2005—2020年甘州区和临泽县土地利用动态变化研究

冯媛媛 王世航

摘 要：监测和分析土地资源利用现状及其变化趋势，对当地经济和生态文明建设可持续发展具有重要意义。基于RS和GIS技术，对甘州区和临泽县2005—2020年四期的遥感影像进行土地利用分类，通过土地利用动态度变化掌握该区各土地利用类型变化去向，利用转移矩阵对矿区土地利用变化特征进行分析。研究结果表明：①由面积占比来看，未利用地最大，耕地、草地、建设用地次之，林地和水体的所占比例均很小。②2005—2020年各地类单一土地利用动态度的差异性较大，较为突出的是林地，年变化率为45.7%;其他地类的动态度均表现出小规模减少甚至还有上升的趋势，综合动态度为0.44%，变化呈现出阶段性。③各土地利用类型的转出面积及比例从大到小依次为草地>居民地>耕地>水体>林地>未利用地。总体而言，该研究区趋于良好的发展趋势。

关键词：土地利用变化;动态度变化;转移矩阵;甘州区和临泽县

中图分类号：F301.24     文献标志码：A     文章编号：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

位于張掖市的甘州区和临泽县，属温带半荒漠地区，是典型的农业灌溉区[1，2];同时，作为我国青藏高原的生态安全屏障和北方防沙带的关键区域，甘州区和临泽县的生态环境安全，不仅事关人民的生存环境和社会的经济发展，也是关系民族团结、社会安定、国防稳固的大事[3]。

目前，许多学者利用GIS或RS技术、空间分析技术和数理统计方法，对中国土地利用变化研究进行分析。郑永超等[4-6]通过分析2000—2016年宁夏土地利用类型数据和能源消费数据，构建碳排放模型，结果显示建设用地的增加是碳排放的主要因素，并且在土地流转矩阵的基础上探讨了土地利用的演变[4-6];童威等利用2000—2019年武汉市Landsat影像，揭示了武汉市各土地利用类型变化的幅度及土地利用的状态[7];吴旭影等以长春市2009—2018年的城市用地为研究对象，以土地利用动态度和土地利用结构信息熵的方法为研究手段，分析土地利用类型变化和土地利用结构的稳定性[8]。笔者基于RS和GIS技术，对甘州区和临泽县2005—2020年四期的遥感影像进行土地利用分类，通过土地利用动态度变化掌握该区各土地利用类型变化去向，利用转移矩阵对矿区土地利用变化特征进行分析，以期为该研究区的经济建设和可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

研究区域是张掖市甘州区和临泽县。甘州区地理位置介于100°06′—100°52′E，38°32′-39°24′N，临泽县地处99°51′—100°30′E，38°57′—39°42′N。该研究区大部分地区气候干燥，属大陆性温带季风气候。据2020年甘肃省统计年鉴可知，甘州区土地总面积约为4 242.12 km²，临泽县土地总面积为2 167.71 km²。

1.2 数据源的选取

本次试验数据选取2005年、2010年、2015年、2020年甘州区和临泽县影像质量较好、云量较低、季相较近的遥感影像数据作为基础原始数据，空间分辨率为30 m，重访周期为16 d，辅助数据为张掖市行政边界矢量数据和其他统计数据等。具体遥感影像信息见表1。

考虑到数据系统的完整性与遥感数据对应的一致性及可获取性，通过搜集张掖市统计年鉴、甘州区和临泽县统计年鉴、土地利用总体规划等相关资料，对研究区2005—2020年的各类社会经济数据进行统计，以便了解和掌握甘州区自然环境和社会经济状况[1]。土地利用分类依据已有土地利用分类标准，再借鉴国内外现有土地利用覆被变化研究成果[9]，结合研究区的实际情况，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、居民地、水体、未利用地六类，最终形成了甘州区和临泽县土地利用遥感分类体系[2]（见表2）。

