基于GlobeLand30的番禺区地表覆盖时空变化分析
刘梁美子
(广州市城市规划勘测设计研究院, 广东 广州 510060)
摘 要：本文基于全球30 m地表覆盖数据(GlobeLand30),采用地表覆盖转移矩阵、重心迁移方法,分析了番禺区2000—2020年不同地表覆盖类型的相互转化及其空间分布。结果表明：过去20年间,人造地表持续占用耕地、森林和草地,其中耕地最为明显。同时,2010—2020年人造地表扩张速度较2000—2010年更为迅速。从相互转化的空间分布上看,番禺区人造地表在2000—2010年呈点状增加,之后10 a快速蔓延至全区。人造地表和水体的重心向东迁移,耕地的重心转移则逐步西移,呈“一进一退”的趋势。
关键词：GlobeLand30; 地表覆盖变化; 重心迁移; 番禺区
0 引言
土地利用/覆盖变化(land use/cover change, LUCC)是地表综合集成研究的一个学科基础和前沿领域。遥感技术已成为对地表覆盖变化动态监测的重要手段,各类LUCC基础数据集层出不穷,典型的主要包括美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)的IGBP DISCover数据集(International Geosphere-Biosphere Program's Data and Information System Cover,IGBP DISCover)、欧盟联合研究中心(Joint Research Centre,JRC)的GLC2000土地覆盖数据集(Global Land Cover 2000,GLC2000)、美国波士顿大学(Boston University, BU)的MODIS数据集(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)等[1]。全球30 m地表覆盖数据产品(GlobeLand30)是我国自主研制的首套30 m分辨率、全球尺度的地表覆盖产品,在生态、环境、气候等研究领域均得到广泛应用,数据精度亦得到验证[2-3]。
近年来,土地利用/覆盖变化相关研究中,国内外均关注运用遥感和地理信息系统技术进行LUCC动态监测、LUCC对生态系统服务影响等方面,LUCC时空变化、驱动力分析、模型模拟,以及LUCC对径流的影响也一直是国内关注的焦点[1]。相应地,国内研究热点区域亦多集中于生态脆弱区、流域和人类活动频繁地区(如珠三角、长三角等)[4]。
自2000年广州市政府撤销番禺市设立番禺区后,广州城市空间逐渐向南发展。与此同时,人口集聚以及快速城市化带来的土地资源矛盾日益凸显,建设用地供需失衡[5]。然而,目前涉及番禺区土地/地表覆盖相关的研究大多聚焦于较大空间尺度,如粤港澳大湾区[6],珠三角城市群[7],广东省[8],广州市[9],但总体上看,基于小尺度的、针对番禺区的研究很少,更鲜有长时间序列的时空尺度的分析,这对于区(县)域的政府了解本地生态、资源等问题,制定相关政策,实现区域可持续发展是不利的。
鉴于此,本文基于GlobeLand30 2000、2010、2020年三期地表覆盖数据,在番禺区开展地表覆盖时空演变特征的研究,以期为未来番禺区国土空间规划和城市治理提供科学依据。
1 研究区域和研究方法
1.1 研究区概况
广州市番禺区地处广东省中南部的珠三角中心地带(113°14′～113°34′E、22°45′～23°05′N),东邻东莞,西邻佛山。境内地势平坦,河网众多,东江自东、北部入境,上游来水及本区水系均归依珠江三大口门即虎门、蕉门、洪奇门出海，见图1。市莲路以北为市桥台地,南部是冲积平原,最高峰大夫山海拔226.6 m。作为广州市“南拓”发展战略重点区域,近年来社会经济发展迅速。
图1 研究区地理位置
1.2 研究方法
1.2.1 数据获取
本文使用的番禺区2000、2010、2020年地表覆盖数据来自GlobeLand30官方网站(http：//www.globeland30.org/home.html?type=data)。GlobeLand30数据共包括10个类型,分别是耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪,数据空间分辨率为30 m,官方公布总体精度在83%以上。本文所有数据的统一坐标为WGS84坐标系,投影方式为UTM投影。
1.2.2 地表覆盖转移矩阵
