基于GIS 的县域尺度土地利用动态变化——以福建省建瓯市为例

赵莉莉 范勋承＊

（邵阳学院城乡建设学院，湖南 邵阳422000）

20 世纪90 年 代，International Geosphere-Bisphere Programme （IGBP） 和International Human Dimensions Programme（IHDP）提出的土地利用与覆被变化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）已成为目前全球环境变化研究的前沿和热门课题之一[1]。土地利用变化是LUCC 研究的三大核心课题之一[2]，它深刻影响着全球可持续发展状况，因此土地利用变化及其对周围环境的影响已成为可持续发展研究中的重要研究领域[3-4]。近年来，国内学者就土地利用变化方面开展了诸多研究，研究区域主要集中在生态敏感区或经济发达区域，如马帅等[5]利用3S 技术对江淮生态经济区2000～2015 年的土地利用景观格局时空变化情况进行研究；沈振涛等[6]以大汶河流域作为研究区域，利用土地利用相关模型对1985～2017 年研究区的土地利用情况进行了分析，并对其2030 年的土地利用变化进行了预测；常小燕等[7]以微山县的11 个乡镇作为研究区，对2000～2017 年矿区的土地利用变化进行了研究；刘雨等[8]以山东省为研究区，探究了土地开发和效益的耦合协同关系；甄江红等[9]利用定量分析的方法，对呼和浩特市的城市用地扩展及驱动机制进行了深入探讨。以上研究大多将研究区域选定在大、中尺度上，对于以县为研究对象的小尺度研究较少[10-11]。然而近年来，随着经济的不断发展，以县域为代表的小尺度区域城镇化速度明显加快，对县域的土地利用情况展开深入分析，对于地方长期稳定发展具有重要意义。

建瓯市简称“芝城”，是福建省北部的农业大市，省级园林城市、省级生态城市。研究期间，建瓯市地区生产总值从1995 年的24.70×108元增至2015 年的198.67×108元，20 年间翻了8 倍多；建瓯市历来人口基数大，是南平市（闽北）所辖的10 个地区中人口最多的城市，2015 年常住人口45.1×104人，城镇化水平48.1%。目前，县域已经被作为推进新型城镇化的重点区域，这势必引起土地利用结构的改变，如不予以重视，合理规划及利用，最终会影响到该市的人居环境和生态安全。因此，本文利用1995 和2015 年2 期遥感影像数据，研究20 年来建瓯市的土地利用状况，以期为该市土地资源的可持续利用提供科学参考。

1 研究区概况

建瓯市属福建省南平市（闽北）下辖地区（图1），土地总面积4233 km2，是福建省陆地面积最大的县级市。属东南沿海低山丘陵区，山地占土地总面积的57.3%，丘陵占29.9%。境内河流发育完全，属闽江建溪流域，总长1079 km。建瓯市属亚热带海洋性季风气候，四季分明，年均气温14-20℃。截至2019 年末，户籍人口54.91×104人，是闽北人口最多的县级市，实现地区生产总值（地区GDP）291.72×108元。

图1 研究区示意图

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

根据研究目的和研究意义，同时考虑到数据的可获取性等因素，建瓯市1995 年Landsat-5TM 和2015 年Landsat-7ETM 遥感影像来源于地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/），空间分辨率均为30 m×30 m。参照我国土地利用分类系统并结合南平市的地理特征，本文将研究区划分为林地、草地、耕地、建筑用地、水域和未利用地共6 种土地利用类型。经前人的经验及研究分类的需要发现，RGB 组合为波段5、4、3 能够更加清晰的区分本研究中需要的6 种土地利用类型。因此，利用ENVI Classic 中的Layer stacking 功能将每期遥感影像图按照波段5、4、3 进行合并。而后，采用直方图匹配法将图像进行镶嵌，导入研究区shp 矢量图，执行裁剪操作，最终得到所需图像及相关数据。

2.2 土地利用变化的研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度模型是表征土地利用变化速度的模型。表示的是某种地类在一定时间段内面积变化的快慢，正值表示面积增加，负值反之。该模型包括两种类型，分别是单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。

