南昌市土地利用變化與高程的耦合分析

魏蕾娜， 傅瑋佳， 張敬偉，李景文

（1.江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌330038 ；2.江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022；3.桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004）

南昌市土地利用變化與高程的耦合分析

魏蕾娜1， 傅瑋佳1， 張敬偉2，李景文3

（1.江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌330038 ；2.江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022；3.桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004）

以南昌市為研究區(qū)域，利用多時(shí)段土地利用遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)水平空間以及垂直方向上土地利用變化的時(shí)空分異，更全面地研究土地利用/覆蓋變化情況。研究表明，南昌市土地類型分布中耕地和水域面積比重較大，土地利用的主要變化模式為耕地和水域之間的相互轉(zhuǎn)化以及耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地。高程對(duì)南昌土地利用空間分布的約束十分突出，各種土地類型在高程上的空間分布格局呈顯著變化。1980～2005年南昌市不同高程土地利用動(dòng)態(tài)度隨時(shí)間推進(jìn)提高了1．33%，土地利用類型變化最快的地方一直集中在高21．68 ～100．00 m之間。

土地利用變化；高程；南昌市；GIS；土地利用動(dòng)態(tài)指數(shù)

土地利用/覆蓋變化是全球環(huán)境變化研究的核心之一[1]。目前，土地利用的研究重點(diǎn)已從提高土地生產(chǎn)率轉(zhuǎn)向改善環(huán)境，并與環(huán)境規(guī)劃結(jié)合起來[2]。這意味著土地利用的研究要同時(shí)兼顧時(shí)間尺度和空間尺度。傳統(tǒng)的研究方法主要基于區(qū)域平面化的景觀格局變遷軌跡，在一定程度上忽略了地勢(shì)起伏的作用[3,4]。將DEM與遙感影像、土地利用現(xiàn)狀圖等資料結(jié)合，從多維度去思考土地利用的空間分異、相互轉(zhuǎn)化，探討垂直尺度的土地利用變化、土地類型分布優(yōu)勢(shì)等在空間上的耦合特征，將會(huì)更加全面地剖析土地景觀格局的變遷軌跡[5,6]。

南昌市是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)綠色崛起的“引擎”，承擔(dān)著發(fā)展與保護(hù)的雙重任務(wù)。如何整合和優(yōu)化土地資源，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定增長(zhǎng)提供保障，是在發(fā)展過程中面臨的巨大挑戰(zhàn)。本文在空間信息技術(shù)支持下，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，從三維的角度探討南昌市過去25 a土地利用變化軌跡，為今后南昌市土地資源可持續(xù)利用、生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

南昌市東南平坦，西北丘陵起伏，南北長(zhǎng)約112．1 km，東西寬約107．6 km，總面積7 402．36 km2。以平原、崗地和丘陵為主，平均海拔25 m。南昌市是江西省的省會(huì)，全市總?cè)丝跒?91．31萬。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

本文分別選用1980年、1995年、2000 年、2005年4個(gè)時(shí)期的遙感影像以及1︰10萬DEM模型（圖1）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。遙感影像選取1、2、3波段，頻譜范圍分別為0．45～0．52、0．52～0．6、0．63～0．69，分辨率30 m。在土地利用變化研究中，使用Erdas軟件對(duì)研究區(qū)范圍進(jìn)行校正、裁切、疊加、影像解譯[7]。將研究區(qū)劃分為11個(gè)高程帶[8]：海拔低于10．00 m、10～18．50 m、18．5～20．5 m、20．5～21．68 m、21．68～22．59 m依次劃分為第1～5高程帶；海拔高于22．59 m的區(qū)域?qū)儆诜呛樗L(fēng)險(xiǎn)區(qū)[9]，考慮到地貌單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別以30 m、50 m、100 m、200 m、 500 m為界進(jìn)行高程帶劃分，分別命名為第6～11高程帶。

圖1 南昌市1︰10萬數(shù)字高程圖

2.2 研究方法

土地利用優(yōu)勢(shì)度指數(shù)：

式中，Sij代表研究區(qū)內(nèi)第j類高程上第i類土地的面積；S代表研究區(qū)總面積；Si代表i類土地的總面積；Sj代表j類高程土地的總面積。Fij為地形分布優(yōu)勢(shì)指數(shù)，F(xiàn)ij>1時(shí)，代表第i種地類在第j級(jí)地形上的分布水平高于該地類在區(qū)域中的平均分布水平，F(xiàn)ij越大優(yōu)勢(shì)度就越高，說明該高程適合此地類的分布和發(fā)育。

