基于DEM的哈尔滨市土地利用类型动态变化_白晓娟

JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITYVol.38No.12

Dec.2010

基于DEM的哈尔滨市土地利用类型动态变化

　　　　　　　　　　白晓娟　赵雨森　　　王伟东

(东北林业大学,哈尔滨,150040)　　　　(哈尔滨市水务局)

1)

　　摘　要　以3个时期(1995、2000和2007年)LandsatTM影像为主要数据源,借助于ArcGIS对DEM派生的地

形因子和不同时期的土地利用类型进行叠加分析,得到不同地形因子的土地利用类型分布情况,进而定量分析土地利用类型的变化与地形因子的关系。结果表明:耕地和林地面积之和所占的比例最大,3个时期分别为81.63%、82.07%和79.35%;1995—2007年间,未利用地和草地面积持续减少,居民工矿用地面积持续增加;耕地在平坡、第一高程带和无坡向区域所占的面积比例最大,平坡和无坡向是其优势区域,面积百分比均大于60%,且2000年的面积比例最大,2007年的最小;林地在不同海拔和坡度都有分布,半阳坡和半阴坡为其优势区域,2007年的面积比例最大,1995年的最小;水域、居民工矿用地和未利用地受坡向的影响较小,但随着高程和坡度的增加面积减小。

关键词　哈尔滨;土地利用类型;数字高程模型;变化;地形因子分类号　F301.24DynamicChangeofLandUseTypesinHarbinBasedonDEM/BaiXiaojuan,ZhaoYusen(SchoolofForestry,North-eastForestryUniversity,Harbin150040,P.R.China);WangWeidong(HarbinWaterAffairsBureau)//JournalofNortheastForestryUniversity.-2010,38(12).-84～87

Theinformationaboutspatialdistributionofland-usetypesinHarbinwasobtainedthroughoverlayanalysisoftheter-rainfactorsderivedfromDEMandthelandusetypesindifferentperiodsbasedonArcGISbyusingtheremotesensingim-agesof1995,2000and2007asthemaindatasource.Therelationshipbetweenlandusetypesandterrainfactorswasquantitativelyanalysed.Resultsshowedthattheproportionoftotalareaoffarmlandandforestlandwasthehighest,whichwere81.63%,82.07%and79.35%for1995,2000and2007respectively.Theareaofnon-usedlandandgrasslandgraduallydecreased,buttheresidentiallandgraduallyincreased.Theareaoffarmlandhadthehighestproportionsinflatlandandtheregionatthefirstelevationlevelorwithoutslopeaspect,andtheflatlandandtheregionwithoutslopeaspectwerethedominantdistributionregionsoffarmland,inwhichtheproportionsoffarmlandareawerebothgreaterthan60%andthemaximumproportionwasin2000andtheminimumin2007.Forestlandwasdistributedatdifferentelevationsandslopegradients,half-shadedslopeandhalf-sunnyslopewereitsdominantregions,andthemaximumproportionwasin2007andtheminimumin1995.Waterarea,residentiallandandnon-usedlandwerelittleinfluencedbyslopeaspect,butthedistributionareadecreasedwithincreasingelevationandslopegradient.

Keywords　Harbin;Landusetypes;Digitalelevationmodels;Changes;Terrainfactors　　土地利用/覆被变化(landuse-coverchange,LUCC)研

[1]

究已经成为全球变化研究的前沿和热点课题,而地形因子与土地利用的关系也一直是土地利用/覆盖的重要内容之[2-3]

一。地形因子作为自然环境中的重要因素,决定着区域的光照情况、土壤质地和水源涵养能力等,从而影响着人类利用土地的方式和程度[4]。因此,地形是决定土地利用的重要环境因子,且地形差异是土地利用结构和空间分布格局分异的重要影响因子[5]。可见,研究地形对土地利用空间分布变化的影响,实际就是探讨不同级别地形区域的土地利用类型空间分布变化[6-7]。因此,文中以LandsatTM(1995,2000和2007年)遥感影像为主要数据源,利用地形图及实地调查获取的数据,借助于GIS获取DEM并派生高程、坡度和坡向等地形因子,并通过叠加分析,研究各主要土地利用类型在地形因子上的分布特征,探讨土地利用/覆盖格局在地形差异上的演变过程,有助于理解区域生态现象和过程、土地利用/覆盖格局的规律性及其驱动因素[8-9]。该结果可为区域土地资源科学、持续利用提供理论依据和技术支撑。

