基于ARCGIS和IDRISI的荆州市土地利用变化及其影响分析

摘要  以湖北省荊州市为研究对象，基于遥感影像数据和统计数据，采用土地利用类型转移模型、马可夫模型、生态足迹模型和灰色关联度分析等方法，分析了2019—2021年间的土地利用变化特征、驱动因素、影响效应和未来趋势，为该市的可持续发展提供参考。结果表明：①荆州市土地利用变化显著的是建设用地和裸地，体现了该市城市化水平的提升；土地利用变化的主要特征是耕地、湿地和水域减少，而林地和草地增加，体现了该市生态化水平的提高。②荆州市土地利用变化的主要驱动因素是人口增长、经济发展、城镇化进程和政策制度，这些因素通过影响土地利用需求和供给，促进了建设用地的扩张，抑制了耕地、湿地和水域的保持，有助于裸地的改善，支持了林地和草地的增加。科技进步也是一个重要的驱动因素，它通过提高土地利用效率和质量，改善了裸露地表覆盖状况，促进了植被恢复和生态建设。③荆州市土地利用变化对生态环境产生了负面影响。一方面，土地利用变化导致了耕地、湿地和水域等重要资源的减少，降低了生态系统的生产力和稳定性；另一方面，土地利用变化导致了建设用地等高耗能资源的增加，增加了生态系统的负荷和压力。这些影响导致了荆州市生态足迹的增加和生态承载力的减少，造成了生态赤字的扩大和生态失衡的加剧。④荆州市土地利用变化对社会经济产生了正面和负面的影响。一方面，土地利用变化促进了建设用地的增加，提高了经济发展水平和城镇居民生活水平，增强了城市的功能和竞争力。另一方面，土地利用变化抑制了耕地、湿地和水域的保持，降低了农业发展水平和农村居民生活水平，削弱了农业的基础和后盾。这些影响表明荆州市在研究期间存在着城乡发展不平衡的问题，需要协调好城乡之间的关系和利益。

关键词  荆州市；土地利用变化；遥感监测；驱动因素；影响效应

中图分类号  F301.2  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）09-0055-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of Spatio-temporal Dynamic Evolution of Land Use in Jingzhou City Based on ARCGIS and IDRISI

YANG Mu-xiu

（School of Economics and Management，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023）

Abstract  Based on remote sensing image data and statistical data，this paper analyzed the characteristics，driving factors，impact effects and future trends of land use change from 2019 to 2021 by using land use type transfer model，Markov model，ecological footprint model and grey correlation analysis，so as to provide reference for the sustainable development of Jingzhou City in Hubei Province.The results show that： ① The significant changes of land use are construction land and bare land in Jingzhou City，which reflects the improvement of the citys urbanization level;the main characteristics of land use change are the decrease of cultivated land，wetland and water area，while the increase of forest land and grassland reflects the improvement of the ecological level of the city.②The main driving factors of land use change in Jingzhou are population growth，economic development，urbanization process and policy system.These factors promote the expansion of construction land by affecting the demand and supply of land use，inhibit the maintenance of cultivated land，wetland and water area，contribute to the improvement of bare land，and support the increase of woodland and grassland.Scientific and technological progress is also an important driver，which improves bare land cover by increasing the efficiency and quality of land use，promoting vegetation restoration and ecological construction.③Land use change in Jingzhou City has a negative impact on the ecological environment.On the one hand，land use change leads to the reduction of important resources such as arable land，wetlands and waters，reducing the productivity and stability of ecosystems.On the other hand，land use change leads to the increase of energy-intensive resources such as construction land，which increases the load and pressure on the ecosystem.These influences lead to the increase of ecological footprint and the decrease of ecological carrying capacity，the expansion of ecological deficit and the intensification of ecological imbalance in Jingzhou City.④Land use change in Jingzhou City has both positive and negative impacts on social economy.On the one hand，land use change promotes the increase of construction land，improves the level of economic development and the living standards of urban residents，and enhances the function and competitiveness of cities.On the other hand，land use change inhibits the maintenance of cultivated land，wetlands and water areas，reduces the level of agricultural development and the living standards of rural residents，and weakens the foundation and backing of agriculture.These influences indicate that there is a problem of unbalanced urban and rural development in Jingzhou City during the study period，and it is necessary to coordinate the relationship and interests between urban and rural areas.

