基于ArcGIS的河南省土地利用變化特征研究*

王肖芳

(河南財政金融學院工商管理學院, 鄭州 450046)

0 引言

土地是人們賴以生存及繁衍的重要資源，人們常將地球表面陸地由泥土和砂石組成的場所稱作土地。隨著城市化、工業化快速發展，經濟發展對土地資源的依賴度有增無減。土地利用變化作為全球環境變化的重要原因之一，對景觀格局、景觀等級產生重要的影響。

目前，已有多數學者和專家對這方面開展全面的研究，形成相對成熟的理論體系。劉紀遠等[1]研究稱，土地利用變化研究應該包括變化監測、驅動力分析、全球變化對土地利用的影響、土地利用變化預測的建模以及土地利用變化導致的生物地球化學過程等。李平等[2]指出，我國現階段土地利用變化驅動力存在空間差異，不同地區的土地利用變化情況不同。柴宏博等[3]以無錫市為研究對象，研究該區域2001～2008年土地利用情況與景觀格局演變特征，說明無錫市存在突出的土地非農化和農用地非耕地化問題。倪杰、徐躍通等[4]以山東濟寧省為對象，探析該地區土地利用及覆被空間格局演變情況，并得出人類活動對土地利用變化的影響已經超過了自然因素。

而在土地利用變化研究方法及途徑方面，比較常見的是利用ArcGIS軟件。ArcGIS軟件可以用來創建地理數據庫并構造信息和知識，編輯地理數據集，建立數據編輯和質量控制的工作流，創建地圖和分析模型并將工作和方法記錄成文檔。蘭寅等[5]通過ArcGIS軟件，生成了銅仁市濱江旅游大道的不規則三角網圖，并用于后續研究，指出該方法不需要投入大量的設備，成本低，速度快，值得大力推廣使用。劉立國等[6]于2011年就ArcGIS軟件生成土地利用現狀圖的步驟過程進行了詳細說明，主要介紹了制圖綜合的原理，借助ArcGIS軟件提供的功能模塊及編輯工具，進行人機分工，交互式完成土地利用現狀圖的縮編。趙德[7]利用ArcGIS軟件提取TM影像波段值，并計算植被指數，用于研究青海省海南藏族自治州天然草地植被特征。張霞[8]等以ArcGIS為技術平臺，結合景觀分析軟件Fragstats3.3，應用空間分析法和景觀指數分析法，分析了重慶市低山丘陵區農村居民點分布格局及其影響因素。

現階段，河南處在綜合實力和社會經濟快速發展的時期，保障國家糧食安全任務艱巨。因此，其對土地資源的需求更強烈。但該地區在發展中存在各類用地盲目擴張、低效率用地等問題，制約河南省經濟的發展。如何處理好經濟可持續發展與土地高效率利用之間的關系，成為河南省急需研究和解決的問題。現已涉及的關于河南省土地利用變化特征及空間布局的研究比較薄弱[9]。該文以河南省為研究對象，在地理信息和遙感技術的支持下，借助ArcGIS軟件，深入分析2005～2010年土地利用變化情況，以期為日后合理開發、利用土地資源提供一定指導。

1 研究地概況

河南地處我國中部偏東、黃河中下游地區，與河北省、安徽省、陜西省等地毗鄰，河南界于北緯31°23′～36°22′，東經110°21′～116°39′之間。地勢西高東低，西、南兩地多為丘陵、山地，東、中、北部均為遼闊的平原地帶，省域面積約為16.70萬km2，其中，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.70%、26.60%和17.70%。河南省土地利用主要以耕地、林地及建設用地為主，自20世紀90年代末，耕地逐漸向建設用地轉化。河南省境內流域面積100km2以上的河流有493條，分別屬于黃河、海河、長江和淮河四大水系。河南省屬于溫度大陸性季風氣候區，全省由南向北年平均氣溫為15.7～12.1℃，年均降水量532.5～1 380.6mm，降雨以6～8月份最多，年均日照1 848.0～2 488.7h。綜上所述，優越的地理位置、適宜的氣候條件、肥沃土地等資源，為河南省的經濟和社會發展提供充足的條件。了解河南省地理環境情況的變化規律及特點，能夠更好地利用土地資源，促進經濟健康、可持續發展。

表1 土地利用類型分類體系

一級分類二級分類編號名稱編號名稱1耕地11水田12旱地2林地21有林地22灌木林地23疏林地24其他林地3草地31高覆蓋度草地32中覆蓋度草地33地覆蓋度草地4水域用地41河渠42湖泊43水庫、坑塘44冰川永久積雪45海涂46灘地5建設用地51城鎮52農村居民點53工交建設用地6未利用地61沙地62戈壁63鹽堿地64沼澤地65裸土地66裸巖石礫地67其他未利用地

