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哈大齐工业走廊土地利用覆被变化的动态过程分析
哈大齐工业走廊土地利用/覆被变化的动态过程分析
王晓迪臧淑英
(黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室,哈尔滨师范大学,哈尔滨150025)
英文标题:
AnalyzingDynamicProcessofLandUseChangeinHa-Da-QiIndustrialCorridorofChina
WANGXiaodi,ZangShuying(KeyLaboratoryof remotesensingmonitoringofgeographicenvironment,CollegeofHeilongjiangProvince,HarbinNormalUniversity,Harbin,P.R.China150025)
Abstract:
FourTMremotesensingimagesofHa-Da-QiIndustrialCorridorin1990,1995,2000and2005weretakenasdataforthisarticlestudy.Thedatasourcesofland-coverlandscapewereobtainedunderHuman-ComputerInteractioninterpretationwithGISsoftware.TheraillinethatrunsthroughHarbin,DaqingandQiqiharurbanwasselectedasthecentralaxis.Radiusof30,000meters,60000meters,90,000metersand12000metersweretoestablishmentoffourbuffersrespectively.Thelandscapeindicesofclassscalewerechosentoanalyzethelandscapepatternofthefourbuffers.TheappropriatethresholdvaluewaschosentoidentifyhowmuchHa-Da-QiIndustrialCorridorinfluencedonthesurroundingecologicalenvironment.Onthisbasis,themethodofpropertysuperpositionandre-classificationwereusedtoanalyzestabilityofLUCCinstudyarea.Meanwhile,thereweresomebriefanalysesonitsdirectionofthetransformation.Theresultsshowedthatthecultivatedlandandbuild-uplandwhichhaverelationshipwithhumanactivitiescouldn’teasilybechangedforotherpurpose;yetdegradedsaline-alkalilandhadalittlechangebecauseofitsdifficultimprovement.Wetland,grasslandandforestlandhadagooddegreeoftransformationbecauseoftheirunstablestate.Therewasachangetendencyoflandusestructuretothedirectionofstabilization,singularityandfrangibility.Itwasnecessarytotakeeffectivemeasuretoprotectunstablelandcovertypes,andmaintainthediversityofregionalecosystem.
Keywords:
landusechange,bufferzone;stability,Ha-Da-Qiindustrialcorridor
