快速城市化地區(qū)土地利用變化研究——以廣東省東莞市為例

陳紅順，夏 斌

（1.北京師范大學(xué)珠海分校 信息技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海519087；2.中山大學(xué) 海洋學(xué)院 廣東廣州510275；3.中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所，廣州510640）

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)東南沿海經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展時(shí)期，特別是珠江三角洲地區(qū)，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，也經(jīng)歷了快速城市化進(jìn)程。在城市化和工業(yè)化的帶動(dòng)下，珠江三角洲地區(qū)的城鎮(zhèn)用地快速擴(kuò)張導(dǎo)致耕地大量流失，傳統(tǒng)以農(nóng)業(yè)用地為主的土地利用格局發(fā)生了明顯變化，因而成為區(qū)域土地利用變化研究的熱點(diǎn)區(qū)域，如張文忠等[1]、黎夏[2]、周靜[3]、閆小培等[4]和方元[5]研究了珠江三角洲地區(qū)的土地利用變化。已有的研究結(jié)果表明，在城市化和工業(yè)化的帶動(dòng)下，珠江三角洲地區(qū)的土地利用發(fā)生了顯著變化，但是由于區(qū)域內(nèi)各城市的自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等方面的差異，珠江三角洲地區(qū)的土地利用變化存在明顯的空間分異特征。作為珠江三角洲快速城市化的典型地區(qū)，東莞市在快速城市化進(jìn)程中的土地利用變化有其自身的特點(diǎn)，且更具有代表性，深入研究東莞市在快速城市化進(jìn)程中的土地利用變化，為研究區(qū)今后的土地資源可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，也可以為我國(guó)正在經(jīng)歷快速城市化的地區(qū)提供有益的參考。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

東莞市位于廣東省中南部、珠江口東岸，地處113°31′—114°15′E、22°39′—23°09′N。境內(nèi)地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沖積平原、丘陵臺(tái)地和山地多種地貌結(jié)構(gòu)并存，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，境內(nèi)河流主要為東江水系。東莞1985年撤縣建市，1988年升格為地級(jí)市，現(xiàn)轄28個(gè)鎮(zhèn)、4個(gè)街道辦事處。全市總面積2 465km2，截至2008年底，常住人口694.98萬(wàn)人。改革開(kāi)放以來(lái)，東莞市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化水平迅速提高，城市用地在短期內(nèi)占用了大量的農(nóng)業(yè)用地。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat－5TM（1988年12月10日、1995年12月30日、1998年12月22日和2005年11月23日）與Landsat－7ETM＋（2002年11月7日）遙感影像數(shù)據(jù)，軌道號(hào)是122／44，成像時(shí)間為北京時(shí)間上午10：00—11：00，成像時(shí)間均為天氣晴朗，天空無(wú)云。數(shù)據(jù)獲取時(shí)已經(jīng)做過(guò)幾何校正和輻射校正，無(wú)需做進(jìn)一步的校正可以滿足應(yīng)用。其它輔助數(shù)據(jù)包括東莞市行政區(qū)劃圖和1995年、2000年1∶10萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅的廣東省土地利用類型圖。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

以經(jīng)過(guò)幾何糾正的2002年ETM＋遙感影像為參考圖像，分別選取25～30個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)均勻分布于整幅圖像中，運(yùn)用二元二次多項(xiàng)式對(duì)1988年、1995年、1998年和2005年的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)校正，配準(zhǔn)的均方根（RMS）誤差小于0.5個(gè)像元。采用雙向線性內(nèi)插法對(duì)原圖像進(jìn)行重采樣，將各波段的空間分辨率統(tǒng)一調(diào)整為30m。最后利用東莞市矢量行政區(qū)劃圖提取東莞市的遙感圖像。