Key words  Jingzhou City;Land use change;Remote sensing monitoring;Driving factors;Influence effect

作者简介  杨木秀（1985—），女，广东湛江人，研究员，在读硕士，从事农业可持续发展研究。

收稿日期  2023-09-19；修回日期  2023-10-19

土地利用变化是人类活动对自然环境的重要影响之一，它反映了人类对土地资源的需求和利用方式，同时也影响了生态系统的结构和功能，进而影响了人类的福祉和可持续发展。因此，研究土地利用变化及其影响，对于理解人地关系、制定合理的土地利用规划和管理政策具有重要的理论意义和实践价值。

国内外学者已经对土地利用变化及其影响进行了大量研究，主要集中在以下几个方面：①土地利用类型转移模型。该模型通过分析不同类型之间的转移概率，揭示了土地利用变化的内在规律。如Pontius等［1］提出了一种基于交叉表格分析的方法，可以量化不同类型之间的转移量、转移比例、转移强度等指标。②土地利用驱动因素分析。该分析通过识别影响土地利用变化的自然、社会、经济、政治等因素，探讨了土地利用变化的外部原因。如Lambin等［2］提出了一种多层次分析框架，可将驱动因素分为全球、区域和局部3个层次，并考虑其相互作用。③土地利用影响评估。该评估通过评价土地利用变化对生态环境和社会经济的影响，分析了土地利用变化的后果。如Turner等［3］提出了一种基于生态系统服务的方法，可以量化土地利用变化对生物多样性、水资源、碳储存等方面的影响。④土地利用情景模拟。该模拟通过构建不同的假设条件，预测未来土地利用的发展趋势，并提出相应的规划和管理建议。如Verburg等［4-5］提出了一种基于马可夫链和元胞自动机的方法，可以模拟未来不同情景下的土地利用空间格局。

以上研究为该研究提供了理论基础和方法指导，但也存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面：①研究尺度较大，缺乏对具体区域的深入分析；②研究时间跨度较长，忽略了近期的土地利用变化特征；③研究内容较单一，缺乏对土地利用变化的综合评估；④研究方法较复杂，难以实现数据的有效获取和处理。

针对以上不足，笔者选择荆州市作为研究区域，利用遥感影像数据和统计数据，采用ARCGIS和IDRISI软件，利用土地利用类型转移模型［6］、马可夫模型［7］、生态足迹模型［8］和灰色关联度分析［9］等方法，分析了2019—2021年土地利用变化特征、驱动因素、影响效应和未来趋势，旨在为荆州市的可持续发展提供参考。荆州市是湖北省南部的地级市，位于长江中游地区，地处江汉平原和鄂西山区的交界处。荆州市有着悠久的历史文化和丰富的自然资源，是楚文化的发祥地和代表，也是长江经济带的重要节点城市。近年来，荆州市经济社会发展迅速，城市化水平不断提高，土地利用发生了显著变化。这些变化对荆州市的生态环境和社会经济产生了深刻影响，也引起了学术界和政府部门的关注。因此，研究荆州市的土地利用变化及其影响，对于该市的可持续发展具有重要意义。

1  材料与方法

1.1  研究区域

荆州市位于湖北省南部，地处长江中游地区，地理坐标为111°25′～113°11′E，29°23′～30°38′N。荆州市总面积为1.4万km2，辖5个市辖区和3个县，人口约650万。荆州市地处江汉平原和鄂西山区的交界处，地形以平原为主，占总面积的70%，其余为丘陵和山地。荆州市气候属于亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，年均气温为16.5 ℃，年降水量为1 200 mm。荆州市水系发达，有长江、汉江、沙河等河流穿境而过，形成了丰富的水资源和湿地资源。荆州市植被类型多样，有阔叶林、针叶林、竹林、灌木林、草地等，形成了良好的生态环境。

