許昌市2000～2020年土地利用動態變化及主成分分析

李向然 朱榮榮 田明霜 馮娟 路振宇

（1.鄭州市新世紀測繪有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南省遠志林業規劃設計有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南省科發地理研究所有限公司，河南 鄭州 450052；4.林州市林業技術推廣站，河南 安陽 456550）

1 引言

土地是人類一切社會活動的重要載體，是經濟持續發展的重要條件[1]。土地利用/覆蓋變化（Land Use/Cover Change，LUCC）與環境變化密切相關，是人類與環境相互作用的結果[2]，多表現在水文、氣候、地形等對土地利用的影響[3]，是當代學術界對生態環境變化的重要研究之一[4]。隨著3S 技術的成熟，專家學者們在不同地區開展全面或專項性探究[5]，形成較為成熟的理論體系。比如，陳磊[6]等通過SSM模型和信息熵方法研究南京市2005～2016 年土地利用變化時空格局差異，建立了經濟計量模型分析驅動力。林曉楠[7]等利用動態度和灰色關聯度探究柳州市2010～2018 年土地利用變化特征和驅動因素，結果表明建設用地面積呈爆發式增加趨勢，耕地及其他土地利用面積下降，經濟增長、糧食產量增加等是土地利用變化的主要驅動因素。周國勝[8]等分析了宿遷市近20 年土地利用變化，并利用統計資料分析主要驅動因素，結果顯示耕地和建設用地增加，其他土地利用類型主要用于補充兩個地類，驅動因素主要為經濟和政策。張宇晗[9]等以福州市為研究對象，利用人類活動強度、土地利用動態度分析土地利用變化，結合Fragstats4.0 得到不同時期的景觀指數，分析其變化格局，并運用SPSS 軟件統計分析主要驅動因素。趙賽帥[10]等以LandsatTM/OLI 遙感數據為基礎，運用隨機森林分類法結合Circos 圖探究杭州灣南岸濱海濕地的土地利用變化。

過去一段時期，業內運用大量方法研究土地利用變化，主要集中在南方及沿海城市，中原地區研究相對較少。本研究以河南省許昌市為研究區域，探究在過去長時間尺度下的土地利用變化和空間分布特征規律，以期為后續的土地管理和空間規劃等提供參考。

2 研究區與數據來源

2.1 研究區概括

許昌市位于河南省中部，地理坐標為北緯33°42′～34°24′，東經113°03′～114°19′，面積4986 平方公里。東與周口市接壤，南與漯河市交界，西與平頂山市相連，北與鄭州市、開封市毗鄰。現轄魏都區、建安區2 區，禹州市、長葛市2 市，襄城縣、鄢陵縣2 縣 ；地勢西北高，東南低，自西北向東南緩慢傾斜。氣候特征屬北暖溫帶季風氣候區，熱量資源豐富，雨量充沛，光照充足，無霜期長。截至2022 年末，許昌市常住人口已達到438.1 萬人。

2.2 數據來源

研究選用國家基礎地理信息中心制作的2000 年、2010 年、2020 年3 期土地覆蓋數據（空間分辨率30m×30m）和行政界線矢量數據。許昌市土地利用覆蓋數據涵蓋耕地（10）、林地（20）、草地（30）、濕地（50）、水體（60）、人造地表（80）。依據第三次全國國土調查分類體系，結合實地情況，運用ArcGIS10.8 軟件借助研究區界線范圍對土地利用數據進行裁剪，通過重分類操作將研究區分為5 種土地利用類型：耕地、林地、草地、水域、建設用地。選取的驅動力因子為GDP（億元）、人口（萬人）、第一產業比重（%）、第三產業比重（%）、糧食總產量（萬噸）、城鎮居民人均可支配收入（元）、社會固定資產投資額（萬元），來源于《許昌市國民經濟和社會發展的統計公報》（2000～2020 年）。

3 方法與結果分析

3.1 研究方法

3.1.1土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是對兩個不同時期各土地類型之間變化過程的量化表達，直觀描述了各地類在不同時期的流出和流入情況，進而反映其變化特征。

3.1.2主成分分析

主成分分析法是一種將多個變量通過線性變換選取關鍵變量的多元統計分析方法，可篩選出幾個重要因子替代多個原始變量，借助重要因子客觀表現整體信息情況，具有非常好的科學性，在經濟、土地驅動因素分析等方面有著極大的優勢[11]。故本研究使用主成分分析法分析許昌市土地利用變化驅動力。

