基于RS和GIS的小城鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)土地利用變化研究——以壽寧縣南陽鎮(zhèn)為例

陽 輝，符小洪，葉 青

(閩江學(xué)院 地理科學(xué)系，福建 福州 350121)

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基于RS和GIS的小城鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)土地利用變化研究
——以壽寧縣南陽鎮(zhèn)為例

陽 輝，符小洪*，葉 青

(閩江學(xué)院 地理科學(xué)系，福建 福州 350121)

基于RS與GIS技術(shù)，從南陽鎮(zhèn)Landsat ETM影像(2000)、南陽鎮(zhèn)第二次土地調(diào)查土地利用數(shù)據(jù)庫(2009)和南陽鎮(zhèn)總體規(guī)劃(2010-2030)等數(shù)據(jù)中解譯出南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用信息，建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并對土地利用變化狀態(tài)和趨勢進(jìn)行分析。結(jié)果表明：(1)2000～2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)耕地、園地、林地急劇減少，分別為319.62 hm2、253.43 hm2、79.92 hm2，2009～2030年比2000～2009年減少得更多，土地利用程度變化率分別為1.23%和10.67%。(2)2000～2030年建設(shè)用地增長不平衡，2000-2009年建設(shè)用地增加的主要表現(xiàn)為住宅用地、商服用地及交通運輸用地；2009～2030年建設(shè)用地增加表現(xiàn)為工礦倉儲用地、公共管理與公共服務(wù)用地，交通運輸用地增長速率也在加快。(3)2000～2030年建設(shè)用地需求增加以占用周圍大量的優(yōu)質(zhì)耕地和園地及林地為代價，土地開發(fā)模式可能是粗放型的，并提出土地利用持續(xù)發(fā)展措施。

土地利用變化分析模型；土地利用變化；Landsat ETM；南陽鎮(zhèn)區(qū)

土地利用是人類為獲取所需的產(chǎn)品或服務(wù)而進(jìn)行的對土地自然屬性的利用目的、方式和意圖[1]。自1995年IGBP與IHDP發(fā)表《土地利用/土地覆被變化科學(xué)研究計劃》以來，土地利用與變化研究迅速成為全球變化研究的前沿和熱點課題[2]。土地利用/土地覆被(簡稱LUCC)研究目的在于揭示全球及區(qū)域土地利用與覆被變化發(fā)生及發(fā)展的動力學(xué)機制，建立模型，提高對LUCC的預(yù)測能力。其主要研究內(nèi)容是認(rèn)識土地利用與覆被變化驅(qū)動力、土地利用和土地覆蓋動力學(xué)中的時空可變性、確定土地利用與可持續(xù)性間的關(guān)系、認(rèn)識LUCC與生物地球化學(xué)和氣候之間的相互關(guān)系[3]；其研究方法主要是建模，其中最主要的是土地利用動態(tài)變化模型，包括引入土地利用動態(tài)度構(gòu)建土地資源數(shù)量變化模型；利用土地資源生態(tài)環(huán)境背景參數(shù)構(gòu)建土地資源生態(tài)背景質(zhì)量變化模型；利用土地利用程度的綜合分析方法構(gòu)建土地利用程度變化模型；運用土地利用相對變化率的計算方法構(gòu)建土地利用變化區(qū)域差異模型；利用土地資源分布重心構(gòu)建土地利用空間變化模型及考慮生產(chǎn)和生活需求，分析社會、經(jīng)濟條件優(yōu)勢構(gòu)建土地需求量預(yù)測模型，等等[4]。

目前國外對LUCC的研究核心之一是土地利用和覆被變化的驅(qū)動力、土地利用空間變化特征及其預(yù)測及LUCC的模型[5-8]。而國內(nèi)一直把LUCC研究當(dāng)作地理學(xué)重要領(lǐng)域研究，結(jié)合國情，很多學(xué)者研究集中在耕地資源變化驅(qū)動力研究、從全國范圍去探討中國LUCC變化及其變化因素、分析土地退化驅(qū)動力、典型和生態(tài)脆弱、熱點地區(qū)土地利用變化驅(qū)動力研究，等等[9，10]。