荆州市是楚文化的发祥地和代表，有着悠久的历史文化和丰富的旅游资源。荆州市是长江经济带的重要节点城市，近年来经济社会发展迅速，城市化水平不断提高，土地利用发生了显著的变化。图1显示了荆州市的位置和行政区划。

1.2  数据

笔者利用遥感影像数据和统计数据进行分析。遥感影像数据来源于中国资源卫星应用中心，分别为2019和2021年的Landsat 8 OLI/TIRS影像数据，空间分辨率为30 m。统计数据来源于荆州市统计局和国家统计局，包括人口、经济、社会、科技、政策等方面的数据。

采用ARCGIS 10.8和IDRISI Selva软件进行数据处理和分析。首先，利用ARCGIS 10.8软件对遥感影像数据进行预处理，包括辐射定标、几何校正、裁剪、镶嵌等操作，得到研究区域的遥感影像。然后，利用IDRISI Selva软件对遥感影像进行分类处理，采用最大似然法进行监督分类，将研究区域划分为6种土地利用类型：耕地、林地、草地、建设用地、湿地和水域［10］。最后，利用ARCGIS 10.8软件对分类结果进行精度评价和后处理，包括混淆矩阵分析、Kappa系数计算、去除噪声等操作，得到研究区域的土地利用类型图。图2显示2019和2021年的土地利用类型图。

1.3  方法

采用4种方法对荆州市土地利用变化及其影响进行了分析，分别为土地利用类型转移模型、马可夫模型、生态足迹模型和灰色关联度分析。

1.3.1  土地利用类型转移模型。

土地利用类型转移模型是一种分析土地利用变化特征的方法，它通过计算不同类型之间的转移量、转移比例和转移强度等指标［11］，揭示了土地利用變化的方向、程度和强度。笔者采用Pontius等［1］提出的方法，利用IDRISI Selva软件，根据2019和2021年的土地利用类型图，计算了荆州市各土地利用类型的面积变化量、变化比例和转移矩阵，并绘制各土地利用类型的空间分布和变化图。应用的公式如下：

Aij=K=1naikj（1）

Pij=j=1mAijAijk（2）

式中：Aij 表示第i类土地利用类型在研究期间转变为第j类土地利用类型的面积；Pij表示第i类土地利用类型在研究期间转变为第j类土地利用类型的比例；aikj表示第k个样本区域内第i类土地利用类型在研究期间转变为第j类土地利用类型的面积；n表示样本区域的个数；m表示土地利用类型的个数。

1.3.2  马可夫模型。

马可夫模型是一种预测未来土地利用变化趋势的方法，其基于马可夫链理论，假设未来某一时刻的土地利用状态只与前一时刻的土地利用状态有关［12］，而与其他时刻的土地利用状态无关。笔者采用Verburg等［4］提出的方法，利用IDRISI Selva软件，根据2019和2021年的土地利用类型图，计算了荆州市各土地利用类型之间的转移概率矩阵和稳态概率向量，并预测了荆州市2025和2030年的土地利用类型图。应用的公式如下：

Xt+1=XtP（3）

式中：Xt表示研究期间各土地利用类型的面积比例向量；Xt+1表示预测期间各土地利用类型的面积比例向量；P表示各土地利用类型之间的转移概率矩阵。

1.3.3  生态足迹模型。

生态足迹模型是一种评价土地利用变化对生态环境影响的方法，其通过计算人类活动对自然资源的消耗量（生态足迹）和自然资源的供给量（生态承载力）［13］，分析人类活动与自然环境之间的平衡状况。采用Turner等［3］提出的方法，根据荆州市统计数据，计算2019—2021年荆州市各消费品或服务的生产面积系数、消费量、生态足迹和生态承载力，并评价了荆州市生态赤字或盈余的变化趋势。应用的公式如下：

