1975— 2016年济南市南部山区土地利用及 其地形控制特征
崔晓庆1，2，于泉洲1，汤庆新1，刘煜杰3，吕建树4，李彩虹1
(1.聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059； 2.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；3.中国环境科学研究院 生态文明研究中心，北京 100012； 4.山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)
[关键词] 土地利用/覆被变化；Landsat遥感数据；地形因素；济南市南部山区
[摘 要] 基于Landsat遥感数据，解译分析了济南市南部山区1975—2016年5个时期的土地利用特征，并结合数字高程模型数据和空间分析方法，研究了地形因素对土地利用结构的控制特征。结果表明：①41年间南部山区土地利用/覆被类型以林地和草地为主，两者面积之和占比长期在70%以上；耕地和建设用地次之，且耕地整体呈下降趋势，建设用地逐年增加；水域面积占比小且稳定；未利用地占比最小且呈减少趋势。②地形条件对土地利用的空间格局具有明显控制作用。随着高程的上升，土地利用结构由耕地和建设用地为主转变为林地和草地占主导；在坡度小于2°的平坦区域以耕地和建设用地为主，在缓坡地土地利用结构由以草地为主、耕地为辅转变为耕地、建设用地和草地相对均衡的状态，陡坡地则以林草地为主；阴坡林地占主导，阳坡草地占主导，耕地和建设用地在阳坡的面积显著高于阴坡。③南部山区土地利用变化特征是在地形因素控制与社会经济因素的驱动下形成的。
土地利用/覆被变化(LUCC)研究是全球变化科学的热点研究领域[1-2]。随着遥感技术的出现，LUCC研究表现出大区域、短周期和愈加细致的特征[3]。从20世纪70年代美国的地球资源技术卫星计划到80年代开始利用气象卫星进行洲际尺度土地覆被的研究，再到90年代后众多商业遥感卫星的应用，土地覆被的遥感监测在频率和精度方面都日益提升[4]。改革开放以来，随着经济社会的发展，土地利用强度不断加大，LUCC研究已成为我国全球变化研究的热点领域[5]。如：刘纪远和布和敖斯尔[6]对中国土地利用变化的时空特征进行了研究，提出了土地利用动态度模型，该模型得到了广泛的应用；近期刘纪远等[5]又提出了土地利用动态区划法，以研究土地利用的格局特征。
济南市南部山区位于泰山山脉北翼，地理位置独特，是济南市若干泉群的集水区和饮用水源地，被称为“省城后花园”。当前，武红智等[7-8]已对该区域进行了一定的研究。然而，对于该区长时间序列的LUCC研究比较缺乏，并且已有研究所选的研究区也有差异。同时，由于近20年来经济的快速发展，南部山区作为重点旅游资源进行了大面积的国土开发[9]，因此相比20世纪70、80年代，区域土地覆被和景观特征都发生了深刻变化。为此，本研究利用1975—2016年的5期Landsat系列卫星遥感数据，分析济南南部山区LUCC特征，并着重揭示南部山区地形因素对LUCC特征的控制作用，以期为济南市南部山区及类似山区的土地资源可持续利用提供一定的指导。
1研究区概况
济南市南部山区是指位于泰山山脉背斜济南市境内的山地丘陵区。济南市南部山区没有明确的区域边界，但一般认为包括市中区的党家街道与十六里河街道部分区域，历城区的仲宫街道、柳埠街道、西营镇，以及港沟街道和彩石街道的部分区域，总面积约为837 km2(图1)。该区属于暖温带大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期，山区多为石灰岩和泰山变质岩低山丘陵地貌，植被丰富[9]。近年来，区域经济社会的发展使土地利用结构发生了显著变化，对生态环境也造成了一定影响。
图1 济南市南部山区位置
2数据来源与研究方法
2.1 数据来源
