基于RS和GIS的郑州市土地利用类型变化及其驱动力分析

马潇菲

摘 要：选取郑州市为研究对象，对其2013—2017年土地利用类型时空变化及其影响因素进行探究和分析。以郑州市为研究区，获取2013、2015、2017年研究区的Landsat-8遥感影像数据为基础数据源，借助ERDAS软件进行遥感图像的解译，得到研究区3个时段的土地利用分布图。结合ArcGIS建立空间数据库并进行空间分析，得到研究区的土地利用变化情况，利用面积转移矩阵的方法，分析该区域2013—2017年土地利用变化特征及驱动机制。研究结果表明：空间格局上，林地变化最多，并且大部分林地转化为建筑用地、耕地、湖泊、河渠、其他用地面积基本保持稳定。通过驱动机制分析，发现政治因素和经济因素是该地区土地利用变化的主要驱动因素。研究成果可为该区土地利用可持续发展提供科学依据。

关键词：土地利用变化;面积转移矩阵;驱动机制;遥感;GIS

中图分类号：TP751     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0109-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.026

Land Use Type Change and Its Driving Force Analysis Based on RS and GIS in Zhengzhou

MA Xiaofei

（School of Earth Sciences and Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Taking Zhengzhou City as the research object， this paper explores and analyzes the spatial and temporal changes of land use types and its influencing factors from 2013 to 2017.Taking Zhengzhou City as the research area， the Landsat-8 remote sensing image data of 2013，2015 and 2017 in the research area were obtained as the basic data source.The remote sensing images were interpreted by ERDAS software， and the land use distribution maps of three periods in the study area were obtained.Combined with ArcGIS， the spatial database was established and the spatial analysis was conducted to obtain the land use change in the study area.Using the method of area transfer matrix， the characteristics and driving mechanism of land use change in this region during 2013—2017 were analyzed.The results show that：In terms of spatial pattern， the forest land changed the most， and most of the forest land was converted into building land， cultivated land， lakes， river channels， and other land areas remained basically stable.Through the analysis of driving mechanism， it is found that political and economic factors are the main driving factors of land use change in this region.The research results can provide scientific basis for the sustainable development of land use in this area.

Key words：land use change;area transfer matrix;driving mechanism;remote sensing;GIS

0 引言

人类社会的生存发展始终离不开土地，土地资源是人类宝贵的物质财富，它为人类的生产、生活提供了最基本的物质基础。土地利用变化是人类活动最直观的表现，受自然因素和人文因素的影響，自然因素对土地利用变化有一定的控制作用，而经济、社会、技术和政策等各种人文因素则在一定程度上起决定性作用[1]。土地利用变化信息是土地利用/覆盖变化研究的一个重要研究方向，已成为研究的热点问题，土地利用的变化信息对于土地利用变化研究有着重要的意义[2]。

目前，收集土地变化的信息，大多采用土地变化监测方法。传统的土地变化监测方法需要消耗大量的人力、物力、财力，并且需要很长时间才能完成，远远不能满足信息化时代对快速变化的土地利用进行有效统计与分析的要求[3]。国内学者大多利用遥感技术（Remote Sensing，RS）和地理信息系统（Geographic Informations System，GIS），以其快速、精准、周期短、覆盖面广等优点为土地利用/覆盖动态变化研究提供有效手段。郎坤和赵庚星[4]在2019年为了分析黄河三角洲的土地利用变化情况，分析了其近10年的遥感图像，并选取2005年、2009年和2015年三年的TM遥感图像为主要数据源，使用面向对象的方法进行分类来获得各个时期的土地利用变化情况，并通过面积转移矩阵和各种量化指标来对各类土地类型进行动态的分析。薛贝和杨梅焕[5]以1990年到2010年的贵阳市遥感影像图为基础数据源，使用面积转移矩阵，土地利用动态度和土地利用程度等评价方法，分析了贵阳市在1990至2010年的土地利用变化情况。焦继宗、杨露和杜婷[6]以1986—2015年的西北农牧交错带地区的遥感影像图为基础数据源，利用ArcGIS软件，进行空间分析，利用相关性分析和数理统计的方法，来研究研究区域的土地利用变化情况。

根据土地利用变化数据和社会经济数据，开展以郑州市为研究区域，分析郑州市土地利用变化情况，探讨影响郑州市土地利用变化的驱动因子，为政府合理规划郑州市空间布局提供科学依据和理论支持。