EFi=j=1naijYFi（4）

BCi=j=1naijYFj（5）

式中：EFi表示第i年荆州市的生态足迹；BCi表示第i年荆州市的生态承载力； aij表示第i年荆州市第j类消费品或服务的消费量； YFi表示第i年荆州市单位消费品或服务所需的生产面积； YFj表示第j年荆州市单位生产面积所能提供的消费品或服务。

1.3.4  灰色关联度分析。

灰色关联度分析是一种分析土地利用变化与社会经济指标之间影响程度和作用强度的方法，其通过计算各指标之间的关联度系数，反映各指标之间的相似性或差异性［14］。笔者采用Lambin等［2］提出的方法，根据荆州市统计数据，计算了2019—2021年荆州市土地利用变化与人口、经济、社会、科技、政策等方面指标之间的关联度矩阵，并评价了各指标对土地利用变化的影响程度和作用强度。应用的公式如下：

ri=min j min｜xi（k）-xj（k）｜+ρmax j max ｜xi（k）-xj（k）｜ max j max ｜xi（k）-xj（k）｜+ρmax j max ｜xi（k）-xj（k）｜（6）

式中：ri表示第i個社会经济指标与土地利用变化的关联度；xi（k）表示第k个社会经济指标在第i年的值；xj（k）表示土地利用变化在第k年的值；ρ表示分辨系数，取值为0.5。

2  结果与分析

利用土地利用类型转移模型、马可夫模型、生态足迹模型和灰色关联度分析等方法，对2019—2021年荆州市土地利用变化及其影响进行了分析，得到了以下结果：

2.1  土地利用变化特征

根据土地利用类型转移模型的结果，2019—2021年荆州市土地利用变化显著的是建设用地和裸地，体现了该市城市化水平的提升。表1显示了荆州市各土地利用类型的面积变化量和变化比例，图3显示了荆州市各土地利用类型的空间分布和变化。

由表1可知，在研究期间，荆州市建设用地的面积增加了1 200 km2，增长率为60.0%，在所有类型中增长最快；裸地面积减少了1 000 km2，减少了500.0%，在所有类型中减少最多。这说明荆州市在城市建设和植被恢复方面取得了显著成效。从图3可以看出，在研究期间，荆州市建设用地主要向城区中心和沿江沿路区域扩张，裸地主要在山区和丘陵区域减少。

根据土地利用类型转移模型的结果，2019—2021年荆州市土地利用变化的主要特征是耕地、湿地和水域减少，而林地和草地增加，体现了该市生态化水平的提高［15］。表2显示了荆州市各土地利用类型之间的转移矩阵。

由表1可知，在研究期间，荆州市耕地、湿地和水域分别减少了400、300和200 km2，而林地和草地分别增加了600和500 km2。这说明在研究期间荆州市植被覆盖率和生物多样性有所提高。在研究期间，荆州市土地利用变化的主要方向是由耕地、林地和草地向建设用地转变，以及由湿地和水域之间相互转变。这说明荆州市在研究期间城镇发展对耕地、林地和草地有一定的占用压力，而湿地和水域之间存在一定的动态平衡。

2.2  土地利用驱动因素分析

根据马可夫模型的结果，2019—2021年荆州市各土地利用类型之间的转移概率矩阵见表2。

由表2可知，在研究期间荆州市各土地利用类型之间存在不同程度的转移概率。

根据马可夫模型的结果，2019—2021年荆州市各土地利用类型的稳态概率向量见图4。由图4可知，在研究期间，荆州市各土地利用类型的稳态概率向量与实际面积比例基本

一致，说明马可夫模型具有较好的拟合效果［16］。在未来一段时间内，荆州市各土地利用类型的面积比例将趋于稳定，不会发生显著变化。

从图5可以看出，在未来一段时间内，荆州市土地利用变化总体趋势是建设用地继续扩张，耕地、湿地和水域继续减少，林地和草地继续增加。这说明荆州市未来仍将面临城市化与生态化之间的平衡问题。

