开封市土地利用变化及其驱动力研究

河南大学环境与规划学院　崔锦甜

开封市土地利用变化及其驱动力研究

河南大学环境与规划学院崔锦甜

近年来，随着土地利用时空变化研究的展开，国内外学者在其理论及其评价方法等方面取得了很大的进展。国内学者根据我国土地利用变化的规律及特点，通过多角度对我国不同土地利用类型进行驱动力的研究并且提出了一些模型，但在研究范围上，中部地区的研究为数不多。因此，本研究以引用土地利用动态度及主成分分析等方法，结合GIS及RS软件分析1990-2005年开封市土地利用的时空变化特征，并用SPSS软件探究其驱动因素，为开封市土地持续利用及规划提供科学依据。

一、研究区域概况

开封市地处河南省东部，黄河中下游大冲积扇南侧，东经113°52′15”～115°15′42”，北纬34°11′45”～35°01′20”，现辖开封、兰考、通许、杞县、尉氏及城区，全市土地面积6262km2，总人口487万人（2005年），其中市区面积79.74km2，人口87.15万人。开封市社会经济条件较好，工农业发展较快，但仍处在发展中期。开封市土地利用类型被划分为林地、耕地、园地、居民点与工矿用地、交通用地、未利用地、水域共7个一级类型，但因统计资料难以统一，本研究将居民点与工矿用地、交通用地归并为建设用地，共计6个一级类型。

二、研究资料及土地遥感分类精度

（一）本项研究数据来源

本项研究数据来自于开封市1990年2月27日的Landsat5TM影像和2005年2月25日的Landsat5TM影像和1990年、2005年土地利用详查和变更调查数据，以及开封市1997年1：1万和2000年1：5万土地利用图和1990—2005年开封市统计年鉴及社会经济数据。

（二）土地遥感分类精度

对遥感影像解译，分析不同地物的光谱特征，建立ROI，利用ENVI对两期遥感影像监督分类，对监督分类后的影像进行精度评价。TM影像分类总精度为84.46%，符合实际的精度要求。

三、研究区域土地利用的结构变化

（一）土地利用类型的面积变化及变化幅度

从表1中可以看出开封市在1990—2005年土地利用类型的变化量及幅度，其中耕地、园地、水域和未利用地面积呈减少趋势，耕地面积减少量最大，达6532.68hm2；未利用地、水域次之，分别减少了920.79hm2、910.91hm2。水域减少主要是由于小浪底工程的建成使黄河下游水量减少，一些河道长期处于干涸状态，之后逐渐转变为耕地或其他类型用地。园地减幅最小，为206.84hm2，园地的减少也加剧了水土的流失和环境的破坏。林地和建设用地面积则呈增长趋势，分别增加了2223.56hm2和11479.16hm2，其中建设用地（包括居民点与工矿用地、交通用地）的大幅增加，主要是因人口增长和城市化所致；林地面积的增加则表明了开封市退耕还林的实施和旅游发展改善环境收到成效。图1反映了开封市土地利用结构变化幅度，其绝对值依次为建设用地＞林地＞未利用地＞园地＞水域＞耕地，虽然耕地面积变化量最大，但由于耕地基数较大，所以其变化幅度最小。开封市土地利用变化的总体趋势为城市化导致建设用地的扩展，耕地非农化及其后备资源的开发和区域绿化林地覆盖率增加。

（二）单一土地利用动态度

土地利用动态度是衡量一定时间研究区域各土地利用类型的变化程度和变化速度，是一个相对值，可以对比出不同土地利用类型变化的差异，对土地利用变化区域差异的比较和未来土地利用变化趋势的预测都具有积极的作用，其表达式为：

其中：K为一段研究时间内单一土地利用类型的动态度，Ua为研究初期某一种土地利用类型的面积，Ub为研究末期某一种土地利用类型的面积，T为研究的时间间隔（单位为年）。当K＞0时，表明在研究时段内该土地类型用地呈增长趋势，当K＜0时，表明在研究时段内该土地类型用地呈减少趋势。