摘要:
本文以1990年、1995年、2000年、2005年4期覆盖哈大齐工业走廊的TM遥感影像为数据源,对其进行人机交互解译得出哈大齐工业走廊的土地覆被类型图。
以贯穿哈尔滨、大庆、齐齐哈尔市区的铁路线为中心轴,分别以30000米、60000米、90000米、12000米为半径建立四个缓冲区。
选择类别尺度上的景观指数分别对四个缓冲区的景观格局进行分析,选取适宜的阈值确定出哈大齐工业走廊对周边生态环境的影响范围。
在此基础上,运用属性叠加和重新分类的方法,对研究区土地利用动态变化的稳定性进行评价,并对土地利用类型的转移方向做出简要分析。
研究结果表明:
过去的15年内,研究区耕地和人类活动关系密切的城镇及居民用地最稳定,其次是盐碱地,沼泽地、林地、草地稳定性较差。
而研究区的土地利用结构正向稳定化、单一化及脆弱化的方向发展,迫切需要采取有效措施保护易变的土地利用类型,维护区域生态系统的稳定性。
关键词:
土地利用变化、缓冲区、稳定性、哈大齐工业走廊
1.前言:
近年来,土地利用/土地覆被变化(LandUseandLandCoverChange,LUCC)已成为众多学者研究的热点问题,从不同时间段土地覆被变化情况可以看出区域内土地利用的动态变化过程。
有关LUCC研究区域方面的研究,考虑到不同地区的LUCC对全球变化的贡献和响应并不相同,区域尺度的LUCC研究应集中在“热点地区”、“脆弱地区”和“关键地区”[1]。
而哈大齐工业走廊是黑龙江省的工业廊道,是经济和社会生活最集中的地方,属于黑龙江省的热点地区。
很多学者对哈大齐工业走廊的研究都是以其行政区域划分为基础,依据县市界确定其研究范围。
而本文是以研究哈大齐工业走廊的生态意义与生态影响为目的,故以生态学的角度对研究区范围进行重新界定。
交通廊道对景观格局与土地利用和土地覆被变化的影响越来越为人所关注[2]。
铁路作为现代运输所不可缺少的交通工具,其给人类带来方便的同时也对周围的景观与格局产生了必然的影响,它是社会和经济发展的必然产物,也同时推动着社会经济的进一步发展,而它的出现也必然会对周围景观与土地覆被类型产生着直接的影响。
如距离廊道越近,则其建设用地聚集度指数越高、连通性越强,而随距离的衰减成聚集度与连通性下降趋势转变。
廊道的影响范围确定所应用的缓冲区技术已被很多学者所应用,如吕志强[3]用梯度分析的方法对广州市主城区、边缘区、外围区的土地利用格局进行了定量分析,段禾祥[4]针对大理至丽江高速公路的建设分析了其对沿线景观格局的影响。
研究其廊道的影响范围有利于更进一步分析研究区在较强的人为干扰下,各种土地利用类型的稳定程度。
本文以1990年、1995年、2000年、2005年4期TM遥感影像为数据源,对其周围的影响范围及程度进行划定与研究,通过土地利用稳定性研究既可以更确切的掌握该时间范围内土地覆被的精确变化,以把握其土地利用的方向与方式,同时可以进一步预测其优势类型与变化方向,为政府提供正确的规划与决策依据。
2研究区状况与数据处理
2.1研究区概况:
黑龙江省哈大齐工业走廊地处东经122°48′~127°15′,北纬45°31′~47°51′之间,位于黑龙江省西部,座落在松嫩平原腹地。
哈大齐工业走廊地区属于温带大陆性气候,雨热同季,季节分明,三市年平均气温4.9°,平均年降水量为490.6毫米,年日照时数为2616.9小时。
它是以哈尔滨为龙头,以大庆和齐齐哈尔为区域骨干,包括沿线肇东、安达等市在内的经济区域。
总面积2.118万km2,占全省的4.67%;2004年,人口802.99万人,地区生产总值2600亿元,分别占全省的21.04%和49%,人均地区生产总值32379元,为全省平均水平的2.32倍,是我省经济实力最强、工业化水平最高、经济辐射力最大、科技人才优
势最明显、可供开发利用土地资源丰富的地区。
2.2数据来源:
数据源包括2005年、2000年、1995年和1990年四期覆盖哈尔滨、大庆和齐齐哈尔三个城市的遥感影像。
四期数据均采用Landsat-5TM卫星遥感影像,分辨率为30m;并附以一幅全国铁路矢量图。
图1哈大齐工业走廊的研究范围
Fig1studyareaofHa-Da-Qiindustrialcorridor