近年來，隨著政府對小城鎮(zhèn)發(fā)展的扶持力度加大，不少地區(qū)存在盲目追求城鎮(zhèn)化率提升速度和城鎮(zhèn)用地空間擴張，致使小城鎮(zhèn)土地集約利用評價研究、土地利用優(yōu)化研究、土地利用變化預(yù)測研究、土地規(guī)劃利用研究[11-14]等成為熱點研究問題。本文選擇福建省第三批省級小城鎮(zhèn)綜合改革試點鎮(zhèn)——壽寧縣南陽鎮(zhèn)區(qū)的2000年、2009年及2030年土地利用信息，利用土地利用變化模型分析不同時段鎮(zhèn)區(qū)土地利用變化，揭示改革開放后南陽鎮(zhèn)城鎮(zhèn)發(fā)展過程其土地利用的變化特征，希望能為地方政府解決土地可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

壽寧縣南陽鎮(zhèn)離縣城10 km，距溫州市泰順縣30 km，東經(jīng)119°35′～119°44′，北緯27°16′～27°41′，地勢相對平坦，水熱適中，宜林宜農(nóng)，北接壽寧縣城，南與福安市接壤，東與犀溪鎮(zhèn)相鄰，西靠清源鄉(xiāng)，面積126.91 km2。1993年6月撤鄉(xiāng)建鎮(zhèn)，此后鎮(zhèn)區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定量的調(diào)整和改變。2003年8月省級公路——雙湖路穿境而過，迅速推動了南陽鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟發(fā)展，使得南陽鎮(zhèn)成為壽寧縣第二大鄉(xiāng)鎮(zhèn)和壽寧縣城的副城區(qū)。2012年，壽寧縣委、縣政府提出包括壽寧城關(guān)(鰲陽鎮(zhèn))與南陽鎮(zhèn)組成的“兩鎮(zhèn)同城化”戰(zhàn)略，進(jìn)一步提升了南陽鎮(zhèn)的發(fā)展地位，特別是2013年1月，南陽鎮(zhèn)被福建省確定為省級第三批小城鎮(zhèn)綜合改革試點建設(shè)鎮(zhèn)，在人口、經(jīng)濟、技術(shù)進(jìn)步及政策因素的驅(qū)動力之下，南陽鎮(zhèn)已完成2010～2030年的鎮(zhèn)總體規(guī)劃。據(jù)統(tǒng)計，南陽鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)的面積由2000年的89.97 hm2擴大到2009年的154.29 hm2，如果按鎮(zhèn)總體規(guī)劃實施，鎮(zhèn)區(qū)面積將進(jìn)一步擴大到747.67 hm2。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用過渡期間適用的中國統(tǒng)一土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)——《中國土地利用現(xiàn)狀分類(2007)》，考慮鎮(zhèn)區(qū)范圍比較小，地類劃分的比較細(xì)，故采用該分類標(biāo)準(zhǔn)的12個一級類[15]，包括耕地、園地、林地、草地、商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地、特殊用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地等。因研究區(qū)內(nèi)無特殊用地，故在文中只采用了11類用地。

研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：南陽鎮(zhèn)Landsat ETM影像(2000年)，南陽鎮(zhèn)第二次土地調(diào)查土地利用數(shù)據(jù)庫(2009年)，南陽鎮(zhèn)總體規(guī)劃圖(2010～2030年)。

首先，將3期數(shù)據(jù)在GIS軟件選取道路與河流交叉點等典型自然地物配準(zhǔn)并獲取研究區(qū)分析單元；其次，將下載的南陽鎮(zhèn)區(qū)2000年Landsat ETM遙感影像在ANVI中與ETM第八波段融合，再結(jié)合室內(nèi)判讀和野外調(diào)查方法建立土地利用類型的解譯標(biāo)志，進(jìn)而在ANVI中采用監(jiān)督分類最大似然法解譯出2000年ETM影像的土地利用信息，再通過外業(yè)調(diào)查檢驗和修改解譯出的土地利用信息圖，最后通過GIS的矢量化過程建立2000年南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用數(shù)據(jù)庫[16，17]；第三，把2009年的鎮(zhèn)區(qū)第二次土地調(diào)查土地利用數(shù)據(jù)和2030年南陽鎮(zhèn)總體規(guī)劃規(guī)劃中城鎮(zhèn)用地數(shù)據(jù)在GIS中按照本文采用的土地分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行地類歸并處理就可建立2009年和2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用數(shù)據(jù)庫(圖1)。

