基于RS和GIS的小城镇镇区土地利用变化研究——以寿宁县南阳镇为例

阳 辉，符小洪，叶 青

(闽江学院 地理科学系，福建 福州 350121)



基于RS和GIS的小城镇镇区土地利用变化研究
——以寿宁县南阳镇为例

阳 辉，符小洪*，叶 青

(闽江学院 地理科学系，福建 福州 350121)

基于RS与GIS技术，从南阳镇Landsat ETM影像(2000)、南阳镇第二次土地调查土地利用数据库(2009)和南阳镇总体规划(2010-2030)等数据中解译出南阳镇区土地利用信息，建立土地利用转移矩阵，并对土地利用变化状态和趋势进行分析。结果表明：(1)2000～2030年南阳镇区耕地、园地、林地急剧减少，分别为319.62 hm2、253.43 hm2、79.92 hm2，2009～2030年比2000～2009年减少得更多，土地利用程度变化率分别为1.23%和10.67%。(2)2000～2030年建设用地增长不平衡，2000-2009年建设用地增加的主要表现为住宅用地、商服用地及交通运输用地；2009～2030年建设用地增加表现为工矿仓储用地、公共管理与公共服务用地，交通运输用地增长速率也在加快。(3)2000～2030年建设用地需求增加以占用周围大量的优质耕地和园地及林地为代价，土地开发模式可能是粗放型的，并提出土地利用持续发展措施。

土地利用变化分析模型；土地利用变化；Landsat ETM；南阳镇区

土地利用是人类为获取所需的产品或服务而进行的对土地自然属性的利用目的、方式和意图[1]。自1995年IGBP与IHDP发表《土地利用/土地覆被变化科学研究计划》以来，土地利用与变化研究迅速成为全球变化研究的前沿和热点课题[2]。土地利用/土地覆被(简称LUCC)研究目的在于揭示全球及区域土地利用与覆被变化发生及发展的动力学机制，建立模型，提高对LUCC的预测能力。其主要研究内容是认识土地利用与覆被变化驱动力、土地利用和土地覆盖动力学中的时空可变性、确定土地利用与可持续性间的关系、认识LUCC与生物地球化学和气候之间的相互关系[3]；其研究方法主要是建模，其中最主要的是土地利用动态变化模型，包括引入土地利用动态度构建土地资源数量变化模型；利用土地资源生态环境背景参数构建土地资源生态背景质量变化模型；利用土地利用程度的综合分析方法构建土地利用程度变化模型；运用土地利用相对变化率的计算方法构建土地利用变化区域差异模型；利用土地资源分布重心构建土地利用空间变化模型及考虑生产和生活需求，分析社会、经济条件优势构建土地需求量预测模型，等等[4]。

目前国外对LUCC的研究核心之一是土地利用和覆被变化的驱动力、土地利用空间变化特征及其预测及LUCC的模型[5-8]。而国内一直把LUCC研究当作地理学重要领域研究，结合国情，很多学者研究集中在耕地资源变化驱动力研究、从全国范围去探讨中国LUCC变化及其变化因素、分析土地退化驱动力、典型和生态脆弱、热点地区土地利用变化驱动力研究，等等[9，10]。

近年来，随着政府对小城镇发展的扶持力度加大，不少地区存在盲目追求城镇化率提升速度和城镇用地空间扩张，致使小城镇土地集约利用评价研究、土地利用优化研究、土地利用变化预测研究、土地规划利用研究[11-14]等成为热点研究问题。本文选择福建省第三批省级小城镇综合改革试点镇——寿宁县南阳镇区的2000年、2009年及2030年土地利用信息，利用土地利用变化模型分析不同时段镇区土地利用变化，揭示改革开放后南阳镇城镇发展过程其土地利用的变化特征，希望能为地方政府解决土地可持续利用和生态环境保护提供决策支持。

1 研究区概况

寿宁县南阳镇离县城10 km，距温州市泰顺县30 km，东经119°35′～119°44′，北纬27°16′～27°41′，地势相对平坦，水热适中，宜林宜农，北接寿宁县城，南与福安市接壤，东与犀溪镇相邻，西靠清源乡，面积126.91 km2。1993年6月撤乡建镇，此后镇区土地利用结构进行了一定量的调整和改变。2003年8月省级公路——双湖路穿境而过，迅速推动了南阳镇的社会经济发展，使得南阳镇成为寿宁县第二大乡镇和寿宁县城的副城区。2012年，寿宁县委、县政府提出包括寿宁城关(鳌阳镇)与南阳镇组成的“两镇同城化”战略，进一步提升了南阳镇的发展地位，特别是2013年1月，南阳镇被福建省确定为省级第三批小城镇综合改革试点建设镇，在人口、经济、技术进步及政策因素的驱动力之下，南阳镇已完成2010～2030年的镇总体规划。据统计，南阳镇镇区的面积由2000年的89.97 hm2扩大到2009年的154.29 hm2，如果按镇总体规划实施，镇区面积将进一步扩大到747.67 hm2。

