快速城市化地区土地利用变化研究——以广东省东莞市为例

陈红顺，夏 斌

（1.北京师范大学珠海分校 信息技术学院，广东 珠海519087；2.中山大学 海洋学院 广东广州510275；3.中国科学院 广州地球化学研究所，广州510640）

20世纪80年代以来，我国东南沿海经济处于快速发展时期，特别是珠江三角洲地区，在经济高速发展的同时，也经历了快速城市化进程。在城市化和工业化的带动下，珠江三角洲地区的城镇用地快速扩张导致耕地大量流失，传统以农业用地为主的土地利用格局发生了明显变化，因而成为区域土地利用变化研究的热点区域，如张文忠等[1]、黎夏[2]、周静[3]、闫小培等[4]和方元[5]研究了珠江三角洲地区的土地利用变化。已有的研究结果表明，在城市化和工业化的带动下，珠江三角洲地区的土地利用发生了显著变化，但是由于区域内各城市的自然条件、社会经济条件等方面的差异，珠江三角洲地区的土地利用变化存在明显的空间分异特征。作为珠江三角洲快速城市化的典型地区，东莞市在快速城市化进程中的土地利用变化有其自身的特点，且更具有代表性，深入研究东莞市在快速城市化进程中的土地利用变化，为研究区今后的土地资源可持续利用、生态环境可持续健康发展提供科学依据，也可以为我国正在经历快速城市化的地区提供有益的参考。

1 研究区域及数据

1.1 研究区概况

东莞市位于广东省中南部、珠江口东岸，地处113°31′—114°15′E、22°39′—23°09′N。境内地貌结构复杂，冲积平原、丘陵台地和山地多种地貌结构并存，属亚热带季风气候，境内河流主要为东江水系。东莞1985年撤县建市，1988年升格为地级市，现辖28个镇、4个街道办事处。全市总面积2 465km2，截至2008年底，常住人口694.98万人。改革开放以来，东莞市经济迅速发展，城市化水平迅速提高，城市用地在短期内占用了大量的农业用地。

1.2 数据来源

本文采用基础数据为Landsat－5TM（1988年12月10日、1995年12月30日、1998年12月22日和2005年11月23日）与Landsat－7ETM＋（2002年11月7日）遥感影像数据，轨道号是122／44，成像时间为北京时间上午10：00—11：00，成像时间均为天气晴朗，天空无云。数据获取时已经做过几何校正和辐射校正，无需做进一步的校正可以满足应用。其它辅助数据包括东莞市行政区划图和1995年、2000年1∶10万标准分幅的广东省土地利用类型图。

1.3 数据预处理

以经过几何纠正的2002年ETM＋遥感影像为参考图像，分别选取25～30个控制点，控制点均匀分布于整幅图像中，运用二元二次多项式对1988年、1995年、1998年和2005年的图像进行配准校正，配准的均方根（RMS）误差小于0.5个像元。采用双向线性内插法对原图像进行重采样，将各波段的空间分辨率统一调整为30m。最后利用东莞市矢量行政区划图提取东莞市的遥感图像。

1.4 土地利用分类

结合东莞市土地利用特点与遥感影像的解译精度，将土地利用类型分为水体、林地、草地、园地、耕地、城镇用地和开发用地共7个类型。首先采用波段543与波段432假彩色合成图像建立遥感解译标志，然后以1995年和2000年的广东省土地利用数据作为参考建立不同时段遥感影像的分类模板，并用误差矩阵进行模板的精度评价，保证分类模板中不同类别之间的误差矩阵值大于85%。最后选择最大似然分类法进行监督分类，然后对遥感影像中解译的结果进行过滤、归并等处理，消除小于5个像元的类组，并将其合并到相邻的最大分类中。对解译结果参考广东省1995年和2000年土地利用类型图并结合野外调查数据进行精度评价，1988年、1995年、1998年、2002年和2005年遥感分类结果总体精度分别为：85.42%，87.03%，88.42%，86.94%，87.92%，Kappa系数分别为0.834，0.821，0.832，0.865，0.845，基本能满足应用要求。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化的幅度分析