1)黑龙江省重大科技攻关项目(GA06B302)。第一作者简介:白哓娟,女,1970年7月生,东北林业大学林学院,博士研究生;现工作于哈尔滨市水务局。

通信作者:赵雨森,Email:zhaoys1957@163.com。收稿日期:2010年5月30日。责任编辑:李金荣。

1　研究区域概况

研究区地处黑龙江省中南部(45°12′～46°25′N,126°12′～

2

127°39′E),面积7001.26km,包括哈尔滨市(阿城区、南岗区、道里区、道外区、松北区、呼兰区、香坊区、平房区)8个行政区,人口475.5万人,区位条件优越,交通发达,是东北北部的政治、经济、文化和交通中心。该区东南部为低山丘陵,而北部为冲积平原,总趋势是东南高北部低。该区属大陆性季风气候,四季比较分明,年平均气温4.7℃,无霜期172d,年降水量507.9mm,≥10℃年积温2500～3100℃,气候条件适宜发展农业生产。区域内植物资源丰富,土壤类型较多,大小河流均属于松花江水系,主要有松花江、呼兰河、阿什河等。

2　研究方法

2.1　遥感数据处理

利用1∶10000地形图对1995、2000和2007年影像进行几何精校正,且影像校正误差均控制在一个像元之内。参考国家土地分类方法并结合实际情况,将研究区域共分为6种土地利用类型,分别为耕地(水田、旱地)、林地、草地、水域(河流、池塘)、居民工矿用地(城市用地和居民点用地)、未利用地(沙地和沼泽)。在参照有关土地详查图件和外业调查(GPS样点)的基础上,利用ErdasImagine9.2对遥感影像进行监督分类,并对分类结果进行精度验证和结果修改等处理,

第12期　　　　　　　　　　　白晓娟等:基于DEM的哈尔滨市土地利用类型动态变化生成栅格格式数据(分辨率为30m),进而获取3期土地利用

类型数据(图1)。

85

图1　不同时期土地利用类型分布图

2.2　DEM的生成及地形因子提取

在ArcGIS9.2的支持下,将研究区域1∶10000地形图进行矢量化,对等高线、地形特征高程点等矢量数据进行内插建立不规则三角网(TIN),然后将TIN进行转化生成规则格网DEM(GRID格式),最后生成研究区域的DEM模型。同样栅格数据定义的大小均为30m×30m。在此基础上,通过对DEM分析获取研究区域的高程、坡度和坡向的分级数据,但该派生的地形数据应建立在其与土地利用关系基础之上[10],因此,根据研究区域土地利用类型和地形特征,将坡度(i)分为4级:平坡(i≤5°)、缓坡(5°25°);将坡向划分成8个方位,分别为北(0°～

22.5°,337.5°～360°)、东北(22.5°～67.5°)、东(67.5°～112.5°)、东南(112.5°～157.5°)、南(157.5°～202.5°)、西南(202.5°～247.5°)、西(247.5°～292.5°)、西北(292.5°～337.5°),按主坡向的磁方位角将坡向分为5个坡向组:无坡向、阳坡(S,SW)、半阳坡(W,SE)、阴坡(N,NE)、半阴坡(E,NW);以间隔140m对高程进行分级,划分为5个等级:第一高程带[110,250m)、第二高程带[250,390m)、第三高程带[390,530m)、第四高程带[530,670m)和第五高程带(≥670m)。具体结果见图2。

图2　研究区域DEM及其提取的地形

3　结果与分析

3.1　土地利用类型的变化

从表1可知,研究区域的土地利用类型以耕地和林地为主,1995、2000、2007年分别占总面积的81.63%、82.07%和79.35%,两者面积之和明显占据较大的比例,表明该区域土地利用结构以农林用地为主,且处于优势地位,符合区域经济和社会发展的特点;居民工矿用地也占据一定的比例,草地、水域和未利用地所占比例较小。1995—2007年间,研究区域的土地利用类型发生了一定的变化,未利用地和草地面积呈现持续减少的态势,其中未利用地面积所占比例从1995年的