2 研究方法与过程

2.1 监督分类

首先在ENVI5.3中对遥感影像进行辐射定标、大气校正、图像增强和几何精度校正等图像预处理，对同期影像做图幅镶嵌处理，再按研究区矢量边界范围对图像进行裁剪;然后通过4、3、2波段通道进行假彩色合成，选取ROI样本，采用最大似然法进行监督分类[10]，并结合目视解译对分类结果进行修改，通过混淆矩阵对分类结果进行评价得出变化检测结果[11];最后利用ArcGIS10.5软件提取各土地利用类型信息，通过对结果的分析得出土地利用变化的范围和数量[12]，基于此得到甘州区和临泽县2005—2020年四期土地利用类型图。

2.2 土地利用动态度模型

土地利用动态度模型分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[13]，可从定量分析的角度阐明土地利用变化的速度，对比分析不同时期的土地利用变化差异和依据当前的发展趋势预测未来土地利用变化作用明显。

2.2.1 单一动态度。依据某个研究区在一个或多个时期中某一土地利用类型表现出数量上的变化情况[13]。计算公式如式（1）。

式中：[K]为单一土地利用动态度，[u1]为初始面积，[u2]为末期面积，[t1]为初始面积对应的初始时间，[t2]为末期面积对应的时间[13]。

2.2.2 综合动态度。研究区内各种土地利用类型数量变化的总体速度[13]。其计算公式如式（2）。

式中：[LC]为综合土地利用动态度，[∆LA（ij）]为[t2～t1]时期内第[i]类土地利用类型转变为非[i]类土地利用类型面积的绝对值，[LA（i，t1）]为第[i]类土地类型在监测开始阶段[t1]时期的面积数据，[t2～t1]为研究时长[13]。

2.2.3 土地利用转移矩阵。通过对土地利用结构及动态度分析僅能反映变化面积及速率，构建转移矩阵[14]则可以明确地类之间的转化规律，从而判断不同地类的流转方向，结合实际可对内部规律进行分析。

3 结果与分析

土地利用变化分析是多角度和多方面的。本文从土地利用类型数量变化、结构变化和转移方向三个角度分析了2005—2020年甘州区和临泽县的土地利用变化特征，并在此基础上研究土地利用类型及结构变化对区域生态环境质量的影响。

3.1 土地利用现状分析

研究期间甘州区和临泽县的土地利用变化总体较为稳定，个别地类数量变化缓慢起伏，城市扩张较为迅速，林地面积变化显著。

通过分析2005、2010、2015和2020年的土地利用现状图，利用ArcGIS10.5软件得到该研究区四个年份的土地利用类型面积变化及所占比例变化情况（表3）。

由表3可知，研究区总面积为6 409.834 2 km²，土地利用变化首先反映在不同土地利用类型数量变化幅度上，近年来甘州区和临泽县大部分土地利用变化类型的变化幅度显著。其中，未利用地的面积所占比例最大，耕地、草地、建设用地次之，林地和水体面积所占比例均很小。

2005年，未利用地的数量为4 300.991 1 km²，占总面积比例最高，为67.10%;其次为耕地，面积为1 136.247 3 km²，占比为17.73%;草地、居民地的面积相当，面积分别为365.073 3 km²、330.193 8 km²，占总面积的5.70%和5.15%;再次，林地的面积为217.548 km²，占比为3.39%;水体的面积相对较小，占比总和不足1%，是研究区面积最小的土地利用类型。

2010年，未利用地的数量为4 220.664 3 km²，仍居于主导地位，占土地总面积的65.84%;耕地和草地面积增加明显，分别为1 398.248 1 km²、441.315 9 km²，二者占比21.81%和6.89%;居民地和林地在这五年间下降速度最明显，总的占比不足5%;水体面积不断减少，但幅度并不大，说明水域对土地利用变化扰动作用逐渐减弱，这种情况针对甘州区和临泽县主要是因为地形因素和绿洲连年干涸等原因。

2015年，未利用地的面积有小幅度的下降，但仍居主导地位;耕地和草地有所减少，面积为1 291.069 8 km²、309.502 8 km²，占比为20.14%和4.83%;同时，居民地和林地的面积分别为354.961 8 km²、278.128 8 km²，相较于2010年增长幅度很大;水体的面积为64.515 6 km²，占比为1.01%。