土地利用变化首先反映在各种土地利用类型的面积变化，面积变化可以反映区域土地利用格局的变化，通过对各种土地利用类型面积变化的分析，可以了解区域土地利用变化总的趋势。根据土地利用分类结果，对1988—2005年东莞市各种土地利用类型的面积进行了统计，其结果见图1。可以看出，东莞市的土地利用格局在1988—2005年发生了较大变化。从不同土地利用类型的面积变化分析，面积呈增长趋势的土地利用类型有城镇用地和开发用地，其中城镇用地增加幅度最大，1988年东莞市城镇用地面积为6 703.20hm2，到2005年城镇用地面积已增加到75 823.56hm2，17a间增加了10.31倍；面积呈减少趋势的土地利用类型有林地、草地、园地和耕地，其中耕地变化幅度最大，1988年东莞市共有耕地114 468.66 hm2，到2005年，耕地面积减少到47 728.08hm2，17 a间减少了58.30%，共减少66 740.58hm2；水体面积先增加后减少，水体面积先从1988年的26 904.78 hm2增加到2002年的37 319.13hm2，然后再减少到2005年的25 408.17hm2。

图1 1988－2005年东莞市各种土地利用类型的面积

各种土地利用类型的面积变化，使得东莞市的土地利用格局发生了显著改变。1988年东莞市占优势的土地利用类型是耕地、林地和园地，三者合占东莞市面积的74.94%，其中耕地占46.90%，林地占15.60%，园地占12.44%；到2005年，土地利用格局发生明显改变，城镇用地的比重上升至31.07%，成为研究区占绝对优势的土地利用类型。

2.2 土地利用类型的变化速率分析

单一土地利用类型动态度反映研究区一定时间范围内某一土地利用类型的数量变化情况[6－8]，其表达式为

式中：K——研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua——研究初期某一土地利用类型的数量；Ub——研究末期某一土地利用类型的数量；T——研究时段，当T的时段定义为年时，K的值就是研究区某一种土地利用类型的年均变化率。

根据公式（1）计算1988—2005年东莞市各种土地利用类型的年均变化率，结果见图2。可以看出，各种土地利用类型的变化速率在研究时段内存在明显差异。从不同土地利用类型的变化速率分析，变化较快的土地利用类型有：城镇用地、开发用地和耕地，其中城镇用地是增长最快的土地利用类型，1988—2005年的年均变化率达60.66%，其中1988—1995年的年均变化率高达88.32%；开发用地的增长速度仅次于城镇用地，1988—2005年的年均变化率达38.95%，其中1988—1995年的年均变化率高达26.67%；耕地是减少最快的土地利用类型，1988—2005年的年均变化率达－3.43%，其中1988—1995年的年均变化率高达－5.80%。水体、林地、草地和园地总体上变化不大。

2.3 土地利用重心转移分析

利用土地利用重心变化模型来研究时段内各种土地利用类型的重心转移，能够揭示区域土地利用的空间分布变化规律[7－9]。为了研究土地利用重心转移的方向和距离，本文对土地利用重心的转移距离（D）和转移角度（α）定义如下：

式中：D——从t时刻到t＋1时刻重心转移的距离（km）；Xt，Yt——t时刻某种土地利用类型重心的横坐标和纵坐标；Xt＋1，Yt＋1——分别在t＋1时刻该种土地利用类型重心的横坐标和纵坐标；α——从t时刻到t＋1时刻重心转移的角度，是指重心转移方向与正东方向的夹角，范围是0～360°。

图2 1988－2005年东莞市各种土地利用类型的年均变化率

根据公式（2）和（3）计算东莞市1988—2005年的各类土地利用类型的重心及重心转移情况，其结果见表1。总体来看，1988—2005年，各土地利用类型重心的转移距离都较大，其中林地重心转移距离最大，其重心往SE转移了24.49km；水体重心转移距离最小，其重心往SW转移了2.70km；其它各类型重心转移距离也都在10km以上。这说明在该研究时段内研究区的土地利用变化较为剧烈。

表1 1988－2005年东莞市各种土地利用类型的重心转移距离和转移角度

从不同土地利用类型的转移方向来看，水体、林地、草地、园地和耕地的重心转移方向和城镇用地重心转移方向大致相反。1988—1995年，水体、林地、草地、园地和耕地的重心分别向SE，SE，SE，SW 和SE方向转移，而城镇用地的重心则向NW转移；1995—1998年，水体、林地、草地、园地和耕地的重心分别向NE，NW，NW，NE和NW方向转移，而城镇用地的重心也反向往SE转移；1998—2002年，水体、林地、草地、园地和耕地的重心分别向SW，SE，NE，NW和SE方向转移，城镇用地的重心往SE方向转移；2002—2005年，水体、林地、草地、园地和耕地的重心分别向SW，SE，SE，NE和NE方向转移，城镇用地的重心往NW方向转移。这主要是因为城镇用地扩张占用了大量耕地、园地等农业用地，形成重心移动“一进一退”的趋势[8，10]，在区域土地面积一定的情况下，区域内各土地利用类型的相互转化导致区域土地利用类型重心的变化，在空间上表现为重心方向移动的相反性。

