李嘉琪，段夢(mèng)琦，尹建國(guó)，郭志謙，張曉光*

（1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2. 山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021）

土地是人類賴以生存的基本資源，隨著城市化的進(jìn)一步推進(jìn)，土地的合理分布和使用是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要條件之一，因而關(guān)注區(qū)域土地資源的時(shí)空動(dòng)態(tài)與格局具有極其重要的意義。針對(duì)土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，眾多學(xué)者從城市群、省域尺度、地市級(jí)縣域尺度開(kāi)展了大量研究[1-3]，既有針對(duì)綜合土地利用類型的研究[4-5]，也有針對(duì)耕地、鹽堿地、水域等單一土地利用類型的分析[6-8]。在研究?jī)?nèi)容方面，除關(guān)注區(qū)域土地利用類型的數(shù)量變化和空間分布演變外，還研究了土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力[4]，并對(duì)未來(lái)的土地情況開(kāi)展了情景預(yù)測(cè)研究[8]。由于遙感技術(shù)能快速、大尺度地獲取地面信息，因此在土地資源調(diào)查相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用[9]。隨著土地利用變化研究的深入，土地利用類型的分布格局開(kāi)始得到重視。土地的分布格局更多的是利用景觀格局指數(shù)從景觀角度來(lái)分析[10-12]。土地景觀格局指數(shù)包含大量景觀格局信息，能反映景觀的區(qū)域空間幾何特征，對(duì)于土地的合理利用和管理具有良好的指導(dǎo)意義，是研究土地利用的重要分析方法[13]。

通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)獲取土地利用類型變化數(shù)據(jù)，利用景觀格局指數(shù)分析土地變化特征，并結(jié)合實(shí)地情況探究土地類型變化的原因和趨勢(shì)，能為城市規(guī)劃與發(fā)展提供依據(jù)和支撐；但不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下，區(qū)域土地利用類型的面積和分布特點(diǎn)也不相同，且在快速發(fā)展地區(qū)的土地利用變化更為復(fù)雜。因此，本文選取我國(guó)東部經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)——青島市作為研究對(duì)象，通過(guò) 2009 年、2014 年和 2019 年 3 期 Landsat 系列衛(wèi)星影像提取了主要土地利用類型；再結(jié)合景觀格局分析等方法，對(duì)近10年青島市的土地利用類型動(dòng)態(tài)演變特征進(jìn)行了分析，以期為提高土地利用率、合理優(yōu)化布局提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取山東省青島市作為研究區(qū)，地理坐標(biāo)為35°35′~37°09′N、119°30′~121°00′E，行政區(qū)劃如圖1所示。青島市下轄7 個(gè)市轄區(qū)，代管3 個(gè)縣級(jí)市（膠州市、平度市、萊西市），總面積為11 293 km2；東、南部瀕臨黃海，是典型的海濱城市；地勢(shì)東高西低，南北兩側(cè)隆起，中間低凹；空氣濕潤(rùn)、四季分明，屬溫帶季風(fēng)氣候；擁有大沽河、北膠萊河以及沿海諸河流三大水系；土壤類型豐富，主要包括棕壤、潮土、褐土、砂姜黑土等。青島市位于中日韓自貿(mào)區(qū)的前沿地帶，是山東省東部沿?？焖侔l(fā)展地區(qū)、國(guó)家重要的現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展先行區(qū)，也是一帶一路新亞歐大陸橋經(jīng)濟(jì)走廊主要節(jié)點(diǎn)城市和海上合作戰(zhàn)略支點(diǎn)?！?019 年青島市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，青島市生產(chǎn)總值達(dá)到11 741.31億元，人均GDP 為124 282 元，外貿(mào)貨物進(jìn)出口總額為5 925.6 億元[14]，表明該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，是我國(guó)東部典型的快速發(fā)展城市[15]。

圖1 青島市行政區(qū)劃示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn）獲取了2009年的Landsat TM影像以及2014年、2019年的Landsat8 OLI 衛(wèi)星影像。為了覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，3 個(gè)年份分別獲取了兩景空間分辨率為30 m的衛(wèi)星影像。本文利用ENVI 5.1 軟件對(duì)Landsat 影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、影像拼接、裁剪等預(yù)處理[16]，并對(duì)預(yù)處理后的研究區(qū)影像進(jìn)行影像增強(qiáng)處理。