3.27%一直减少到2000年的3.05%和2007年的1.27%,减少的幅度比较大。究其原因:一方面是由于2007的水域面积较大,淹没了江北地区的部分湿地和松花江沿岸的沙地;另一方面是由于人们加大了对未利用地(湿地)的改造利用,加速了湿地—耕地转变,造成未利用地的减少;居民工矿用地的面积一直呈现递增的趋势,且2000—2007年间增加的比例为2.67%,要远大于1995—2000年间增加的比例(0.01%),说明随着城市化进程的加速,城市用地规模不断扩大,该土地利用类型所占的比例越来越大。耕地和林地的变化趋势相同,都呈现出2000年先略微增加而2007年又较大幅度减少的变化过程。

86　　　　　　　　　　东　北　林　业　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　第38卷

表1　不同时期哈尔滨市土地利用类型面积及比例

1995年

2000年面积/km

2

2007年面积/km

2

土地类型耕地林地

草地水域

居民工矿用地未利用地

面积/km

2

所占比例/%64.4617.17

4.702.278.143.27

所占比例/%64.6617.41

4.602.148.153.05

所占比例/%62.6716.68

4.593.9710.821.27

4512.711202.33

328.79158.70569.63229.10

4527.131218.73

321.99149.57570.44213.39

4387.571168.06

321.42277.68757.8188.72

3.2　土地利用类型的变化与地形的关系

3.2.1　与高程的关系

图3和表2显示了哈尔滨市各土地利用类型在各高程带上的面积百分比随时间变化的规律。从图3可以看出:耕地和草地的分布规律较为一致,在第一高程带(110～250m)占据优势,并随海拔的升高而减少,耕地在该区域占据绝对的优

势,比例均超过60%,是该区域的主导土地利用方式;2000年的比例最大,达到63.443%,2007年的比例最小,1995年和2000年的耕地在第四、五高程带没有分布,而2007年在第四高程带有少量的分布,主要是毁林开荒形成的,致使部分区域土地利用趋向不合理。林地在各个高程带都有分布,且在第二高程带(250～390m)分布达到最大,之后随着海拔升高而减少;2000年林地在各高程等级上的面积分布最大,2007年的最小。水域和未利用地的总体变化规律一致(表2),且3个时期的变化趋势大体相同,都主要分布于第一高程带,在第二高程带有极少量的分布,同时也说明了该地类分布对地形具有较强的选择性[11];居民工矿用地的分布随着海拔的升高而减少,主要分布在第一高程带,2007年该地类在第一、二、三和第四高程带都有分布,而1995年和2000年在第一、二和三高程带有分布,表明哈尔滨作为东北地区城市化进程较快区域,对土地的需求不断扩大,人地矛盾将逐渐突出。

图3　各高程带上主要土地利用类型的面积百分比

2

　　　　表2　各高程上不同土地利用类型的面积km　地区耕地面积最大,3个时期分别占研究区域的62.022%、年份

土地利

用类型居民工矿用地未利用地2000水域

居民工矿用地未利用地2007水域

居民工矿用地未利用地

第一高程158.654563.695228.001149.518564.511212.250277.088746.14788.686

第二

高程0.0505.9341.1000.0505.9331.1000.59211.4770.032

第三

高程00.001000.00100.0020.1680

第四

高程00000000.0210

第五

高程000000000

1995水域

3.2.2　与坡度的关系

由图4和表3可以看出,耕地、草地、水域、居民工矿用地和未利用地在坡度上的分布规律均相同,随着坡度的增加,所占面积比例减少,且3个时期的分布规律大体一致。在平坡

62.236%和60.404%,在该区域处于主导地位,且2000年的面积最大,2007年最小;居民工矿用地也占据较大的比例,且2007年最大,1995年最小。由于该区域受自然地理要素的影响,随着城市化进程的加速及人类活动强度的加大和范围的不断扩大,加速了对土地的开发利用,耕地—居民工矿用地的转化成为该区域土地利用的主要转变方式,造成耕地面积减少,居民工矿用地增加。因此,发展当地经济的同时,要做到对土地的合理利用和加强土地格局利用的优化配置[11];林地在缓坡区域的面积达到最大,然后林地面积随着坡度增大而减少,但是在缓坡、斜坡和陡坡上,林地所占的面积要远大于其它地类。2000年林地平坡上的面积最大,2007年的最小,但在其它坡度级别上2007年的面积最大,2000年的其次,1995年的最小,说明随着坡度的增加,人类活动有所减少,林地受到人类活动的影响减少,也表明了天然林保护工程取得了一定的成效。