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究數據源自中國科學院資源與保護信息系統國家實驗室，依據2005～2010年Landsat TM影像通過人機交互、野外考察得到。

2.2 研究方法

2.2.1 ArcGIS10.2軟件

使用ArcGIS10.2軟件對所得數據展開分析。搜集到的數據和圖像，利用ArcGIS10.2軟件建立矢量圖層并人工勾畫圖斑范圍。根據影像特征并結合土地利用類型分類體系進行地塊類別解譯分類，最終得到河南省土地利用類型面積表(表2)。其中，土地利用類型根據國土資源部發布文件的規定進行劃分，分為耕地、林地、草地、水域用地、建設用地、未利用地6類(表1)。此外，采用ArcGIS10.2軟件中的“交集制表”空間分析設備工具計算并獲取了2005～2010年土地利用類型轉移矩陣(表3)，具體操作是借助ArcGIS10.2空間分析功能對河南省20年土地利用情況進行疊加，獲得土地利用類型轉移情況。

表2 2005年、2010年河南省土地利用類型面積

土地類型20052010面積(萬hm2)比例(%)面積(萬hm2)比例(%)耕地1051 229663 931037 964663 12林地339 405520 64340 501620 71草地41 54692 5341 28302 50水域用地29 16171 7728 87461 76建設用地178 817110 87190 807311 6未利用地4 29900 265 02870 31

表3 2005～2010年河南土地利用類型數量轉移矩陣 萬hm2

圖1 2005年、2010年河南省土地利用類型分布

圖2 2005年、2010年河南省土地利用數量變化

2.2.2 馬爾科夫模型

利用ArcGIS10.2軟件制作土地利用轉移矩陣的參照模型是馬爾科夫模型。馬爾可夫模型是一種統計模型，用于描述某個包含隱含未知參數的馬爾可夫過程，隨之運用上述參數進行深入的分析，例如模式識別。馬爾科夫鏈(Markov chain)是一種時間和狀態均為離散的隨機過程[10]。馬爾柯夫的中心機制是轉移概率和數量，在一定的時間內，土地類型i轉化為j的轉移發生率和轉移數量。計算轉移發生率是通過對過去土地利用轉移數量的統計得出的[11]。采用馬爾科夫模型描述河南省土地利用類型轉移情況，即：每段時期各種土地利用類型增加與減少面積情況。

馬爾可夫在研究自然界一類事物變化過程中僅與事物近期狀態有關，與事物過去狀態不關聯，這種特性稱作無后效性。無后效性計算公式為：

Xn+1=Xn×狀態轉移概率(P)

(1)

使用馬爾科夫模型的關鍵在于明確各類土地之間相互轉化的初始概率矩陣P，其具體表達過程為：假設共有E1、E2、En種土地利用類型，每次只能處于一種土地利用狀態，但每種狀態都有n中轉向(包括轉向自身，E1→E1，E1→E2，…，E1→En)。由土地利用類型Ei轉移到Ej的概率為Pij(1≤i，j≤n)。

(2)

采用馬爾科夫模型描述河南省土地利用類型轉移情況，即：每段時期各種土地利用類型增加與減少面積情況，具體操作中，借助ArcGIS10.2空間分析功能對河南省20年土地利用情況進行疊加，獲得土地利用類型轉移情況。

3 結果與分析

3.1 土地利用格局分析

河南省土地利用程度較高，土地利用類型以耕地和林地為主，共占河南省總面積的83.00%以上。2005年的耕地面積和林地面積分別為1 051.229 6萬hm2和339.405 5萬hm2， 2010年的耕地面積和林地面積分別為1 037.964 6萬hm2和340.501 6萬hm2。其次是建設用地， 2005年的建設用地面積為178.817 1萬hm2， 2010年的建設用地面積為190.807 3萬hm2，占河南省總面積的11.00%左右。草地、水域用地和未利用地面積較小，占河南省總面積比例較小。

2005～2010年間，耕地、草地、水域用地面積減少。其中，耕地面積減少數量最多，為13.265 0萬hm2，減少數量占2005年耕地面積總數量的1.26%。草地和水域用地分別減少2 639hm2和2 871hm2，減少數量占2005年原有土地類型面積總數量的0.64%和0.98%。建設用地、林地和未利用地面積增多，建設用地面積增加幅度最大，其次是未利用地和林地。未利用地增加1.096 2萬hm2，增加數量占2005年未利用地數量的16.97%。建設用地和林地分別增加11.990 2萬hm2和7 297hm2，增加數量占2005年原有面積數量的6.71%和0.32%。

