基于rs与gis的海伦市土地利用变化与景观格局分析

基于rs与gis的海伦市土地利用变化与景观格局分析

现在，随着人口的增加和经济的发展，对土地资源的需求变得越来越大。人类的外部影响和对人类生活和生态环境的影响引起了人们的注意。土地利用变化是在错综复杂的自然因素和社会经济因素的合力作用下形成的,其变化是引起其他全球变化问题的主要原因之一,随着全球环境变化研究领域逐渐对土地利用/土地覆盖变化研究的加强,近年来,对土地利用空间格局与时空变化的研究已经成为热点问题。海伦市位于东北典型黑土区的中心地带,黑土是自然肥力很高的农耕土壤,东北典型黑土区是中国重要的商品粮基地。近20a来海伦市土地利用发生了较大变化,由此带来了土地退化、水土流失等环境问题。因此,以海伦市为研究对象,利用遥感和GIS技术,结合景观生态学和农业生态学等的方法,分析和明确20a来该区域土地利用空间格局与变化,可以为该区域土地利用合理布局,农业可持续发展和生态环境保护提供了科学依据。1材料和方法1.1阴山山地地貌海伦市(46°58′～47°52′N,126°14′～127°45′E)位于黑龙江省中部,距哈尔滨市225km。东部隔克音河与绥棱县为邻,西部隔通肯河与青冈、明水、拜泉县相望,北部与北安市接壤,南部与绥化市、望奎县为邻。全境从东北到西南较长,150km;南北较短,78km,幅员面积为4551km2。在地貌上位于小兴安岭山地向松嫩平原的过渡地带,属松嫩平原的一部分。地势从东北到西南,由低丘陵、高平原、河阶地、河漫滩依次呈阶梯形逐渐降低。海拔高度最高471m,最低147m,一般为200m左右。境内无高山峻岭,除少量残丘外,大部分为波状起伏的高平原,即所谓漫川漫岗。在土壤方面,黑土占海伦市总面积的62.7%,占总耕地面积的81.5%。水分、养分条件较好,潜在肥力很高。1.2遥感影像解译本文以海伦市1986年、1995年、2007年3期30m分辨率陆地卫星(LandsatTM)影像作为基础数据,在1∶5万地形图校正的基础上,利用ERDAS软件对遥感影像进行解译,解译结果请当地专家鉴定和实地初步验证,解译精度在90%以上,应用Arc/INFO软件的空间分析和统计功能建立了3个时期土地利用图和相应的属性数据。1.3土地利用分类土地利用分类是根据中国《土地利用现状调查技术规程》以及土地的用途、利用方式、覆盖特点和生态类型作为分类依据,将海伦市土地利用分为旱田、水田、林地、草地、水域、城镇建设用地、乡村建设用地和未利用土地8类。1.4分析1.4.1土地利用转移矩阵马尔可夫模型是研究土地利用中的非常有用的随机模型,它是基于马尔可夫链,根据时间的目前状况预测其将来各个时刻(或时期)变动状况的一种预测方法。在模型中,其基本形式是表示在特殊的时间间隔从一空间到另一空间转移的概率矩阵,且状态转移过程是无后效性的。马尔可夫转移矩阵模型如下:Aij=⎡⎣⎢A11A21An1A12A22An2A13A23An3.........A1nA2nAmn⎤⎦⎥(1)Aij=[A11A12A13...A1nA21A22A23...A2nAn1An2An3...Amn](1)式(1)中,i行表示起始状态的土地利用类型转化为终止状态的其他类型的面积;j列表示起始状态的其他类型转化为终止状态土地利用类型的面积;Aij为研究阶段内土地利用类型i转化为土地利用类型j的面积。利用公式Pij=Aij/∑j=1nAijΡij=Aij/∑j=1nAij可以得出土地利用转移概率矩阵。根据原始转移矩阵得到1986年、2007年间不同土地利用类型之间的转置矩阵,进而得到1986～2007年土地利用转移矩阵表。1.4.2土地类型数量k单一土地利用类型动态度可以定量的描述研究区域内在一定的时间间隔土地利用类型的变化速度。其计算公式如下:K=U2−U1U1×1T×100%(2)Κ=U2-U1U1×1Τ×100%(2)式(2)中,K为研究时段内某一土地利用动态度,U1,U2分别为研究期初、研究期末某一土地类型数量。T为研究时段,以年为基本单位时间,K为年变化率。利用此模型可以对研究区域内各种土地利用类型之间的变化速度做分析比较。1.4.3土地利用强度综合指数la不同的利用类型和方式对土地的利用强度是不同的。以庄大方、刘纪远提出的土地利用程度数量化综合指标体系为基础,根据土地利用的强度对研究区土地的8个类进行分级赋值(表1)。由公式(3)求得1986年、1995年和2007年海伦市土地利用强度综合指数,通过比较反映土地利用类型转变引起的土地利用强度的变化。