图4　各坡度上的主要土地利用类型的面积百分比

1.平坡;2.缓坡;3.斜坡;4.陡坡。

3.2.3　与坡向的关系

由图5可以看出,耕地、草地、水域、居民工矿用地和未利用地在坡向分级上的分布大体相同,都是在无坡向区域的面积最大。其中,耕地在无坡向区域所占总面积的比例最大,1995、2000、2007年分别为37.81%、37.98%和37.10%,2000年达最大,2007年的最小,可见耕地是该区域土地利用的主

第12期　　　　　　　　　　　白晓娟等:基于DEM的哈尔滨市土地利用类型动态变化导方式。耕地在阳坡和半阳坡的面积次之,且都是2000年的面积要大于1995和2007年的面积,阴坡的面积最小,由于阳坡和半阳坡区域日照时间长,有利于农作物的生长,表明耕地对光照等自然条件要求较高。草地在无坡向区域的面积比例最大,1995年的最大,2007年的最小;半阴坡区域的面积比例次之,而阳坡和阴坡区域所占的面积较小,可能归因于草地的生长需要一些特殊的生长环境。水域、居民工矿用地和未利用地受坡向的影响较小,且总体上分布规律大致相同,在无坡向区域水域和居民工矿用地都是2007年所占面积比例最大,而未利用地却是2007年最小,随着城市化进程的加快,在无坡向区域居民工矿用地面积的增加占用了部分未利用土地。林地的坡向优势区域为半阳坡和半阴坡,归因于该区域的水分和光照等条件相对较好。与其它坡向相比,无坡向地区为

87

其最劣势区域,分布面积最小,且2007年的面积最小,2000年的面积最大;半阳坡区域2007年的面积最大;半阴坡区域2000年的面积最大,2007年的面积最小。

　　　　表3　各坡度上不同土地利用类型的面积年份1995

土地利用类型水域

居民工矿用地未利用地水域

居民工矿用地未利用地水域

居民工矿用地未利用地

平坡157.775556.592225.845148.652557.401210.236276.177734.58487.978

缓坡0.697

12.1992.7330.68312.2052.6411.31520.4350.737

斜坡0.198

0.7110.4380.1980.7110.4340.1422.3920.003

2

km　

陡坡0.0340.1280.0840.0340.1280.0840.0490.4010

2000

2007

图5　各坡向上的不同土地利用类型的面积百分比

1.无坡向;2.阳坡;3.半阳坡;4.阴坡;5.半阴坡。

变化分析[J].水土保持学报,2008,22(4):82-85.

4　结论[2]　VerburgpH,VedkampTA,BoumaJ.Landusechangeundercon-ditionsofhighpopulationpressure[J].ThecaseofJavaGlobalEn-应用ArcGIS软件,通过对DEM派生的地形因子和不同时期vironmentalChange,1999,9:303-312.(1995,2000和2007年)的土地利用进行叠加分析,可以准确、快[3]　于修英,杨桂山.中国土地利用/覆被变化研究的现状和问题

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哈尔滨市土地利用结构中,耕地所占的比例最大,其次是[5]　黄海洋,杨庆媛,王成.基于DEM的土地利用类型与地形因子

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林生产相结合的现状;未利用地和草地面积呈现持续减少的变化:以北京延庆县为例[J].山地学报,2004,22(6):762-766.态势;居民工矿用地的面积持续递增。平坡、第一高程带和无[7]　龙花楼,李秀彬.长江沿线样带土地利用格局及其影响因子分坡向区域,耕地的面积最大,在平坡区域和第一高程带地带其析[J].地理学报,2001,56(4):417-425.

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