1.3 土地利用類型分類方法

根據(jù)遙感影像中地物的光譜特征，并結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，本文建立了林地、水域、耕地、建設(shè)用地、未利用地5 個(gè)感興趣區(qū)；利用最大似然法對(duì)各時(shí)期的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行最大似然監(jiān)督分類，從而提取不同的土地利用類型。最大似然法是一種監(jiān)督分類方法，假定訓(xùn)練樣本在光譜空間中服從高斯正態(tài)分布[17]，通過(guò)統(tǒng)計(jì)感興趣區(qū)地類的影像信息，根據(jù)貝葉斯準(zhǔn)則進(jìn)行地物的判別解譯。其計(jì)算公式為：

1.4 精度評(píng)價(jià)

本文采用混淆矩陣進(jìn)行精度評(píng)價(jià)?；煜仃囃ㄟ^(guò)分類誤差構(gòu)成的矩陣來(lái)比較遙感分類結(jié)果與地表真實(shí)情況的差異。矩陣中的每一列代表地表提取的真實(shí)地物類別數(shù)，每一行代表每一列中的數(shù)值等于地表真實(shí)像元在分類圖像上對(duì)應(yīng)的類別數(shù)，包括像元數(shù)和百分比兩種表示方法[18]。通過(guò)混淆矩陣可進(jìn)一步計(jì)算遙感分類結(jié)果的總體精度（OA）和Kappa系數(shù)[19]。OA是所有被正確分類的樣本數(shù)量與總體樣本數(shù)量的比值，能很好地表征分類結(jié)果的整體正確率[19]；而Kappa 系數(shù)則能客觀評(píng)價(jià)分類結(jié)果的質(zhì)量。

1.5 景觀指數(shù)計(jì)算

本文將提取的3 期土地利用分類結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats 4.2軟件進(jìn)行景觀格局分析。景觀格局分析包括斑塊、類型和景觀3 個(gè)水平的景觀指數(shù)[20]。本文選擇類型水平下的斑塊密度（PD）、斑塊數(shù)目（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI），景觀水平下的香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）、蔓延度指數(shù)（CON?TAG）、散布并列指數(shù)（IJI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）進(jìn)行分析。這些指標(biāo)常用于描述整個(gè)景觀的異質(zhì)性和景觀破碎度，也可反映景觀要素的豐富度以及內(nèi)部斑塊的連接緊密度與聚集度，是描述景觀格局的重要指數(shù)。景觀格局指數(shù)的定義及其生態(tài)意義詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[20]、[21]以及 Fragstats手冊(cè)。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征

本文對(duì)2009年、2014年、2019年3期研究區(qū)影像進(jìn)行最大似然分類，分類精度如表1 所示，可以看出，分類精度較高，OA均大于80%，Kappa系數(shù)均大于0.75，分類結(jié)果可靠。本文進(jìn)一步利用ArcGIS軟件制作土地利用類型的空間分布圖（圖2），可以看出，2009—2019年青島市的林地主要集中在嶗山區(qū)、平度市、黃島區(qū)，且林地面積逐步增加；耕地在平度市和萊西市分布廣泛，膠州市和黃島區(qū)也有分布；建設(shè)用地主要分布在市南區(qū)、市北區(qū)、嶗山區(qū)、李滄區(qū)和城陽(yáng)區(qū)，且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步擴(kuò)張；未利用地的面積持續(xù)減少。

表1 2009—2019年遙感分類混淆矩陣精度評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 2009年、2014年、2019年青島市土地利用類型遙感解譯結(jié)果