La={∑Ai(Si/S)}/n×100%(3)La={∑Ai(Si/S)}/n×100%(3)式(3)中,La为土地利用程度综合指数;Ai为第i级土地利用程度分级指数;Si为第i级土地利用面积;S为该区域内土地总面积;n为土地利用分类数。1.4.4土地利用景观格局变化应用景观格局分析方法,计算表征海伦市景观格局特征的指数,用于揭示土地利用空间分布特征,探讨景观格局内部规律。本文选用的景观格局指数有类斑近圆指数、斑块密度、斑块破碎度、多样性指数、景观优势度指数和景观均匀度指数。2结果与讨论2.1耕地的数量变化从1986～2007年各种土地利用类型的转化方向来看(表2),水田和旱田相互转换频繁,研究期间,水田主要转变为旱田,转变的面积为3376.97hm2,旱田主要转变为水田,转换的面积1927.14hm2;林地、草地和未利用土地主要转变为水田和旱田,转换的面积比例分别是1.09%、11.19%、13%、28.06%和7.69%、14.59%(表3),这说明在研究时段内,耕地的增长主要是来自林地、草地和未利用土地。林地面积在研究期间减少的比例为12.53%,通过转移矩阵分析来看,减少的林地主要转移为旱田和水田,表现为分散的林地和灌木林被大量开发。灌木林主要分布在山坡,由于大面积的灌木林被开垦为耕地,从而增加了水土流失的发生概率。20a来草地减少的幅度最大,仅有52.35%的草地得到保留,草地主要被开垦为耕地。草地的剧烈变化与海伦市多年来重农轻牧,单一经营,农业结构不合理有关。未利用土地在研究时段内也有较明显的变化(本文提到的未利用土地包括沼泽地、裸地和其他利用类型),从表2、表3分析可知,未利用土地的面积有76.75%保持未变,发生变化的部分主要转变为旱田和水田,转换的面积分别是3178.52hm2和6034.55hm2;城镇建设用地和乡村建设用地的扩张主要有侵占周边的其他地类,其中占用最多的地类是旱田和未利用土地,占用的面积分别是801.44hm2和402.86hm2,城镇建设用地的增加还表现为合并周边的乡村,20a来被合并乡村的面积是32.96hm2。2.2减少速率和年际变化分别对3期土地利用图(图1)的属性进行统计分析,得到1986～2007年土地利用面积变化统计表(表4)。为方便讨论,把1986～1995年称为前10a,1996～2007年称为后10a。表4中看出,旱田和水田的面积始终是一个增加的过程,前10a旱田和水田分别增加了7450.45hm2和2104.98hm2,后10a分别增加了5285.6hm2和1125.08hm2,增长速率变缓,说明人们对农业可持续发展和生态农业的理念加强,对环境保护意识也不断增强;同时受农业生产资料价格逐年上涨影响,而农田作物的价格相对下降,大面积开垦耕地的势头降低,使得耕地开垦的速度有所减缓。研究时间段内,林地和草地的面积一直处于下降状态,但减少的速率下降,林地的减少速率由0.75%降为0.55%;草地的减少速率则大幅度的下降,由4.8%降为0.69%,与耕地增加速率的降低相一致。草地减少速率下降的另一个可能原因是已经没有多少草地可以开垦。水域面积也一直处于减少状态,但减少幅度很小,前10a减少18.58hm2,后10a减少156.69hm2,年变化率由0.04%上升到0.26%;由于人口的增长和经济的发展,城镇建设用地和农村建设用地一直处于增长的状态,并且增长速率也处于上升状态,城镇建设用地的增长年变化率由0.82%增加到了2.73%,农村建设用地的增长年变化率由0.07%上升到0.55%,表明城镇化建设和居民用地的扩张步伐在后10年间明显加快;未利用土地的面积一直在减少,两个时间段内分别减少了3378.16hm2和5121.29hm2,减少速率也由0.91%上升为1.22%,说明耕地和建设用地的扩张逐渐转向未利用土地的占用。2.3海伦市土地利用程度的变化1986～2007年,海伦市农业用地和城乡建筑用地呈现增加的趋势,而林地、草地和未利用土地面积在一直减少。土地利用类型的转换引起了土地利用强度的变化,由式(3)得出,海伦市1986年、1995年、2007年土地利用程度的指数分别为34.38%、34.75%、35.13%。利用强度较高的城乡建设用地和农业用地增加面积比例较小,使得土地利用类型转换产生的强度变化不明显,仅略有上升,土地利用处于发展时期,土地利用呈集约化利用趋势,但由于海伦市经济条件不发达,人口密度较小,与全国平均土地利用程度指数50.5%相比,还有很大的差距,土地开发利用的潜力还很大。