圖2 1980～2005年南昌市土地利用的空間格局

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣：

式中，Cij代表研究區(qū)內(nèi)第i類地類在第j類高程上轉(zhuǎn)移的面積；C代表研究區(qū)內(nèi)土地進(jìn)行轉(zhuǎn)移的總面積；Ci代表i類土地轉(zhuǎn)移的總面積；Cj代表j類高程上土地轉(zhuǎn)移的總面積；Kij為轉(zhuǎn)移分布指數(shù)，當(dāng)Kij>1時(shí)，代表第i種地類在第j級(jí)地形上的轉(zhuǎn)移水平高于該地類在區(qū)域中的平均轉(zhuǎn)移水平，Kij越大轉(zhuǎn)移程度就越高，說明該高程的此地類轉(zhuǎn)移比較容易。

土地利用動(dòng)態(tài)度：

式中，LA（i,t1）j-ULAij為研究時(shí)期在j類高程上i類土地的轉(zhuǎn)移面積；LA（i,t1）j為研究初期第i類在j類高程上的面積；ULAij為研究期間j類高程i類土地未發(fā)生變化的面積；Sj代表j類高程上的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，用來研究高程因子對(duì)土地利用變化速度的影響。

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用變化分析

如表1所示，南昌市耕地面積25 a來雖面積有所減少，林地和草地的分布空間情況大致相同，水域廣布，占全市總面積的18．26%；隨著南昌市區(qū)城市化水平的不斷提高，城鄉(xiāng)工礦居民用地相對(duì)于其他土地利用類型變化相對(duì)突出，由1980年的3．77%上升到2005年的6．94%，增加了1．8倍；未利用地的分布大多與水域鄰近，在2005年占研究區(qū)面積的4．97%。

表1 1980～2005年不同時(shí)期土地利用類型變化

3.2 土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣

1980～2005年，南昌市共有660．4 km2的土地類型發(fā)生了轉(zhuǎn)化，占整個(gè)研究區(qū)的8．9%。其中， 116．1 km2的水域轉(zhuǎn)化為耕地，19．5 km2的耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地（表2）。1995～2000年有156．8 km2的土地發(fā)生類型轉(zhuǎn)化，主要為119．4 km2的耕地轉(zhuǎn)化為水域，其主要原因是1998年特大洪水和退田還湖政策引起水域面積變大（表3）。2000～2005年有334 km2的土地發(fā)生類型轉(zhuǎn)化，包括171．3 km2的耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地，38．8 km2的耕地轉(zhuǎn)化為水域（表4）。

表2 1980～1995年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣/km2

表3 1995～2000年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣/km2

表4 2000～2005年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣/km2

4 三維空間上南昌市土地利用變化分析

4.1 不同高程上的空間格局分布

4.1.1 土地利用類型的高程分布

如表5所示，整體來看，南昌市土地利用格局主要分布在第7、6、2和8高程帶，占總面積的87．2%，又以第7高程帶面積最為集中，占總面積的52．9%。其中，耕地在4個(gè)時(shí)間段的第2、6、7高程帶的分布最具有代表性，而第6、7高程帶的耕地面積自1995年以來減少趨勢(shì)明顯；林地和草地在第7高程帶變化趨勢(shì)較為一致，25 a來的面積減少了約5%；水域在第6、7、8高程帶的分布最集中，第6、7高程帶的面積略微減少；城鎮(zhèn)工礦居民用地在第6、7高程帶的分布最廣，其中第6高程帶增加了1．9倍，第7高程帶增加了2．1倍；未利用地主要分布在第6、7、8高程帶，其中第6、8高程帶的面積略微減少，第7高程帶的面積略微增加。

表5 南昌市4個(gè)時(shí)間段不同高程的土地利用格局

4.1.2 土地類型的不同高程傾向分析

利用南昌市2005年不用高程上的各類土地面積，描繪百分率累計(jì)圖（圖3），觀測(cè)土地利用類型與高程的關(guān)系。可以看出，林地和草地總體上傾向于分布在南昌市地勢(shì)較高的位置，耕地傾向于分布在地勢(shì)較低的位置，城鄉(xiāng)工礦居民用地在低于2～4高程帶上傾向于分布在較高的位置，而在4～8高程帶上盡可能分布在高程較低的位置。水域和未利用地的曲線和黑色的高程總面積累計(jì)比重線趨勢(shì)相近，略高于累計(jì)曲線，說明這2類土地的分布傾向于較低的地勢(shì)。