3 南陽鎮(zhèn)區(qū)不同時段土地利用變化分析

3.1 土地利用類型面積的數(shù)量變化分析

在上述工作基礎(chǔ)上，從2000年，2009年，2030年數(shù)據(jù)庫中可獲取南陽鎮(zhèn)區(qū)各土地利用類型面積和所占比例及2000～2009年和2009～2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用變化表(表1)。

從表1中可以看出，2000～2009年與2009～2030年耕地、園地、林地面積減少量比較大，其中2000～2009年耕地、林地分別減少37.52 hm2與18.96 hm2，而2009～2030年耕地、園地分別減少282.09 hm2與238 hm2。2000～2009年由于雙湖公路通車，促進(jìn)了鎮(zhèn)區(qū)擴展，導(dǎo)致住宅用地、商服用地和交通運輸用地量增加，分別增加了37.95 hm2，15.88 hm2，9.17 hm2；2009～2030年因小城鎮(zhèn)政策和經(jīng)濟發(fā)展驅(qū)動及鎮(zhèn)總體規(guī)劃實施，城鎮(zhèn)用地量增幅進(jìn)一步增強，其中，商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地分別增加了28.07 hm2、253.03 hm2、53.35 hm2、163.14 hm2、95.78 hm2。

圖1 南陽鎮(zhèn)區(qū)2000年、2009年、2003年土地利用圖Fig.1 The land-use map for Nanyang township in 2000，2009，2030表1 2000～2009年及2009～2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用變化表Tab.2 The land-use change for Nanyang township from 2000 to 2009 & from 2009 to 2030

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)的空間變化分析

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是用二維表表示某一區(qū)域不同時間段內(nèi)各個地類之間相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果[18，19]。通過GIS軟件將3期土地利用類型圖進(jìn)行空間分析可構(gòu)建2000～2009年與2009～2030年不同土地利用類型之間在空間和數(shù)量上的轉(zhuǎn)移矩陣表(表2，表3)。

表2 2000～2009年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The land-use transfer matrix for Nanyang township from 2000 to 2009

注：表2中行表示2000年第i種土地利用類型，列表示2009年第j種土地利用類型.

表3 2009～2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.3 the land-use transfer matrix for Nanyang township from 2009 to 2030

注：表3中行表示2009年第i種土地利用類型，列表示2030年第j種土地利用類型。

首先，由表2可看出，2000～2009年耕地轉(zhuǎn)移量40.32 hm2，去向主要是住宅用地、商服用地與交通運輸用地；林地轉(zhuǎn)移量25 hm2，是流向園地、水域及水利設(shè)施用地轉(zhuǎn)移；園地轉(zhuǎn)移量是15.43 hm2，則主要向住宅用地、林地轉(zhuǎn)移。從表3分析，2009～2030年耕地、園地、林地轉(zhuǎn)移量比2000～2009年更大，分別是282.09 hm2、238 hm2、191.9 hm2。其中，耕地主要是向工礦倉儲用地、園地、住宅用地、公共管理與公共服用地轉(zhuǎn)變；園地是流向住宅用地與林地；林地主要向工礦倉儲用地、園地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地、住宅用地轉(zhuǎn)變。其次，2000～2009年建設(shè)用地增加的主要表現(xiàn)為住宅用地、商服用地及交通運輸用地；2009～2030年建設(shè)用地增加表現(xiàn)為工礦倉儲用地、公共管理與公共服務(wù)用地。這表明城鎮(zhèn)擴展初期是以住宅、商業(yè)與交通為先導(dǎo)，而城鎮(zhèn)發(fā)展走向中期，則需要產(chǎn)業(yè)及其相應(yīng)的服務(wù)支撐。進(jìn)一步分析表3，還可看出農(nóng)用地之間也有一定的轉(zhuǎn)移量，主要是耕地、園地、林地之間。如2009-2030年耕地向園地轉(zhuǎn)移量達(dá)63.82 hm2，占耕地總轉(zhuǎn)移量的22.6%，居第二位；林地向園地轉(zhuǎn)移量44.43 hm2，占林地總轉(zhuǎn)移量的23.2%，也居第二位；與此同時，園地也向林地轉(zhuǎn)移101.29 hm2，占園地總轉(zhuǎn)移量的42.56%，居第一位。這可能與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)。