本研究采用美国地质勘探局提供的Landsat系列卫星数据为主要数据源(见表1)。此外，还使用了30 m分辨率的DEM数据及济南市行政区划图(2009年版本)。
表1 遥感影像数据信息
注： DOY指Day of years,一年中的第几天。
2.2 研究方法
2.2.1 土地利用/覆被分类系统
(1)大跨段开挖后拱顶下沉与拱顶回弹量值较大，不但要采用超强小导管预支护措施，对工作面前方岩体进行预加固以控制拱顶沉降，防止坍塌险情发生，还应该及时施作隧道仰拱，使初期支护体系快速闭合成环联合发挥作用，以有效抑制拱底回弹。
结合济南市南部山区的土地利用现状及研究目的，将济南市南部山区的土地利用/覆被类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类，具体类型说明见表2。
高程300 m以上的区域多为山腰以上的斜坡和陡坡地，水源稀少，土地利用类型以林地和草地为主，土地利用结构较稳定。但41年间，林地和草地面积占比有明显变化，林地持续增加，草地则稳中有降。另外，区域建设用地和耕地虽然占比较少，但是表现出耕地减少、建设用地增加的特征，尤其在2006—2016年间最为明显。
表2 济南市南部山区土地利用类型
由济南市南部山区LUCC图谱(图2)可见，济南市南部山区土地利用/覆被类型呈现明显的空间异质性。其中，林地和草地主要分布在研究区的中东部，耕地和建设用地主要位于西部，而水域在41年间未发生明显变化，主要分布在中西部的锦绣川和卧虎山两大水库区域。建设用地面积增加明显，且具有随着交通干道不断扩张蔓延的趋势，尤其在研究区西部及公路沿线增加最为显著。另外，水域和未利用地占比很小，且未利用地呈显著减少趋势。
在ENVI软件中对遥感影像进行多波段融合、辐射校正、大气校正等预处理，并基于2016年的Landsat8影像对其他年份影像进行相对几何校正，然后进行统一裁剪。根据目标地物在影像上的颜色、形状、空间位置三方面特征，结合已有资料并基于不同卫星影像建立不同土地利用类型的解译标志。采用监督分类与目视解译相结合的方法对影像进行人机交互解译。
通过监督分类的样本区建立混淆矩阵进行分类精度评价。1975、1985、1996、2006、2016分类精度分别为81.46%、94.68%、88.04%、92.50%、86.59%，相应kappa系数分别为0.738 4、0.912 8、0.841 0、0.891 0、0.805 3。总体解译精度满足要求。
2.2.3 地形因素及其分级
根据原国土资源部2004年颁布的《土地利用更新调查技术规定(试行)》中关于耕地坡度的分级标准，结合南部山区地形特点及相关文献[8]，将研究区内地形因素分为高程、坡度和坡向，其中高程和坡度分为5级，坡向分为4级，详见表3。
表3 地形因子分级
注： 无坡向地没有朝向，被赋值为-1°。
LUCC特征的地形因素影响分析采用ArcGIS中的3D分析和叠置分析功能。将DEM数据统一到Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_102E坐标系；基于南部山区DEM提取其坡向和坡度信息；根据表3分级标准对高程、坡度、坡向进行重分类并与土地利用分类图进行叠加运算，统计出不同地形条件下的土地利用信息。
3南部山区 LUCC特征分析
3.1 南部山区LUCC总体特征
2.2.2 遥感影像解译及精度评价
对41年间5个时期的土地利用/覆被类型面积进行统计，结果见表4和图3。分析可知，济南市南部山区的主要土地覆被类型为草地和林地，41年间两类面积之和均超过区域面积的70%，说明林草覆被为主的土地利用结构相对稳定。林地呈现先下降后上升的特征，而草地呈现动态趋稳的特征。同时，41年间耕地和建设用地发生了明显的结构性变化。建设用地面积持续增加，由1975年的3 222.72 hm2增加到2016年的10 508.40 hm2，尤其在1996—2006年的10年间南部山区建设用地面积增加最快，平均每年新增建设用地约467.75 hm2。耕地面积则在短暂增加后，从1985年开始持续下降，到2016年南部山区耕地面积已经少于建设用地面积，土地利用结构发生了明显变化。
