基于GIS 的縣域尺度土地利用動態變化
——以福建省建甌市為例

趙莉莉 范勛承＊

（邵陽學院城鄉建設學院，湖南 邵陽422000）

20 世紀90 年 代，International Geosphere-Bisphere Programme （IGBP） 和International Human Dimensions Programme（IHDP）提出的土地利用與覆被變化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）已成為目前全球環境變化研究的前沿和熱門課題之一[1]。土地利用變化是LUCC 研究的三大核心課題之一[2]，它深刻影響著全球可持續發展狀況，因此土地利用變化及其對周圍環境的影響已成為可持續發展研究中的重要研究領域[3-4]。近年來，國內學者就土地利用變化方面開展了諸多研究，研究區域主要集中在生態敏感區或經濟發達區域，如馬帥等[5]利用3S 技術對江淮生態經濟區2000～2015 年的土地利用景觀格局時空變化情況進行研究；沈振濤等[6]以大汶河流域作為研究區域，利用土地利用相關模型對1985～2017 年研究區的土地利用情況進行了分析，并對其2030 年的土地利用變化進行了預測；常小燕等[7]以微山縣的11 個鄉鎮作為研究區，對2000～2017 年礦區的土地利用變化進行了研究；劉雨等[8]以山東省為研究區，探究了土地開發和效益的耦合協同關系；甄江紅等[9]利用定量分析的方法，對呼和浩特市的城市用地擴展及驅動機制進行了深入探討。以上研究大多將研究區域選定在大、中尺度上，對于以縣為研究對象的小尺度研究較少[10-11]。然而近年來，隨著經濟的不斷發展，以縣域為代表的小尺度區域城鎮化速度明顯加快，對縣域的土地利用情況展開深入分析，對于地方長期穩定發展具有重要意義。

建甌市簡稱“芝城”，是福建省北部的農業大市，省級園林城市、省級生態城市。研究期間，建甌市地區生產總值從1995 年的24.70×108元增至2015 年的198.67×108元，20 年間翻了8 倍多；建甌市歷來人口基數大，是南平市（閩北）所轄的10 個地區中人口最多的城市，2015 年常住人口45.1×104人，城鎮化水平48.1%。目前，縣域已經被作為推進新型城鎮化的重點區域，這勢必引起土地利用結構的改變，如不予以重視，合理規劃及利用，最終會影響到該市的人居環境和生態安全。因此，本文利用1995 和2015 年2 期遙感影像數據，研究20 年來建甌市的土地利用狀況，以期為該市土地資源的可持續利用提供科學參考。

1 研究區概況

建甌市屬福建省南平市（閩北）下轄地區（圖1），土地總面積4233 km2，是福建省陸地面積最大的縣級市。屬東南沿海低山丘陵區，山地占土地總面積的57.3%，丘陵占29.9%。境內河流發育完全，屬閩江建溪流域，總長1079 km。建甌市屬亞熱帶海洋性季風氣候，四季分明，年均氣溫14-20℃。截至2019 年末，戶籍人口54.91×104人，是閩北人口最多的縣級市，實現地區生產總值（地區GDP）291.72×108元。

圖1 研究區示意圖

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

根據研究目的和研究意義，同時考慮到數據的可獲取性等因素，建甌市1995 年Landsat-5TM 和2015 年Landsat-7ETM 遙感影像來源于地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率均為30 m×30 m。參照我國土地利用分類系統并結合南平市的地理特征，本文將研究區劃分為林地、草地、耕地、建筑用地、水域和未利用地共6 種土地利用類型。經前人的經驗及研究分類的需要發現，RGB 組合為波段5、4、3 能夠更加清晰的區分本研究中需要的6 種土地利用類型。因此，利用ENVI Classic 中的Layer stacking 功能將每期遙感影像圖按照波段5、4、3 進行合并。而后，采用直方圖匹配法將圖像進行鑲嵌，導入研究區shp 矢量圖，執行裁剪操作，最終得到所需圖像及相關數據。