地表覆盖转移矩阵来源于土地利用转移矩阵[10],能够刻画区域地表覆盖变化的结构特征,反映人类活动引导的地表覆盖变化方向。该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述,反映在一定时间间隔下,一个亚稳定系统从T时刻向 T+1时刻状态转化的过程,数学表达形式为
(1)
式中,Sij为研究期初与研究期末的地表覆盖状态;n为地表覆盖的类型数。
地表覆盖转移矩阵中向量可以是地表覆盖类型面积,也可以是期初地表覆盖类型向期末地表覆盖类型转化的概率。本文采用地表覆盖类型面积进行分析。利用 ArcGIS 空间分析功能逐栅格计算并统计不同地表覆盖类型相互转换的面积,得到研究区的地表覆盖转移矩阵。
1.2.3 地表覆盖重心迁移
地表覆盖重心迁移借鉴人口重心分布变化研究[11]。通过ArcGIS软件的空间统计工具箱,可以获得各年份不同地表覆盖类型的重心,通过分析各覆盖类型的重心迁移规律,可以揭示土地和资源空间格局变化,反映时空变化过程和速率。计算公式如式(2)、式(3)所示。
(2)
(3)
式中,Xk为第k类地表覆盖类型的重心X坐标;Yk为在第k类地表覆盖类型的重心Y坐标;Aki为第k类地表覆盖类型中第i个栅格面积;Xki为第k类地表覆盖类型中第i个栅格X坐标的平均值;Yki为第k类地表覆盖类型中第i个栅格的Y坐标的平均值;Ak为第k类地表覆盖类型总面积。
2 结果分析
2.1 地表覆盖变化分析
不同时间地表覆盖类型能够指示区域地表覆盖基本情况及其数量变化趋势。番禺区2000—2020年不同地表覆盖类型情况如表1所示。2000—2010年,番禺区主要地表覆盖类型以耕地(>30%)、人造地表和水体(均>20%)为主,这10年间,各地表覆盖类型变化较为平稳,耕地减少相对明显,年均降幅为1.07%,森林、水体和人造地表均小幅增加,年均变化率均未超过1%。至2020年,人造地表占比由2010年的26.38%增至49.09%,耕地、森林和草地占比则分别从30.34%降至17.77%,13.23%降至7.47%,6.93%降至1.82%,年均变化率均大于4%,其中草地降幅7.37%,人造地表增幅达8.61%。这表明2010—2020年10年间,番禺区城市扩张速度较2000—2010年开始加快,表现为人造地表面积急剧增加,耕地、森林和草地不同程度被挤占。2000年以来,水体面积持续平稳增加,这一方面与农业结构调整和居民生活生产方式改变有关[12],另一方面,从2007年开始,番禺区大力开展水系的综合整治工作,陆续编制了《番禺区生态水系整体规划蓝图》《番禺区水环境治理进行“大兵团作战”工作方案》等政策文件,极大地改善了20世纪八九十年代至2000年初水体恶化的情况。
表1 番禺区2000—2020年不同地表覆盖类型情况
2.2 地表覆盖转移分析
地表覆盖的变化一定程度可反映人类活动对土地的改造情况。表2、表3中的对角线表示未变化的地表覆盖类型,横向反映某一地表覆盖类型转换为其他类型的面积,纵向反映其他地表覆盖类型转变为某一类型的面积。通过分析2000—2020年番禺区地表覆盖转移矩阵,结果显示：
表2 2000—2010年番禺区不同地表覆盖类型转移矩阵 单位：km2
表3 2010—2020年番禺区不同地表覆盖类型转移矩阵 单位：km2
(1)2000—2010年间,减少的耕地面积为35.12 km2,其中66.12%转化为了水体;增加的耕地面积为16.39 km2,78.28%来自水体;森林转化为其他覆盖类型的面积为6.36 km2,主要转化为人造地表54.87%,其他地表覆盖类型转化为森林的面积为10.14 km2,来自耕地(26.53%)、水体(31.36%)和人造地表(39.64%)。草地面积略有减少,表现为与人造地表和水体间的相互转化。水体与耕地间的转化较为频繁,减少的面积(22.53 km2)中56.95%转为耕地,增加面积为30.44 km2,76.28%来源于耕地。人造地表有12.86 km2转出,转化为少部分森林(31.26%)和草地(39.74%),同时有20.74 km2转入,主要来自耕地(33.8%)和草地(33.51%)。