图2 1975—2016年济南市南部山区LUCC图谱
表4 1975—2016年济南市南部山区土地利用/覆被变化统计
图3 1975—2016年济南市南部山区土地利用/覆被变化
3.2 地形因素对LUCC特征的影响
将分级的地形因素与不同时期的土地利用类型图进行叠加分析，统计得到不同地形条件下的土地利用信息，然后从高程、坡度、坡向三个方面对研究区土地利用结构类型及其变化特点进行分析。
3.2.1 不同高程区域的LUCC特征
3.2.4 地形因素对土地利用/覆被类型的综合影响
对所取地区土壤进行重塑得到新的试样，分别按无根系、少根系、浅根系、深根系制作试样，每组4个试件，共16个。
高程200 m以下低海拔区域主要是平坡和缓坡地，水资源丰富，是人类活动集中的区域。由表5可知，该区域土地利用结构较简单，以耕地为主。41年间，该高程区域耕地面积占比先增后减，在1985年达到最高的61.71%，2016年减少为40.97%；建设用地面积持续增加，由1975年的不足10%增加到30%以上；草地、林地都处于减少状态，水域面积占比相对稳定，未利用地呈减少趋势。
表5 基于高程分级的5个时期土地利用类型面积占比统计
高程200～300 m的区域主要是缓坡地和斜坡地，水源较少，土地利用结构相对复杂，以草地和耕地为主。41年间，该高程区域草地稳中略减，耕地减少明显，建设用地则明显增加。
对比２种回归模型结果可以发现，Logistic回归模型更偏向于相信身边选择校园贷的人愈多，本身选择校园贷的可能性就愈少，而逐步回归模型倾向于“近墨者黑”的思想，即身边陷入校园贷的人愈多，本身选择校园贷的可能性只会更高．不言而喻，逐步回归模型更接近现实生活情况．此外，开销占比指的是当月开销占当月生活费的比例，现实中大学生的生活费处于供不应求的状态时，更容易选择校园贷，这与逐步回归模型的结果一致，但Logistic回归却认为占比越低越容易贷款，这违背了经济学的需求平衡．
3.2.2 不同坡度区域的LUCC特征
坡向大于0°的不同坡向地形成了以林草地为主、耕地为辅的土地利用结构。该区域土层较薄，水源较少，因此耕地和建设用地所占比例较小。
2.2.1 总有效率 纳入研究中有 11 篇［8‐10，12，14‐18，20‐21］报道了临床总有效率，其中低剂量组487例患者，有效436例，总有效率为89.53%；标准剂量组467例患者，有效439例，总有效率为94.00%。各研究间无异质性（P=0.93，I2=0%），采用固定效应模型进行Meta‐分析（图1）。结果显示两组总有效率比较差异有统计学意义（RR=0.95，95%CI=0.92～0.99，P=0.01）。
采用SPSS 17.0统计软件进行统计分析。应用x2检验分析评估各相关因素与手术部位感染之间的关联，单因素分析有统计学意义的纳入多因素分析，多因素分析采用Logistic回归模型，所有检验均为双侧检验，P＜0.05表示差异具有统计学意义。
表6 基于坡度分级的5个时期土地利用类型面积占比统计
阴坡和阳坡由于水热条件和光照的不同，其土地利用结构具有明显差异。首先，林地和草地在阴坡和阳坡的分布比例呈显著差异，阴坡以林地占主导，阳坡以草地占主导。其次，耕地和建设用地呈现出在阳坡分布面积显著高于阴坡的特点。此外，从时间变化看，阴坡、阳坡和半阴坡三种坡向的土地利用变化趋势具有相似性，说明了坡向对土地利用结构变化的影响较小。从同一时期的空间变化看，由于阳坡日照充足，太阳辐射量较多，热量丰富，有利于农作物的生长，而阴坡日照较少，太阳辐射量偏少，湿度大，有利于中生性植物生长，因此从阳坡、半阴坡到阴坡地，草地和耕地面积逐渐减少，林地有较明显的增加。这说明受自然条件的影响，不同坡向对土地利用结构的分布具有一定的控制作用。