2.2 土地利用變化的研究方法

2.2.1 土地利用動態度

土地利用動態度模型是表征土地利用變化速度的模型。表示的是某種地類在一定時間段內面積變化的快慢，正值表示面積增加，負值反之。該模型包括兩種類型，分別是單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度。

2.2.1.1 單一土地利用動態度

該指標反映的是研究期間某種地類的動態變化程度[12]，即某種地類增長或減少的速率，其數學表達式為

式中，K 為某一地類的動態度；Ua和Ub則分別表示開始和結束時該地類的面積；T 則為研究的時間長度，單位為a，下同。

2.2.1.2 綜合土地利用動態度

綜合土地利用動態度可反映研究區內各地類綜合的變化速率，是研究區總體土地利用變化指標，其值越低，表明土地利用變化越平穩[13]。其數學表達式為：

式中，IRj為研究區綜合動態度；n 為地類的數量；Zija、Zijb是研究區某地類的初始面積和研究末期的面積。

2.2.2 土地利用程度

土地利用程度可以表征人類開發土地的強度，是多種土地利用類型變化的結果[14]，其模型如下：

式中，Lj代表土地利用程度；n 代表土地利用分類數；Ai為第i 級土地利用的分級數；Ci為第i 級土地利用分類占總面積的百分比。本研究利用劉紀遠先生[15]提出的土地利用程度的分級數，并結合建甌市土地利用類型的特點，把未利用地的分級數定為1，林地、草地和水域定為2，耕地為3，建筑用地為4。

土地利用程度變化量（率）的數學表達式分別為：

2.2.3 土地利用結構

土地利用結構可用結構狀態特征指數來表示，即可用一種或幾種地類占研究區總面積的比值來表示[15]。根據研究目的需要，本章對土地利用結構特征指數分別定義為土地利用開發指數和土地利用墾殖指數。具體情況如下：

土地利用開發指數的數學表達式如下：

式中，bi為建筑用地的面積；B 則是開發指數。該指數是表示土地被利用為建筑用地的比例。

土地利用墾殖指數計算公式如下：

式中，ai為耕地類型的面積，A 為研究區面積，K 是墾殖指數，該公式表示耕地占研究區面積的百分比。

2.2.4 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是目前研究土地利用變化特征、方向、結構的常用方法，它不僅可以表達土地利用的結構特征，還可以表示研究時段內的各地類的來源及組成[15]。除此之外，轉移矩陣還可以生成轉移概率矩陣，它可以按照百分比進行排序，從該排序中可以看出引起該地類變化的主要土地利用類型和次要類型，從而分析出引起該種地類變化的原因。

土地利用轉移矩陣的數學公式為：

式中，P 代表面積；n 代表土地利用類型的個數；i 和j 分別代表研究時段初期與末期的土地利用類型。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型的面積變化

利用ArcGIS10.2 軟件的統計分析工具對1995 年和2015 年的遙感解譯數據進行統計，得到兩期各地類面積，整理計算得到各地類面積占整個研究區面積的比例變化圖（圖2）。從圖2可知，20 年間建甌市土地利用類型間變化頻繁，總體表現為“三增三減”具體為耕地、建筑用地和水域面積有所增加，其中耕地增加比例最大，達7.70%。建甌市的人口數量在閩北地區排名第二位，僅次于延平區，2015 年常住人口為45.1 萬人，同時，建甌市也是閩北基本農田主要集中區，因此，在保護基本農田的基礎上，不斷進行土地整理和復墾開發，以滿足人口增長的需要。這是建甌市在20 年中耕地面積增加的主要原因。研究期間，草地、未利用地和林地呈現減少趨勢，面積比例依次減少了5.30%、3.99%和0.72%。主要因為這些面積減少的用地類型部分轉入了耕地所致。