2.2.1.1 单一土地利用动态度

该指标反映的是研究期间某种地类的动态变化程度[12]，即某种地类增长或减少的速率，其数学表达式为

式中，K 为某一地类的动态度；Ua和Ub则分别表示开始和结束时该地类的面积；T 则为研究的时间长度，单位为a，下同。

2.2.1.2 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度可反映研究区内各地类综合的变化速率，是研究区总体土地利用变化指标，其值越低，表明土地利用变化越平稳[13]。其数学表达式为：

式中，IRj为研究区综合动态度；n 为地类的数量；Zija、Zijb是研究区某地类的初始面积和研究末期的面积。

2.2.2 土地利用程度

土地利用程度可以表征人类开发土地的强度，是多种土地利用类型变化的结果[14]，其模型如下：

式中，Lj代表土地利用程度；n 代表土地利用分类数；Ai为第i 级土地利用的分级数；Ci为第i 级土地利用分类占总面积的百分比。本研究利用刘纪远先生[15]提出的土地利用程度的分级数，并结合建瓯市土地利用类型的特点，把未利用地的分级数定为1，林地、草地和水域定为2，耕地为3，建筑用地为4。

土地利用程度变化量（率）的数学表达式分别为：

2.2.3 土地利用结构

土地利用结构可用结构状态特征指数来表示，即可用一种或几种地类占研究区总面积的比值来表示[15]。根据研究目的需要，本章对土地利用结构特征指数分别定义为土地利用开发指数和土地利用垦殖指数。具体情况如下：

土地利用开发指数的数学表达式如下：

式中，bi为建筑用地的面积；B 则是开发指数。该指数是表示土地被利用为建筑用地的比例。

土地利用垦殖指数计算公式如下：

式中，ai为耕地类型的面积，A 为研究区面积，K 是垦殖指数，该公式表示耕地占研究区面积的百分比。

2.2.4 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是目前研究土地利用变化特征、方向、结构的常用方法，它不仅可以表达土地利用的结构特征，还可以表示研究时段内的各地类的来源及组成[15]。除此之外，转移矩阵还可以生成转移概率矩阵，它可以按照百分比进行排序，从该排序中可以看出引起该地类变化的主要土地利用类型和次要类型，从而分析出引起该种地类变化的原因。

土地利用转移矩阵的数学公式为：

式中，P 代表面积；n 代表土地利用类型的个数；i 和j 分别代表研究时段初期与末期的土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型的面积变化

利用ArcGIS10.2 软件的统计分析工具对1995 年和2015 年的遥感解译数据进行统计，得到两期各地类面积，整理计算得到各地类面积占整个研究区面积的比例变化图（图2）。从图2可知，20 年间建瓯市土地利用类型间变化频繁，总体表现为“三增三减”具体为耕地、建筑用地和水域面积有所增加，其中耕地增加比例最大，达7.70%。建瓯市的人口数量在闽北地区排名第二位，仅次于延平区，2015 年常住人口为45.1 万人，同时，建瓯市也是闽北基本农田主要集中区，因此，在保护基本农田的基础上，不断进行土地整理和复垦开发，以满足人口增长的需要。这是建瓯市在20 年中耕地面积增加的主要原因。研究期间，草地、未利用地和林地呈现减少趋势，面积比例依次减少了5.30%、3.99%和0.72%。主要因为这些面积减少的用地类型部分转入了耕地所致。

图2 1995～2015 年建瓯市不同地类面积比例变化

3.2 土地利用类型的动态度

由图3 可知，研究期间建瓯市各土地利用类型单一动态度值有正有负，说明其土地利用类型处于不断调整中。与其他用地类型相比，耕地和水域的动态度为正值，且耕地动态变化最大，动态度大42.4%，说明此期间建瓯市的耕地面积增加显著。除耕地和水域外，其余用地类型的动态度均为负值，说明建瓯市在此期间其余用地类型面积有所减少，具体减少顺序由多到少依次为：未利用地（-4.1）＞草地（-3.37）＞建筑用地（-1.04）＞林地（-0.61）。这是由于20 年间，随着经济的不断发展，建瓯市对未利用地的开发强度持续加大，未利用地不断向其他用地类型转换的结果。根据公式（2）的综合土地利用动态度数学模型，计算出建瓯市1995～2015 年综合动态度为0.56，说明建瓯市总体土地利用变化速度较为平稳。