4.2 不同高程上土地類型轉(zhuǎn)換特征

4.2.1 高程與土地利用轉(zhuǎn)移變化的關(guān)系

利用1980～2005年不同高程帶上各類土地的轉(zhuǎn)換矩陣數(shù)據(jù)可以看出，不同高程帶內(nèi)各土地利用類型的轉(zhuǎn)移存在較大差異（圖4）。林地和草地這2類土地的變化優(yōu)勢(shì)區(qū)間集中在7～11高程帶；耕地的變化曲線趨勢(shì)和城鄉(xiāng)工礦居民用地的曲線趨勢(shì)相反，說明這2種地類存在著互競(jìng)關(guān)系；水域在第2、3高程帶變化迅速，因?yàn)檫@兩個(gè)高程帶在鄱陽湖區(qū)是退圩堤進(jìn)洪水位的區(qū)域，難免成為水域變化最快的高程帶；未利用地的轉(zhuǎn)移優(yōu)勢(shì)范圍比較大，分布在2～6高程帶和第8高程帶。

圖3 2005年不同高程的土地類型百分比累計(jì)圖

4.2.2 高程與土地利用變化速度的關(guān)系

由圖5可知，3個(gè)時(shí)間段南昌市土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)在高程上變化特征是一致的，且2000～2005年的土地變化綜合速率基本上最高，而2000～2005年的高程綜合變化率比1980～1995年的高程綜合變化率平均高出1．3%。就高程而言，其最快地方集中在第5～8高程帶。當(dāng)高程低于21．68 m時(shí)，土地利用動(dòng)態(tài)速率總體趨勢(shì)是隨地勢(shì)越來越低，動(dòng)態(tài)度指數(shù)降低。但是在第2高程帶，由于水域變化速率大，所以土地利用的綜合指數(shù)有一定的回升。當(dāng)高程高于100 m時(shí)，土地利用受干擾的程度越來越小，土地利用動(dòng)態(tài)速率總體趨勢(shì)是隨高程增加，動(dòng)態(tài)指數(shù)降低。

圖4 1980～2005年各土地利用類型高程轉(zhuǎn)移分布指數(shù)

圖5 土地利用變化速度在地形區(qū)域上的分布

5 結(jié) 語

1）南昌市以高程為30～50 m的土地最為集中，面積有3 915 km2，占整個(gè)研究區(qū)總面積的52．9%。耕地傾向于分布在10～22．59 m，林地和草地傾向于分布在500～1 500 m，城鄉(xiāng)工礦居民用地在低于10～21．68 m高程上傾向于分布在較高的位置，而在21．68～100 m高程帶上多分布在較低的位置。水域的分布優(yōu)勢(shì)在22．59～100 m，未利用地的分布優(yōu)勢(shì)在20．50～30 m以及50～100 m。

2）南昌市1980～2005年期間土地利用的各個(gè)高程綜合變化速率呈上升趨勢(shì)，2000～2005年的高程綜合變化率比1980～1995年的高程綜合變化率平均高出1．3%。土地利用變化最快地方一直集中在高程21．68～100 m。當(dāng)高程低于21．68 m，土地的變化速率隨著高程的增加而遞增，當(dāng)高于100 m，土地的變化速率隨著高程的增加而遞減。

3）同一高程帶的土地利用的互競(jìng)關(guān)系明顯。1980～2005年南昌市城鄉(xiāng)工礦居民用地優(yōu)勢(shì)分布高程范圍不變,集中在10～50 m高程范圍內(nèi)，但對(duì)高程區(qū)域的土地占用能力不斷增強(qiáng)；相反，與城鄉(xiāng)工礦居民用地分布在同高程上的耕地分布不斷被擠占，面積日益縮減。

4）人工地和自然地差異明顯。耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地為人工制造的土地類型，而自然地的典型代表為林地和草地，這2大類地在分布結(jié)構(gòu)圖中完全呈現(xiàn)2種不同的曲線，其高程分布傾向、變化率都在垂直空間上差異很大。

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P273

B

1672-4623（2014）05-0110-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.040

魏蕾娜，研究方向?yàn)?S技術(shù)應(yīng)用。

2013-10-31。

項(xiàng)目來源：廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2011GXNSFD018003）。