2000—2010年成都市土地利用空间格局变化分析

张 敏, 宫兆宁*, 江浏光艳

(1.首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室,北京100048；2.首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室,北京100048；3.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,四川成都610066)

土地是人类赖以生存和发展的物质基础[1-2].土地利用是人类在土地自然属性的基础上,对土地施加影响而产生的利用方式和利用状况,而土地利用变化是人类活动作用于陆地表层环境的一种重要方式和响应[3-4].受自然环境变化和人为影响(如产业转型、人口迁移等各种复杂的社会经济影响),土地利用状况不断发生变化,朝着有利于人类生活和社会经济发展的方向变化[5].土地利用变化研究是国际地圈生物圈计划(IGBP)和国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)的重要内容[6].其研究内容主要集中在不同空间尺度上的土地利用变化过程[7-9]、驱动机制[10]、变化趋势预测[11]以及环境经济效益[12-13]等方面.

成都市作为西南地区的“两枢纽、三中心、四基地”,2000—2010年是成都市发展的重要10年,在这10年中城市化进程、经济、人均生活水平都有大幅度的提升.然而在追求经济发展的过程中,土地利用结构也发生了大幅度的改变.研究成都市10年来土地利用变化过程及其驱动力机制,对合理利用土地资源,改善生态环境,实施可持续发展战略具有重要意义.黄成毅等[14]利用1996年和2002年2期TM影像对成都市6年来的土地利用变化情况及其特点进行分析,结果表明城市用地大幅增加,耕地、林地减少.程武学等[15]利用2005年和2010年2期影像数据对成都市土地利用变化特征进行分析,结果表明在这5年间土地利用的主要转换类型为耕地向建设用地的转化.彭文甫等[16]利用生态服务价值系数,对1992—2008年成都市土地利用变化的生态服务价值进行评估,结果表明土地利用变化导致生态服务价值增加.这些研究虽然都关注到了成都市各土地利用类型变化的总面积以及空间变化特征,但都未从土地利用空间分布重心的角度分析土地利用空间格局的变化,也未定量的对驱动力机制进行分析,而且研究时段较短,不足以显示长时间序列的成都市土地利用变化特征.本文以2000—2010年3期Landsat TM遥感数据为基础数据,解译得到土地利用类型图并分析土地利用资源在数量和空间格局上的变化；在土地利用类型图的基础上生成转移概率矩阵,并结合分析各土地利用类型的重心变化趋势,揭示土地利用动态变化过程.从气候、人口、社会经济、政府政策方面分析引起成都市土地利用变化的驱动力机制.

1 研究区概况

成都市位于四川省中部,四川盆地西部,平均海拔约500 m,总面积12 390 km2.管辖9区4市6县,总人口1 257.9万人.东接德阳市、资阳市,西临雅安市,北依阿坝藏族羌族自治州,南面与眉山市接壤.研究区西北部以山区为主,中部为平原地带,东南部多为丘陵,其中平原占总面积的36.4%,丘陵占30.4%,山地占33.2%.近20年来,成都市的经济一直保持着较快的发展速度,尤其是2000年以来,综合实力显著增强,城市经济发展更是迈上了一个新台阶.2000年人均GDP为1.3万元,2005年人均 GDP增长到2.2万元,比2000年增长69%；2010年人均GDP为4.8万元,比2005年增长118%.在城市化和经济高速发展的过程中,土地利用结构也发生了巨大的变化.

2 研究方法

本文将成都市2000年、2005年、2010年时间序列的TM影像进行预处理,采用eCognition软件的面向对象分类方法提取成都市土地利用信息.在ARCGIS平台下,对解译好的3期土地利用数据进行叠加分析,采用GIS空间分析方法和数理统计方法,建立土地利用变化的转移概率矩阵,利用转移矩阵、平均重心等模型分析10年来成都市土地利用的变化过程,并分析引起土地利用变化的驱动力机制(图1).

2.1 研究数据与处理本文采用的数据资料主要为成都市2000年、2005年和2010年的Landsat TM遥感数字影像、行政区划图、气象和经济数据等.其中,数字遥感影像主要来源于地理空间数据云平台和美国地质调查局网站,影像分辨率为30 m；气象数据由中国气象科学数据共享网下载；经济数据由成都市统计年鉴和四川省统计年鉴得来.由于成都市地处四川盆地,大气云层较厚,受影像清晰度的限制,选取2000年、2005年、2010年4月的影像(影像行列号 130/039、130/038、129/039、129/038),该时间段内,影像云量低于10%,清晰度较高,有利于土地利用信息的提取.本次试验基于ENVI 4.8平台对影像进行预处理,首先利用FLASH工具对每个时期的4景影像分别做大气校正,消除由大气散射引起的遥感影像辐射误差；其次对影像进行几何校正,纠正影像成像过程中的几何偏差；将每一时期的4幅影像进行镶嵌,镶嵌完成后利用成都市行政边界对其进行裁剪.

