表3),這說明在研究時段內,耕地的增長主要是來自林地、草地和未利用土地。林地面積在研究期間減少的比例為12.53%,通過轉移矩陣分析來看,減少的林地主要轉移為旱田和水田,表現(xiàn)為分散的林地和灌木林被大量開發(fā)。灌木林主要分布在山坡,由于大面積的灌木林被開墾為耕地,從而增加了水土流失的發(fā)生概率。20a來草地減少的幅度最大,僅有52.35%的草地得到保留,草地主要被開墾為耕地。草地的劇烈變化與海倫市多年來重農(nóng)輕牧,單一經(jīng)營,農(nóng)業(yè)結構不合理有關。未利用土地在研究時段內也有較明顯的變化(本文提到的未利用土地包括沼澤地、裸地和其他利用類型),從表2、表3分析可知,未利用土地的面積有76.75%保持未變,發(fā)生變化的部分主要轉變?yōu)楹堤锖退?轉換的面積分別是3178.52hm2和6034.55hm2;城鎮(zhèn)建設用地和鄉(xiāng)村建設用地的擴張主要有侵占周邊的其他地類,其中占用最多的地類是旱田和未利用土地,占用的面積分別是801.44hm2和402.86hm2,城鎮(zhèn)建設用地的增加還表現(xiàn)為合并周邊的鄉(xiāng)村,20a來被合并鄉(xiāng)村的面積是32.96hm2。2.2減少速率和年際變化分別對3期土地利用圖(圖1)的屬性進行統(tǒng)計分析,得到1986～2007年土地利用面積變化統(tǒng)計表(表4)。為方便討論,把1986～1995年稱為前10a,1996～2007年稱為后10a。表4中看出,旱田和水田的面積始終是一個增加的過程,前10a旱田和水田分別增加了7450.45hm2和2104.98hm2,后10a分別增加了5285.6hm2和1125.08hm2,增長速率變緩,說明人們對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)農(nóng)業(yè)的理念加強,對環(huán)境保護意識也不斷增強;同時受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料價格逐年上漲影響,而農(nóng)田作物的價格相對下降,大面積開墾耕地的勢頭降低,使得耕地開墾的速度有所減緩。研究時間段內,林地和草地的面積一直處于下降狀態(tài),但減少的速率下降,林地的減少速率由0.75%降為0.55%;草地的減少速率則大幅度的下降,由4.8%降為0.69%,與耕地增加速率的降低相一致。草地減少速率下降的另一個可能原因是已經(jīng)沒有多少草地可以開墾。水域面積也一直處于減少狀態(tài),但減少幅度很小,前10a減少18.58hm2,后10a減少156.69hm2,年變化率由0.04%上升到0.26%;由于人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展,城鎮(zhèn)建設用地和農(nóng)村建設用地一直處于增長的狀態(tài),并且增長速率也處于上升狀態(tài),城鎮(zhèn)建設用地的增長年變化率由0.82%增加到了2.73%,農(nóng)村建設用地的增長年變化率由0.07%上升到0.55%,表明城鎮(zhèn)化建設和居民用地的擴張步伐在后10年間明顯加快;未利用土地的面積一直在減少,兩個時間段內分別減少了3378.16hm2和5121.29hm2,減少速率也由0.91%上升為1.22%,說明耕地和建設用地的擴張逐漸轉向未利用土地的占用。2.3海倫市土地利用程度的變化1986～2007年,海倫市農(nóng)業(yè)用地和城鄉(xiāng)建筑用地呈現(xiàn)增加的趨勢,而林地、草地和未利用土地面積在一直減少。土地利用類型的轉換引起了土地利用強度的變化,由式(3)得出,海倫市1986年、1995年、2007年土地利用程度的指數(shù)分別為34.38%、34.75%、35.13%。利用強度較高的城鄉(xiāng)建設用地和農(nóng)業(yè)用地增加面積比例較小,使得土地利用類型轉換產(chǎn)生的強度變化不明顯,僅略有上升,土地利用處于發(fā)展時期,土地利用呈集約化利用趨勢,但由于海倫市經(jīng)濟條件不發(fā)達,人口密度較小,與全國平均土地利用程度指數(shù)50.5%相比,還有很大的差距,土地開發(fā)利用的潛力還很大。2.4土地使用景觀結構變化分析2.4.1未利用土地的斑塊形狀類斑近圓指數(shù)是指表征景觀要素斑塊形狀與圓形差異程度的重要指數(shù)。由表5可知,占海倫市景觀主導地位的旱田和未利用土地的斑塊形狀最為復雜,類斑近圓指數(shù)較小。尤其是旱田,雖然成片分布,但其斑塊邊界受地形的影響以及周圍植被分布的限制而呈現(xiàn)出復雜化與圓形相差甚遠。從圖1中可以看出,未利用土地成長條狀分布,且其邊緣多與水田、旱田接壤,這是由于人們在對耕地進行改造的時候多通過人為無組織的圍墾沼澤來增加耕地面積,造成未利用土地的斑塊形狀也極為復雜。