2.4 土地利用变化的空间分异特征

空间自相关是用来检验在空间上具有一定规律性的空间变量在不同空间位置上的相关性[11]，通常采用Moran’s I系数作为空间自相关指标，其表达式为：

式中：Xi，Xj——变量X在配对空间单元i和j上的取值；¯X——变量X的平均值；Wij——相邻权重或空间权重函数（相邻取值为1，不相邻取值为0）；n——空间单元总数。I系数取值范围为－1～1，I＝0代表空间不相关，I＞0代表空间正相关，I＜0代表空间负相关。

利用公式（4）计算了1988年、1995年、1998年、2002年和2005年各土地利用类型的Moran’s I系数，其结果见图3。

图3 1988－2005年各土地利用类型的Moran’s I系数

总体来看，耕地、城镇用地和开发用地的Moran’s I系数变化幅度较大，其中耕地的Moran’s I系数减少幅度最大，说明耕地分布的空间正相关性正在减弱；城镇用地的Moran’s I系数有较大增长，说明其城镇用地分布的空间正相关性正日益增强。水体、林地、草地、园地和耕地的Moran’s I系数变化较小，总体上呈减少趋势，说明它们在空间分布上趋于分散，其空间正相关性有所减弱。这主要是由于在快速城市化进程中，一方面由于大量的耕地转化为城镇用地，导致城镇用地在空间分布上趋于集中，而耕地面积大幅减少，另一方面耕地流失导致耕地分布日趋破碎化。

3 结论

（1）1988—2005年，东莞市土地利用变化总的态势是耕地大幅减少，城镇用地迅速扩张，大量的农业用地转化为城镇用地，城镇用地快速扩张和耕地大量流失是研究区土地利用变化的主要特征。

（2）从土地利用变化的空间特征来看，各土地利用类型重心的转移距离都较大，且农业用地的重心转移方向和城镇用地重心转移方向大致相反；耕地分布的空间正相关性明显减弱，城镇用地分布的空间正相关性明显增强。

（3）本文仅研究了东莞市的土地利用变化特征，没有探讨该变化的主要驱动因素及该变化对区域生态环境的影响，今后将在这些方面继续深入研究。

[1]张文忠，王传胜，吕昕，等.珠江三角洲土地利用变化与工业化和城市化的耦合关系[J].地理学报，2003，58（5）：677－685.

[2]黎夏.珠江三角洲发展走廊1988—1997年土地利用变化特征的空间分析[J].自然资源学报，2004，19（3）：307－315.

[3]周静.基于RS与GIS的珠江口两岸景观破碎化分析[D].北京：中国科学院研究生院，2005.

[4]闫小培，毛蒋兴，普军.巨型城市区域土地利用变化的人文因素分析：以珠江三角洲地区为例[J].地理学报，2006，61（6）：613－621.

[5]方元.珠江口两岸土地利用时空演变及其生态环境效应[D].北京：中国科学院研究生院，2008.

[6]摆万奇，赵士洞.土地利用和土地覆盖变化研究模型综述[J].自然资源学报，1997，12（2）：74－80.

[7]王思远.基于地理时空数据库的中国近期土地利用／土地覆盖变化研究[D].北京：中国科学院研究生院，2002.

[8]任志远，张艳芳，李晶，等.土地利用变化与生态安全评价[M].北京：科学出版社，2003.

[9]包玉海，乌兰图雅，香宝，等.内蒙古耕地重心移动及其驱动因子分析[J].地理科学进展，1998，17（4）：47－54.

[10]Mertens B，Lambin E.Modeling land cover dynamics：integration of fine－scale land cover data with landscape attributes[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，1999，1（1）：48－52.

[11]张朝生，陶澎，袁贵平，等.天津市平原土壤微量元素含量的空间自相关研究[J].土壤学报，1995，32（1）：50－57.