2 数据来源及处理

本文采用过渡期间适用的中国统一土地利用现状分类标准——《中国土地利用现状分类(2007)》，考虑镇区范围比较小，地类划分的比较细，故采用该分类标准的12个一级类[15]，包括耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、交通运输用地、特殊用地、水域及水利设施用地、其他土地等。因研究区内无特殊用地，故在文中只采用了11类用地。

研究区基础数据：南阳镇Landsat ETM影像(2000年)，南阳镇第二次土地调查土地利用数据库(2009年)，南阳镇总体规划图(2010～2030年)。

首先，将3期数据在GIS软件选取道路与河流交叉点等典型自然地物配准并获取研究区分析单元；其次，将下载的南阳镇区2000年Landsat ETM遥感影像在ANVI中与ETM第八波段融合，再结合室内判读和野外调查方法建立土地利用类型的解译标志，进而在ANVI中采用监督分类最大似然法解译出2000年ETM影像的土地利用信息，再通过外业调查检验和修改解译出的土地利用信息图，最后通过GIS的矢量化过程建立2000年南阳镇区土地利用数据库[16，17]；第三，把2009年的镇区第二次土地调查土地利用数据和2030年南阳镇总体规划规划中城镇用地数据在GIS中按照本文采用的土地分类标准进行地类归并处理就可建立2009年和2030年南阳镇区土地利用数据库(图1)。

3 南阳镇区不同时段土地利用变化分析

3.1 土地利用类型面积的数量变化分析

在上述工作基础上，从2000年，2009年，2030年数据库中可获取南阳镇区各土地利用类型面积和所占比例及2000～2009年和2009～2030年南阳镇区土地利用变化表(表1)。

从表1中可以看出，2000～2009年与2009～2030年耕地、园地、林地面积减少量比较大，其中2000～2009年耕地、林地分别减少37.52 hm2与18.96 hm2，而2009～2030年耕地、园地分别减少282.09 hm2与238 hm2。2000～2009年由于双湖公路通车，促进了镇区扩展，导致住宅用地、商服用地和交通运输用地量增加，分别增加了37.95 hm2，15.88 hm2，9.17 hm2；2009～2030年因小城镇政策和经济发展驱动及镇总体规划实施，城镇用地量增幅进一步增强，其中，商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、交通运输用地分别增加了28.07 hm2、253.03 hm2、53.35 hm2、163.14 hm2、95.78 hm2。

图1 南阳镇区2000年、2009年、2003年土地利用图Fig.1 The land-use map for Nanyang township in 2000，2009，2030表1 2000～2009年及2009～2030年南阳镇区土地利用变化表Tab.2 The land-use change for Nanyang township from 2000 to 2009 & from 2009 to 2030

3.2 土地利用结构的空间变化分析

土地利用转移矩阵是用二维表表示某一区域不同时间段内各个地类之间相互转化的结果[18，19]。通过GIS软件将3期土地利用类型图进行空间分析可构建2000～2009年与2009～2030年不同土地利用类型之间在空间和数量上的转移矩阵表(表2，表3)。

表2 2000～2009年土地利用转移矩阵Tab.2 The land-use transfer matrix for Nanyang township from 2000 to 2009

注：表2中行表示2000年第i种土地利用类型，列表示2009年第j种土地利用类型.

表3 2009～2030年南阳镇区土地利用转移矩阵Tab.3 the land-use transfer matrix for Nanyang township from 2009 to 2030