2.3数据预处理:
首先应用遥感影象处理系统ERDASIMAGE8·7对哈大齐工业走廊四个时段的遥感影像进行投影处理,以1:
100000地形图作为主控数据源,将2005年LandsatTM数据与1:
100000地形图进行配准。
将各期影像投影转为统一的Albers投影(双标准纬线多圆锥投影)。
根据哈大齐研究区的特点和分析精度要求,参照《土地利用现状调查技术规程》[5]和《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》[6],将哈尔滨、大庆和齐齐哈尔的土地利用类型进行统计,分成六种土地利用类型分别为耕地,林地,草地,水域,建筑用地,未利用地。
在GIS环境下,根据不同土地覆盖类型的影像色调、纹理等特征,建立相应的遥感解译标志,进行人机交互式判读,进行查错修改和拼接,得到2005年土地利用/覆被数据。
将1990年LandsatTM影像,1995年LandsatTM影像、2000年LandsatTM影像分别与2005年遥感影像进行纠正,平均位置误差控制在两个像元以内。
在GIS软件ArcView环境中,提取相邻两个时段内各土地利用类型发生变化的动态图斑,获得不同时段土地利用动态数据。
同时,利用ArcGIS处理得到哈大齐工业走廊1990年~2005年的土地利用数据。
因数据解译与实际情况可能存在各种不匹配现象,故其精度有待验证。
1990年数据解译结果以部分县市的土地利用详查图进行辅助解译与验证;1990、1995、2000、年解译结果在1991年5-6月、1996年7月-8月、2001年7-8月期间,以GPS与数码相机以及量绳对广布于哈大齐各市县的500个典型地物进行了验证,同时通过咨询当地居民和专家,对解译结果进行了修正。
结果表明,以遥感为数据源建立的空间数据库的总体解译精度约为92%,其中耕地、居工地、水域的解译精度在92.2%以上,林地、湿地、草地、未利用地解译精度分别在92.5%,93.1%,86.5%,86.6%左右。
3.研究方法
3.1哈大齐工业走廊范围确定
(1)中心轴线的选取:
通过分析哈大齐工业走廊特点,以2005年人机解译矢量数据为基础,裁出在研究区范围之内的铁路线,发现宾洲铁路线贯穿整个研究区域,并且综合考虑到铁路廊道对周围的经济和生活影响较大,故选其为哈大齐研究区域的中心轴线。
(2)选择贯穿整个研究区的宾洲铁路为轴心,将其结合ARCGIS空间分析功能应用缓冲区技术沿铁路线依次向外做出以30000m、60000m、90000m、120000m为半径的辐射区(如图1),再用这四个辐射区对2005年矢量进行裁切得到各个辐射区的矢量数据,发现不同缓冲区的土地利用类型及变化趋势程度是不同的。
(3)为更准确的掌握其变化趋势与影响范围,将四区矢量转为栅格数据添加到FRAGSTATS景观生态学软件中。
依据各景观指数所代表的物理意义和生态意义不同,从中挑选类型尺度上最具代表性的四个景观指数对各个辐射区建设用地类型进行运算。
他们分别是类型尺度上的PD(斑块密度)、PLAND(类型与景观面积比)、斑块连通度指数的均值(CONTIG_MN)、斑块凝聚度指数(COHESION)(如表1)。
其中PD(斑块密度)与PLAND(类型与景观面积比)可从斑块数量与面积相综合的角度研究建设用地在土地利用中地所占的比例与扩展蔓延程度。
而斑块连通度指数的均值(CONTIG_MN)与斑块凝聚度指数(COHESION)则可有效的反映出工业区的聚集程度以及在城市发展过程中建设用地连通性的大小。
因此应用这四个指数的变化程度可以将哈大齐工业走廊范围给以确定。
3.2稳定性分析方法
将1990年、1995年、2000年、2005年4期矢量数据按哈大齐工业走廊划分出的范围边界裁出在此范围内的矢量数据,再将其转成栅格数据,为了方便研究各个时期其土地利用变化的过程,对每期数据的七种土地利用类型两位重新计算成一位[7],如将原耕地类型11旱地和12水田合并成一种耕地类型并重新定义为1表示,同理林地20→2,草地30→3,水域41、42、43→4、居民建设用地50→5,盐碱地63→6,沼泽地64→7,这样土地利用类型统一更改为耕地、林地、草地、水域、建设用地、盐碱地、沼泽分别用1、2、3、4、5、6、7表示,其详细分类系统如表2所示。
