2000—2010年成都市土地利用空間格局變化分析

張 敏, 宮兆寧*, 江瀏光艷

(1.首都師范大學資源環境與地理信息系統北京市重點實驗室,北京100048；2.首都師范大學三維信息獲取與應用教育部重點實驗室,北京100048；3.四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室,四川成都610066)

土地是人類賴以生存和發展的物質基礎[1-2].土地利用是人類在土地自然屬性的基礎上,對土地施加影響而產生的利用方式和利用狀況,而土地利用變化是人類活動作用于陸地表層環境的一種重要方式和響應[3-4].受自然環境變化和人為影響(如產業轉型、人口遷移等各種復雜的社會經濟影響),土地利用狀況不斷發生變化,朝著有利于人類生活和社會經濟發展的方向變化[5].土地利用變化研究是國際地圈生物圈計劃(IGBP)和國際全球環境變化人文因素計劃(IHDP)的重要內容[6].其研究內容主要集中在不同空間尺度上的土地利用變化過程[7-9]、驅動機制[10]、變化趨勢預測[11]以及環境經濟效益[12-13]等方面.

成都市作為西南地區的“兩樞紐、三中心、四基地”,2000—2010年是成都市發展的重要10年,在這10年中城市化進程、經濟、人均生活水平都有大幅度的提升.然而在追求經濟發展的過程中,土地利用結構也發生了大幅度的改變.研究成都市10年來土地利用變化過程及其驅動力機制,對合理利用土地資源,改善生態環境,實施可持續發展戰略具有重要意義.黃成毅等[14]利用1996年和2002年2期TM影像對成都市6年來的土地利用變化情況及其特點進行分析,結果表明城市用地大幅增加,耕地、林地減少.程武學等[15]利用2005年和2010年2期影像數據對成都市土地利用變化特征進行分析,結果表明在這5年間土地利用的主要轉換類型為耕地向建設用地的轉化.彭文甫等[16]利用生態服務價值系數,對1992—2008年成都市土地利用變化的生態服務價值進行評估,結果表明土地利用變化導致生態服務價值增加.這些研究雖然都關注到了成都市各土地利用類型變化的總面積以及空間變化特征,但都未從土地利用空間分布重心的角度分析土地利用空間格局的變化,也未定量的對驅動力機制進行分析,而且研究時段較短,不足以顯示長時間序列的成都市土地利用變化特征.本文以2000—2010年3期Landsat TM遙感數據為基礎數據,解譯得到土地利用類型圖并分析土地利用資源在數量和空間格局上的變化；在土地利用類型圖的基礎上生成轉移概率矩陣,并結合分析各土地利用類型的重心變化趨勢,揭示土地利用動態變化過程.從氣候、人口、社會經濟、政府政策方面分析引起成都市土地利用變化的驅動力機制.

1 研究區概況

成都市位于四川省中部,四川盆地西部,平均海拔約500 m,總面積12 390 km2.管轄9區4市6縣,總人口1 257.9萬人.東接德陽市、資陽市,西臨雅安市,北依阿壩藏族羌族自治州,南面與眉山市接壤.研究區西北部以山區為主,中部為平原地帶,東南部多為丘陵,其中平原占總面積的36.4%,丘陵占30.4%,山地占33.2%.近20年來,成都市的經濟一直保持著較快的發展速度,尤其是2000年以來,綜合實力顯著增強,城市經濟發展更是邁上了一個新臺階.2000年人均GDP為1.3萬元,2005年人均 GDP增長到2.2萬元,比2000年增長69%；2010年人均GDP為4.8萬元,比2005年增長118%.在城市化和經濟高速發展的過程中,土地利用結構也發生了巨大的變化.

2 研究方法

本文將成都市2000年、2005年、2010年時間序列的TM影像進行預處理,采用eCognition軟件的面向對象分類方法提取成都市土地利用信息.在ARCGIS平臺下,對解譯好的3期土地利用數據進行疊加分析,采用GIS空間分析方法和數理統計方法,建立土地利用變化的轉移概率矩陣,利用轉移矩陣、平均重心等模型分析10年來成都市土地利用的變化過程,并分析引起土地利用變化的驅動力機制(圖1).