图3 建瓯市各土地利用类型单一动态度

3.3 土地利用程度

按照公式（3）的土地利用程度模型对建瓯市1995 年和2015年的土地利用程度进行了计算，其值分别为202.70 和218.19。从计算结果可以看出，20 年间建瓯市土地利用的深度和广度不断增大。另外，与全国平均水平201.86[16]相比，无论是1995 年还是2015 年都高于全国平均水平，说明建瓯市土地资源的开发强度和集约化程度在全国平均水平之上。利用公式（4）和（5）计算可知，建瓯市的土地利用程度变化量和变化率分别为15.49 和0.08，其值均大于0，说明该市土地利用较为活跃，土地利用的综合水平较高，处于蓬勃发展期。

3.4 土地利用结构

根据公式（6）和（7）计算得到研究区土地利用开发指数和垦殖指数（图5）。从图4 可以看出，1995-2015 年间，建瓯市土地开发指数从1995 年的2.78 增至2015 年的4.47，说明20 年间建瓯市土地利用开发强度不断增大，新增建筑用地持续增加。土地垦殖指数从2.65 增至9.83，20 年间翻了3 倍多。建瓯市是福建省陆地面积最大、闽北人口最多的县级市，同时，建瓯市还是闽北基本农田集中区，在国家保护基本农田政策的影响下，20年间该市耕地面积不断增加，因此垦殖指数持续增大。

图4 1995～2015 年建瓯市土地利用结构特征

3.5 土地利用类型的转移矩阵

从1995～2015 年建瓯市土地利用变化转移概率矩阵上看（表1），建瓯市林地保持率是66.96%，转为林地最高的用地类型是水域，转入率为61.05%，建筑用地次之，为58.45%。建瓯市耕地保持率为34.62%，加之其他地类的转入也较高，其中，有21.64%的林地转为了耕地，而林地是研究区土地面积占比最大的用地类型，因此研究期间建瓯市耕地面积增加最多。各土地利用类型具体转出概率排序为：未利用地（99.76%）＞草地（92.63%）＞建筑用地（88.29%）＞水域（71.06%）＞耕地（65.38%）＞林地（33.04%）；除了第一转出方向是林地外，未利用地和草地的主要转出方向还有耕地，其向耕地的转入概率分别为33.87%和35.52%。

表1 1995～2015 年建瓯市土地利用变化转移概率矩阵（%）

4 主要结论

土地利用变化可以反映某地区的人类活动对地表覆盖物的影响程度，尤其是最近几十年，县域城镇化进程加快，人类对土地资源开发和利用的规模猛增。因此，以县级市-福建省建瓯市作为研究案例，利用土地利用相关计算模型，对该市20 年间的土地利用情况进行定量分析，以期为该市及其它县域的土地可持续利用提供科学参考。其主要研究结论如下：

4.1 20 年间，建瓯市各土地利用变化总体表现为“三增三减”，其中耕地和草地分别是面积增加和减少最大的用地类型。与其他用地类型相比，建瓯市虽然耕地动态变化最为剧烈，其值达42.4%，但总体而言，该市的土地利用变化速度较为平稳。

4.2 研究期间，建瓯市的土地资源开发强度和集约化程度均在全国水平之上，土地利用的综合水平较高。由于耕地和建筑用地的面积均呈增加趋势，因此，其土地利用开发指数和垦殖指数在20 年间均呈持续增长态势。

4.3 建瓯市耕地保持率虽不高，但林地、未利用地和草地的大量转入，使得20 年间耕地成为了面积增加最多的用地类型。