根據(jù)分類結(jié)果，本文進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了各土地利用類型的面積及其占比，并分析了各土地利用類型面積的變化趨勢(shì)，如表2 和圖3 所示，可以看出，2009—2019 年青島市的林地面積迅速增加，由1 477.12 km2增至1 953.69 km2，占比由13.08%提高到17.30%，增長(zhǎng)速度為19.34%，表明該時(shí)期青島市響應(yīng)國(guó)家號(hào)召進(jìn)行生態(tài)建設(shè)，加快林業(yè)發(fā)展、實(shí)施大規(guī)模封山育林，再加上城市中的綠化建設(shè)，綜合促使林地面積逐年增加；建設(shè)用地面積持續(xù)增加，由2 144.54 km2增至2 763.40 km2，占比由18.99% 提高到24.47%，其中2009—2014 年的增長(zhǎng)速度為6.63%，2014—2019 年的增長(zhǎng)速度為20.84%，后期增長(zhǎng)速度快的重要原因之一是膠州灣北部城市城鎮(zhèn)化的推動(dòng)和大幅度開(kāi)發(fā)，隨著青島市發(fā)展規(guī)劃的推進(jìn)，建設(shè)用地面積仍將呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；2009—2019 年耕地面積先減后增，整體保持平穩(wěn)，2009—2014年隨著退耕還林和城鎮(zhèn)化的推動(dòng)，耕地面積有所減少，減少的耕地大部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地，為保護(hù)耕地紅線，后期開(kāi)展了大量土地整理，因此2014—2019年耕地面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，耕地占比由30.38%提高到33.33%，增長(zhǎng)速度為9.71%；水域范圍縮小，面積整體呈減小趨勢(shì)，可能是由人類開(kāi)發(fā)與不合理利用所致；隨著人類開(kāi)發(fā)，未利用地持續(xù)減少，2009—2014 年減少速度為8.39%，2014—2019 年減少速度攀升，為22.74%，這與城市建設(shè)、生態(tài)建設(shè)密切相關(guān)，未利用地高速轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地、耕地等。

圖3 2009—2019年青島市土地利用類型面積變化趨勢(shì)

表2 研究區(qū)影像最大似然分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 景觀格局動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 類型水平

2009—2019年青島市類型水平景觀格局指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示，可以看出，2009—2014 年青島市林地的 NP 由 106 256 減少到 32 453，PD 由 4.41 下降至1.35，說(shuō)明林地面積持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)其景觀破碎化程度也出現(xiàn)降低，表明該時(shí)期青島市林地的聚集度大幅提高；“十二五”期間青島市委市政府出臺(tái)了《中共青島市委青島市人民政府關(guān)于創(chuàng)建國(guó)家森林城市的意見(jiàn)》，“創(chuàng)森”期間青島市進(jìn)行了大規(guī)模的造林綠化建設(shè)和大幅度的綠化景觀提升，2015年全市累計(jì)建設(shè)萬(wàn)畝林場(chǎng)35處，這一系列的措施提高了林地面積；截至2019 年，林地的 NP 增加至 117 098，PD 上升至 4.86，表明林地面積持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)內(nèi)部斑塊分布離散化，分布不均、發(fā)展不平衡，這與青島市可造林地縮減、新增造林空間有限以及相關(guān)部門(mén)針對(duì)蟲(chóng)害和污染采取的積極管控工作有關(guān)。

表3 2009—2019年青島市類型水平景觀格局指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2009—2019 年水域面積整體呈減小趨勢(shì)，NP 持續(xù)降低，PD由4.29下降至0.97，表明水域的斑塊離散化程度降低，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的聚集趨勢(shì)。其原因是近年來(lái)由于水污染和不合理用水問(wèn)題凸顯，青島市大力開(kāi)展了大沽河水系的綜合治理以及“水系連通”工作，進(jìn)而水域呈現(xiàn)聚集聯(lián)通特點(diǎn)。

2009—2019 年建設(shè)用地面積持續(xù)增加，但其NP經(jīng)歷了先增后減的過(guò)程，由156 196 增加到176 270，后又減少至98 600。前期經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展，GDP與建設(shè)用地面積呈正相關(guān)，建設(shè)用地在全市內(nèi)快速擴(kuò)張，景觀破碎化程度加??；而后期隨著政府對(duì)建設(shè)用地審批與管理工作的推進(jìn)以及征地與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的開(kāi)展，土地規(guī)劃更加合理，使得建設(shè)用地面積增加的同時(shí)景觀內(nèi)部產(chǎn)生聚集大斑塊。