2.1 研究數據與處理本文采用的數據資料主要為成都市2000年、2005年和2010年的Landsat TM遙感數字影像、行政區劃圖、氣象和經濟數據等.其中,數字遙感影像主要來源于地理空間數據云平臺和美國地質調查局網站,影像分辨率為30 m；氣象數據由中國氣象科學數據共享網下載；經濟數據由成都市統計年鑒和四川省統計年鑒得來.由于成都市地處四川盆地,大氣云層較厚,受影像清晰度的限制,選取2000年、2005年、2010年4月的影像(影像行列號 130/039、130/038、129/039、129/038),該時間段內,影像云量低于10%,清晰度較高,有利于土地利用信息的提取.本次試驗基于ENVI 4.8平臺對影像進行預處理,首先利用FLASH工具對每個時期的4景影像分別做大氣校正,消除由大氣散射引起的遙感影像輻射誤差；其次對影像進行幾何校正,糾正影像成像過程中的幾何偏差；將每一時期的4幅影像進行鑲嵌,鑲嵌完成后利用成都市行政邊界對其進行裁剪.

采用eCognition軟件提供的面向對象分類方法,結合實地調查、Google Earth軟件等其他工具對3期預處理后影像進行解譯,參照《土地利用現狀分類》國家標準,結合成都市土地結構特征,將研究區分為耕地、林地、建設用地、水域、其他土地5類用地類型；圖2～4為3期遙感影像分類結果.

在ARCGIS 10.0軟件中,對解譯好的3期土地利用數據進行空間分析,利用ModerBuider工具構建數據處理流程,提高數據處理效率,從而建立土地利用變化的空間數據庫和屬性數據庫.本文利用Clip、Select、Identify、Dissolve 工具構建各土地利用類型的統計模型；利用 Intersect、Eliminate、Dissolve工具構建2期土地利用數據疊加模型.數據處理技術具體流程如圖1.

2.2 土地利用變化率土地利用變化率可以直觀地反映土地利用類型變化的速度.表達某種土地利用類型在一定時間范圍內的數量變化情況.土地利用變化率的計算公式如下

其中,KT為研究時段內區域某一種土地利用類型變化率；Ua、Ub分別為研究時段開始與結束時該土地利用類型的面積；T為研究時段,當設定為N年時,模型結果表示該區此類土地利用類型的N年變化率[7].

2.3 土地利用轉移矩陣土地利用的轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態和轉移的定量描述[17].在矩陣中,行表示土地利用類型的轉出面積,列表示土地利用類型的轉入面積.轉移矩陣能夠全面清晰的反應區域土地利用結構的特征以及各土地利用類型的轉移方向.基于ARCGIS 10.0平臺對成都市2000年、2005年、2010年的土地利用數據進行空間疊加分析,得到土地利用轉移矩陣.土地利用轉移矩陣的數學形式如下

其中,Aij表示第i種土地利用類型向第j種土地利用類型轉移的面積,n表示土地利用類型數.土地利用轉移矩陣計算結果見表1.

2.4 土地利用空間分布重心模型土地利用空間重心可以反映土地利用類型在空間上的集中情況,通過對期初和期末土地利用空間分布重心的比較,分析研究時段內土地利用類型的空間分布特征.數學表達式如下:

式中,Xj(t)、Yj(t)表示土地利用類型j的重心坐標；t為時間變量；Nj(t)表示土地利用類型j的斑塊個數；Cij(t)是土地利用類型j的第i個斑塊面積；Xij(t)、Yij(t)表示土地利用類型j的第i個斑塊的幾何中心經緯度坐標[18].利用平均重心模型,計算2000—2010年成都市的土地利用空間分布重心,分析其重心變化特征.

3 土地利用空間格局變化

3.1 土地利用結構和數量變化土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質量變化[12].土地利用變化幅度體現其在面積上的變化,它反映了不同類型在總量上的變化,通過土地利用變化幅度的分析可以了解各土地利用類型變化的總體勢態.

表1 2000—2010年成都市土地利用轉移矩陣Table 1 The transition matrix of Chengdu land use during 2000 to 2010 hm2

表2 成都市2000—2010年土地利用面積變化Table 2 Changes of land use area in Chengdu during 2000 to 2010

對成都市3期土地利用數據(圖2～4)分別進行土地利用類型的統計分析,計算各土地利用類型的變化率,得出表2的結果.結果顯示,2000—2010年,耕地和林地一直是成都市的主要土地利用類型,但耕地面積比重出現大幅下降,由54.25%下降到47.38%,林地面積略有下降,但下降幅度不大,與2000年相比基本持平.10年間城市建設用地增加了90 854.77 hm2,面積比重由2000年的8.38%增加到15.88%,主要是由城市人口增長和城市化發展引起.水域面積變化不大,有輕微的波動,10年只增加了151.73 hm2；其他土地如裸地、荒地、草地等減少了3 800.98 hm2.

10年來成都市土地利用變化速度較快,其中建設用地變化最快,年變化率達7.62%；耕地由于基數較大,年變化率只有1.3%；林地和水域變化速度較慢,年變化率分別為0.09%和0.18%.上述結果表明,城市化進程的加劇是導致成都市土地利用變化的主要原因.