注：表3中行表示2009年第i种土地利用类型，列表示2030年第j种土地利用类型。

首先，由表2可看出，2000～2009年耕地转移量40.32 hm2，去向主要是住宅用地、商服用地与交通运输用地；林地转移量25 hm2，是流向园地、水域及水利设施用地转移；园地转移量是15.43 hm2，则主要向住宅用地、林地转移。从表3分析，2009～2030年耕地、园地、林地转移量比2000～2009年更大，分别是282.09 hm2、238 hm2、191.9 hm2。其中，耕地主要是向工矿仓储用地、园地、住宅用地、公共管理与公共服用地转变；园地是流向住宅用地与林地；林地主要向工矿仓储用地、园地、公共管理与公共服务用地、交通运输用地、住宅用地转变。其次，2000～2009年建设用地增加的主要表现为住宅用地、商服用地及交通运输用地；2009～2030年建设用地增加表现为工矿仓储用地、公共管理与公共服务用地。这表明城镇扩展初期是以住宅、商业与交通为先导，而城镇发展走向中期，则需要产业及其相应的服务支撑。进一步分析表3，还可看出农用地之间也有一定的转移量，主要是耕地、园地、林地之间。如2009-2030年耕地向园地转移量达63.82 hm2，占耕地总转移量的22.6%，居第二位；林地向园地转移量44.43 hm2，占林地总转移量的23.2%，也居第二位；与此同时，园地也向林地转移101.29 hm2，占园地总转移量的42.56%，居第一位。这可能与农业产业内部结构调整有关。

3.3 土地利用动态度分析

3.3.1 单一土地利用动态度

单一土地利用类型动态度的含义是一定时间范围内某研究区的一种土地利用类型在数量上的变化情况，其公式为：

(1)

式中：K为研究时期内某一土地利用类型动态度，Ua、Ub分别为研究初始阶段和结束阶段某一种土地利用类型的面积，T为研究时间段长度。当T以年为单位时，K的值就表示该研究时段内某一土地利用类型的年变化率。由表达式可以得出：当K<0，表示这种土地类型的面积在减少，反之K>0时，即表明其面积在增加。

利用上述公式可计算得南阳镇区单一土地利用动态度(表4)。

表4 南阳镇区单一土地利用动态度Tab.4 The single dynamic degree of land use for Nanyang township

从表4可以看出草地、耕地、林地、其他用地、园地都是负值，表明它们的面积呈减少趋势，且由数值大小可看出减少速率在加快；工矿仓储用地和公共管理与公共服务用地2000～2009年单一土地利用动态度分别是9.04%和13.36%，而在2009～2030年分别是634.26%和907.13%，表明这两种土地类型在2009～2030年变化率将非常大；同时，无论是增加还是减少，2009～2030年各地类变化量差别比2000～2009年大，但交通运输用地的增长速率在加快，而商服用地、水域水利设施用地、住宅用地增长速率却在减慢。

3.3.2 综合土地利用动态度

为进一步说明南阳镇区土地利用动态变化的规律，本文引入综合土地利用动态度模型，该模型表示在某一时间段内某研究区的综合动态度，其公式为：

(2)

式中：LUi为研究开始时第i类土地利用类型面积；ΔLUi-j为研究时段内第i类土地利用类型转为非第i类土地利用类型面积的绝对值；T表示研究总时间(本文设时间单位为年)；LC实际表示该研究区土地利用年变化率。

利用公式(2)，可计算得2000～2009年与2009～2030年综合土地利用动态度(表5)。

表5 南阳镇区综合土地利用动态度Tab.5 The comprehensive dynamic degreeof land use for Nanyang township %

从表5得知2000～2009年南阳镇区综合土地利用动态度为1.29%，这表明每年每100hm2的土地中就有1.29hm2土地利用类型发生了变化；同样，2009～2030年的综合动态度为1.01%，也表明每100hm2的土地中就有1.01hm2土地利用类型发生了变化。以上两个时间段内综合土地利用年变化率相差不大，其差值仅为0.28%，表明在研究时段内每年的土地综合利用变化基本是一致的。

3.4 土地利用程度变化指数分析

土地利用程度反映了某区域对土地利用的广度和深度，它不仅可以表示土地的自然属性，还可表示自然环境因素和人类因素对土地共同作用的结果，本文参照刘纪远等人的研究[19-23]，根据土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态，将南阳镇区土地利用程度划分为4个等级(表6)，并分别赋予了分级指数。

表6 南阳镇区土地利用程度等级划分表Tab.6 The classification of land-use degree for Nanyang township

本文采用的土地利用程度综合指数、变化量和变化率公式分别如下：

(3)

ΔLb-a=La-Lb

(4)

(5)

式中：Ai为第i级土地利用程度分级指数，Ci为研

究区内第i级土地利用程度的分级面积比，Cib、Cia分别为研究区b和a时间第i级土地利用程度的面积百分比。Lj的大小可以反映出土地利用程度的高低；当ΔLb-a>0时，或R>0时，表示研究区土地利用处于发展时期，否则衰退期或调整期。