采用eCognition软件提供的面向对象分类方法,结合实地调查、Google Earth软件等其他工具对3期预处理后影像进行解译,参照《土地利用现状分类》国家标准,结合成都市土地结构特征,将研究区分为耕地、林地、建设用地、水域、其他土地5类用地类型；图2～4为3期遥感影像分类结果.

在ARCGIS 10.0软件中,对解译好的3期土地利用数据进行空间分析,利用ModerBuider工具构建数据处理流程,提高数据处理效率,从而建立土地利用变化的空间数据库和属性数据库.本文利用Clip、Select、Identify、Dissolve 工具构建各土地利用类型的统计模型；利用 Intersect、Eliminate、Dissolve工具构建2期土地利用数据叠加模型.数据处理技术具体流程如图1.

2.2 土地利用变化率土地利用变化率可以直观地反映土地利用类型变化的速度.表达某种土地利用类型在一定时间范围内的数量变化情况.土地利用变化率的计算公式如下

其中,KT为研究时段内区域某一种土地利用类型变化率；Ua、Ub分别为研究时段开始与结束时该土地利用类型的面积；T为研究时段,当设定为N年时,模型结果表示该区此类土地利用类型的N年变化率[7].

2.3 土地利用转移矩阵土地利用的转移矩阵来源于系统分析中对系统状态和转移的定量描述[17].在矩阵中,行表示土地利用类型的转出面积,列表示土地利用类型的转入面积.转移矩阵能够全面清晰的反应区域土地利用结构的特征以及各土地利用类型的转移方向.基于ARCGIS 10.0平台对成都市2000年、2005年、2010年的土地利用数据进行空间叠加分析,得到土地利用转移矩阵.土地利用转移矩阵的数学形式如下

其中,Aij表示第i种土地利用类型向第j种土地利用类型转移的面积,n表示土地利用类型数.土地利用转移矩阵计算结果见表1.

2.4 土地利用空间分布重心模型土地利用空间重心可以反映土地利用类型在空间上的集中情况,通过对期初和期末土地利用空间分布重心的比较,分析研究时段内土地利用类型的空间分布特征.数学表达式如下:

式中,Xj(t)、Yj(t)表示土地利用类型j的重心坐标；t为时间变量；Nj(t)表示土地利用类型j的斑块个数；Cij(t)是土地利用类型j的第i个斑块面积；Xij(t)、Yij(t)表示土地利用类型j的第i个斑块的几何中心经纬度坐标[18].利用平均重心模型,计算2000—2010年成都市的土地利用空间分布重心,分析其重心变化特征.

3 土地利用空间格局变化

3.1 土地利用结构和数量变化土地利用变化包括土地利用类型的面积变化、空间变化和质量变化[12].土地利用变化幅度体现其在面积上的变化,它反映了不同类型在总量上的变化,通过土地利用变化幅度的分析可以了解各土地利用类型变化的总体势态.

表1 2000—2010年成都市土地利用转移矩阵Table 1 The transition matrix of Chengdu land use during 2000 to 2010 hm2

表2 成都市2000—2010年土地利用面积变化Table 2 Changes of land use area in Chengdu during 2000 to 2010

对成都市3期土地利用数据(图2～4)分别进行土地利用类型的统计分析,计算各土地利用类型的变化率,得出表2的结果.结果显示,2000—2010年,耕地和林地一直是成都市的主要土地利用类型,但耕地面积比重出现大幅下降,由54.25%下降到47.38%,林地面积略有下降,但下降幅度不大,与2000年相比基本持平.10年间城市建设用地增加了90 854.77 hm2,面积比重由2000年的8.38%增加到15.88%,主要是由城市人口增长和城市化发展引起.水域面积变化不大,有轻微的波动,10年只增加了151.73 hm2；其他土地如裸地、荒地、草地等减少了3 800.98 hm2.

10年来成都市土地利用变化速度较快,其中建设用地变化最快,年变化率达7.62%；耕地由于基数较大,年变化率只有1.3%；林地和水域变化速度较慢,年变化率分别为0.09%和0.18%.上述结果表明,城市化进程的加剧是导致成都市土地利用变化的主要原因.