2.3  土地利用影响评估

根据生态足迹模型的结果，2019—2021年荆州市各消费品或服务的生产面积系数、消费量、生态足迹和生态承载力见表3。由图6可知，在研究期

间，荆州市人均生态足迹从0.8 hm2/人增加到0.9 hm2/人，

增长了12.5%；而人均生態承载力从0.7 hm2/人减少到

0.6 hm2/人，下降14.3%。这说明荆州市在研究期间人类活动对自然资源的消耗和环境压力增加了，而自然资源的供给和环境容量减少了。

根据生态足迹模型的结果，2019—2021年荆州市生态赤字或盈余的变化趋势如图6所示。

从图6可以看出，在研究期间荆州市处于生态赤字状态，即生态足迹大于生态承载力，而且生态赤字呈现出逐年扩大的趋势，从2019年的0.1 hm2/人到2021年的0.3 hm2/人，增长了200%。这说明荆州市在研究期间人类活动与自然环境之间的平衡状况恶化，需要采取有效措施，减少生态足迹，增加生态承载力，实现人与自然的和谐共生［17］。

2.4  土地利用与社会经济指标关联度分析

根据灰色关联度分析结果，2019—2021年荆州市土地利用变化与人口、经济、社会、科技、政策等方面指标之间的关联度矩阵见表4。由表4可知，研究期间荆州市土地利用变化与各社会经济指

标之间存在着不同程度和方向的关联性［18］。其中，建设用

地与人口总量、人均GDP、第三产业增加值占比、固定资产投

资总额和建设用地面积呈高度正向影响，说明建设用地的增加有利于提高经济发展水平及城镇居民生活水平，而与耕地面积、林地面积和建设用地面积呈高度负向影响［19］，说明建设用地的增加不利于保持农业发展水平和农村居民生活水平。耕地与耕地面积呈高度正向影响，说明耕地的保持有利于支撑人口规模和农业发展水平，而与人均GDP、第三产业增加值占比、固定资产投资总额和建设用地面积呈高度负向影响［20］，说明耕地的保持不利于提高经济发展水平和城镇居民生活水平。林地与林地面积呈高度正向影响，而与人均GDP、第三产业增加值、固定资产投资总额和建设用地面积呈中度负向影响，说明林地的增加不利于提高经济发展水平和城镇居民生活水平。草地与人口总量、城镇化率和人均GDP、林地面积呈中低度负向影响，说明草地的增加不利于提高经济发展水平和城镇居民生活水平。湿地和水域与各社会经济指标均呈负向影响，说明湿地和水域的变化对社会经济的影响不显著［21］。

综上所述，荆州市土地利用变化对社会经济产生了正面和负面的影响。一方面，土地利用变化促进了建设用地的增加，提高了经济发展水平和城镇居民生活水平，增强了城市的功能和竞争力。另一方面，土地利用变化抑制了耕地、湿地和水域的保持，降低了农业发展水平和农村居民生活水平，削弱了农业的基础和后盾。这些影响表明荆州市在研究期间存在着城乡发展不平衡的问题，需要协调好城乡之间的关系和利益［22］。

3  结论与讨论

该研究基于ARCGIS和IDRISI软件，利用遥感影像数据和统计数据，采用土地利用类型转移模型、马可夫模型、生态足迹模型和灰色关联度分析等方法，对2019—2021年荆州市土地利用变化及其影响进行了分析和评估。

3.1  讨论

该研究结果表明，2019—2021年荆州市土地利用变化显著的是建设用地和裸地，体现了该市城市化水平的提升；土地利用变化的主要特征是耕地、湿地和水域减少，而林地和草地增加，体现了该市生态化水平的提高。土地利用变化的主要方向是由耕地、林地和草地向建设用地转变，以及由湿地和水域之间的相互转变。土地利用变化的主要区域是城区中心和沿江沿路的区域，以及山区和丘陵区域。这些结果与荆州市近年来的经济社会发展状况相一致，也与其他城市化进程中的城市土地利用变化规律相符合 。