本研究时段为1990—2005年，T值取15，由此模型可得到表2，其显示了15年间开封市6种土地利用类型的动态度，其中变化最快的是建设用地，年变化率约0.95%，表现出很强的变化现象，说明开封市的城市扩张正在迅速发展；林地次之，达到0.62%，其动态度已经超过了全国每年平均约0.23%的速度，主要是开封市逐渐推行生态建设，并优化城市旅游环境所致；未利用地动态度约0.59%；耕地的动态度为0.1%，而我国耕地面积减少的速度约3‰，可见研究区内耕地的动态度已高于全国平均水平。

（三）基于遥感影像分类的土地利用变化及建成区变化分析

本研究基于知识建立训练样本，并根据该区DEM空间统计关系和土地利用类型及地物光谱特征的经验知识确定土地类型，在ENVI的支持下对开封市1990—2005年的LandsatTM影像进行几何纠正和空间坐标配，再利用最大似然法分类，并利用掩膜去除已分类的地块，对处理后的影像波段进行分析，去除已分类地物对影像的干扰，提高分类精度，得到两期该区土地覆被和土地利用类型图（略）。

通过比较同一区域2个年份的土地利用分布差异，可以看到，1990年城区外围的建设用地不多且布局较为分散，耕地面积较大且呈片状分布，黄河流域处仍有大面积未利用地。随后几十年内，由于开封市委及市政府加强了城市规划力度，并开始实施“工业强市，旅游带动”和“改造旧城区，大力发展西区”的政策，使得城市各类用地布局趋于合理。2005年，城区已由中部地区向外围扩展，东部和西南部的部分耕地已被城区取代。此外，林地也逐渐增多，黄河流域的未开垦地也被耕地及居民区取代，城区外围的居住区由原来的散乱分布向中部地区集中化，城区开始出现周边化发展，城市规划开始步入正轨。

四、研究区域城市化水平分析

根据研究区域城市化水平的主要影响因素，分析得到两个主要指标：C1—非农人口占总人口的比重，C2—非农产业GDP占总GDP的比重。运用特尔斐法分别赋予C10.8和C20.2的权重，加权平均后得到综合指标C（见表3），得到1990—2005年开封市城市化水平折线图（见图2）。

由图2可以得出，1990—2005年开封市城市化水平基本上处于不断上升的状态，这是由于开封市实施经济体制改革及建立市场经济体制，推动了开封市外向型经济、私营经济和乡镇企业的迅速发展，导致了土地利用结构的变化，各类用地的优化配置，使得土地利用率和产出率得到提高。2000年之后，随着国家退耕还林等土地政策的实施，全市林地面积开始增加，再加上近年来中部崛起战略及郑汴一体化的实施，使得开封的经济发展有了重大变化，建成区范围扩展，相应的基础设施配套建设、房地产业及其他建设都得到一定程度的提高，因此，这一时期不断提高的城市化水平也使开封市的土地利用发生了变化。

表1　开封市1990—2005年土地利用变化

表2　开封市土地利用类型动态度

表3　1990-2005年间开封市城市化水平

表4　指标体系

表5　1999-2005年间主成分分析数据

五、驱动因子分析

（一）指标选取及数据处理

驱动力与土地利用变化的关系是土地利用变化动力学研究的核心。根据开封市城市和经济发展现状，结合现有资料，以科学性、整体性、层次性、可操作性为准则，建立开封市土地利用指标体系（见表4）。研究以年份为基本单元，选取1999—2005年间相应的数据（见表5），运用SPSS软件进行主成分分析，得到KMO值为0.749＞0.7，即可以进行主成分分析，根据特征值＞1和累积贡献率≥85%，提取出前2个主成分，特征值和各主成分的贡献率及累积贡献（见表6），主成分载荷矩阵（见表7）。