3.2 結果與分析

3.2.1土地利用結構變化分析

依據2000 年、2010 年、2020 年土地利用現狀圖（如圖1 所示）可以看出，許昌市土地利用類型以耕地為主，其次為建設用地。通過對比2000～2020 年許昌市土地利用現狀可知，建設用地增加明顯，對應耕地明顯減少。從時期劃分，2000～2010 年，各主城區和零星居民點建設用地急劇增加，耕地面積快速減少 ；2010～2020年，建設用地持續增加，主要集中在許昌市各縣區主城區等核心區域。

圖1 2000～2020年許昌市土地利用現狀

對2000 年、2010 年、2020 年的土地利用類型進行面積比例統計分析，結果如表1所示。2000～2020 年，耕地處于明顯主導地位，各時期占比分別為81.54%、75.11%、71.89%，呈逐步下降趨勢，到2020 年減少量為480.89km2；其次是建設用地，各時期占比分別為15.42%、21.96%、24.96%，呈持續增長趨勢，到2020年增加量為475.24km2；再者是林地，各時期占比分別為2.24%、2.26%、2.22%，呈小幅度波動性減少，到2020 年減少量是0.94km2；然后是水域，各時期占比分別為0.42%、0.28%、0.47%，呈小幅度波動性增加，到2020 年增加量為2.77km2；最后是草地，各時期占比分別為0.38%、0.39%、0.46%，呈持續增長趨勢，到2020 年增加面積3.82km2。

表1 2000～2020年許昌市土地利用面積及比例

3.2.2土地利用轉移矩陣分析

為探究許昌市土地利用類型變化特征，通過ArcGIS 軟件，將2000 年與2010 年、2010 年與2020年數據套合分析，得到兩個時間段的土地利用轉移矩陣，結果如表2 和表3 所示。在2000～2010 年、2010～2020 年兩個時間段，耕地分別向建設用地轉移了442.97km2和308.96km2，占總轉移量的74.59%和58.97%，另外分別有10.81km2和24.97km2轉向草地、林地和水域；建設用地分別向耕地轉移了118.64km2和160.06km2，另外分別有1.26km2和2.67km2轉向草地、林地和水域；草地主要轉向林地，林地和水域主要流向耕地。

表2 許昌市2000～2010年土地利用轉移矩陣（單位：km2）

表3 許昌市2010～2020年土地利用轉移矩陣（單位：km2）

3.2.3主成分分析

影響土地利用變化的驅動因素有自然因素和社會經濟因素。相對自然因素而言，人類生產經營活動等引起的社會經濟因素對土地利用變化的影響更深遠[12]。為了從科學角度指出許昌市土地利用變化的主要原因，選取GDP（x1）、人口（x2）、第一產業比重（x3）、第三產業比重（x4）、糧食總產量（x5）、城鎮居民人均可支配收入（x6）、社會固定資產投資額（x7）等7 個因素，以數據形式體現驅動因素的影響作用。

使用SPSS 軟件對7 個因素進行主成分分析后，KMO = 0.723（＞0.6），顯著性= 0.00（＜0.05），滿足主成分分析的條件。提取出的1 個主成分可以代表90.235%所有因素的信息，選取的主成分能夠很好反映許昌市土地利用空間演化驅動情況。

由旋轉后的主成分荷載矩陣（如表4 所示）可知，第一主成分與人口、城鎮居民人均可支配收入、社會固定資產投資額、GDP 和第三產業比重等因素有明顯的正相關性，且相關性較強，相關系數分別為0.993、0.993、0.989、0.964 和0.964，這些因素均與人口數量和經濟發展水平相關。第一主成分與第一產業比重呈現負相關性，相關系數為-0.988，表明第一產業的發展將會牽制土地利用發生轉化。

表4 旋轉后主成分荷載矩陣

4 結論與討論

本研究以GlobeLand 30 數據為基礎，利用土地利用轉移矩陣、主成分分析等方法，從數量、空間、社會經濟等多維度對許昌市2000～2020 年的土地利用變化情況進行探究，分析其空間利用分布特征。研究結果表明：20 年間許昌市建設用地急劇擴張，而耕地大量減少，林地、草地和水域變化較弱；人口因素和經濟因素是20 年間許昌市土地利用變化的主要驅動力，人口增長和城鎮化的快速發展是土地利用變化的主要成因。

許昌市地處河南省中部，是全國糧食主產區，也是國家城鄉融合發展試驗區和中原城市群、中原經濟區核心城市之一。在經濟高速增長和城鎮化快速發展的大背景下，用地問題日漸凸顯，如何高效、合理地使用土地成為一個亟待解決的問題。本研究選取許昌市過去20 年間土地利用時空特征進行探究，成因分析尚淺，此后將進一步研究土地利用變化的前期成因和日后預測。