基于RS和GIS的鄭州市土地利用類型變化及其驅動力分析

馬瀟菲

摘 要：選取鄭州市為研究對象，對其2013—2017年土地利用類型時空變化及其影響因素進行探究和分析。以鄭州市為研究區，獲取2013、2015、2017年研究區的Landsat-8遙感影像數據為基礎數據源，借助ERDAS軟件進行遙感圖像的解譯，得到研究區3個時段的土地利用分布圖。結合ArcGIS建立空間數據庫并進行空間分析，得到研究區的土地利用變化情況，利用面積轉移矩陣的方法，分析該區域2013—2017年土地利用變化特征及驅動機制。研究結果表明：空間格局上，林地變化最多，并且大部分林地轉化為建筑用地、耕地、湖泊、河渠、其他用地面積基本保持穩定。通過驅動機制分析，發現政治因素和經濟因素是該地區土地利用變化的主要驅動因素。研究成果可為該區土地利用可持續發展提供科學依據。

關鍵詞：土地利用變化;面積轉移矩陣;驅動機制;遙感;GIS

中圖分類號：TP751 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0109-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.026

Land Use Type Change and Its Driving Force Analysis Based on RS and GIS in Zhengzhou

MA Xiaofei

（School of Earth Sciences and Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Taking Zhengzhou City as the research object， this paper explores and analyzes the spatial and temporal changes of land use types and its influencing factors from 2013 to 2017.Taking Zhengzhou City as the research area， the Landsat-8 remote sensing image data of 2013，2015 and 2017 in the research area were obtained as the basic data source.The remote sensing images were interpreted by ERDAS software， and the land use distribution maps of three periods in the study area were obtained.Combined with ArcGIS， the spatial database was established and the spatial analysis was conducted to obtain the land use change in the study area.Using the method of area transfer matrix， the characteristics and driving mechanism of land use change in this region during 2013—2017 were analyzed.The results show that：In terms of spatial pattern， the forest land changed the most， and most of the forest land was converted into building land， cultivated land， lakes， river channels， and other land areas remained basically stable.Through the analysis of driving mechanism， it is found that political and economic factors are the main driving factors of land use change in this region.The research results can provide scientific basis for the sustainable development of land use in this area.

Key words：land use change;area transfer matrix;driving mechanism;remote sensing;GIS

0 引言

人類社會的生存發展始終離不開土地，土地資源是人類寶貴的物質財富，它為人類的生產、生活提供了最基本的物質基礎。土地利用變化是人類活動最直觀的表現，受自然因素和人文因素的影響，自然因素對土地利用變化有一定的控制作用，而經濟、社會、技術和政策等各種人文因素則在一定程度上起決定性作用[1]。土地利用變化信息是土地利用/覆蓋變化研究的一個重要研究方向，已成為研究的熱點問題，土地利用的變化信息對于土地利用變化研究有著重要的意義[2]。

目前，收集土地變化的信息，大多采用土地變化監測方法。傳統的土地變化監測方法需要消耗大量的人力、物力、財力，并且需要很長時間才能完成，遠遠不能滿足信息化時代對快速變化的土地利用進行有效統計與分析的要求[3]。國內學者大多利用遙感技術（Remote Sensing，RS）和地理信息系統（Geographic Informations System，GIS），以其快速、精準、周期短、覆蓋面廣等優點為土地利用/覆蓋動態變化研究提供有效手段。郎坤和趙庚星[4]在2019年為了分析黃河三角洲的土地利用變化情況，分析了其近10年的遙感圖像，并選取2005年、2009年和2015年三年的TM遙感圖像為主要數據源，使用面向對象的方法進行分類來獲得各個時期的土地利用變化情況，并通過面積轉移矩陣和各種量化指標來對各類土地類型進行動態的分析。薛貝和楊梅煥[5]以1990年到2010年的貴陽市遙感影像圖為基礎數據源，使用面積轉移矩陣，土地利用動態度和土地利用程度等評價方法，分析了貴陽市在1990至2010年的土地利用變化情況。焦繼宗、楊露和杜婷[6]以1986—2015年的西北農牧交錯帶地區的遙感影像圖為基礎數據源，利用ArcGIS軟件，進行空間分析，利用相關性分析和數理統計的方法，來研究研究區域的土地利用變化情況。

根據土地利用變化數據和社會經濟數據，開展以鄭州市為研究區域，分析鄭州市土地利用變化情況，探討影響鄭州市土地利用變化的驅動因子，為政府合理規劃鄭州市空間布局提供科學依據和理論支持。