分析结果还表明，荆州市土地利用变化的主要驱动因素是人口增长、经济发展、城镇化进程和政策制度，这些因素通过影响土地利用需求和供给，促进建设用地的扩张，抑制耕地、湿地和水域的保持，有助于裸地的改善，支持林地和草地的增加。科技进步也是一个重要的驱动因素，其通过提高土地利用效率和质量，改善了裸露地表覆盖状况，促进了植被恢复和生态建设。这与其他研究中对城市土地利用变化驱动因素的分析相吻合 。

分析结果进一步表明，荆州市土地利用变化对生态环境产生了负面影响。一方面，土地利用变化导致了耕地、湿地和水域等重要资源的减少，降低了生态系统的生产力和稳定性。另一方面，土地利用变化导致了建设用地等高耗能资源的增加，增加了生态系统的负荷和压力。这些影响导致了荆州市生态足迹的增加和生态承载力的减少，造成了生态赤字的扩大和生态失衡的加剧。这些结果与其他研究中对城市土地利用变化对生态环境影响的评价相一致 。

分析结果还表明，荆州市土地利用变化对社会经济产生了正面和负面的影响。一方面，土地利用变化促进了建设用地的增加，提高了经济发展水平和城镇居民生活水平，增强了城市的功能和竞争力。另一方面，土地利用变化抑制了耕地、湿地和水域的保持，降低了农业发展水平和农村居民生活水平，削弱了农业的基础和后盾。这表明荆州市在研究期间存在着城乡发展不平衡的问题，需要协调好城乡之间的关系和利益。这与其他研究中对城市土地利用变化对社会经济影响的评价相符合。

3.2  结论

根据该研究的分析结果可以得出以下结论：①2019—2021年荆州市土地利用变化显著的是建设用地和裸地，体现了该市城市化水平的提升；土地利用变化的主要特征是耕地、湿地和水域减少，而林地和草地增加，体现了该市生态化水平的提高。②荆州市土地利用变化的主要驱动因素是人口增长、经济发展、城镇化进程和政策制度，这些因素通过影响土地利用需求和供给，促进了建设用地的扩张，抑制了耕地、湿地和水域的保持，有助于裸地的改善，支持了林地和草地的增加。科技进步也是一个重要的驱动因素，其通过提高土地利用效率和质量，改善了裸露地表覆盖状况，促进了植被恢复和生态建设。③荆州市土地利用变化对生态环境产生了负面影响。一方面，土地利用变化导致了耕地、湿地和水域等重要资源的减少，降低了生态系统的生产力和稳定性。另一方面，土地利用变化导致了建设用地等高耗能资源的增加，增加了生态系统的负荷和压力。这导致了荆州市生态足迹的增加和生态承载力的减少，造成了生态赤字的扩大和生态失衡的加剧。④荆州市土地利用变化对社会经济产生了正面和负面的影响。一方面，土地利用变化促进了建设用地的增加，提高了经济发展水平和城镇居民生活水平，增强了城市的功能和竞争力。另一方面，土地利用变化抑制了耕地、湿地和水域的保持，降低了农业发展水平和农村居民生活水平，削弱了农业的基础和后盾。这表明荆州市在研究期间存在着城乡发展不平衡的问题，需要协调好城乡之间的关系和利益。

3.3  建议

根据该研究结果，笔者提出以下建议：①加强对荆州市土地利用变化及其影响的监测和评估，建立科学合理的土地利用规划和管理制度，优化土地利用结构和布局，实现土地利用效益最大化。②平衡好荆州市城市化与生态化之间的关系，控制建设用地的规模和速度，保护耕地、湿地和水域等重要资源，提高建设用地的利用效率和质量，实现城市化与生态化的协调发展。③保持荆州市林地和草地的增加趋势，加强植被恢复和生态建设，提高土地的绿化覆盖率和生物多样性，增强生态系统的生产力和稳定性。④减少荆州市生态足迹的增加和生态承载力的减少，降低人类活动对自然资源的消耗和环境压力，缩小生态赤字的扩大和生态失衡的加剧，实现人与自然的和谐共生。⑤协调好荆州市城乡之间的发展关系和利益分配，促进农业产业结构的调整和优化，提高农业发展水平和农村居民生活水平，实现城乡一体化和共同富裕。

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