2.4土地使用景观结构变化分析2.4.1未利用土地的斑块形状类斑近圆指数是指表征景观要素斑块形状与圆形差异程度的重要指数。由表5可知,占海伦市景观主导地位的旱田和未利用土地的斑块形状最为复杂,类斑近圆指数较小。尤其是旱田,虽然成片分布,但其斑块边界受地形的影响以及周围植被分布的限制而呈现出复杂化与圆形相差甚远。从图1中可以看出,未利用土地成长条状分布,且其边缘多与水田、旱田接壤,这是由于人们在对耕地进行改造的时候多通过人为无组织的围垦沼泽来增加耕地面积,造成未利用土地的斑块形状也极为复杂。城乡建设用地和水域的板块形状最为简单,其中城乡建设用地景观属典型人为景观,受人为干扰边界多呈规则化,因此斑块形状较为简单。2.4.2斑块密度和最佳材料的变化斑块密度和景观破碎度指数都是测定某一景观类型破碎化程度的定量指标。由表5可知,旱田和水田的斑块密度先增加、后减少,这说明在研究段前10a农田的开垦导致耕地的斑块数量增加;1995～2007年,随着耕地的继续扩张,小的斑块和原有斑块连通到一起,表现为斑块密度的下降。林地和草地的斑块破碎度一直处于下降趋势,说明原有的林地和草地小斑块在耕地的扩张过程中逐渐消失,只有面积较大的斑块得到保留。水域、城乡建设用地和未利用土地的斑块密度始终较高,并且整体呈增加趋势,尤其是在1995～2007年时间段内增加幅度明显,表明这3种景观要素和其他景观要素之间相互作用比较强烈,2000年以后耕地的扩张来源由林地和草地转向未利用土地,城镇化建设的加快和居民用地的增加,水资源的大量利用和开发导致3种地类斑块密度的增加,这也说明了人类干扰活动是导致景观破碎化的主要原因之一。而农田景观虽然也受人为干扰,但受农民的经营行为及农田自身特点的影响,使其斑块较大,且斑块连通性较好,破碎化程度较低。2.4.3土地利用景观多样性景观多样性是指景观要素在结构与功能方面的多样性,它反映了景观的复杂程度。1986～2007年,尽管海伦市土地利用景观类型数没有变化,但是景观多样性减少(图1、图2),这说明土地利用景观多样性减少是由于土地利用景观在面积分布上的均匀度减少所致。随着城市化进程的演进和城市土地景观功能的日益完备,耕地斑块类型占主导地位的特征越来越明显,这使得整个海伦市土地景观优势度逐渐增强,这些变化说明海伦市土地利用景观整体结构受人类活动影响较大。2.5土地利用变化土地是一个自然人文综合体。土地利用结构的变化既受自然因素的制约,又受社会、经济和历史等人文因素的影响,具有很强的综合性和地域性。然而人类的社会经济活动直接导致了土地利用方式的改变和土地利用结构的演化;实质上是人类为了满足社会经济发展的需要而不断地调整、配置各类土地利用的过程。它主要受社会经济因素的影响,其中起决定作用的因素有人口因素、社会经济发展等,是土地利用结构变化的真正驱动力。海伦市总人口由1986年的71.51万人增加到2007年的82.3万人。人口的持续增加伴随着快速增长的粮食、燃料和畜产品需求,对资源、环境压力日益突出。因此,反映在土地利用变化上,首先是耕地一直呈增加的趋势,其面积由1986年的34.56万hm2增加到2007年的36.15万hm2(见图1)。其次,人口的增加势必导致居住地面积的增加,海伦市居民地用地面积由1986年的2.22万hm2增加到2007年的2.41万hm2(见图1),耕地的开垦和居民建设用地的增加势必会侵占林地、草地和未利用土地。还有人口增加对水资源的需求加大,对地表水资源的过度开采对土地利用景观格局演变的影响表现在1986～2007年间海伦市水体斑块密度增加,水体的整体分布更加破碎化。可见,人口增加是引起该区土地利用变化的根本原因。地处典型黑土区中心地带的海伦市,农业是该市的核心产业,农业经济的快速发展,不仅为社会发展进步做出了贡献,同时也占用了大量的土地资源。因此,经济发展是海伦市土地利用变化的主要动力之一。1986～2007年,海伦市的经济发展迅速,国民生产总值由1986年的4.57亿元增加到2004年的32.6亿元。其中农业总产值从1986年的2.99亿元增加到2004年的21.9亿元(根据文献计算),农业产业得到了迅速发展。农业发展对土地利用变化的影响表现在耕地面积的持续增加(见图1),林地、草地和未利用土地的面积减少,海伦市斑块景观优势度增加(见图2)。3海伦市土地利用景观格局演变特征(1)从2007年土地利用类型转换来看,旱田和水田主要由林地、草地和未利用土地转换而来,转换的面积分别占1986年的12.28%、41.06%和22.28%,并且旱田和水田之间的转换也比较频繁;林地、草地和未利用土地主要是转换为旱田和水田;城乡建