1 研究區和數據源

1.1 研究區概況

鄭州，古稱商都，是河南省省會，是全國重要的鐵路、電力、航空、郵政主樞紐城市，是國家中部地區重要的中心城市，位于中國華北平原南部，黃河下游，居河南省中部偏北，東臨開封，西接洛陽，北依黃河，南與平頂山、許昌接壤。介于東經112°42′—114°14′，北緯34°16′—34°58′，管轄6個市轄區、5個縣級市和1個縣。截至2019年，鄭州市總面積為7 446 km，市區面積為1 009 km，中心城區建成區面積為550.33 km，市域城市建成區面積為830.97 km，城鎮化率為73.2%。研究區區域圖如圖1所示。

1.2 數據來源

遙感數據選擇3期空間分辨率為30 m的Landsat-8數據（表1），來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）。為保證研究區結果的準確性，根據實地考察研究區地表四季變化情況，同時結合影像云量等因素，確定遙感影像選取的時間段以4—6月為宜，并且遙感影像的拍攝月份日期盡量相近。綜合以上因素，本文選取的遙感影像拍攝日期分別為2013年6月4日、2015年4月23日、2017年4月28日。

2 研究方法

2.1 遙感影像解譯

根據野外調查及遙感數據精度的限制，將研究區土地類型劃分為水域、林地、耕地、城市用地、湖泊及其他用地6種類型。由于遙感影像精度的限制，在影像上的各土地利用類型間的邊界較為模糊，只采用監督分類或非監督分類的計算機分類方法難以取得較好的分類結果。因此，采用計算機分類和目視解譯相結合的方法[7-14]。首先通過波段合成、幾何精糾正、大氣校正、直方圖匹配對遙感影像圖進行圖像預處理，然后建立各種土地利用類型的解譯標志（表2），對不同時間段的遙感影像圖進行計算機分類和目視解譯。解譯完成之后，對結果進行精度評估。精度評估通常是將分類過后的圖層和標準數據進行比對，然后用正確的百分比來表示分類精度[15-16]。在實際的操作當中，因為遙感圖像太大，無法整幅圖像去比對，因此經常采用抽樣的方式用部分像素代替整幅圖像進行精度評估。目前，經常采用混淆矩陣的方法，并通過Kappa系數來評價整幅圖的精度。在本研究中，三期的Kappa分別是82%、79%、85%，均達到精度要求。最后對結果進行野外驗證，用驗證結果對解譯結果進行完善。

2.2 土地利用轉移矩陣

在自然因素和人為因素的影響下，研究區內的各種土地利用類型的數量是在不斷發生變化的，并且變化的速度是不同的。土地利用轉移矩陣是根據同一地區不同時相的土地覆蓋現狀的變化關系得出的一個二維矩陣。借助ArcGIS技術制作兩期研究區的土地利用分類圖，通過疊加分析可以計算生成土地利用轉移矩陣。通過對土地利用轉移矩陣的分析，可以得出兩個時相間不同土地利用類型的轉化情況。它不僅能夠反映某一時間點的各類地類的面積，還包含了各地類轉出和各地類轉入信息，可以更好地表述土地利用時空變化過程，其數學表達式為式（1）。

式中：S為研究期內i種土地向j種轉化的面積矩陣;n為研究區內土地利用類型數量;i、j分別為研究中不同時期的土地利用類型。

3 土地利用變化分析

3.1 土地利用類型的數量變化

通過對2013、2015、2017年三年的鄭州市遙感影像圖的分類，可以看出鄭州市土地利用類型在數量上的階段性變化特征，如表3所示。

根據這三期遙感影像圖分類的結果，可以得出每一階段鄭州市的遙感影像圖的土地利用類別所占的比例，如圖2所示。

由圖2可以看出呈現面積增長的是城鎮、其他用地，面積基本維持不變的是河渠、湖泊、耕地，面積減少最多的是林地。

3.1.1 城鎮面積增加。城鎮用地的變化是這三期遙感影像圖分類中變化最明顯的土地利用分類，也是唯一一個增長幅度較大的土地類型。2013、2015、2017年城鎮面積分別為719.811 km、1 765.61 km、1 880.17 km，分別占鄭州市總面積的10%、24%、25%，5年的時間里，城鎮的面積增加了1 160.359 km，這些變化與經濟的發展與城市的擴張緊密相連。

3.1.2 林地面積減少。2013、2015、2017年三年的林地面積分別為2 579.81 km、1 377.68 km、1 032.32 km，分別占鄭州市總面積的34%、18%、14%，總量上減少了1 547.49 km。由于城市的迅速擴張，各種類型的土地用地相繼擴張，使得林地面積大范圍減少。