2020年，除林地面积大幅度增加外，其余五种土地利用类型的面积都有一定程度的下降;耕地和水体的下降速度明显，面积为1 011.222 9 km²、37.249 2 km²，占比分别为15.78%和0.58%;林地面积由原来的278.128 8 km²增加到现在的814.008 6 km²，占比由不足5%增长到12.70%;居民地和未利用地的面积不断减少，但变化幅度不明显，总的占比为67.34%，未利用地依旧占比最大。

3.2 土地利用动态度变化分析

本研究基于2005—2020年土地利用现状图，通过土地利用单一动态度（变化率）以及综合动态度来描述2005—2020年土地利用类型变化速度。

由表4可知，2005—2020年各种地类变化差异较大，较为明显的是林地。2005—2010年，水体为-5.23%，林地为-9.35%，未利用地为-0.31%，居民地为-5.91%，草地为3.48%，耕地为3.84%，此时段各地类大幅度变化，耕地和草地缓慢增加，而其他地类则表现出大规模减少。2010—2015年，水体为9.54%，林地为31.89%，未利用地为-0.43%，居民地为11.09%，草地为-4.98%，耕地为-1.28%，此时段居民地和林地变化显著，未利用地单一动态度缓慢降低，草地和耕地的变化率先增加在降低。2015—2020年，只有林地年变化率呈现明显增长，年变化率为32.11%，未利用地和草地的年变化率分别为-0.42%和-4.25%;耕地、水体和居民地年变化率持续下降，其中水体和居民地的年变化速度最快为-7.04%、-2.12%，其次是耕地-3.61%。2005—2020年增长速度最快依旧是林地，年变化率为45.70%，其他地类动态度均表现出小规模减少甚至还有上升的趋势。综合土地利用动态度在2005—2010年达到0.88%，然后在2010—2015年增加到0.91%，在2015—2020年达到峰值1.39%，近15年其综合动态度为0.44%，呈现出阶段性变化。

3.3 土地利用类型转移分析

基于甘州区和临泽县2005年、2020年的分类结果，依靠ArcGIS中的相交工具将两期数据叠加，添加字段计算地图单元面积（取整），并将结果导出至Excel，利用数据透视表得到转移矩阵表（表5），通过建立甘州区和临泽县2005—2020年的土地利用转移矩阵来分析，各类土地利用变化趋势。

从表中可以得出：2005—2020年，耕地转换为其他地类的面积比例顺序为林地>草地>未利用地>居民地>水体，共转出46.75%;草地转换为其他地类的面积比例顺序为耕地>林地>未利用地>居民地>水体，共转出89.04%;居民地转换为其他地类的面积比例顺序为耕地>未利用地>林地>草地>水体，共转出78.48%;未利用地转换为其他地类的面积比例顺序为林地>耕地>居民地>草地>水体，共转出11.76%;林地转换为其他地类的面积比例顺序为耕地>草地>居民地>未利用地>水体，共转出13.2%;水体转换为其他地类的面积比例顺序为林地>居民地>耕地>草地>未利用地，共转出33.70%。

4 结语

根据甘州区和临泽县2005年、2010年、2015年和2020年土地利用现状图，该研究区内的土地利用类型主要以耕地和未利用地为主。在整个研究时期内，未利用地的占地面积一直居于主导地位，占比在60%以上;耕地面积居于第二位，占总面积的15%以上;草地、居民地的面积次之，两者总和占比例为10%左右;林地面积在2020年急剧增加，占比从3.39%提升至12.70%;水体面积不断减少，但幅度并不大。

四个时期，研究区主要地类为未利用地、耕地和林地，三者占整个研究区的85%以上。其中，未利用地所占比例最大，平均为64.90%，水體所占比例最小，平均比例不超过1%。林地面积总体增大，主要原因是国家实施乡村振兴战略和政府颁布的退耕还林政策。居民地面积先减少后增加，原因是社会经济的发展和人民生活水平的提高造成中心城区与居民住宅不断向未利用地扩张，用地面积增加。耕地的面积平稳减少且变化不大，主要向林地和草地转移。草地面积连续减少，这与人类活动、城市的急速扩张紧密相连。水体面积不断减少，很大原因是地理环境和气候变化导致的。未利用地在所有土地利用类型中所占比例最大，但比例持续下降，这是因为社会经济的快速发展，城市扩张速率增快。

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