1 研究区和数据源

1.1 研究区概况

郑州，古称商都，是河南省省会，是全国重要的铁路、电力、航空、邮政主枢纽城市，是国家中部地区重要的中心城市，位于中国华北平原南部，黄河下游，居河南省中部偏北，东临开封，西接洛阳，北依黄河，南与平顶山、许昌接壤。介于东经112°42′—114°14′，北纬34°16′—34°58′，管辖6个市辖区、5个县级市和1个县。截至2019年，郑州市总面积为7 446 km，市区面积为1 009 km，中心城区建成区面积为550.33 km，市域城市建成区面积为830.97 km，城镇化率为73.2%。研究区区域图如图1所示。

1.2 数据来源

遥感数据选择3期空间分辨率为30 m的Landsat-8数据（表1），来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）。为保证研究区结果的准确性，根据实地考察研究区地表四季变化情况，同时结合影像云量等因素，确定遥感影像选取的时间段以4—6月为宜，并且遥感影像的拍摄月份日期尽量相近。综合以上因素，本文選取的遥感影像拍摄日期分别为2013年6月4日、2015年4月23日、2017年4月28日。

2 研究方法

2.1 遥感影像解译

根据野外调查及遥感数据精度的限制，将研究区土地类型划分为水域、林地、耕地、城市用地、湖泊及其他用地6种类型。由于遥感影像精度的限制，在影像上的各土地利用类型间的边界较为模糊，只采用监督分类或非监督分类的计算机分类方法难以取得较好的分类结果。因此，采用计算机分类和目视解译相结合的方法[7-14]。首先通过波段合成、几何精纠正、大气校正、直方图匹配对遥感影像图进行图像预处理，然后建立各种土地利用类型的解译标志（表2），对不同时间段的遥感影像图进行计算机分类和目视解译。解译完成之后，对结果进行精度评估。精度评估通常是将分类过后的图层和标准数据进行比对，然后用正确的百分比来表示分类精度[15-16]。在实际的操作当中，因为遥感图像太大，无法整幅图像去比对，因此经常采用抽样的方式用部分像素代替整幅图像进行精度评估。目前，经常采用混淆矩阵的方法，并通过Kappa系数来评价整幅图的精度。在本研究中，三期的Kappa分别是82%、79%、85%，均达到精度要求。最后对结果进行野外验证，用验证结果对解译结果进行完善。

2.2 土地利用转移矩阵

在自然因素和人为因素的影响下，研究区内的各种土地利用类型的数量是在不断发生变化的，并且变化的速度是不同的。土地利用转移矩阵是根据同一地区不同时相的土地覆盖现状的变化关系得出的一个二维矩阵。借助ArcGIS技术制作两期研究区的土地利用分类图，通过叠加分析可以计算生成土地利用转移矩阵。通过对土地利用转移矩阵的分析，可以得出两个时相间不同土地利用类型的转化情况。它不仅能够反映某一时间点的各类地类的面积，还包含了各地类转出和各地类转入信息，可以更好地表述土地利用时空变化过程，其数学表达式为式（1）。

式中：S为研究期内i种土地向j种转化的面积矩阵;n为研究区内土地利用类型数量;i、j分别为研究中不同时期的土地利用类型。

3 土地利用变化分析

3.1 土地利用类型的数量变化

通过对2013、2015、2017年三年的郑州市遥感影像图的分类，可以看出郑州市土地利用类型在数量上的阶段性变化特征，如表3所示。

根据这三期遥感影像图分类的结果，可以得出每一阶段郑州市的遥感影像图的土地利用类别所占的比例，如图2所示。

由图2可以看出呈现面积增长的是城镇、其他用地，面积基本维持不变的是河渠、湖泊、耕地，面积减少最多的是林地。

3.1.1 城镇面积增加。城镇用地的变化是这三期遥感影像图分类中变化最明显的土地利用分类，也是唯一一个增长幅度较大的土地类型。2013、2015、2017年城镇面积分别为719.811 km、1 765.61 km、1 880.17 km，分别占郑州市总面积的10%、24%、25%，5年的时间里，城镇的面积增加了1 160.359 km，这些变化与经济的发展与城市的扩张紧密相连。

3.1.2 林地面积减少。2013、2015、2017年三年的林地面积分别为2 579.81 km、1 377.68 km、1 032.32 km，分别占郑州市总面积的34%、18%、14%，总量上减少了1 547.49 km。由于城市的迅速扩张，各种类型的土地用地相继扩张，使得林地面积大范围减少。