3.2 土地利用類型空間轉換

土地利用轉移矩陣可以很好地顯示各種用地間的流轉關系，并且對各種用地間流轉面積的確定也有一定的參考價值[12]，能深入分析河南省土地利用變化情況，揭示各類土地間轉變數量及概率。2005～2010年間不同類型土地利用情況均發生了相應改變。

(1)耕地向建設用地轉移量最大，轉移面積為13.403 1萬hm2。其次是林地和水域用地，轉移面積分別為2.854 4萬hm2和1.703 5萬hm2。耕地向草地、未利用地等土地利用類型轉移概率最小。河南省是我國的農業大省，耕地面積的大小直接影響到農業種植生產規模的大小。近年來，為提高農作物產量、加快建設現代化農業，河南省政府加大了耕地質量監測力度和耕地保護力度，進一步降低違法占用耕地比例，一定程度上使得耕地面積減少。另一方面，政府希望通過開墾增加耕地面積，但由于適宜開墾的耕地后備資源日趨減少，農村建設用地拆舊復墾難度增大，占補平衡困難，可利用的高質量耕地面積屈指可數。此外，農民的知識水平較為落后，農作物缺乏科學的施肥處理。目前，我國化肥中氮素的利用率為30%～70%，磷肥為10%～25%，鉀肥為40%～70%，肥料利用率較低[13]。過量的化肥和農藥殘留在土壤中，導致土壤肥力下降甚至板結，耕地向其他土地利用類型轉移。耕地轉移的現象與自然環境也有很大的關系。近幾年，河南省耕地沙漠化問題嚴重，一些自然災害也導致耕地大面積的轉移。此外，近年來河南省現代化建設速度的加快，也是導致河南省耕地面積減少，向建設用地轉移量增多的原因。大力開發現代化樓盤和越來越密集的商業用房，占用了用于農業的土地。

(2)建設用地的變化主要來自耕地、林地的轉移，耕地轉移13.403 1萬hm2成為建設用地，林地轉移1 607hm2成為建設用地。河南省的經濟在不斷發展，城市化進程在不斷加快。2005年河南省國民生產總值為1.053 520萬億元， 2010年河南省國民生產總值為2.294 268萬億元，年平均增長速率23.55%。在這種背景下，河南省不斷改進當地交通運輸和大眾居住條件，勢必會增加建設用地面積。而建設用地多選擇在地勢較為平穩的地方。耕地、草地和林地成為首選。此外，農村勞動力大規模轉移進入城市， 2005年河南省農村勞動力轉移數量為1 557.45萬人， 2010年河南省農村勞動力轉移數量為2 216.22萬人，年平均增長速率8.46%。勞動力的轉移造成大量耕地空閑待耕，耕地有效利用率下降。為保證土地資源的有效利用，空閑的耕地和農村居住用地被劃分為建設用地。建設用地面積不斷增加，耕地面積不斷減少。

表4 2005～2010年河南省土地利用動態度

土地類型空間變化面積(萬hm2)動態度(%)耕地5 05540 48林地1 96860 58建設用地1 73890 97草地0 24240 58水域用地2 18487 49未利用地0 29496 86

(3)未使用地出現轉移的概率最大。這些未使用地主要向耕地和水域用地轉出，轉移面積分別為2 568hm2和7 673hm2。2010年河南省年降水量841.70mm，與2005年年降水量905.80mm相比，減少了64.10mm。此外，在河南省年降水量減少的前提下，河南省的地表水資源也在慢慢減少。2005～2010年，從435.92億m3減少到415.70億m3。部分水域慢慢干涸，水資源過度開發利用情況嚴重。在這種情況下，大量的水域用地變成未利用地，導致未利用地面積增加。同時，河南省還存在耕地向未使用地轉移的情況，主要是由于耕地過度開墾，化肥農藥污染嚴重，肥力大幅度降低，耕地面積大量流失，這種情況值得深入展開調查。

