基于GIS技術(shù)的土地利用空間結(jié)構(gòu)變化研究

孟曉樂，於忠祥

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源研究所，安徽 合肥 230036）

土地科學(xué)從傳統(tǒng)的資源調(diào)查、土地適宜性評價和利用規(guī)劃等側(cè)重靜態(tài)研究進(jìn)入以土地利用/覆被變化、土地質(zhì)量指標(biāo)體系診斷和土地可持續(xù)發(fā)展利用為基點(diǎn)的側(cè)重系統(tǒng)動態(tài)演變研究的土地變化科學(xué)。土地利用／覆被變化是全球變化的重要組成部分和主要原因，越來越被認(rèn)為是一個關(guān)鍵而迫切的研究課題。1995年“國際地圈與生物圈計(jì)劃”和“全球環(huán)境變化的人文領(lǐng)域計(jì)劃”聯(lián)合提出了“土地利用／覆被變化”研究計(jì)劃，使其成為全球變化研究領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)課題[1]。

1 研究方法

土地利用動態(tài)度可定量地描述區(qū)域土地利用變化的速度，它對比較土地利用變化區(qū)域差異和預(yù)測未來土地利用變化趨勢都具有積極作用[2]。

某一類型的土地利用動態(tài)度可表達(dá)一定區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型在一定時間范圍內(nèi)的數(shù)量變化情況 ，公式為：

式中，K為在特定的研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ua為研究初期土地利用類型的數(shù)量；Ub為研究末期土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段的時間長度，當(dāng)T的研究時段為a時，K表示此區(qū)域內(nèi)土地利用類型的年動態(tài)度。

綜合土地利用動態(tài)度可描述區(qū)域土地利用變化的速度，公式為[3]：式中，Ui為研究時段第i類土地利用類型面積；Ui-j為研究時段第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非第j類土地利用類型面積的絕對值；T設(shè)為研究時段的長度。把T設(shè)為a時，L的值表示該研究區(qū)土地利用年變化率。

此外，用式(3)計(jì)算土地利用動態(tài)度，可以更好地反映長豐縣各區(qū)域土地利用類型變化劇烈程度：

式中，Si為研究開始時第i類土地利用類型總面積；Si-j為由研究開始到結(jié)束時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型面積總和；t為時間段；S為與t時間對應(yīng)的研究樣區(qū)土地利用變化速率，為方便，將其擴(kuò)大10倍[4]。

2 土地利用圖譜的合成

土地利用圖譜包含著土地利用狀況信息的空間差異性，以及地理過程中時序信息的變化，它將時空變化信息研究復(fù)合為一體，是研究時間與過程集成的一種有效途徑。

土地利用圖譜分析由3個部分組成：①不同時序單元的土地利用圖譜。每一個圖譜單元都記錄了其在這個時序單元中土地利用類型的起始和終止?fàn)顟B(tài)。圖譜單元類型是由該空間單元土地利用類型的變化決定的。②圖譜單元列表，即主要土地利用變化類型表，按其面積進(jìn)行大小排序，由圖譜運(yùn)算得到。③轉(zhuǎn)移矩陣，即一定時序單元內(nèi)各土地利用類型之間轉(zhuǎn)換的面積矩陣，并可利用空間數(shù)據(jù)查詢到任一轉(zhuǎn)移變化發(fā)生的空間位置[5]。在ArcView模塊中，利用地圖代數(shù)運(yùn)算方法，對上述3期數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算。按照以時間序列為軸的方法，操作每一個空間單元的Value值，合成時間上相鄰的2個數(shù)據(jù)，即把前一采樣時刻空間單元的屬性值設(shè)置為ID1*1 000的形式，把后一采樣時刻空間單元的屬性值賦值為ID2，生成一個復(fù)合數(shù)據(jù)，即ID1*1 000+ID2編碼的“空間與過程”，即為“時空復(fù)合體”[6]。此時每個空間單元的屬性值具有5位編碼，它記錄了不同采樣時刻的土地利用狀態(tài)，是空間—屬性—過程一體化數(shù)據(jù)，其基本單元就是圖譜單元，這就是相應(yīng)時期的土地利用圖譜，即2005～2009年時序單元的土地利用類型圖譜。其中，第一部分是整個圖譜分析的核心。借助于各個時期的土地利用圖譜，就能清晰地把握合肥市長豐土地利用時空格局的變化情況[7]。

