基于遥感影像的昆明市土地利用时空变化研究

刘凤莲，杨 磊

(云南财经大学 国土资源与持续发展研究所，云南 昆明 650221)

土地利用/土地覆被变化(LUCC)是指人类为了获取生产生活所需资料，满足一定的社会经济目的，通过一些措施改变土地利用和管理方式，从而引起土地覆被变化的活动[1-2].土地利用变化特征是进行土地利用变化和科学利用土地等研究的根本依据[3]，可以在一定程度上反映一个地区的经济发展水平和自然资源状况[4].因此，通过研究土地利用时空特征[5]，一方面可以了解各用地类型发生变化的时间节点以及导致这种变化的相关因素；
另一方面可以找出土地利用发生变化的关键区域，从而优化土地利用结构、改善生态环境[6].

研究土地利用时空变化，有助于发现区域土地利用演变规律和土地利用行为的异常，对于制定科学的土地利用规划，促进土地资源的可持续利用具有重要意义.国内学者一般从以下几个方面研究土地利用时空变化：(1)从研究尺度看，大多研究以省域[7]、城市及城市群[8-9]、流域[10]、水库坝区[11]以及典型地区[12]等为研究区域，从而分析区域土地利用变化特征.(2)从研究时段看，当前研究时长主要在15～35年，也有个别学者选取较长时段(57年)[13]，更能全面详实地反映研究区域的土地利用覆被变化.(3)从研究内容看，关于土地利用时空演变驱动因素的研究较多[14-15]；
也有研究侧重土地利用变化对生态的影响，将土地利用变化与景观格局[16]、生态风险[17]等结合起来；
还有一部分学者基于现有数据，借助数学模型对未来的土地利用变化进行模拟预测[18].(4)从研究方法看，通常是基于遥感影像获取土地利用数据，借助土地利用动态度、土地利用转移矩阵、土地利用综合程度指数、马尔可夫预测模型、地学信息图谱[19]等方法进行相关研究.

昆明市作为西南地区中心城市之一，是我国面向南亚、东南亚的前沿和门户.随着社会经济的快速发展，昆明市城镇化水平不断提高，建设用地快速扩张，在此过程中土地不合理利用、生态环境遭到破坏等问题频发，人地矛盾愈发突出，因此，研究昆明市近年来土地利用时空变化具有重要意义.本文基于昆明市2000—2020年的五期遥感影像，借助RS、GIS技术，分析昆明近20年土地利用时空变化特征，进而探讨土地利用结构变化、速度变化以及转移方向等，以期为昆明市今后土地资源的可持续利用、区域生态保护等提供参考[20].

昆明位于东经102°10′～103°40′、北纬24°23′～26°22′，市中心海拔1891米，地处云贵高原中部，南面濒临滇池，其余三面群山环绕，总体地势北高南低，中部隆起；
属于北纬低纬度亚热带—高原山地季风气候，夏季阴雨天多，日照少，是全国著名的避暑胜地；
独特的地理位置造就了昆明冬无严寒、夏无酷暑的气候特征，使“春城”的美誉闻名全球.昆明作为西南中心城市，下辖7区6县1个县级市，承担着面向南亚、东南亚开放的重要战略任务.

2.1 数据来源及处理

本文所用到的昆明市2000、2005、2010、2015、2020年的Landsat TM/ETM/OLI影像，来源于中科院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)，空间分辨率为30m，行列号为129-42、129-43、130-42、130-43(表1)，影像的云量均在10%以下，以确保影像的清晰度.运用遥感软件ENVI 5.3对遥感影像进行预处理，包括几何校正、辐射定标、大气校正、图像融合、镶嵌裁剪.通过监督分类提取信息，再进行实地调查对解译后的数据进行检查修正，解译精度均在85%以上，可以满足研究需要.根据《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)中的分类标准，结合昆明市实际情况将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地.

表1 Landsat TM/ETM/OLI卫星影像信息列表

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用的动态变化可以用土地利用动态度这一指标来表示[21]，它能清晰地反映各种土地利用类型面积总量的变化，从而了解研究区不同时间段土地利用变化趋势.

(1) 单一土地利用类型动态度.单一土地利用类型动态度表示研究区域在一定研究时段内某种土地利用类型总面积的增减变化，其表达式为：

(1)

式中K为T时间段内某种土地利用类型的动态度，用来衡量土地利用类型变化的大小.K值越大，说明该种土地利用类型在这一研究时段内因受其他因素影响而转变为其他地类的数量越多，这种土地利用类型在T时段内越不稳定；
Ua、Ub分别对应期初、期末该种土地利用类型的数量.

(2) 综合土地利用类型动态度.综合土地利用动态度相较于单一土地利用动态度所能反映的内容更加丰富，它既可以表示研究区在一定时段内各种土地利用类型增减变化的整体情况，又可以比较局部与整体各种土地利用类型变化的差异，其表达式为：

(2)

式中LC是综合土地利用动态度，T2代表研究期末年份，T1代表研究期初年份，T2-T1为监测时长；
LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；
ΔLUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非j类土地利用类型面积的绝对值.