3.1.3 耕地、湖泊、河渠、其他用地面积基本保持稳定。2013、2015、2017年三年的耕地面积分别为3 764.73 km、3 710.53 km、3 987.45 km，分别占郑州市总面积的50%、49%、53%，总面积增加276.92 km。湖泊面积分别为2.983 81 km、3.062 3 km、5.545 42 km，其总量增加为2.561 61 km。河渠的面积分别为73.051 8 km、76.102 6 km、44.546 km，其总量减少31.556 6 km。其他用地面积为377.341 km、584.594 km、572.27 km，分别占总面积的5%、8%、8%，面积总量增加207.253 km。

3.2 土地利用转移矩阵

对郑州市进行土地利用情况分析，需要考虑不同时间阶段的土地利用图层在空间上的差异性，比如说，耕地转为城镇用地的空间变化。该变化过程是表现在各个时期图层之间的不同类型的图形差异，耕地转变为城镇用地的空间范围将在转变前后发生变化，通过对空间范围变化的分析，从而确定土地利用情况，2013—2017年郑州市的面积转移矩阵如表4所示。

3.2.1 城镇。根据表4可以看出：2013年城镇固有面积为719.1 km，至2015年增加到1 763.9 km。据图3所示，2015—2017年城镇面积增加到1 878.6 km。其空间分布如图3所示。可以看出，2013—2015年城镇的未变化区集中在郑州市区，土地类型转换到城镇类型的地区大部分集中在郑州市区周围以及市辖的各个地级市市中心，城镇土地类型转移出去的地方集中在中牟县，主要原因是郑州市人口数量激增以及中牟县发展旅游产业的政策导引作用。2015—2017年，城镇未变化的区域大部分在郑州市区以及各个地级市市中心，新增的城镇面积大部分分布在各个地级市市区周边，城镇面积转移出去的地方还是分布在中牟县内。可以看出郑州市城镇化的脚步有所放缓，各个地级市正在加强城镇化地建设，中牟县坚定不移地发展本地的旅游产业。

3.2.2 耕地。根据表4，2013年耕地固有面积为3 761.3 km，2015年耕地面积增加到3 707 km。2015—2017年耕地面积增加到3 983.6 km2。

3.2.3 河渠。根据表4，2013年河渠固有面积为72.9 km，2015年增加到76 km。2015—2017年河渠面积减小到44.4 km。

3.2.4 湖泊。根据表4，2013年湖泊固有面积为2.9 km，2015年增加到3.06 km。2015—2017年湖泊面积增加到5.5 km。

3.2.5 林地。根据表4和图4，2013年林地固有面積为2 577.4 km，2015年减少到1 376.7 km。2015—2017年林地面积增加到1 878.6 km。从图4可以看出，2013—2015年林地的未变化区域集中在巩义市、登封市、荥阳市和新密市的交界地带，转入林地类型的土地大部分集中在黄河沿岸以及林地未变化区域的周边，林地转出的区域集中在新密市内。造成这样结果的原因是响应国家绿色城市的号召以及人们环境意识的提高。2015—2017年林地未变化区域未发生较大的变化，但是转入林地的土地较少，零碎分布在未变化区域周边，但转出林地较多，每个地级市内都有林地转出，从分布来看，新密市内转出较多。造成这种情况的原因是人口的增长，需要更多的城镇和耕地面积来满足需求。

3.2.6 其他用地。根据表4，2013年其他用地固有面积为377 km，2015年其他用地面积增加到584.1 km。2015—2017年，其他用地面积减小到571.8 km。

3.3 土地利用变化驱动力

3.3.1 人口因素。郑州市从2013年开始，人口迅速增长，对饮食、旅游、交通、住宿等的需求量大幅上升，加剧了土地利用类型的转化速度。郑州市统计局的历年数据显示：2013年，郑州市总人口为919.1万人，在市区内的人口为466.3万人，城镇化率为67.1%，人口密度为1 234人/km，自然增长率为5.6%，城镇人口为616.5万人，自然增长率为3%，乡村人口302.6万人，下降0.6%;2015年，总人口为956.9万人，市区内人口为489.3万人，城镇化率为69.7%，人口密度为1 285人/ km，自然增长率为5.8%，城镇人口为666.9万人，自然增长率为4.1%，乡村人口为290为万人，下降2.4%;2017年，总人口为988.1万人，市区内人口为506.0万人，城镇化率为72.2%，人口密度为1 327人/ km，自然增长率为6.7%，城镇人口为713.7万人，增长3.4%，乡村人口为274.4万人，下降2.6%。

从这组数据可以看出，郑州市人口每年都在稳步增加，增长速度一直呈现正增长，随之而来的就是城镇化率的提高，人口密度的增加，对于土地来说，就意味着需要更多的城镇面积来满足人们的正常生活需要，这就导致了土地利用类型的迅速转化。