3 長豐縣土地利用變化圖譜分析

使用長豐縣2005年、2009年2期的Landsat TM/ETM遙感圖像，利用ERDAS軟件對3期影像進(jìn)行波段選擇與組合、統(tǒng)一投影系統(tǒng)、幾何糾正、數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后在ArcGIS和MapGIS軟件的支持下，以柵格影像為背景，利用人機(jī)交互提取專題數(shù)據(jù)，得到多個時期的長豐縣土地利用類型圖。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是刻畫土地利用類型之間在一定時段內(nèi)相互轉(zhuǎn)移的一種有效的表達(dá)方式[8]，利用 Landsat TM圖像提供的信息，在MapGIS中得出2005～2009年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見表1），從總體上把握土地利用變化轉(zhuǎn)移的態(tài)勢。

表1 長豐縣2005～2009年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

在2005～2009年的圖譜中，共生成95種土地變化類型，按照面積大小進(jìn)行排序，利用式（2）、式（3）計(jì)算各種土地變化類型累積百分率，將未變化的土地利用類型以及覆蓋變化面積的95種土地變化類型列表(見圖1），按照穩(wěn)定性大小將其進(jìn)行排序列表。

從轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出，耕地面積主要是轉(zhuǎn)向林地（4 327.77 km2）和農(nóng)村居民點(diǎn)用地（3 635.52 km2）；園地主要是轉(zhuǎn)向林地，面積為46.23 km2；林地轉(zhuǎn)向耕地（2 946.57 km2）和其他農(nóng)用地（395.82 km2）；其他農(nóng)用地轉(zhuǎn)向耕地（3 789.00 km2）、交通水利用地（2 083.15km2）、農(nóng)村居民點(diǎn)用地（1 808.58 km2）和城鎮(zhèn)建設(shè)用地（1 449.84 km2）；城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要有100.10 km2轉(zhuǎn)向農(nóng)村居民地用地；采礦用地轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)建設(shè)用地（1 586.36 km2）和耕地（542.15km2）；交通水利用地轉(zhuǎn)向耕地（850.13 km2）和其他農(nóng)用地（302.66 km2）；其他建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)向耕地，面積為198.30 km2；未利用地主要轉(zhuǎn)向耕地，面積為1 167.28 km2，是未利用地的主要轉(zhuǎn)出類型。

圖1 2005～2009年間長豐縣土地利用/土地覆被變化

由表2可知，在2005～2009年的土地類型轉(zhuǎn)化中，耕地轉(zhuǎn)出面積所占比重最大，占所有轉(zhuǎn)化類型的29.23%。其中增長面積最大的圖譜單元是新的林地，有4 327.77 km2的耕地轉(zhuǎn)化為林地。有3 839.96 km2農(nóng)村居民點(diǎn)用地和3 789.00 km2的其他農(nóng)用地轉(zhuǎn)為耕地，這些轉(zhuǎn)化比率占所有轉(zhuǎn)化類型的10%以上；其次有2 946.57 km2的林地轉(zhuǎn)為耕地，轉(zhuǎn)化比率占所有轉(zhuǎn)化類型的8.12%。以上轉(zhuǎn)化類型的累計(jì)比率達(dá)到51.09%，是所有轉(zhuǎn)化類型的主要轉(zhuǎn)化類型。

表2 2005～2009年間長豐縣土地利用變化圖譜單元排序表

在4 a里長豐縣有較明顯的土地利用變化，通過分析可以看出，耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、采礦用地、交通水利用地和其他建設(shè)用地的面積逐年增加，園地、其他農(nóng)用地和未利用地的面積逐年減少，其中耕地主要轉(zhuǎn)為林地和農(nóng)村居民地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地主要轉(zhuǎn)化為耕地。在2005～2009年間，長豐縣退耕還林，居民地也逐漸擴(kuò)張，占用了大量的轉(zhuǎn)出耕地。城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進(jìn)程的加速，人口的增長，使得長豐縣城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增長迅速，增加面積主要占用其他農(nóng)用地，這些社會因素的影響對保護(hù)耕地和保障生態(tài)安全提出更高的要求，土地利用結(jié)構(gòu)和布局的合理調(diào)整成為長豐縣發(fā)展的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。

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