再利用ARCGIS空间分析中栅格计算器功能输入计算公式:
Y(1990-2005)=Y1990×1000+Y1995×100+Y2000×10+Y2005×0[8]
其中Y1990、、Y1995、Y2000、Y2005分别代表1990、1995、2000、2005年的土地利用空间属性
一体化数据,它记录了各个空间单元在不同采样时刻的土地利用状态;Y(1990-2005)为土地利用单元在5个时段土地利用转化的过程[9]。
表2基于各种土地利用/覆被变化土地利用分类系统
Table2Theclassificationsystemoflandusebasedondifferentkindsoflanduse/cover
新编码
土地利用一级分类
土地利用二级分类
原属性码
1
耕地
水田
11
旱田
12
2
林地
林地
20
3
草地
草地
30
4
水域
河流
41
湖泊
42
水库坑塘
43
5
城乡居民建设用地
城乡居民建设用地
50
6
盐碱地
盐碱地
63
7
沼泽
沼泽
64
计算后得出一层同时具有四个时期土地覆被类型的单层栅格数据,其代码均由四位组成,如1325则代表此处经历了1990~1995~2000~2005年土地利用类型由耕地—草地—林地—建设用地的变更过程。
从而对计算出来的每一类变更与未变更类型进行判断与分析。
4.结果分析
4.1哈大齐工业走廊范围分析
对四个辐射区四个代表性指数的分别计算,得出结果如下:
(如表3)
表3缓冲区1—缓冲区4CONTIG_MN、COHESION、PD、PLAND四个指数计算结果
Table3calculationresultsof4index:
CONTIG_MN、COHESION、PD、PLANDinbuffer1---buffer4
缓冲区
CONTIG_MN
COHESION
PD
PLAND
1
0.8710
98.3879
0.1287
5.8987
2
0.8666
95.4078
0.1599
3.9513
3
0.8621
95.2696
0.1607
3.8362
4
0.8567
95.2472
0.1898
3.5850
如表3所示类型尺度上建设用地的的斑块连通度指数的均值(CONTIG_MN)、斑块凝聚度指数(COHESION)和PLAND(类型与景观面积比)在缓冲区距离越来越大的方向上均呈下降趋势,由仅靠铁路两侧辐射区向外围辐射区数值逐渐减小,而斑块密度(PD)则随距离渐远成增大趋势。
斑块连通度指数的均值(CONTIG_MN)反应类型的连通性程度,其连通性越大代表该类型在此区域内为大斑块和成片集中分布状态,斑块凝聚度指数(COHESION)则反映区域内的斑块聚集程度,这两个指数相结合(如图2—3a),充分说明了研究区内的四个辐射区越接近铁路中心,其建设用地连通性与聚集度越高,表明缓冲区1区是城乡建设用地最集中,并成大片工业区分布的景观格局。
从缓冲区1—缓冲区4向外其聚集度越来越小连通度越来越小,则证明越往外的区域其城乡建设用地分布越离散,斑块虽多,但大部分成分散趋势分布,故其连通性不好,聚集程度也相对较低。
尤其在缓冲区3—
缓冲区4之间变化最为明显,下降程度越大,表明缓冲区4其城乡建设用地连通性很低,工业也没有集中分布的趋向,区域所受铁路的影响很小或几乎不受影响。
而另外两项指数PLAND(类型与景观面积比)和斑块密度(PD)(如图2—3b)随离廊道渐远而成趋势性变化,斑块密度随距离廊道越来越远而成增大趋势,这表明越往外其城乡建设用地的斑块数量在增多而其面积却在减小,表明其工业区较少或不再集中分布,以居住要求为主,没有更多的工业布局。
类型与景观面积比随廊道渐远成减小趋势,因其城乡建设用地不再是所在区域的主
表1本研究中选取景观指数的计算方法及其生态学涵义
Table1thecalculationandecologicalmeaningsofselectedlandscapeindicesinthestudy
景观指数
名称
算法
参数描述
取值范围
生态学涵义
PD
斑块密度
ni:
斑块数量
A:
景观面积(m2).