1.4 土地利用分類

結(jié)合東莞市土地利用特點(diǎn)與遙感影像的解譯精度，將土地利用類型分為水體、林地、草地、園地、耕地、城鎮(zhèn)用地和開(kāi)發(fā)用地共7個(gè)類型。首先采用波段543與波段432假彩色合成圖像建立遙感解譯標(biāo)志，然后以1995年和2000年的廣東省土地利用數(shù)據(jù)作為參考建立不同時(shí)段遙感影像的分類模板，并用誤差矩陣進(jìn)行模板的精度評(píng)價(jià)，保證分類模板中不同類別之間的誤差矩陣值大于85%。最后選擇最大似然分類法進(jìn)行監(jiān)督分類，然后對(duì)遙感影像中解譯的結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾、歸并等處理，消除小于5個(gè)像元的類組，并將其合并到相鄰的最大分類中。對(duì)解譯結(jié)果參考廣東省1995年和2000年土地利用類型圖并結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，1988年、1995年、1998年、2002年和2005年遙感分類結(jié)果總體精度分別為：85.42%，87.03%，88.42%，86.94%，87.92%，Kappa系數(shù)分別為0.834，0.821，0.832，0.865，0.845，基本能滿足應(yīng)用要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化的幅度分析

土地利用變化首先反映在各種土地利用類型的面積變化，面積變化可以反映區(qū)域土地利用格局的變化，通過(guò)對(duì)各種土地利用類型面積變化的分析，可以了解區(qū)域土地利用變化總的趨勢(shì)。根據(jù)土地利用分類結(jié)果，對(duì)1988—2005年?yáng)|莞市各種土地利用類型的面積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見(jiàn)圖1?？梢钥闯?，東莞市的土地利用格局在1988—2005年發(fā)生了較大變化。從不同土地利用類型的面積變化分析，面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的土地利用類型有城鎮(zhèn)用地和開(kāi)發(fā)用地，其中城鎮(zhèn)用地增加幅度最大，1988年?yáng)|莞市城鎮(zhèn)用地面積為6 703.20hm2，到2005年城鎮(zhèn)用地面積已增加到75 823.56hm2，17a間增加了10.31倍；面積呈減少趨勢(shì)的土地利用類型有林地、草地、園地和耕地，其中耕地變化幅度最大，1988年?yáng)|莞市共有耕地114 468.66 hm2，到2005年，耕地面積減少到47 728.08hm2，17 a間減少了58.30%，共減少66 740.58hm2；水體面積先增加后減少，水體面積先從1988年的26 904.78 hm2增加到2002年的37 319.13hm2，然后再減少到2005年的25 408.17hm2。

圖1 1988－2005年?yáng)|莞市各種土地利用類型的面積

各種土地利用類型的面積變化，使得東莞市的土地利用格局發(fā)生了顯著改變。1988年?yáng)|莞市占優(yōu)勢(shì)的土地利用類型是耕地、林地和園地，三者合占東莞市面積的74.94%，其中耕地占46.90%，林地占15.60%，園地占12.44%；到2005年，土地利用格局發(fā)生明顯改變，城鎮(zhèn)用地的比重上升至31.07%，成為研究區(qū)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的土地利用類型。

2.2 土地利用類型的變化速率分析

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度反映研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某一土地利用類型的數(shù)量變化情況[6－8]，其表達(dá)式為

式中：K——研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua——研究初期某一土地利用類型的數(shù)量；Ub——研究末期某一土地利用類型的數(shù)量；T——研究時(shí)段，當(dāng)T的時(shí)段定義為年時(shí)，K的值就是研究區(qū)某一種土地利用類型的年均變化率。

根據(jù)公式（1）計(jì)算1988—2005年?yáng)|莞市各種土地利用類型的年均變化率，結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯鞣N土地利用類型的變化速率在研究時(shí)段內(nèi)存在明顯差異。從不同土地利用類型的變化速率分析，變化較快的土地利用類型有：城鎮(zhèn)用地、開(kāi)發(fā)用地和耕地，其中城鎮(zhèn)用地是增長(zhǎng)最快的土地利用類型，1988—2005年的年均變化率達(dá)60.66%，其中1988—1995年的年均變化率高達(dá)88.32%；開(kāi)發(fā)用地的增長(zhǎng)速度僅次于城鎮(zhèn)用地，1988—2005年的年均變化率達(dá)38.95%，其中1988—1995年的年均變化率高達(dá)26.67%；耕地是減少最快的土地利用類型，1988—2005年的年均變化率達(dá)－3.43%，其中1988—1995年的年均變化率高達(dá)－5.80%。水體、林地、草地和園地總體上變化不大。