3.1.3 耕地、湖泊、河渠、其他用地面積基本保持穩定。2013、2015、2017年三年的耕地面積分別為3 764.73 km、3 710.53 km、3 987.45 km，分別占鄭州市總面積的50%、49%、53%，總面積增加276.92 km。湖泊面積分別為2.983 81 km、3.062 3 km、5.545 42 km，其總量增加為2.561 61 km。河渠的面積分別為73.051 8 km、76.102 6 km、44.546 km，其總量減少31.556 6 km。其他用地面積為377.341 km、584.594 km、572.27 km，分別占總面積的5%、8%、8%，面積總量增加207.253 km。

3.2 土地利用轉移矩陣

對鄭州市進行土地利用情況分析，需要考慮不同時間階段的土地利用圖層在空間上的差異性，比如說，耕地轉為城鎮用地的空間變化。該變化過程是表現在各個時期圖層之間的不同類型的圖形差異，耕地轉變為城鎮用地的空間范圍將在轉變前后發生變化，通過對空間范圍變化的分析，從而確定土地利用情況，2013—2017年鄭州市的面積轉移矩陣如表4所示。

3.2.1 城鎮。根據表4可以看出：2013年城鎮固有面積為719.1 km，至2015年增加到1 763.9 km。據圖3所示，2015—2017年城鎮面積增加到1 878.6 km。其空間分布如圖3所示。可以看出，2013—2015年城鎮的未變化區集中在鄭州市區，土地類型轉換到城鎮類型的地區大部分集中在鄭州市區周圍以及市轄的各個地級市市中心，城鎮土地類型轉移出去的地方集中在中牟縣，主要原因是鄭州市人口數量激增以及中牟縣發展旅游產業的政策導引作用。2015—2017年，城鎮未變化的區域大部分在鄭州市區以及各個地級市市中心，新增的城鎮面積大部分分布在各個地級市市區周邊，城鎮面積轉移出去的地方還是分布在中牟縣內。可以看出鄭州市城鎮化的腳步有所放緩，各個地級市正在加強城鎮化地建設，中牟縣堅定不移地發展本地的旅游產業。

3.2.2 耕地。根據表4，2013年耕地固有面積為3 761.3 km，2015年耕地面積增加到3 707 km。2015—2017年耕地面積增加到3 983.6 km2。

3.2.3 河渠。根據表4，2013年河渠固有面積為72.9 km，2015年增加到76 km。2015—2017年河渠面積減小到44.4 km。

3.2.4 湖泊。根據表4，2013年湖泊固有面積為2.9 km，2015年增加到3.06 km。2015—2017年湖泊面積增加到5.5 km。

3.2.5 林地。根據表4和圖4，2013年林地固有面積為2 577.4 km，2015年減少到1 376.7 km。2015—2017年林地面積增加到1 878.6 km。從圖4可以看出，2013—2015年林地的未變化區域集中在鞏義市、登封市、滎陽市和新密市的交界地帶，轉入林地類型的土地大部分集中在黃河沿岸以及林地未變化區域的周邊，林地轉出的區域集中在新密市內。造成這樣結果的原因是響應國家綠色城市的號召以及人們環境意識的提高。2015—2017年林地未變化區域未發生較大的變化，但是轉入林地的土地較少，零碎分布在未變化區域周邊，但轉出林地較多，每個地級市內都有林地轉出，從分布來看，新密市內轉出較多。造成這種情況的原因是人口的增長，需要更多的城鎮和耕地面積來滿足需求。

3.2.6 其他用地。根據表4，2013年其他用地固有面積為377 km，2015年其他用地面積增加到584.1 km。2015—2017年，其他用地面積減小到571.8 km。

3.3 土地利用變化驅動力

3.3.1 人口因素。鄭州市從2013年開始，人口迅速增長，對飲食、旅游、交通、住宿等的需求量大幅上升，加劇了土地利用類型的轉化速度。鄭州市統計局的歷年數據顯示：2013年，鄭州市總人口為919.1萬人，在市區內的人口為466.3萬人，城鎮化率為67.1%，人口密度為1 234人/km，自然增長率為5.6%，城鎮人口為616.5萬人，自然增長率為3%，鄉村人口302.6萬人，下降0.6%;2015年，總人口為956.9萬人，市區內人口為489.3萬人，城鎮化率為69.7%，人口密度為1 285人/ km，自然增長率為5.8%，城鎮人口為666.9萬人，自然增長率為4.1%，鄉村人口為290為萬人，下降2.4%;2017年，總人口為988.1萬人，市區內人口為506.0萬人，城鎮化率為72.2%，人口密度為1 327人/ km，自然增長率為6.7%，城鎮人口為713.7萬人，增長3.4%，鄉村人口為274.4萬人，下降2.6%。

從這組數據可以看出，鄭州市人口每年都在穩步增加，增長速度一直呈現正增長，隨之而來的就是城鎮化率的提高，人口密度的增加，對于土地來說，就意味著需要更多的城鎮面積來滿足人們的正常生活需要，這就導致了土地利用類型的迅速轉化。