3.2 土地利用類型轉換從土地利用類型的轉出上看,2000—2005年間耕地面積主要轉變為建設用地,有少部分轉移成水域和其他土地,其中轉變為建設用地的面積為26 140.74 hm2；建設用地有235.04 hm2轉變為耕地,179.16 hm2轉變為水域.水域面積主要轉變為了其他土地,面積達2 087.78 hm2.其他土地有1 949.17 hm2轉化為水域,439.73 hm2轉化為建設用地.2005—2010年間大量的耕地轉換為建設用地面積達58 418.25 hm2；林地面積主要轉變為建設用地和其他土地,面積分別為1 866.78、1 183.78 hm2.建設用地轉變為耕地面積最多,為1 918.23 hm2,其次為其他土地和水域,面積分別為360.8和2.19 hm2.水域面積主要轉變為建設用地,達775.23 hm2.其他土地轉變為建設用地面積最多,為 5 252.8 hm2,其次是耕地為1 996.52 hm2,有少部分轉化成水域.

從土地利用類型的轉入上看,2010年研究區建設用地面積的43.32%、2.9%、1.02%、0.67%分別由耕地、其他土地、林地、水域轉化而來(圖5(a)),建設用地增長迅速,且增長的建設用地面積中有90.71%來自于耕地面積的減少.建設用地對耕地的大規模侵占主要發生在2005—2010年(圖5(c)).耕地和林地的轉入極少,呈現持續負增長趨勢.水域面積的15.57%、7.35%、6.01%、1.23%源于其他土地、耕地、林地和建設用地(圖5(a)),且水域的面積的擴張主要發生在2000—2005年(圖5(b)).

3.3 土地利用主要轉換類型分析運用ARCGIS 10.0建立疊加模型對2000年和2010年土地利用數據進行疊加分析,得到土地利用類型轉換圖,由于生成的轉換類型共有25種,導致圖像顯示繁雜且不利于分析,本文選取變化幅度較大的6種轉移類型進行分析,最終得到成都市10年間土地利用主要轉換類型圖(圖6).

從圖中可以看出,10年來成都市土地利用類型轉換最多是耕地向建設用地的轉變,其次是其他土地、林地向建設用地的轉變.第1種轉變主要集中在主城區與近郊區的交界處以及各區縣縣城附近,其中以主城區與近郊區的過渡帶最為明顯,從主城區向郫縣、溫江、龍泉驛區3個方向的延伸是主城區向外擴張的3個主要方向,在這3個方向上耕地大面積轉變為建設用地,同時南延線一帶建設用地也在迅速增加.第2種轉變類型主要集中在各區縣縣城周圍.耕地、其他土地和林地大幅度轉向建設用地,這與經濟高速發展、城市化速度加快有著密切的關系.

3.4 土地利用類型重心轉移土地利用重心反映各土地利用類型在空間各方位上的消長情況,若土地利用在研究區內均勻消長,其土地利用重心基本不變,反之重心則發生偏移[19].利用空間分布重心模型,計算出2000—2010年3期土地利用類型的重心及偏移情況(圖7).受自然環境和人為影響,10年來成都市土地利用重心發生了明顯的偏移.2000—2005年,耕地重心向西偏北0.52°偏移0.24 km；林地僅偏移0.062 km；建設用地偏移3.326 km,偏移方向為東偏南 22.48°；水域向西偏北59.31°方向偏移5.016 km；其他土地向西偏南方向65.18°偏移1.271 km.2005—2010年,耕地重心偏移0.669 km,偏移方向為東偏南84.76°；林地偏移量僅0.019 km；建設用地偏移0.545 km,偏移方向為53.96°；水域偏移0.93 km,偏移方向為西偏南36.93°；其他土地向西北方向偏移0.93 km.2000—2010年成都市耕地總體偏移10.687 km,偏移方向為西偏南74.94°；建設用地偏移了3.494 km,偏移方向為東偏南13.76°；水域偏移了5 km,偏移方向為西偏北48.66°；其他土地偏移了0.937 km,偏移方向為西偏北45.85°.10年間林地偏移量極少,僅0.073 km,可以認為林地在10年內基本保持穩定,重心不變.建設用地主要向東部和南部擴展,而耕地、水域和其他土地重心大量往西部和北部移動,說明建設用地向東南的推進與其他類型土地的后退呈現出空間耦合.

