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.北京師范大學珠海分校 信息技術學院，廣東 珠海519087；2.中山大學 海洋學院 廣東廣州510275；3.中國科學院 廣州地球化學研究所，廣州510640）

20世紀80年代以來，我國東南沿海經濟處于快速發(fā)展時期，特別是珠江三角洲地區(qū)，在經濟高速發(fā)展的同時，也經歷了快速城市化進程。在城市化和工業(yè)化的帶動下，珠江三角洲地區(qū)的城鎮(zhèn)用地快速擴張導致耕地大量流失，傳統(tǒng)以農業(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。已有的研究結果表明，在城市化和工業(yè)化的帶動下，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)域內各城市的自然條件、社會經濟條件等方面的差異，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程中的土地利用變化有其自身的特點，且更具有代表性，深入研究東莞市在快速城市化進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)展提供科學依據，也可以為我國正在經歷快速城市化的地區(qū)提供有益的參考。

1 研究區(qū)域及數據

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。境內地貌結構復雜，沖積平原、丘陵臺地和山地多種地貌結構并存，屬亞熱帶季風氣候，境內河流主要為東江水系。東莞1985年撤縣建市，1988年升格為地級市，現轄28個鎮(zhèn)、4個街道辦事處。全市總面積2 465km2，截至2008年底，常住人口694.98萬人。改革開放以來，東莞市經濟迅速發(fā)展，城市化水平迅速提高，城市用地在短期內占用了大量的農業(yè)用地。

1.2 數據來源

本文采用基礎數據為Landsat－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）遙感影像數據，軌道號是122／44，成像時間為北京時間上午10：00—11：00，成像時間均為天氣晴朗，天空無云。數據獲取時已經做過幾何校正和輻射校正，無需做進一步的校正可以滿足應用。其它輔助數據包括東莞市行政區(qū)劃圖和1995年、2000年1∶10萬標準分幅的廣東省土地利用類型圖。

1.3 數據預處理

以經過幾何糾正的2002年ETM＋遙感影像為參考圖像，分別選取25～30個控制點，控制點均勻分布于整幅圖像中，運用二元二次多項式對1988年、1995年、1998年和2005年的圖像進行配準校正，配準的均方根（RMS）誤差小于0.5個像元。采用雙向線性內插法對原圖像進行重采樣，將各波段的空間分辨率統(tǒng)一調整為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

結合東莞市土地利用特點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)用地和開發(fā)用地共7個類型。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志，然后以1995年和2000年的廣東省土地利用數據作為參考建立不同時段遙感影像的分類模板，并用誤差矩陣進行模板的精度評價，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行監(jiān)督分類，然后對遙感影像中解譯的結果進行過濾、歸并等處理，消除小于5個像元的類組，并將其合并到相鄰的最大分類中。對解譯結果參考廣東省1995年和2000年土地利用類型圖并結合野外調查數據進行精度評價，1988年、1995年、1998年、2002年和2005年遙感分類結果總體精度分別為：85.42%，87.03%，88.42%，86.94%，87.92%，Kappa系數分別為0.834，0.821，0.832，0.865，0.845，基本能滿足應用要求。

2 結果與分析

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，通過對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。根據土地利用分類結果，對1988—2005年東莞市各種土地利用類型的面積進行了統(tǒng)計，其結果見圖1。可以看出，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，面積呈增長趨勢的土地利用類型有城鎮(zhèn)用地和開發(fā)用地，其中城鎮(zhèn)用地增加幅度最大，1988年東莞市城鎮(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年東莞市共有耕地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年東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年東莞市占優(yōu)勢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)占絕對優(yōu)勢的土地利用類型。