2.2.2 土地利用变化转移矩阵

土地利用转移矩阵作为一种系统分析的定量研究方法，被广泛应用于土地利用变化的相关研究之中.该方法不仅可以全面地体现研究区在研究时段内各种用地类型之间转移的方向和面积，还能体现研究区土地利用类型结构的细节特征[22].其优点在于既能反映某个时间点不同土地利用类型面积这种静态信息，又能反应研究期初到期末各种土地类型转变成其他地类或由其他地类转变而来的土地流入流出情况的动态过程信息.其数学表达式为：

(3)

式中Sij表示研究期初到研究期末某种土地利用类型的面积变化；
Sij的含义是研究期初i地类转换成研究期末j地类的面积.n表示土地利用类型数目.

3.结果分析3.1 土地利用结构变化

经遥感影像解译得到昆明市土地利用结构表(表2)，由表2可知，昆明市林地、草地、耕地面积较大，最大的水域集中在滇池，建设用地扩张明显，尤以滇池周边的建设用地最为活跃，且表现出以滇池为中心向东南、东北扩张的趋势，未利用地大部分在昆明市的北部.昆明市的土地利用结构中，林地面积最大，占总面积的比重超过45%；
草地次之，约占27%；
耕地约占19%，三者共同占了研究区面积的90%以上，是昆明市的主要用地类型.2000—2020年间，林地、耕地、草地均呈减少趋势，分别减少126.60km2，251.43km2，319.96km2.水域面积在研究期间增加了42.60km2；
建设用地面积增加明显，从2000年的484.87km2，增长到2020年的1 137.27km2，相当于2000年的2.35倍；
未利用地占比较小.

3.2 土地利用区域空间差异分析

通过3.1的分析可知2000—2020年间昆明市土地利用变化趋势.为了更深入研究昆明市土地利用时空变化特征，本研究叠加行政区划，分析昆明市不同土地利用类型空间分布(表3).其中耕地主要分布在寻甸(15.28%)、禄劝(14.66%)、宜良(12.52%)和石林(11.18%)；
林地主要分布在禄劝(26.33%)、寻甸(16.19%)；
草地主要分布在寻甸(23.64%)、禄劝(18.55%)和东川(16.75%)；
水域主要分布在西山(22.14%)、晋宁(21.58%)和呈贡(13.65%)；
建设用地主要分布在官渡(18.09%)、西山(11.71%)、呈贡(11.40%)和安宁(11.15%)；
未利用地主要集中在东川(76.08%).

表2 2000—2020年昆明市土地利用结构表 km2、%

表3 昆明市不同土地利用类型空间分布 %

从昆明市各辖区不同用地类型2000—2020年间面积变化(表4)看，近20年间官渡区、呈贡区和安宁市耕地的减少以及建设用地的增加相对较多；
宜良县、寻甸县林地减少相对较多；
呈贡区的草地减少最多(-94.88km2).根据各县(市、区)土地利用特征和城市定位.五华区、官渡区、盘龙区、西山区、呈贡区作为昆明的城市功能核心区，建设用地占比达54.64%，是整个昆明的政治、经济、文化中心，承担着提升城市品质、完善城市功能的重要任务.安宁市、嵩明县作为现代工业、制造业基地助力昆明发展，其建设用地近20年来增长较多，尤其是安宁2000—2020年间建设用地增加112.32km2.禄劝县、寻甸县、东川区耕地、林地、草地较多，生态环境敏感，是昆明市重要的生态涵养区，在生态修复、生态保护的基础上，筑牢昆明生态安全屏障.

表4 昆明市各辖区不同用地类型2000—2020年间面积变化 km2

3.3 土地利用动态度分析

从昆明市不同时段各用地类型土地利用动态度(表5)可以看出2000—2020年间四个不同时段耕地、林地、草地的土地利用动态度均为负值，表明在研究期间这三种土地利用类型的面积都在不断减少.耕地、林地土地利用动态度的绝对值在2015—2020年最大，表明耕地和林地在这一时期变化速度相对较快.而草地变化速度最快的时期在2005—2010年.水域变化速度呈加速趋势.建设用地的土地利用动态度在2000—2020年间均为正值，且2015—2020年值最大，表明其在这一时段扩张速度最快.未利用地在研究期间变化幅度不大.从总体上看，所有地类中建设用地土地利用动态度最大，表明建设用地变化最剧烈.综合土地利用动态度在四个时期分别是0.03%，0.18%，0.07%，3.99%，表明2015—2020年间各种用地类型变化渐趋活跃.

表5 昆明市不同时段各用地类型土地利用动态度 %

3.4 土地利用转移矩阵分析

将各时期土地利用图进行叠加分析，得到土地利用转移矩阵(表6).