(2)2010—2020年间,耕地转化为其他地表覆盖类型的面积为80.3 km2,其中72.34%转化为人造地表,27.47%转化为水体,从其他地表覆盖类型转化为耕地的面积仅为15.5 km2,主要来源于水体(67.1%)。与耕地大量转为人造地表相似,森林和草地减少面积分别为33.01 km2、26.34 km2,其中分别86.46%、87.59%转向人造地表,两者增加面积仅为3.36 km2和0.02 km2。水体面积转移情况与2000—2010年大体一致,主要体现为与耕地间的转化,不同的是,人造地表对水体的占用更为明显,水体减少面积中53.12%转为人造地表,但由于耕地等转化为水体面积较多,使得水体总面积持续增加。人造地表的转入远大于转出,仅4.78 km2转出,转化为森林、耕地和草地,相应地,转入面积则达121.78 km2,来自耕地(47.7%)、森林(23.44%)和草地(18.94%),约一半人造地表由耕地转化而来。结果表明,番禺区城市扩张对耕地的占用十分明显,这也是2010—2020年地表覆盖相互转化较2000—2010年差异最为明显的部分,人造地表净增加面积为上一阶段(2000—2010年)的6倍,说明过去20 a间,人类建设占用耕地,森林和草地,农用地流失的速度加快,城市化的进程持续加速。
2.3 地表覆盖变化空间格局
图2和图3描述了不同地表覆盖类型相互转化的空间分布,结果显示,番禺区人造地表由2000—2010年的点状增加,之后快速蔓延,至2020年基本填充全区。耕地向人造地表的转化集中在东北(化龙镇、新造镇),西北(石壁街道、洛浦街道)和南部(石碁镇、桥南街道),森林、草地转向人造地表则发生在中部、西部和东部,主要包括南村镇、石楼镇、沙湾街道等。人造地表的扩张方向以沿江、河涌延伸模式为主[13]。
图2 2000—2010年不同地表覆盖类型相互转化空间分布
图3 2010—2020年不同地表覆盖类型相互转化空间分布
区域内各地表覆盖类型的相互转化导致各自重心的变化(图4)。从不同地表覆盖类型重心的转移方向上看,2000—2020年间,森林重心迁移不明显,人造地表和水体的重心向东迁移,与此同时,耕地的重心转移方向与之相反,逐步西移,形成 “一进一退”的趋势[14]。根据《番禺区城乡发展规划(2014—2030年)》,番禺区以“两轴两带四中心”作为引导城市空间发展的基本框架。其中,化龙镇汽车城以及位于石楼镇的广州亚运城分别属于“四中心”的国际创新服务中心和亚运城服务中心,由此可能导致番禺区人造地表重心东迁。同时,退耕、围海等人为活动的进行也使得水体重心同步向东迁移。相应地,由于人造地表和水体均占用耕地,尤其是城镇用地的扩张,造成耕地重心呈现向西移动的趋势。
图4 2000—2020年不同地表覆盖类型重心迁移分析
3 结束语
本文基于GlobeLand30数据,采用地表覆盖转移矩阵、重心迁移等方法,分析了番禺区2000—2020年不同地表覆盖类型的相互转化及其空间分布。研究结果表明：①过去20年间,人造地表面积持续增加,耕地、森林和草地不同程度被挤占,其中对耕地的占用尤为明显。同时,2010—2020年番禺区人造地表扩张速度较2000—2010年更为迅速。②从地表覆盖变化空间格局上看,2000—2010年,番禺区人造地表呈点状增加,之后10年快速蔓延至覆盖全区。人造地表和水体的重心向东迁移,耕地的重心转移则逐步西移,形成 “一进一退”的趋势。由此可见,番禺区用地矛盾问题十分突出,亟须通过复垦现状建设用地和综合土地整治的方式,保持土地资源利用的平衡,以实现社会经济和生态环境的可持续性发展。
通过长时间序列的地表覆盖变化情况,能够了解城市过去土地利用的基本方式和变化情况,但是可持续发展作为LUCC研究的最终目标[1],为保证城市实现可持续发展,对未来城市扩张情景提前进行预警和调控是十分必要的[15-16]。因此,下一步可针对番禺区地表覆盖进一步模拟分析、预测预警,以更科学全面地为未来番禺区发展宏观调控提供决策依据。
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引文格式： 刘梁美子.基于GlobeLand30的番禺区地表覆盖时空变化分析[J].北京测绘,2023,37(3)：390-396.
作者简介：刘梁美子(1995—),女,湖北黄冈人,硕士,研究方向为GIS和RS应用技术研究。E-mail：814186331@qq.com
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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