3.3.2 自然因素。郑州市地处中原，地势平坦，土地资源十分丰富，从气候上看，属于北温带大陆性季风，这样的季风气候带来了冷暖气流的频繁交替，使得郑州四季分明。春季少雨，风多冷暖变化较快;夏季炎热，降水相对全年来说较多;秋季干爽，时间上太过短暂;冬季干冷，雨雪天气较少。在水资源方面，位于黄河和淮河自第二阶梯流入第一阶梯的出水口区域，水资源丰富。总体来看，自然因素对郑州的土地利用类型的转变影响较少。

3.3.3 政治因素。国家政策对于土地利用类型的转变因素的影响是十分显著的，它是土地利用类型转变的直接决策因素，通过经营制度、价格制度等直接影响土地利用及其结构的形式。河南省委、省政府根据我国的经济体制改革的目标，建设河南特色的社会主义市场经济体制，利用郑州市独有的交通优势以及资源优势，做出了把郑州市建设成为社会主义现代化商贸城市的决策，大力投资开发郑东新区龙头建设项目，一系列的政策使得郑州市的土地利用类型在2013—2017年发生了剧烈的变化。

3.3.4 经济因素。经济因素是推动土地利用类型变化的主要推动力，经济发展的好坏影响着河南省是否有足够的资金进行一系列的建设，包括基础设施建设、城市建设农村建设等。郑州市统计局的数据显示：2013年，生產总值为6 201.9亿元，比上年增长10%;人均生产总值为68 080元，比上年增长7.9%。其中，第一产业增加值为147亿元，增长3.2%;第二产业增加值为3 470.5亿元，增长10.4%;第三产业增加值为2 584.4亿元，增长9.6%。2015年，生产总值为7 315.2亿元，比上年增长10.1%;人均生产总值为77 217元，比上年增长7.9%。其中，第一产业增加值为151亿元，增长3.0%;第二产业增加值为3 625.5亿元，增长9.4%;第三产业增加值为3 538.7亿元，增长11.4%。2017年，生产总值为9 130.2亿元，比上年增长8.2%;人均生产总值为93 143元，比上年增长6.5%。其中，第一产业增加值为158.6亿元，增长2.6%;第二产业增加值为4 247.5亿元，增长7.6%;第三产业增加值为4 724.1亿元，增长9.0%。

从三年的经济情况来看，郑州市经济发展迅速，人们生活水平逐年提高，为满足人们需求，间接导致了土地利用类型的转变。

4 结论

笔者以郑州市为研究区，选择2013、2015、2017年三年遥感数据为基础数据源，利用ERDAS软件对遥感影像图进行分类，得到研究区的土地利用分布图。借助ArcGIS软件建立土地利用信息基础数据库，并进行空间分析，得到地图利用变化信息，结论如下。

①城镇面积增加。2013、2015、2017年城镇面积分别为719.811 km、1 765.61 km、1 880.17 km，分别占了郑州市的总面积的10%、24%、25%，5年间，城镇面积增加了1 160.359 km。

②林地面积减少。2013、2015、2017年三年的林地面积分别为2 579.81 km2、1 377.68 km、1 032.32 km，分别占郑州市面积的34%、18%、14%，总量上减少了1 547.49 km。

③耕地、湖泊、河渠、其他用地面积基本保持稳定。2013、2015、2017年三年的耕地面积分别为3 764.73 km、3 710.53 km、3 987.45 km，分别占郑州市总面积的50%、49%、53%，总面积增加为276.92 km。湖泊面积分别为2.983 81 km、3.062 3 km、5.545 42 km，其总量增加为2.561 61 km。河渠的面积分别为73.051 8 km、76.102 6 km、44.546 km，其总量减少为31.556 6 km。其他用地面积为377.341 km、584.594 km、572.27 km，分别占总面积的5%、8%、8%，面积总量增加为207.253 km。

④土地利用变化驱动力包括自然因素、人口因素、政治因素、经济因素。自然因素相对稳定，主要通过时间的积累来影响土地利用的变化。相反，政治因素、人口因素和经济因素在土地利用变化过程中活跃，影响决策者对土地利用类型的政策决定。

林地转化为建筑用地在一定程度上影响生态系统的平衡，应在保证生态稳定的大前提下，减少对林地的侵占，在条件允许的情况下可以适当地退耕还林，将部分建筑用地适当地转化为林地或草地，对于建筑用地的使用和规划应该充分考虑该地区的生态环境。

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