3.3 土地利用類型變化動態度

圖3 2005～2010年河南省土地利用空間變化

依托ArcGIS10.2軟件，通過對2005年、2010年土地利用空間分析，獲得河南省不同土地利用類型動態度變化(表4)，并繪制土地利用類型動態度圖(圖3)。

河南省土地利用空間轉移面積大小為耕地>水域用地>林地>建設用地>未利用地>草地。其中，耕地轉移面積最大，為5.055 4萬hm2。其次為水域用地，轉移面積2.184 8萬hm2。草地轉移面積最小，轉移面積為2 424hm2。而在動態度方面，不同土地利用類型的動態度大小為水域用地>未利用地>建設用地>林地、草地>耕地。動態度之所以出現與空間轉移數量不同的變化，主要是由于2005年不同土地利用類型面積基數不同。水域用地動態度變化為7.49%，未利用地動態度變化為6.86%，耕地變化動態度最小，為0.48%。

耕地和林地之間的變換則表現為部分耕地退耕還林過程中在轉為林地的同時，一些林地由于毀林轉換成耕地，表明林業建設不可只重視植樹造林，生態保護也應受到關注。然而，水域用地面積則經歷先減少后增加的發展過程，這種情況與河南省氣候、農業發展情況存在一定聯系。耕地與水域用地位置轉換源自部分水域干涸后被人們開墾為耕地，而有些耕地由于河道變遷或人工蓄水等轉換成水域[14]。此外，河南省建設用地一直處于增加狀態，主要源于某些耕地由于建設用地擴張被占用。開墾廢棄的工礦居民用地是增加有效耕地的重要途徑，也是合理調整土地利用結構必須關注的內容。此外，耕地和建設用地轉換過程中，建設用地轉移為耕地的可逆性較小，主要因城市周邊和人口密集的農村耕地明顯向建設用地轉移。

4 結論及建議

4.1 結論

2005～2010年河南省土地利用格局發生了較大變化，通過對土地利用格局分析、空間轉換特征及土地利用類型動態度分析，得出以下結論。

(1)2005～2010年河南省主要土地利用類型是耕地、林地和建設用地。

(2)2005～2010年河南省耕地面積減少，耕地向建設用地轉移量最大。林地、草地和水域用地面積基本不變。建設用地面積增多，建設用地主要來自耕地、林地的轉移。未利用地出現轉移的概率最大，主要向耕地和水域用地轉出。

(3)2005～2010年河南省單一土地利用動態度由大到小為水域用地>未利用地>建設用地>林地、草地>耕地。

4.2 建議

政府的各項政策、勞動力轉移、城市化和現代化農業發展、資源不合理利用都是導致河南省土地利用類型變化的原因。結合河南省土地利用變化現狀及其影響因素，政府可從以下幾方面入手，促進河南省土地利用的健康發展。

(1)制定詳細的土地利用總體規劃。土地利用總體規劃既要保證河南省現代化建設的順利實施，又要滿足農民對農業用地的需求，按照保發展與保“紅線”并重的原則編制土地利用總體規劃。規劃要聯系實際，做到根據形勢變化及時修改和完善。例如，耕地面積的多少是一個地區發展的基本保障，面對河南省越來越少的耕地現狀，要做到適時開墾，及時保護。此外，既要有總體規劃，又要有實施細則，既有階段目標，又有年度計劃。河南省發展迅速，土地利用隨時會出現新情況和新問題，規劃要面面俱到。

(2)完善和落實各項政策措施。政府要本著節約優先的原則，以合理利用土地資源為核心，根據實際情況制定各項政策措施。農村勞動力的大面積轉移已經成為土地利用變化的主要影響因素之一。在這樣的背景下，政府有必要出臺政策，對勞動力轉移后農村的空房、空地進行相應的轉移。一方面，可以避免土地資源的浪費； 另一方面，可以加快河南省現代化發展的進程，加快舊房改造進程。

(3)注重生態環境保護。保護生態環境是一項長遠的工作，任何的政策和措施均不能以犧牲生態環境為代價。河南省土地利用類型的變化中，建設用地的大面積增加雖然有部分來自未利用地的開墾，但也有部分來自于耕地和水域用地。耕地的減少，除了是因為河南省現代化建設迅速，建設用地需求量大，耕地向建設用地轉移，也有一部分原因是因為耕地丟荒。在以后的發展中，要盡量做到保護環境，加大環保宣傳力度，促進農民合理施肥等，避免有效用地轉移成荒地。

河南省各類土地利用之間的矛盾日益激烈，建議相關部門依據各地地理條件、經濟發展水平及土地利用中出現的問題，制定合理的政策和措施，努力保護好已有土地資源，為河南乃至中國經濟的發展做出重要貢獻。河南省作為我國的人口和農業大省，研究該地區土地利用變化情況，有利于在日后發展為合理利用土地提供一定參考。

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