把2000年、2009年、2030年相关数据代入公式(3)、(4)、(5)中，可计算南阳镇区土地利用程度变化指数(表7)。

从表7分析，南阳镇区2000年、2009年、2030年的土地利用程度综合指数分别为269.24、272.55和301.62，表明其土地利用程度在不断增加，但是由2000～2009年和2009～2030年的土地利用程度变化率分别为1.23%和10.67%，则表明2009～2030年南阳镇区的土地利用程度变化速度比2000～2009年快很多，这也表明了2000～2030年南阳镇区土地利用处于发展时期，可能导致用地粗放式。

表7 南阳镇区土地利用程度变化指数表Tab.7 The indexes of change on land-use degree for Nanyang township

4 结论与讨论

本文基于小城镇尺度土地利用变化分析，结果表明：(1)2000～2030年南阳镇区耕地、园地、林地急剧减少，分别为319.62hm2、253.43hm2、79.92hm2，2009～2030年比2000～2009年减少得更多，土地利用程度变化率分别为1.23%和10.67%。(2)2000-2030年建设用地增长不平衡，2000～2009年建设用地增加的主要表现为住宅用地、商服用地及交通运输用地；2009～2030年建设用地增加表现为工矿仓储用地、公共管理与公共服务用地，交通运输用地增长速率也在加快。(3)快速城镇化进程中，2000～2030年建设用地需求增加以占用周围大量的优质耕地和园地及林地为代价，土地开发模式可能是粗放型。今后制定有关土地利用政策要充分考虑土地变化的有关因素，优化土地利用布局对土地合理优化配置，严格控制建设用地规模，提高土地利用率，让城镇化的载体可持续发展。

需要指出的是，本文研究是基于小城镇范围内遥感影像数据、农村土地第二次调查数据及城镇总体规划数据，由于它们之间数据格式差异，在转换过程中不可避免存在数据信息遗失，导致分析结果产生一定的误差。此外，该领域的研究还可从生态安全预警角度，引入土地利用压力一状态一响应模型，揭示土地利用与生态环境之间的关系，并在时间序列上对各时期土地利用变化带来的生态环境效应做分析和对比。

致谢：感谢课题组成员赵海、黄炳坚、李新颖和江秋丽的支持。

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STUDY ON LAND-USE CHANGE OF TOWNSHIP IN SMALL TOWN BASED ON RS & GIS——A CASE STUDY IN NANYANG，SHOUNING COUNTY，FUJIAN

YANG Hui，FU Xiao-hong，YE Qing

(DepartmentofGeographicalScience，MinjiangUniversity，Fuzhou350121，Fujian，China)

Based on RS & GIS technology，using Nanyang’s Landsat ETM image in 2000，the second survey database of the land use for Nanyang in 2009 and the town master planning for Nanyang from 2010 to 2030，the land-use information for Nanyang township in 2000，2009，2030 were extracted.At the same time，the transfer matrix of land-use types for Nanyang township from 2000 to2009 and from 2009 to2030 were established.And then，the change and change trend of the land use for Nanyang township were analyzed.The results were showed that：(1)the amount of cultivated land，garden land and forest land was reduced dramatically from 2000 to 2030，the reductions were 319.62hm2、253.43hm2、79.92hm2respectively，and the reduction from 2009 to 2030 was more than that from 2000 to 2009，the rate of change of land use degree from 2009 to 2030 and from 2009 to 2030 were 1.23%and 10.67%respectively；(2)the increase of the construction land is imbalance from 2000 to 2030，in other words that was to say，residential land，Land for commercial services，land for transport increased faster from 2000 to 2009，and the increase of the construction land was mainly the land for mining warehouse and land for public management and public service from 2009 to 2030，and the growth rate of land for transport was seemed to be speeding up；(3)from 2009 to 2030，the increase of the construction land was at the cost of occupation of many high quality cultivated land，garden land and forest land around the township，and the land development mode maybe extensive，and then many countermeasures on the land sustainable use were taken to.Key words：the analysis models for land-use change；land-use change；Landsat ETM；Nanyang township

2015-04-29；

2015-07-12．

作者简介：阳辉(1993-)，女，湖南省衡阳人，本科生，资源环境与城乡规划管理专业.
*通信作者：符小洪(1967-)，男，福建省寿宁人，副教授，硕士，主要从事区域经济与城乡规划的教学与科研工作.

文献标识码：A 文章编号：1001-7852(2015)04-0055-08