城鄉(xiāng)建設用地和水域的板塊形狀最為簡單,其中城鄉(xiāng)建設用地景觀屬典型人為景觀,受人為干擾邊界多呈規(guī)則化,因此斑塊形狀較為簡單。2.4.2斑塊密度和最佳材料的變化斑塊密度和景觀破碎度指數(shù)都是測定某一景觀類型破碎化程度的定量指標。由表5可知,旱田和水田的斑塊密度先增加、后減少,這說明在研究段前10a農(nóng)田的開墾導致耕地的斑塊數(shù)量增加;1995～2007年,隨著耕地的繼續(xù)擴張,小的斑塊和原有斑塊連通到一起,表現(xiàn)為斑塊密度的下降。林地和草地的斑塊破碎度一直處于下降趨勢,說明原有的林地和草地小斑塊在耕地的擴張過程中逐漸消失,只有面積較大的斑塊得到保留。水域、城鄉(xiāng)建設用地和未利用土地的斑塊密度始終較高,并且整體呈增加趨勢,尤其是在1995～2007年時間段內增加幅度明顯,表明這3種景觀要素和其他景觀要素之間相互作用比較強烈,2000年以后耕地的擴張來源由林地和草地轉向未利用土地,城鎮(zhèn)化建設的加快和居民用地的增加,水資源的大量利用和開發(fā)導致3種地類斑塊密度的增加,這也說明了人類干擾活動是導致景觀破碎化的主要原因之一。而農(nóng)田景觀雖然也受人為干擾,但受農(nóng)民的經(jīng)營行為及農(nóng)田自身特點的影響,使其斑塊較大,且斑塊連通性較好,破碎化程度較低。2.4.3土地利用景觀多樣性景觀多樣性是指景觀要素在結構與功能方面的多樣性,它反映了景觀的復雜程度。1986～2007年,盡管海倫市土地利用景觀類型數(shù)沒有變化,但是景觀多樣性減少(圖1、圖2),這說明土地利用景觀多樣性減少是由于土地利用景觀在面積分布上的均勻度減少所致。隨著城市化進程的演進和城市土地景觀功能的日益完備,耕地斑塊類型占主導地位的特征越來越明顯,這使得整個海倫市土地景觀優(yōu)勢度逐漸增強,這些變化說明海倫市土地利用景觀整體結構受人類活動影響較大。2.5土地利用變化土地是一個自然人文綜合體。土地利用結構的變化既受自然因素的制約,又受社會、經(jīng)濟和歷史等人文因素的影響,具有很強的綜合性和地域性。然而人類的社會經(jīng)濟活動直接導致了土地利用方式的改變和土地利用結構的演化;實質上是人類為了滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要而不斷地調整、配置各類土地利用的過程。它主要受社會經(jīng)濟因素的影響,其中起決定作用的因素有人口因素、社會經(jīng)濟發(fā)展等,是土地利用結構變化的真正驅動力。海倫市總人口由1986年的71.51萬人增加到2007年的82.3萬人。人口的持續(xù)增加伴隨著快速增長的糧食、燃料和畜產(chǎn)品需求,對資源、環(huán)境壓力日益突出。因此,反映在土地利用變化上,首先是耕地一直呈增加的趨勢,其面積由1986年的34.56萬hm2增加到2007年的36.15萬hm2(見圖1)。其次,人口的增加勢必導致居住地面積的增加,海倫市居民地用地面積由1986年的2.22萬hm2增加到2007年的2.41萬hm2(見圖1),耕地的開墾和居民建設用地的增加勢必會侵占林地、草地和未利用土地。還有人口增加對水資源的需求加大,對地表水資源的過度開采對土地利用景觀格局演變的影響表現(xiàn)在1986～2007年間海倫市水體斑塊密度增加,水體的整體分布更加破碎化。可見,人口增加是引起該區(qū)土地利用變化的根本原因。地處典型黑土區(qū)中心地帶的海倫市,農(nóng)業(yè)是該市的核心產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展,不僅為社會發(fā)展進步做出了貢獻,同時也占用了大量的土地資源。因此,經(jīng)濟發(fā)展是海倫市土地利用變化的主要動力之一。1986～2007年,海倫市的經(jīng)濟發(fā)展迅速,國民生產(chǎn)總值由1986年的4.57億元增加到2004年的32.6億元。其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值從1986年的2.99億元增加到2004年的21.9億元(根據(jù)文獻計算),農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。農(nóng)業(yè)發(fā)展對土地利用變化的影響表現(xiàn)在耕地面積的持續(xù)增加(見圖1),林地、草地和未利用土地的面積減少,海倫市斑塊景觀優(yōu)勢度增加(見圖2)。3海倫市土地利用景觀格局演變特征(1)從2007年土地利用類型轉換來看,旱田和水田主要由林地、草地和未利用土地轉換而來,轉換的面積分別占1986年的12.28%、41.06%和22.28%,并且旱田和水田之間的轉換也比較頻繁;林地、草地和未利用土地主要是轉換為旱田和水田;城鄉(xiāng)建