PD>0
描述类型复杂度,景观中某种类型斑块数越多,类型面积越小,则密度越大。
PLAND
类型与景观面积比
Pi :
类型斑块占景观面积比
aij:
类型面积
A:
景观总面积
0 描述类型丰富度,景观中只存在单一类型斑块,则占景观总面积比为1。 某类型斑块总面积越大,比值越趋近于1。 CONTIG_MN 斑块联通度指数的均值 : 斑块ij中像素r的联通度 : 3×3模板值之和 : 斑块ij面积 1≥CONTIG≥0 为描述景观组分关系的异质性指数,当斑块仅为一个像素构成CONTIG为0,随着斑块的边界联通性 增加,CONTIG的值趋近于1。 COHESION 斑块凝聚度指数 : 斑块ij周长 : 斑块ij面积 m: i类景观中斑块个数 A: 景观中像元个数 100>COHESION≥0 是一种定义景观中某种斑块之间物理连通性的指数,景观中某类斑块凝聚度越高,该类别景观的连通性越强。 要土地覆被类型,离廊道越近两侧工业与经济发展越快,建设用地需求量越大,而外延地区则受廊道影响较小,成减小趋势。 由数值可看出斑块密度的变化趋势在缓冲区4区域出现快速增长,而类型与景观面积比也存在数值急速下降情况,这再一次表明在缓冲区4范围内几乎不再受廊道的影响。 故设定这四项指数的阈值分别为0.8621、95.2696、0.1607和3.8362即当CONTIG_MN<0.8620、COHESION<95.2690、PD>0.1607或PLAND<3.8362所在的区域几乎不再哈大齐工业走廊的影响,其排除在我们要划定的哈大齐工业走廊界限之外。 由此确定哈大齐工业走廊的范围为前三个缓冲区所围成的区域,剔除第四个缓冲区。 哈大庆工业走廊的边界即为以铁路为轴心以90000米为半径向外扩出的区域外围边框。 (a)(b) 图22005年哈大齐工业走廊缓冲区1—缓冲区4景观指数变化示意图。 图a: CONTIG_MN建设用地的的斑块连通度指数的均值;COHESION斑块凝聚度指数。 图b: PD斑块密度;PLAND类型与景观面积比。 Fig2VariationoflandscapeindicesofHa-Da-QiIndustrialCorridorbuffer1—buffer4schematicdiagram.Figa: CONTIG_MNdescribesContiguityIndexofConstructionland;COHESIONdescribesPatchCohesionIndexofConstructionland.Figb: PDdescribesPatchDensityofConstructionland;PLANDdescribesPercentageofLandscapeofConstructionland 以上研究了哈大齐工业走廊的梯度特征,找到了铁路廊道对哈大齐工业走廊影响的范围,与此同时也进一步见证了其周围城市发展的足迹,以景观生态学的角度通过这种缓冲区技术来确定影响范围的方法是一种科学的界定研究区范围的方法,能够更加确定性的看出人类活动对资源与生态的影响,也更进一步的显现了其交通与城市结合发展下的扩展模式。 4.2稳定性分析 基于上面哈大齐工业走廊的界定,本文根据各期土地利用类型变化的过程,对研究区变化趋势的稳定性程度进行分析。 从研究起始时间开始土地覆被类型从来未经变化的空间称之为未变更区,如计算结果为1111、2222或7777等。 从1990年~2005年土地利用类型只发生过一次变化的空间类型区域称为一次变更区,如计算结果为1122、3337、1555等。 同理,土地利用空间类型变化两次和三次的分别称为二次变更和三次变更。 因此可依据公式计算结果将土地利用空间类型变化情况分为以下四种类型,即: 未变更,一次变更,二次变更,三次变更。 (如图3) 4.21未变更类型分析 通过计算结果表4所示,自1990年开始到2005年为止,有83.422%的耕地,67.437%的城乡建设用地,59.542%的水域,从来没有发生过变化。 说明这些土地利用类型的稳定性相对来说较强;而林地,盐碱地,草地,沼泽地未变更比例分别为57.827%,48.235%,24.891%,23.556%,其未变化比例较小稳定性相对比较差。 这些类型的稳定性与人类关系十分密切,当人们选择土地的耕种属性后,就不易再弃耕,而城乡建设用地是人类为居住或工业发展而占用的土地,没有特殊原因也不会发生变化,水域由于其自然属性决定性大,因此相对也较稳定,变化不是很敏感。 但草地,林地,水域,盐碱地与沼泽这些土地利用类型则相对变化比较活跃,其原因可能一部分被人类作为耕地和建设用地所占用有关,而与此同时,这几种类型大部分也受降水量的制约影响较大,故其变化比较明显。 图2哈大齐工业走廊1990—2005年土地利用变更 图3哈大齐工业走廊1990—2005年土地利用变更 Fig3ThechangeoflanduseinHa-Da-QiIndustrialCorridorfrom1990s-2005s 表41990年—2005年哈大齐工业走廊未变更土地面积 Table4TheareaofnochangelanduseinHa-Da-QiIndustrialCorridorduring1990to2005(m2,%) 类型 未变更面积 占1990年 的比例 占土地总面 积的比例 占未变更总面积的比例 耕地 41842962900 83.422 47.
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