3.3 土地利用動態(tài)度分析

3.3.1 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度的含義是一定時間范圍內(nèi)某研究區(qū)的一種土地利用類型在數(shù)量上的變化情況，其公式為：

(1)

式中：K為研究時期內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度，Ua、Ub分別為研究初始階段和結(jié)束階段某一種土地利用類型的面積，T為研究時間段長度。當(dāng)T以年為單位時，K的值就表示該研究時段內(nèi)某一土地利用類型的年變化率。由表達(dá)式可以得出：當(dāng)K<0，表示這種土地類型的面積在減少，反之K>0時，即表明其面積在增加。

利用上述公式可計算得南陽鎮(zhèn)區(qū)單一土地利用動態(tài)度(表4)。

表4 南陽鎮(zhèn)區(qū)單一土地利用動態(tài)度Tab.4 The single dynamic degree of land use for Nanyang township

從表4可以看出草地、耕地、林地、其他用地、園地都是負(fù)值，表明它們的面積呈減少趨勢，且由數(shù)值大小可看出減少速率在加快；工礦倉儲用地和公共管理與公共服務(wù)用地2000～2009年單一土地利用動態(tài)度分別是9.04%和13.36%，而在2009～2030年分別是634.26%和907.13%，表明這兩種土地類型在2009～2030年變化率將非常大；同時，無論是增加還是減少，2009～2030年各地類變化量差別比2000～2009年大，但交通運輸用地的增長速率在加快，而商服用地、水域水利設(shè)施用地、住宅用地增長速率卻在減慢。

3.3.2 綜合土地利用動態(tài)度

為進(jìn)一步說明南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用動態(tài)變化的規(guī)律，本文引入綜合土地利用動態(tài)度模型，該模型表示在某一時間段內(nèi)某研究區(qū)的綜合動態(tài)度，其公式為：

(2)

式中：LUi為研究開始時第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非第i類土地利用類型面積的絕對值；T表示研究總時間(本文設(shè)時間單位為年)；LC實際表示該研究區(qū)土地利用年變化率。

利用公式(2)，可計算得2000～2009年與2009～2030年綜合土地利用動態(tài)度(表5)。

表5 南陽鎮(zhèn)區(qū)綜合土地利用動態(tài)度Tab.5 The comprehensive dynamic degreeof land use for Nanyang township %

從表5得知2000～2009年南陽鎮(zhèn)區(qū)綜合土地利用動態(tài)度為1.29%，這表明每年每100hm2的土地中就有1.29hm2土地利用類型發(fā)生了變化；同樣，2009～2030年的綜合動態(tài)度為1.01%，也表明每100hm2的土地中就有1.01hm2土地利用類型發(fā)生了變化。以上兩個時間段內(nèi)綜合土地利用年變化率相差不大，其差值僅為0.28%，表明在研究時段內(nèi)每年的土地綜合利用變化基本是一致的。

3.4 土地利用程度變化指數(shù)分析

土地利用程度反映了某區(qū)域?qū)ν恋乩玫膹V度和深度，它不僅可以表示土地的自然屬性，還可表示自然環(huán)境因素和人類因素對土地共同作用的結(jié)果，本文參照劉紀(jì)遠(yuǎn)等人的研究[19-23]，根據(jù)土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)，將南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用程度劃分為4個等級(表6)，并分別賦予了分級指數(shù)。

表6 南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用程度等級劃分表Tab.6 The classification of land-use degree for Nanyang township

本文采用的土地利用程度綜合指數(shù)、變化量和變化率公式分別如下：

(3)

ΔLb-a=La-Lb

(4)

(5)

式中：Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù)，Ci為研

究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度的分級面積比，Cib、Cia分別為研究區(qū)b和a時間第i級土地利用程度的面積百分比。Lj的大小可以反映出土地利用程度的高低；當(dāng)ΔLb-a>0時，或R>0時，表示研究區(qū)土地利用處于發(fā)展時期，否則衰退期或調(diào)整期。