通过对主成分载荷的分析，第一主成分与A（0.986）、C（0.997）、F（0.992）、G（0.995）、H（0.993）、I（0.969）相关性比较强，它们主要反映了开封市的人口数量、经济发展状况及城镇化发展水平，且第一主成分的贡献率最高，这表明开封市的土地利用变化主要受这些方面的影响，因此，第一主成分可视作城镇化水平、人口及经济发展状况。第二主成分与B（0.830）、E（0.902）相关性比较强，这表明开封市的土地利用变化与第三产业即服务业也有相关，而第三产业主要是以城市为载体，其与经济的快速发展、国民素质的提高、行业的构建、人民生活水平的提高息息相关，因此，第二主成分可视作服务业发展的代表，即服务业的发展也是影响开封市土地利用结构变化的一个重要因子。

图1　开封市1990-2005年土地利用结构变化幅度`

图2　1990-2005年开封市城市化水平折线图

（二）影响开封市土地利用结构的驱动因子

1.城市化因子。数据显示，1988—2003年开封市的城市化指数由20.09%增长至29.89%，其城市化步伐的加快致使城市规模扩大，市区边缘区不断向外推进，农耕地被住宅、交通、商业、行政、工厂等各类建设用地替代。结合开封市的具体情况，土地利用类型的转化受城市化发展的作用主要体现在交通用地、公共基础设施及市政配套设施用地等建设用地的增加和农村居民区的增加上。

2.人口因子。城市人口越多，对城镇基础设施的需求也越多，对于建设用地增长的作用力可能也越大。据开封市统计年鉴显示：1980—2005年，其非农业人口由1980年的41.05万人，增加到2005年的60.78万人；城区面积由1980年的359.3hm2，增加到2005年的403.7hm2，人口增加带来的需求量增加，对土地利用产生了显著影响。

3.经济因子。经济发展的快慢，直接影响土地供给量的大小，经济内部结构的优化可导致土地供给内部地类的相互转化。调查数据显示：1990年开封市的国内生产总值约为16.93亿元，至2005年增至218.35亿元，相较1990年增长了约13倍。经济发展迅速，工业和服务业也快速发展，耕地的变化受非农业人口的增长及固定资产的投资影响较大。由于受到经济效益的驱动，开封市的一些耕地已不断转化为建设用地，而农业、工业、商业在单位面积土地中的净产值约为1：100：1000，这表明农用地面积土地的净产值并不高，而相对于农业生产成本的增加，粮食价格却一直较低，这也使许多耕地转移或废弃。可见，社会经济的发展与土地利用类型的变化是密不可分的。

表6　特征值及贡献率

表7　主成分载荷矩阵

六、结论

（一）1990—2005年研究区的遥感影像及数据分析表明，开封市的土地利用率较高，不同区域土地利用的差异较为明显，呈现出分区分布状，耕地在土地利用中占主要地位，区内耕地面积在不断减少，但因其基数大，变化率并不高，基本与园地及水域的变化率持平，水域的面积基本没有变化，保持了较好的稳定性。建设用地及林地的变化较快，市区边沿土地也得到利用，被开发成耕地及建设用地，原因主要是人口的增长、社会经济的发展、人们生活水平和质量及城市化水平的逐年提高。此外，城市及其建成区扩张，基础配套设施逐渐健全，建设用地也由原来的分散状逐渐发展为向中部地区集中成片，城区外围原本分散的居住地也开始向城市靠拢，成为城市的一部分。

（二）驱动因子分析表明，15年间人口增长、城市化及经济发展水平对开封市的土地利用变化起主要作用。由于开封市仍处在城市化发展的中期阶段，因此，在今后的一段时间内，经济及人为因素对土地利用变化的影响要大于自然因素的影响。

（三）目前，开封市的土地利用布局仍较混乱，特别是城镇及工矿用地的变化率较高、增长较快，但土地资源有较多的浪费，生产效益较低。因此，必须优化土地利用结构，保持耕地面积，加大林地及园地的建设，抑制水域面积的减少，合理开发未利用地。