2.2 土地利用類型的變化速率分析

單一土地利用類型動態(tài)度反映研究區(qū)一定時間范圍內某一土地利用類型的數量變化情況[6－8]，其表達式為

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

根據公式（1）計算1988—2005年東莞市各種土地利用類型的年均變化率，結果見圖2。可以看出，各種土地利用類型的變化速率在研究時段內存在明顯差異。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、開發(fā)用地和耕地，其中城鎮(zhèn)用地是增長最快的土地利用類型，1988—2005年的年均變化率達60.66%，其中1988—1995年的年均變化率高達88.32%；開發(fā)用地的增長速度僅次于城鎮(zhèn)用地，1988—2005年的年均變化率達38.95%，其中1988—1995年的年均變化率高達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－3.43%，其中1988—1995年的年均變化率高達－5.80%。水體、林地、草地和園地總體上變化不大。

2.3 土地利用重心轉移分析

利用土地利用重心變化模型來研究時段內各種土地利用類型的重心轉移，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移的方向和距離，本文對土地利用重心的轉移距離（D）和轉移角度（α）定義如下：

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

圖2 1988－2005年東莞市各種土地利用類型的年均變化率

根據公式（2）和（3）計算東莞市1988—2005年的各類土地利用類型的重心及重心轉移情況，其結果見表1?？傮w來看，1988—2005年，各土地利用類型重心的轉移距離都較大，其中林地重心轉移距離最大，其重心往SE轉移了24.49km；水體重心轉移距離最小，其重心往SW轉移了2.70km；其它各類型重心轉移距離也都在10km以上。這說明在該研究時段內研究區(qū)的土地利用變化較為劇烈。

表1 1988－2005年東莞市各種土地利用類型的重心轉移距離和轉移角度

從不同土地利用類型的轉移方向來看，水體、林地、草地、園地和耕地的重心轉移方向和城鎮(zhèn)用地重心轉移方向大致相反。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方向轉移，而城鎮(zhèn)用地的重心則向NW轉移；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方向轉移，而城鎮(zhèn)用地的重心也反向往SE轉移；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方向轉移，城鎮(zhèn)用地的重心往SE方向轉移；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方向轉移，城鎮(zhèn)用地的重心往NW方向轉移。這主要是因為城鎮(zhèn)用地擴張占用了大量耕地、園地等農業(yè)用地，形成重心移動“一進一退”的趨勢[8，10]，在區(qū)域土地面積一定的情況下，區(qū)域內各土地利用類型的相互轉化導致區(qū)域土地利用類型重心的變化，在空間上表現為重心方向移動的相反性。

2.4 土地利用變化的空間分異特征

空間自相關是用來檢驗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性[11]，通常采用Moran’s I系數作為空間自相關指標，其表達式為：

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

利用公式（4）計算了1988年、1995年、1998年、2002年和2005年各土地利用類型的Moran’s I系數，其結果見圖3。

圖3 1988－2005年各土地利用類型的Moran’s I系數

總體來看，耕地、城鎮(zhèn)用地和開發(fā)用地的Moran’s I系數變化幅度較大，其中耕地的Moran’s I系數減少幅度最大，說明耕地分布的空間正相關性正在減弱；城鎮(zhèn)用地的Moran’s I系數有較大增長，說明其城鎮(zhèn)用地分布的空間正相關性正日益增強。水體、林地、草地、園地和耕地的Moran’s I系數變化較小，總體上呈減少趨勢，說明它們在空間分布上趨于分散，其空間正相關性有所減弱。這主要是由于在快速城市化進程中，一方面由于大量的耕地轉化為城鎮(zhèn)用地，導致城鎮(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致耕地分布日趨破碎化。

3 結論

（1）1988—2005年，東莞市土地利用變化總的態(tài)勢是耕地大幅減少，城鎮(zhèn)用地迅速擴張，大量的農業(yè)用地轉化為城鎮(zhèn)用地，城鎮(zhèn)用地快速擴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看，各土地利用類型重心的轉移距離都較大，且農業(yè)用地的重心轉移方向和城鎮(zhèn)用地重心轉移方向大致相反；耕地分布的空間正相關性明顯減弱，城鎮(zhèn)用地分布的空間正相關性明顯增強。

（3）本文僅研究了東莞市的土地利用變化特征，沒有探討該變化的主要驅動因素及該變化對區(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。

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