4 土地利用變化驅動力機制分析

通過以上數據研究分析,10年來成都市城市化速度迅速,城市范圍不斷向郊區擴展,耕地等農用地隨之被占用.其中城鎮建設用地的大幅度增加是10年來成都市最明顯的土地利用變化.本文主要對引起城鎮建設用地變化的驅動力機制進行討論.

1)氣候因素.氣候因素主要有氣溫和降水量,利用成都市2000—2010年的城鎮建設用地面積分別與氣溫和降水量做相關分析(圖8、9),分析結果顯示城鎮建設用地面積與氣溫和降水量相關性較小,相關系數分別為0.118 1和0.259 3.這表明在研究時段內氣候因素與城鎮建設用地變化關系不大,不是導致其變化的原因.

2)人口因素.人類通過改變土地利用的方式來滿足對生存環境的需求,人口的增加必然會使人類對城市用地的需求增加,這也是城鎮建設用地擴展最為直接的原因.2000—2010年成都市總人口穩定增長,從2000年的1 013.35萬人增加到2010年的1 149.09萬人,年增長率為1.34%.通過對2000—2010年成都市總人口與城鎮建設用地面積進行曲線擬合發現,二者由對數擬合效果最優(圖10),相關系數達到0.830 4,具有較高的相關性.說明城鎮建設用地面積的增加與人口增長有著密切的聯系.

3)社會經濟因素.社會經濟的迅速增長改變了土地利用的數量、結構和利用方式,尤其是二、三產業的發展,直接帶動了建設用地的擴張,同時,經濟的發展還會刺激城市人口增加.人均GDP最能反映一個城市的社會經濟水平.2000—2010年是成都市經濟飛速發展的10年,以房地產業為主的第三產業發展迅速.人均GDP從1.29萬元猛增到4.25萬元,年均增長率為22.94%.通過對2000—2010年成都市人均GDP與城鎮建設用地面積進行對數曲線擬合(圖11)發現,二者具有很高的相關性,相關系數達到0.935 2,說明社會經濟因素是推動成都市城鎮建設用地擴張的主要因素.

4)政策制度因素.政府政策制度對土地利用變化有著強制性的影響[20].從研究區10年的土地利用時空變化上看,政策制度對其變化起著直接作用,城市規劃和土地利用總體規劃方案的調整等政府行為也直接影響到土地利用的變化.如成都東客站、成都雙流機場第二跑道和新航站樓的規劃建設政策,直接促使了周邊大量耕地等其他土地向建設用地的轉變；政府提出規劃建設天府新區,吸引了大批的二、三產業入駐成都,進一步推動成都市的社會經濟發展城鎮化建設,這些都必將改變成都市的土地利用結構和方式.另外,由于國家對環境保護的重視,政府將大量污染嚴重的企業遷出城區,也會改變土地利用格局.

5 結論

本文利用長時間序列Landsat TM影像,采用面向對象的分類方法進行遙感解譯,從數量和空間格局上分析了成都市2000—2010年土地利用變化特征,并簡要分析其驅動力機制.研究表明:

1)研究區在2000—2010年間土地利用結構發生了大幅度的變化,建設用地面積顯著增加,而耕地明顯減少.10年來成都市建設用地增加90 854.77 hm2,年均增加率達7.62%；耕地、林地和其他土地面積都有不同程度的減少,其中減少最多的是耕地,減少了83 346.9 hm2,年均減少率為1.3%.說明建設用地擴張的結果是大量的耕地被占用.

2)2000—2010年間,各土地利用類型之間的相互轉換比較突出.耕地面積的減少主要轉變為建設用地；林地面積的減少主要轉變為建設用地；建設用地的減少主要轉變為耕地；水域面積的減少主要轉變為其他土地；其他土地則主要轉變為耕地、建設用地和水域.到2010年,建設用地面積的43.32%來自于耕地,其中轉入最多的是2005—2010年.

3)成都市耕地轉換為建設用地的區域分布最廣泛,占成都市總面積的6.9%.主要分布在成都市主城區與近郊區的交界處,以及各區縣縣城附近；以主城區與近郊區過渡帶最為明顯.

4)2000—2010年間,各土地利用類型的重心發生了明顯的偏移,其中偏移最明顯的是建設用地,到2005年建設用地的重心從溫江區偏移到青羊區,往東南方向偏移明顯；10年來林地偏移量最小,僅0.073 km；由于建設用地往東南方向擴張,使得耕地、水域和其他土地往西南、西北方向移動.

5)通過對影響城鎮建設用地擴張的溫度、降水量、人口、人均GDP的偏相關分析發現:社會經濟的發展是城鎮建設用地擴張的根本驅動力,它不但自身對土地利用結構產生影響,而且還通過刺激人口增長進一步推動城鎮建設用地的擴張.

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