坡度在2°～6°之间的缓坡区域，41年间土地利用结构发生了较为明显的变化，由早期草地为主、耕地为辅的结构类型，发展成为当前耕地、建设用地和草地三足鼎立的利用结构。1975年草地占比大于耕地，到1985年耕地占比大幅度增加。近年来，土地利用结构变化趋势为草地稳中略升、耕地明显减少、建设用地持续上升，到2016年草地、耕地、建设用地所占比例基本持平。这可能是因为该区域坡度不大，土层较厚，适合耕地和建设用地的开发利用，也表现出草地和耕地转变为建设用地的特征。
步骤3：采用ANP，通过一致性检验，求得网络层二级风险因素的超矩阵，继而得出风险因素相对于上层风险因素的权重；
坡度大于6°的斜坡和陡坡区形成了以林草地为主的土地利用结构，水域所占比例极少。41年间的土地利用变化趋势为耕地和林地处于减少状态，草地稳中有增，建设用地稳中略增。这可能是与该区域地势陡峭，土层较薄，水源稀少，不适合作为建设用地，也不利于农业开垦有关。从表6数据看出，随着坡度的增加，林地和草地增加，而建设用地和耕地减少。
3.2.3 不同坡向区域的LUCC特征
基于坡向分级的5个时期土地利用类型面积占比统计见表7。
表7 基于坡向分级的5个时期土地利用类型面积占比统计
由表7可看出，坡向小于0°的无坡向地，近年来林草地占比有较为明显的下降，耕地稳中有降，而建设用地则持续增加，到2016年耕地和建设用地所占比例基本持平，形成了以耕地和建设用地为主的土地利用结构。
基于坡度分级的5个时期土地利用类型面积占比统计见表6。
坡度≤2°的区域地势平坦，水土资源丰富，适宜耕种，对建设用地扩张的限制也较小，因此该坡度区域土地利用结构以耕地、建设用地为主。由表6可知，41年间建设用地的快速增加使其在该区域内所占比例明显上升，耕地面积总体上则呈现减少的趋势，存在较明显的耕地转变为建设用地的特征。
供应商是根据使用单位的意见和安全工器具厂家的宣传来确定的，在安全工器具的采购过程中，经常会出现对生产厂家了解不彻底，对工器具的质量没有仔细的进行检查就购进的问题，使得安全工器具的质量得不到保证，在使用很容易出现质量问题；还有就是安全工器具在使用过程中使用不当，不按照安全工器具的要求进行使用，例如不系安全带、不戴安全帽等现象很容易出现伤亡事故。
基于高程分级的5个时期土地利用类型面积占比统计见表5。
地形条件在一定程度上决定了土地利用的结构和类型。从分布规律来看：耕地和建设用地主要分布在海拔低于300 m、坡度小于6°的阳坡地；草地和林地主要分布在海拔高于300 m、坡度大于6°的坡地上，且草地多分布于阳坡而林地多分布于阴坡；水域主要分布在海拔小于200 m且坡度小于2°的平地上，主要为研究区内的两大水库。随着高程和坡度的增加，林地和草地所占比例逐渐增加，其他土地利用类型面积占比则逐渐下降；坡向由阴转阳，除了林地有较为明显的减少，其他土地利用类型均逐渐增加。这揭示了林地的空间分布格局受到了地形因素引起的水热条件差异的影响。地形因素影响土地利用结构的形成及利用类型的差异，但同一地形条件下土地利用类型的变化则主要受人类活动的影响。
3.3 驱动力分析
土地利用/覆被变化的驱动力一般归因于自然和社会经济发展两方面。自然因素尤其是地质地貌特征往往对土地利用结构具有宏观的控制作用，而社会经济因素主要影响土地利用的变化趋势和速率，对土地利用结构的影响相对较小。
济南市南部山区多为低山丘陵，地势起伏不平，此地形特征决定了林地和草地为其主要的土地利用类型。南部山区的自然环境特点为土地利用类型的分布格局和演化方向设定了地理背景条件，使不同的土地利用类型在不同的地貌区域呈现规律性的分布。同时，区域人口增长、经济发展和政策规划等人为因素的影响也较明显。南部山区城镇化进程的逐渐加快，导致建设用地规模逐渐扩大、耕地面积明显减少。该区地貌旅游资源丰富，2000年以来旅游业的兴起也一定程度上改变了当地的土地利用/覆被特征[9-11]。