3.3.2 自然因素。鄭州市地處中原，地勢平坦，土地資源十分豐富，從氣候上看，屬于北溫帶大陸性季風，這樣的季風氣候帶來了冷暖氣流的頻繁交替，使得鄭州四季分明。春季少雨，風多冷暖變化較快;夏季炎熱，降水相對全年來說較多;秋季干爽，時間上太過短暫;冬季干冷，雨雪天氣較少。在水資源方面，位于黃河和淮河自第二階梯流入第一階梯的出水口區域，水資源豐富。總體來看，自然因素對鄭州的土地利用類型的轉變影響較少。

3.3.3 政治因素。國家政策對于土地利用類型的轉變因素的影響是十分顯著的，它是土地利用類型轉變的直接決策因素，通過經營制度、價格制度等直接影響土地利用及其結構的形式。河南省委、省政府根據我國的經濟體制改革的目標，建設河南特色的社會主義市場經濟體制，利用鄭州市獨有的交通優勢以及資源優勢，做出了把鄭州市建設成為社會主義現代化商貿城市的決策，大力投資開發鄭東新區龍頭建設項目，一系列的政策使得鄭州市的土地利用類型在2013—2017年發生了劇烈的變化。

3.3.4 經濟因素。經濟因素是推動土地利用類型變化的主要推動力，經濟發展的好壞影響著河南省是否有足夠的資金進行一系列的建設，包括基礎設施建設、城市建設農村建設等。鄭州市統計局的數據顯示：2013年，生產總值為6 201.9億元，比上年增長10%;人均生產總值為68 080元，比上年增長7.9%。其中，第一產業增加值為147億元，增長3.2%;第二產業增加值為3 470.5億元，增長10.4%;第三產業增加值為2 584.4億元，增長9.6%。2015年，生產總值為7 315.2億元，比上年增長10.1%;人均生產總值為77 217元，比上年增長7.9%。其中，第一產業增加值為151億元，增長3.0%;第二產業增加值為3 625.5億元，增長9.4%;第三產業增加值為3 538.7億元，增長11.4%。2017年，生產總值為9 130.2億元，比上年增長8.2%;人均生產總值為93 143元，比上年增長6.5%。其中，第一產業增加值為158.6億元，增長2.6%;第二產業增加值為4 247.5億元，增長7.6%;第三產業增加值為4 724.1億元，增長9.0%。

從三年的經濟情況來看，鄭州市經濟發展迅速，人們生活水平逐年提高，為滿足人們需求，間接導致了土地利用類型的轉變。

4 結論

筆者以鄭州市為研究區，選擇2013、2015、2017年三年遙感數據為基礎數據源，利用ERDAS軟件對遙感影像圖進行分類，得到研究區的土地利用分布圖。借助ArcGIS軟件建立土地利用信息基礎數據庫，并進行空間分析，得到地圖利用變化信息，結論如下。

①城鎮面積增加。2013、2015、2017年城鎮面積分別為719.811 km、1 765.61 km、1 880.17 km，分別占了鄭州市的總面積的10%、24%、25%，5年間，城鎮面積增加了1 160.359 km。

②林地面積減少。2013、2015、2017年三年的林地面積分別為2 579.81 km2、1 377.68 km、1 032.32 km，分別占鄭州市面積的34%、18%、14%，總量上減少了1 547.49 km。

③耕地、湖泊、河渠、其他用地面積基本保持穩定。2013、2015、2017年三年的耕地面積分別為3 764.73 km、3 710.53 km、3 987.45 km，分別占鄭州市總面積的50%、49%、53%，總面積增加為276.92 km。湖泊面積分別為2.983 81 km、3.062 3 km、5.545 42 km，其總量增加為2.561 61 km。河渠的面積分別為73.051 8 km、76.102 6 km、44.546 km，其總量減少為31.556 6 km。其他用地面積為377.341 km、584.594 km、572.27 km，分別占總面積的5%、8%、8%，面積總量增加為207.253 km。

④土地利用變化驅動力包括自然因素、人口因素、政治因素、經濟因素。自然因素相對穩定，主要通過時間的積累來影響土地利用的變化。相反，政治因素、人口因素和經濟因素在土地利用變化過程中活躍，影響決策者對土地利用類型的政策決定。

林地轉化為建筑用地在一定程度上影響生態系統的平衡，應在保證生態穩定的大前提下，減少對林地的侵占，在條件允許的情況下可以適當地退耕還林，將部分建筑用地適當地轉化為林地或草地，對于建筑用地的使用和規劃應該充分考慮該地區的生態環境。

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