2.3 土地利用重心轉(zhuǎn)移分析

利用土地利用重心變化模型來(lái)研究時(shí)段內(nèi)各種土地利用類型的重心轉(zhuǎn)移，能夠揭示區(qū)域土地利用的空間分布變化規(guī)律[7－9]。為了研究土地利用重心轉(zhuǎn)移的方向和距離，本文對(duì)土地利用重心的轉(zhuǎn)移距離（D）和轉(zhuǎn)移角度（α）定義如下：

式中：D——從t時(shí)刻到t＋1時(shí)刻重心轉(zhuǎn)移的距離（km）；Xt，Yt——t時(shí)刻某種土地利用類型重心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；Xt＋1，Yt＋1——分別在t＋1時(shí)刻該種土地利用類型重心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；α——從t時(shí)刻到t＋1時(shí)刻重心轉(zhuǎn)移的角度，是指重心轉(zhuǎn)移方向與正東方向的夾角，范圍是0～360°。

圖2 1988－2005年?yáng)|莞市各種土地利用類型的年均變化率

根據(jù)公式（2）和（3）計(jì)算東莞市1988—2005年的各類土地利用類型的重心及重心轉(zhuǎn)移情況，其結(jié)果見(jiàn)表1?？傮w來(lái)看，1988—2005年，各土地利用類型重心的轉(zhuǎn)移距離都較大，其中林地重心轉(zhuǎn)移距離最大，其重心往SE轉(zhuǎn)移了24.49km；水體重心轉(zhuǎn)移距離最小，其重心往SW轉(zhuǎn)移了2.70km；其它各類型重心轉(zhuǎn)移距離也都在10km以上。這說(shuō)明在該研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)的土地利用變化較為劇烈。

表1 1988－2005年?yáng)|莞市各種土地利用類型的重心轉(zhuǎn)移距離和轉(zhuǎn)移角度

從不同土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向來(lái)看，水體、林地、草地、園地和耕地的重心轉(zhuǎn)移方向和城鎮(zhèn)用地重心轉(zhuǎn)移方向大致相反。1988—1995年，水體、林地、草地、園地和耕地的重心分別向SE，SE，SE，SW 和SE方向轉(zhuǎn)移，而城鎮(zhèn)用地的重心則向NW轉(zhuǎn)移；1995—1998年，水體、林地、草地、園地和耕地的重心分別向NE，NW，NW，NE和NW方向轉(zhuǎn)移，而城鎮(zhèn)用地的重心也反向往SE轉(zhuǎn)移；1998—2002年，水體、林地、草地、園地和耕地的重心分別向SW，SE，NE，NW和SE方向轉(zhuǎn)移，城鎮(zhèn)用地的重心往SE方向轉(zhuǎn)移；2002—2005年，水體、林地、草地、園地和耕地的重心分別向SW，SE，SE，NE和NE方向轉(zhuǎn)移，城鎮(zhèn)用地的重心往NW方向轉(zhuǎn)移。這主要是因?yàn)槌擎?zhèn)用地?cái)U(kuò)張占用了大量耕地、園地等農(nóng)業(yè)用地，形成重心移動(dòng)“一進(jìn)一退”的趨勢(shì)[8，10]，在區(qū)域土地面積一定的情況下，區(qū)域內(nèi)各土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化導(dǎo)致區(qū)域土地利用類型重心的變化，在空間上表現(xiàn)為重心方向移動(dòng)的相反性。

2.4 土地利用變化的空間分異特征

空間自相關(guān)是用來(lái)檢驗(yàn)在空間上具有一定規(guī)律性的空間變量在不同空間位置上的相關(guān)性[11]，通常采用Moran’s I系數(shù)作為空間自相關(guān)指標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：Xi，Xj——變量X在配對(duì)空間單元i和j上的取值；ˉX——變量X的平均值；Wij——相鄰權(quán)重或空間權(quán)重函數(shù)（相鄰取值為1，不相鄰取值為0）；n——空間單元總數(shù)。I系數(shù)取值范圍為－1～1，I＝0代表空間不相關(guān)，I＞0代表空間正相關(guān)，I＜0代表空間負(fù)相關(guān)。