3.2 土地利用类型转换从土地利用类型的转出上看,2000—2005年间耕地面积主要转变为建设用地,有少部分转移成水域和其他土地,其中转变为建设用地的面积为26 140.74 hm2；建设用地有235.04 hm2转变为耕地,179.16 hm2转变为水域.水域面积主要转变为了其他土地,面积达2 087.78 hm2.其他土地有1 949.17 hm2转化为水域,439.73 hm2转化为建设用地.2005—2010年间大量的耕地转换为建设用地面积达58 418.25 hm2；林地面积主要转变为建设用地和其他土地,面积分别为1 866.78、1 183.78 hm2.建设用地转变为耕地面积最多,为1 918.23 hm2,其次为其他土地和水域,面积分别为360.8和2.19 hm2.水域面积主要转变为建设用地,达775.23 hm2.其他土地转变为建设用地面积最多,为 5 252.8 hm2,其次是耕地为1 996.52 hm2,有少部分转化成水域.

从土地利用类型的转入上看,2010年研究区建设用地面积的43.32%、2.9%、1.02%、0.67%分别由耕地、其他土地、林地、水域转化而来(图5(a)),建设用地增长迅速,且增长的建设用地面积中有90.71%来自于耕地面积的减少.建设用地对耕地的大规模侵占主要发生在2005—2010年(图5(c)).耕地和林地的转入极少,呈现持续负增长趋势.水域面积的15.57%、7.35%、6.01%、1.23%源于其他土地、耕地、林地和建设用地(图5(a)),且水域的面积的扩张主要发生在2000—2005年(图5(b)).

3.3 土地利用主要转换类型分析运用ARCGIS 10.0建立叠加模型对2000年和2010年土地利用数据进行叠加分析,得到土地利用类型转换图,由于生成的转换类型共有25种,导致图像显示繁杂且不利于分析,本文选取变化幅度较大的6种转移类型进行分析,最终得到成都市10年间土地利用主要转换类型图(图6).

从图中可以看出,10年来成都市土地利用类型转换最多是耕地向建设用地的转变,其次是其他土地、林地向建设用地的转变.第1种转变主要集中在主城区与近郊区的交界处以及各区县县城附近,其中以主城区与近郊区的过渡带最为明显,从主城区向郫县、温江、龙泉驿区3个方向的延伸是主城区向外扩张的3个主要方向,在这3个方向上耕地大面积转变为建设用地,同时南延线一带建设用地也在迅速增加.第2种转变类型主要集中在各区县县城周围.耕地、其他土地和林地大幅度转向建设用地,这与经济高速发展、城市化速度加快有着密切的关系.

3.4 土地利用类型重心转移土地利用重心反映各土地利用类型在空间各方位上的消长情况,若土地利用在研究区内均匀消长,其土地利用重心基本不变,反之重心则发生偏移[19].利用空间分布重心模型,计算出2000—2010年3期土地利用类型的重心及偏移情况(图7).受自然环境和人为影响,10年来成都市土地利用重心发生了明显的偏移.2000—2005年,耕地重心向西偏北0.52°偏移0.24 km；林地仅偏移0.062 km；建设用地偏移3.326 km,偏移方向为东偏南 22.48°；水域向西偏北59.31°方向偏移5.016 km；其他土地向西偏南方向65.18°偏移1.271 km.2005—2010年,耕地重心偏移0.669 km,偏移方向为东偏南84.76°；林地偏移量仅0.019 km；建设用地偏移0.545 km,偏移方向为53.96°；水域偏移0.93 km,偏移方向为西偏南36.93°；其他土地向西北方向偏移0.93 km.2000—2010年成都市耕地总体偏移10.687 km,偏移方向为西偏南74.94°；建设用地偏移了3.494 km,偏移方向为东偏南13.76°；水域偏移了5 km,偏移方向为西偏北48.66°；其他土地偏移了0.937 km,偏移方向为西偏北45.85°.10年间林地偏移量极少,仅0.073 km,可以认为林地在10年内基本保持稳定,重心不变.建设用地主要向东部和南部扩展,而耕地、水域和其他土地重心大量往西部和北部移动,说明建设用地向东南的推进与其他类型土地的后退呈现出空间耦合.