2009—2019年耕地的NP由68 774減少到49 173，后又增加至90 002，PD也呈先減后增的趨勢(shì)。前期由于建設(shè)用地與林地的擴(kuò)張以及未利用地的開(kāi)發(fā)，耕地迅速減少；2014—2019 年耕地的景觀破碎化程度較大，由聚集大斑塊離散為小斑塊的程度加劇，表明該時(shí)期受外部影響較大，青島市堅(jiān)持保護(hù)耕地紅線、采取積極措施確保耕地面積不減少、質(zhì)量有提高，耕地景觀內(nèi)部斑塊數(shù)目逐步增多。

2009—2019年未利用地面積持續(xù)大幅減少，2019年NP 下降至66 960，PD 下降至2.78，原因在于青島市未來(lái)城市的規(guī)劃布局已批復(fù)，不斷開(kāi)發(fā)未利用土地進(jìn)行農(nóng)業(yè)、林業(yè)等的建設(shè)。

LPI能反映景觀規(guī)模以及景觀內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)斑塊類型，間接反映土地利用變化的方向和強(qiáng)弱[12]。2009 年、2014 年、2019 年青島市LPI 對(duì)比如圖4 所示，可以看出，整體變化幅度依次為未利用地＞耕地＞建設(shè)用地＞林地＞水域，說(shuō)明未利用地是變化最強(qiáng)烈的土地利用類型，2009—2019年青島市的未利用地開(kāi)發(fā)活動(dòng)比較劇烈；而水域是土地利用類型變化最弱的，因此水域是受人類活動(dòng)影響最小的土地利用類型。

圖4 2009年、2014年、2019年青島市景觀類型LPI對(duì)比

2.2.2 景觀水平

SHDI能反映景觀的空間異質(zhì)性，其值為0表示該景觀僅由一個(gè)大的斑塊組成，值越大表明該地區(qū)土地利用類型越豐富，各斑塊的均衡化趨勢(shì)越明顯。SHEI也是一個(gè)敏感指標(biāo)，其值越接近1 說(shuō)明該景觀的多樣性越大、分布越均勻。CONTAG與景觀破碎化程度密切相關(guān)，其值越高表示優(yōu)勢(shì)土地利用類型具有很好的連通性。LSI 是表征整個(gè)區(qū)域內(nèi)土地斑塊形狀特點(diǎn)的指數(shù)，能反映土地斑塊形狀的復(fù)雜程度[22]。由表4 可知，2009—2019年青島市SHDI均大于1，且值比較接近，說(shuō)明青島市近年來(lái)土地利用類型一直較為豐富且分布均衡；2009—2019 年青島市SHEI 偏大，說(shuō)明存在多種優(yōu)勢(shì)斑塊類型且趨于穩(wěn)定；2009—2014 年CONTAG 升高，景觀破碎度減小，優(yōu)勢(shì)斑塊連接緊密，2014—2019 年CONTAG 降低，離散化程度加劇，形成包含多種要素的密集景觀格局；2014年、2019年的IJI 均比2009 年有所降低，說(shuō)明后期優(yōu)勢(shì)斑塊變得相互鄰近；LSI 持續(xù)下降表明青島市景觀形狀趨于規(guī)則化，在一定程度上說(shuō)明了土地利用與開(kāi)發(fā)正在變得由點(diǎn)及面的規(guī)?；?/p>

表4 2009年、2014年、2019年青島市景觀水平景觀格局指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜合分析2009—2019年青島市土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化與景觀動(dòng)態(tài)變化可知，青島市土地利用類型豐富，總體分布相對(duì)均衡，但變化過(guò)程復(fù)雜，不同時(shí)期時(shí)空動(dòng)態(tài)變化速度不同，整體景觀破碎化程度與各土地利用類型景觀破碎度不具有相關(guān)性。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）2009—2019 年青島市的林地、建設(shè)用地面積逐步增加，未利用地面積持續(xù)減少。各時(shí)期的增長(zhǎng)速度不同，除耕地外，其他土地利用類型均有較大波動(dòng)，在時(shí)空變化上復(fù)雜多變。

2）整體景觀破碎化程度與各土地利用類型景觀破碎度不具有相關(guān)性。2009—2019年青島市整體景觀格局具有多樣性，類型豐富且分布均衡穩(wěn)定，景觀破碎度呈減小趨勢(shì)，表現(xiàn)為形狀較規(guī)則、斑塊較密集的特征。