利用公式（4）計(jì)算了1988年、1995年、1998年、2002年和2005年各土地利用類型的Moran’s I系數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 1988－2005年各土地利用類型的Moran’s I系數(shù)

總體來(lái)看，耕地、城鎮(zhèn)用地和開(kāi)發(fā)用地的Moran’s I系數(shù)變化幅度較大，其中耕地的Moran’s I系數(shù)減少幅度最大，說(shuō)明耕地分布的空間正相關(guān)性正在減弱；城鎮(zhèn)用地的Moran’s I系數(shù)有較大增長(zhǎng)，說(shuō)明其城鎮(zhèn)用地分布的空間正相關(guān)性正日益增強(qiáng)。水體、林地、草地、園地和耕地的Moran’s I系數(shù)變化較小，總體上呈減少趨勢(shì)，說(shuō)明它們?cè)诳臻g分布上趨于分散，其空間正相關(guān)性有所減弱。這主要是由于在快速城市化進(jìn)程中，一方面由于大量的耕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地，導(dǎo)致城鎮(zhèn)用地在空間分布上趨于集中，而耕地面積大幅減少，另一方面耕地流失導(dǎo)致耕地分布日趨破碎化。

3 結(jié)論

（1）1988—2005年，東莞市土地利用變化總的態(tài)勢(shì)是耕地大幅減少，城鎮(zhèn)用地迅速擴(kuò)張，大量的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地，城鎮(zhèn)用地快速擴(kuò)張和耕地大量流失是研究區(qū)土地利用變化的主要特征。

（2）從土地利用變化的空間特征來(lái)看，各土地利用類型重心的轉(zhuǎn)移距離都較大，且農(nóng)業(yè)用地的重心轉(zhuǎn)移方向和城鎮(zhèn)用地重心轉(zhuǎn)移方向大致相反；耕地分布的空間正相關(guān)性明顯減弱，城鎮(zhèn)用地分布的空間正相關(guān)性明顯增強(qiáng)。

（3）本文僅研究了東莞市的土地利用變化特征，沒(méi)有探討該變化的主要驅(qū)動(dòng)因素及該變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，今后將在這些方面繼續(xù)深入研究。

[1]張文忠，王傳勝，呂昕，等.珠江三角洲土地利用變化與工業(yè)化和城市化的耦合關(guān)系[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58（5）：677－685.

[2]黎夏.珠江三角洲發(fā)展走廊1988—1997年土地利用變化特征的空間分析[J].自然資源學(xué)報(bào)，2004，19（3）：307－315.

[3]周靜.基于RS與GIS的珠江口兩岸景觀破碎化分析[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2005.

[4]閆小培，毛蔣興，普軍.巨型城市區(qū)域土地利用變化的人文因素分析：以珠江三角洲地區(qū)為例[J].地理學(xué)報(bào)，2006，61（6）：613－621.

[5]方元.珠江口兩岸土地利用時(shí)空演變及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2008.

[6]擺萬(wàn)奇，趙士洞.土地利用和土地覆蓋變化研究模型綜述[J].自然資源學(xué)報(bào)，1997，12（2）：74－80.

[7]王思遠(yuǎn).基于地理時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的中國(guó)近期土地利用／土地覆蓋變化研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2002.

[8]任志遠(yuǎn)，張艷芳，李晶，等.土地利用變化與生態(tài)安全評(píng)價(jià)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[9]包玉海，烏蘭圖雅，香寶，等.內(nèi)蒙古耕地重心移動(dòng)及其驅(qū)動(dòng)因子分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展，1998，17（4）：47－54.

[10]Mertens B，Lambin E.Modeling land cover dynamics：integration of fine－scale land cover data with landscape attributes[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，1999，1（1）：48－52.

[11]張朝生，陶澎，袁貴平，等.天津市平原土壤微量元素含量的空間自相關(guān)研究[J].土壤學(xué)報(bào)，1995，32（1）：50－57.