2000—2005年土地转移面积较少，土地利用类型相对稳定.草地主要转成了林地(14.82 km2)、耕地(6.54km2)和建设用地(5.87km2)；
耕地共计转出38.31km2，以建设用地为主(24.05km2)；
林地主要转成了草地(17.51km2)和耕地(8.63km2)；
水域和未利用地较为稳定.

2005—2010年土地转移面积(1 353.88km2)要远大于2000—2005年(98.84km2).草地的主要去向仍是林地、耕地和建设用地，草地转出为这三种用地类型的面积(520.03km2)约为2000—2005年草地转为这三种地类面积(27.23km2)的二十倍；
耕地转为建设用地的面积为138.09km2，约占耕地转出总面积的42%；
建设用地转出72.81km2，其中有超过一半(47.62km2)转为了耕地，这与国家规定的增减挂钩、占补平衡有关；
林地转出面积较大(402.33km2)，去向主要是草地(264.75km2)和耕地(87.79km2)，还有一部分建设用地(32.77km2)；
水域主要转为耕地(13.78km2)和建设用地(5.86km2)；
未利用地变化不大.

2010—2015年土地利用类型相对稳定，地类之间转入转出面积较小.其中草地转为建设用地的面积(30.58km2)占草地总转出面积(58.57km2)的比例较大(52.21%)；
耕地转为建设用地的面积最多；
建设用地转出面积仅为5.1km2；
水域转出24.43km2，其中绝大部分(96.5%)转为耕地和草地.

2015—2020年草地、耕地、林地转出面积依次是375.06km2、431.10km2、347.14km2，而建设用地转入面积(416.97km2)最多.草地的去向以林地(143.35km2)、建设用地(113.37km2)、耕地(90.96km2)为主；
耕地转为建设用地的面积占耕地转出总面积的(50.39%)；
林地转为草地面积(137.15km2)最多，耕地(116.88km2)、建设用地(68.32km2)次之；
水域转出31km2，主要去向是建设用地(17.35km2)；
未利用地转出4.14km2，去向较为分散.

表6 昆明市2000—2020年间不同时间段土地利用转移矩阵 km2

本文基于RS和GIS技术，采用土地利用结构分析、土地利用区域空间差异分析、土地利用动态度、土地利用转移矩阵等方法，研究昆明市近20年的土地利用时空变化特征.得出如下结论：

(1)从土地利用结构来看，昆明市2000—2020年间的土地利用结构以林地、草地、耕地为主，这三种用地类型占昆明市总面积的90%以上.林地、草地、耕地面积呈减少趋势；
建设用地面积显著增加，占比从2000年的2.31%增长到2020年的5.41%；
水域集中分布在滇池，其他水域面积较小；
未利用地占比较小.

(2)从土地利用区域空间差异来看，禄劝县和寻甸县的耕地、林地、草地面积较多；
建设用地占比较高的是官渡区、西山区、呈贡区和安宁市；
水域主要集中在西山区、晋宁区和呈贡区；
未利用地大部分在东川区.昆明市各辖区因其土地利用类型分布和经济、社会、生态环境的不同，形成了各具特色的功能定位，从提升城市功能、开发拓展、生态涵养几个方面为昆明的经济社会发展提供支撑.

(3)从土地利用动态度来看，昆明市土地利用变化经历了两次高峰，分别是2005—2010年和2015—2020年.其中耕地、林地在前三个时期缓慢减少，2015—2020年减少速度较快；
草地的变化速度在2005—2010和2015—2020年间相对较快；
水域在研究期内变化速度呈加快趋势；
建设用地表现出先加速、再减速、再加速的特征.2015—2020年综合土地利用动态度最高，说明这一时期昆明市整体土地利用变化最剧烈.

(4)从土地利用转移矩阵来看，六大用地类型中耕地、林地、草地、建设用地相互转移面积较多.2000—2020年间耕地转出为建设用地的面积占耕地总转出面积的比例最大.在2000—2020年间的四个时期中，每个时期草地转出的主要去向均是耕地、林地和建设用地.建设用地转入面积远远大于转出面积，主要来源是耕地(414.06km2)、草地(217.04km2)和林地(121.06km2).水域和未利用地在研究时段内转移面积较小.

基于本文研究，发现昆明市在2000—2020年间，建设用地大幅增加，增加方式主要是通过占用耕地、草地和林地，其中占用耕地面积最多.随着国家越来越重视耕地保护，未来城市发展很难再继续占用优质耕地，城市的发展与可用土地有限性之间的矛盾将愈发突出.在此背景下，昆明应在城市发展上转变思路，一方面可以向周边县(市、区)延伸，既能促进乡村振兴和城乡协调发展，实现资源和产业优势互补，又有助于培育新的增长极.另一方面可以通过城市土地的节约集约利用，深度挖掘城市潜力，提高城市土地利用效率，促使昆明由高速发展向高质量发展转变.

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