圖2 1995～2015 年建甌市不同地類面積比例變化

3.2 土地利用類型的動態度

由圖3 可知，研究期間建甌市各土地利用類型單一動態度值有正有負，說明其土地利用類型處于不斷調整中。與其他用地類型相比，耕地和水域的動態度為正值，且耕地動態變化最大，動態度大42.4%，說明此期間建甌市的耕地面積增加顯著。除耕地和水域外，其余用地類型的動態度均為負值，說明建甌市在此期間其余用地類型面積有所減少，具體減少順序由多到少依次為：未利用地（-4.1）＞草地（-3.37）＞建筑用地（-1.04）＞林地（-0.61）。這是由于20 年間，隨著經濟的不斷發展，建甌市對未利用地的開發強度持續加大，未利用地不斷向其他用地類型轉換的結果。根據公式（2）的綜合土地利用動態度數學模型，計算出建甌市1995～2015 年綜合動態度為0.56，說明建甌市總體土地利用變化速度較為平穩。

圖3 建甌市各土地利用類型單一動態度

3.3 土地利用程度

按照公式（3）的土地利用程度模型對建甌市1995 年和2015年的土地利用程度進行了計算，其值分別為202.70 和218.19。從計算結果可以看出，20 年間建甌市土地利用的深度和廣度不斷增大。另外，與全國平均水平201.86[16]相比，無論是1995 年還是2015 年都高于全國平均水平，說明建甌市土地資源的開發強度和集約化程度在全國平均水平之上。利用公式（4）和（5）計算可知，建甌市的土地利用程度變化量和變化率分別為15.49 和0.08，其值均大于0，說明該市土地利用較為活躍，土地利用的綜合水平較高，處于蓬勃發展期。

3.4 土地利用結構

根據公式（6）和（7）計算得到研究區土地利用開發指數和墾殖指數（圖5）。從圖4 可以看出，1995-2015 年間，建甌市土地開發指數從1995 年的2.78 增至2015 年的4.47，說明20 年間建甌市土地利用開發強度不斷增大，新增建筑用地持續增加。土地墾殖指數從2.65 增至9.83，20 年間翻了3 倍多。建甌市是福建省陸地面積最大、閩北人口最多的縣級市，同時，建甌市還是閩北基本農田集中區，在國家保護基本農田政策的影響下，20年間該市耕地面積不斷增加，因此墾殖指數持續增大。

圖4 1995～2015 年建甌市土地利用結構特征

3.5 土地利用類型的轉移矩陣

從1995～2015 年建甌市土地利用變化轉移概率矩陣上看（表1），建甌市林地保持率是66.96%，轉為林地最高的用地類型是水域，轉入率為61.05%，建筑用地次之，為58.45%。建甌市耕地保持率為34.62%，加之其他地類的轉入也較高，其中，有21.64%的林地轉為了耕地，而林地是研究區土地面積占比最大的用地類型，因此研究期間建甌市耕地面積增加最多。各土地利用類型具體轉出概率排序為：未利用地（99.76%）＞草地（92.63%）＞建筑用地（88.29%）＞水域（71.06%）＞耕地（65.38%）＞林地（33.04%）；除了第一轉出方向是林地外，未利用地和草地的主要轉出方向還有耕地，其向耕地的轉入概率分別為33.87%和35.52%。

表1 1995～2015 年建甌市土地利用變化轉移概率矩陣（%）

4 主要結論

土地利用變化可以反映某地區的人類活動對地表覆蓋物的影響程度，尤其是最近幾十年，縣域城鎮化進程加快，人類對土地資源開發和利用的規模猛增。因此，以縣級市-福建省建甌市作為研究案例，利用土地利用相關計算模型，對該市20 年間的土地利用情況進行定量分析，以期為該市及其它縣域的土地可持續利用提供科學參考。其主要研究結論如下：

4.1 20 年間，建甌市各土地利用變化總體表現為“三增三減”，其中耕地和草地分別是面積增加和減少最大的用地類型。與其他用地類型相比，建甌市雖然耕地動態變化最為劇烈，其值達42.4%，但總體而言，該市的土地利用變化速度較為平穩。

4.2 研究期間，建甌市的土地資源開發強度和集約化程度均在全國水平之上，土地利用的綜合水平較高。由于耕地和建筑用地的面積均呈增加趨勢，因此，其土地利用開發指數和墾殖指數在20 年間均呈持續增長態勢。

4.3 建甌市耕地保持率雖不高，但林地、未利用地和草地的大量轉入，使得20 年間耕地成為了面積增加最多的用地類型。