4 土地利用变化驱动力机制分析

通过以上数据研究分析,10年来成都市城市化速度迅速,城市范围不断向郊区扩展,耕地等农用地随之被占用.其中城镇建设用地的大幅度增加是10年来成都市最明显的土地利用变化.本文主要对引起城镇建设用地变化的驱动力机制进行讨论.

1)气候因素.气候因素主要有气温和降水量,利用成都市2000—2010年的城镇建设用地面积分别与气温和降水量做相关分析(图8、9),分析结果显示城镇建设用地面积与气温和降水量相关性较小,相关系数分别为0.118 1和0.259 3.这表明在研究时段内气候因素与城镇建设用地变化关系不大,不是导致其变化的原因.

2)人口因素.人类通过改变土地利用的方式来满足对生存环境的需求,人口的增加必然会使人类对城市用地的需求增加,这也是城镇建设用地扩展最为直接的原因.2000—2010年成都市总人口稳定增长,从2000年的1 013.35万人增加到2010年的1 149.09万人,年增长率为1.34%.通过对2000—2010年成都市总人口与城镇建设用地面积进行曲线拟合发现,二者由对数拟合效果最优(图10),相关系数达到0.830 4,具有较高的相关性.说明城镇建设用地面积的增加与人口增长有着密切的联系.

3)社会经济因素.社会经济的迅速增长改变了土地利用的数量、结构和利用方式,尤其是二、三产业的发展,直接带动了建设用地的扩张,同时,经济的发展还会刺激城市人口增加.人均GDP最能反映一个城市的社会经济水平.2000—2010年是成都市经济飞速发展的10年,以房地产业为主的第三产业发展迅速.人均GDP从1.29万元猛增到4.25万元,年均增长率为22.94%.通过对2000—2010年成都市人均GDP与城镇建设用地面积进行对数曲线拟合(图11)发现,二者具有很高的相关性,相关系数达到0.935 2,说明社会经济因素是推动成都市城镇建设用地扩张的主要因素.

4)政策制度因素.政府政策制度对土地利用变化有着强制性的影响[20].从研究区10年的土地利用时空变化上看,政策制度对其变化起着直接作用,城市规划和土地利用总体规划方案的调整等政府行为也直接影响到土地利用的变化.如成都东客站、成都双流机场第二跑道和新航站楼的规划建设政策,直接促使了周边大量耕地等其他土地向建设用地的转变；政府提出规划建设天府新区,吸引了大批的二、三产业入驻成都,进一步推动成都市的社会经济发展城镇化建设,这些都必将改变成都市的土地利用结构和方式.另外,由于国家对环境保护的重视,政府将大量污染严重的企业迁出城区,也会改变土地利用格局.

5 结论

本文利用长时间序列Landsat TM影像,采用面向对象的分类方法进行遥感解译,从数量和空间格局上分析了成都市2000—2010年土地利用变化特征,并简要分析其驱动力机制.研究表明:

1)研究区在2000—2010年间土地利用结构发生了大幅度的变化,建设用地面积显著增加,而耕地明显减少.10年来成都市建设用地增加90 854.77 hm2,年均增加率达7.62%；耕地、林地和其他土地面积都有不同程度的减少,其中减少最多的是耕地,减少了83 346.9 hm2,年均减少率为1.3%.说明建设用地扩张的结果是大量的耕地被占用.

2)2000—2010年间,各土地利用类型之间的相互转换比较突出.耕地面积的减少主要转变为建设用地；林地面积的减少主要转变为建设用地；建设用地的减少主要转变为耕地；水域面积的减少主要转变为其他土地；其他土地则主要转变为耕地、建设用地和水域.到2010年,建设用地面积的43.32%来自于耕地,其中转入最多的是2005—2010年.

3)成都市耕地转换为建设用地的区域分布最广泛,占成都市总面积的6.9%.主要分布在成都市主城区与近郊区的交界处,以及各区县县城附近；以主城区与近郊区过渡带最为明显.

4)2000—2010年间,各土地利用类型的重心发生了明显的偏移,其中偏移最明显的是建设用地,到2005年建设用地的重心从温江区偏移到青羊区,往东南方向偏移明显；10年来林地偏移量最小,仅0.073 km；由于建设用地往东南方向扩张,使得耕地、水域和其他土地往西南、西北方向移动.

5)通过对影响城镇建设用地扩张的温度、降水量、人口、人均GDP的偏相关分析发现:社会经济的发展是城镇建设用地扩张的根本驱动力,它不但自身对土地利用结构产生影响,而且还通过刺激人口增长进一步推动城镇建设用地的扩张.

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