另外，政府做出的一系列规划对南部山区土地利用变化起到了较大的导向性作用：2001年政府批准设立南部山区生态功能保护区；2002年将南部山区纳入山东省生态功能保护区；2003年提出“东拓、西进、南控、北跨、中疏”的济南市发展战略，其中“南控”即控制济南市城镇建设向南部山区发展，把南部山区纳入济南市重点生态保护范围[11-12]；2006年提出“在保护中发展，在发展中保护”的原则，全面规划了南部山区的空间结构、资源开发、环境保护和经济持续发展策略[12]。这一系列政策措施使得南部山区生态环境在近10年得以改善，植被覆盖率有所提高，建设用地增速有所减缓。2016年济南市政府成立南部山区管理委员会，并提出了“共抓大保护，不搞大开发”的规划目标定位。可以预见未来南部山区的保护性开发必将更加科学合理。
4 结 论
(1)济南市南部山区土地利用率较高，表现出以林地和草地为主的土地利用结构特征，林地、草地和耕地一直是其主要的土地利用/覆被类型。随着社会经济的发展，济南市南部山区土地利用/覆被类型之间转化明显，总体呈现出林地、耕地和未利用地大量减少，建设用地持续增加，草地和水域面积基本保持稳定的特征。
根据《管井技术规范》，计算得出有效滤管长度约为20 m，一般情况下，有效滤管长度占据总滤管长度的50%～85%，考虑井损的影响，暂取HW3为21 m；经过计算，降水井深约71 m。
(2)不同地形条件下(高程、坡度和坡向)形成的土地利用结构存在明显差异。从同一时期的空间差异看，随着高程和坡度的增加，建设用地和耕地面积所占比例下降，林地和草地面积呈现较大幅度的上升趋势，地形条件的控制作用较为明显。不同坡向的土地利用结构存在一定的差异，阴坡和阳坡土地利用类型差异明显，但坡向对土地利用结构变化的影响比较小。
另外，由于滚筒上吸孔取种的位置将直接影响到吸孔的吸种准确性，所以种箱高度也是一个重要的设计参数。研究中发现，吸孔吸起滚筒外壁垂直距离较高的种子比相对位置较低的种子更加容易，所以在安排种箱和滚筒相对位置时，可以将箱体底部靠近滚筒处安排在滚筒中心轴轴线所在水平平面内，以便于吸孔吸种和取种。
我们提出将单层的荧光颗粒修饰在凝胶基底的表面，代替了传统的将多层荧光颗粒三维分布于凝胶基底内部的方法。采用激光扫描共聚焦显微镜的荧光模式，沿Z轴方向由下而上寻找荧光颗粒的最下层，然后间隔0.4μm逐层扫描至荧光颗粒的最上层。同一时刻，共采集8层荧光图像作为三维散斑图像，Z方向深度降低到3.2μm，远远低于传统方法(几十微米)[20,28]，有效地降低了光毒性对细胞的伤害。由于细胞迁移会引起荧光颗粒沿Z轴方向的运动，因此，为了得到全场荧光颗粒的位置信息，沿Z方向采集的范围大于荧光颗粒本身的直径。
(3)南部山区LUCC的时空格局特征主要是地形因素控制下的经济社会发展因素驱动的。地形因素控制着土地利用结构的宏观格局，而经济发展因素主导了不同土地利用类型间的流转，尤其是建设用地与耕地之间的转换。
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[中图分类号] F301.24
[文献标识码] A
[文章编号] 1000- 0941( 2019) 08- 0051- 06
[基金项目] 国家自然科学基金项目(31800367)；山东省自然科学基金项目(ZR2017MD017)；聊城大学大学生创新训练项目(201810447095)
[作者简介] 崔晓庆(1996—)，女，山东济南市人，硕士研究生，研究方向为土地利用与土地覆被变化；
通信作者 于泉洲(1983—)，男，山东济南市人，讲师，博士，硕士生导师，主要从事生态遥感研究。
[收稿日期] 2018-12-20
(责任编辑 徐素霞)
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