把2000年、2009年、2030年相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(3)、(4)、(5)中，可計算南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用程度變化指數(shù)(表7)。

從表7分析，南陽鎮(zhèn)區(qū)2000年、2009年、2030年的土地利用程度綜合指數(shù)分別為269.24、272.55和301.62，表明其土地利用程度在不斷增加，但是由2000～2009年和2009～2030年的土地利用程度變化率分別為1.23%和10.67%，則表明2009～2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)的土地利用程度變化速度比2000～2009年快很多，這也表明了2000～2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用處于發(fā)展時期，可能導(dǎo)致用地粗放式。

表7 南陽鎮(zhèn)區(qū)土地利用程度變化指數(shù)表Tab.7 The indexes of change on land-use degree for Nanyang township

4 結(jié)論與討論

本文基于小城鎮(zhèn)尺度土地利用變化分析，結(jié)果表明：(1)2000～2030年南陽鎮(zhèn)區(qū)耕地、園地、林地急劇減少，分別為319.62hm2、253.43hm2、79.92hm2，2009～2030年比2000～2009年減少得更多，土地利用程度變化率分別為1.23%和10.67%。(2)2000-2030年建設(shè)用地增長不平衡，2000～2009年建設(shè)用地增加的主要表現(xiàn)為住宅用地、商服用地及交通運輸用地；2009～2030年建設(shè)用地增加表現(xiàn)為工礦倉儲用地、公共管理與公共服務(wù)用地，交通運輸用地增長速率也在加快。(3)快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，2000～2030年建設(shè)用地需求增加以占用周圍大量的優(yōu)質(zhì)耕地和園地及林地為代價，土地開發(fā)模式可能是粗放型。今后制定有關(guān)土地利用政策要充分考慮土地變化的有關(guān)因素，優(yōu)化土地利用布局對土地合理優(yōu)化配置，嚴(yán)格控制建設(shè)用地規(guī)模，提高土地利用率，讓城鎮(zhèn)化的載體可持續(xù)發(fā)展。

需要指出的是，本文研究是基于小城鎮(zhèn)范圍內(nèi)遙感影像數(shù)據(jù)、農(nóng)村土地第二次調(diào)查數(shù)據(jù)及城鎮(zhèn)總體規(guī)劃數(shù)據(jù)，由于它們之間數(shù)據(jù)格式差異，在轉(zhuǎn)換過程中不可避免存在數(shù)據(jù)信息遺失，導(dǎo)致分析結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。此外，該領(lǐng)域的研究還可從生態(tài)安全預(yù)警角度，引入土地利用壓力一狀態(tài)一響應(yīng)模型，揭示土地利用與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，并在時間序列上對各時期土地利用變化帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)做分析和對比。

致謝：感謝課題組成員趙海、黃炳堅、李新穎和江秋麗的支持。

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STUDY ON LAND-USE CHANGE OF TOWNSHIP IN SMALL TOWN BASED ON RS & GIS——A CASE STUDY IN NANYANG，SHOUNING COUNTY，F(xiàn)UJIAN

YANG Hui，F(xiàn)U Xiao-hong，YE Qing

(DepartmentofGeographicalScience，MinjiangUniversity，F(xiàn)uzhou350121，F(xiàn)ujian，China)

Based on RS & GIS technology，using Nanyang’s Landsat ETM image in 2000，the second survey database of the land use for Nanyang in 2009 and the town master planning for Nanyang from 2010 to 2030，the land-use information for Nanyang township in 2000，2009，2030 were extracted.At the same time，the transfer matrix of land-use types for Nanyang township from 2000 to2009 and from 2009 to2030 were established.And then，the change and change trend of the land use for Nanyang township were analyzed.The results were showed that：(1)the amount of cultivated land，garden land and forest land was reduced dramatically from 2000 to 2030，the reductions were 319.62hm2、253.43hm2、79.92hm2respectively，and the reduction from 2009 to 2030 was more than that from 2000 to 2009，the rate of change of land use degree from 2009 to 2030 and from 2009 to 2030 were 1.23%and 10.67%respectively；(2)the increase of the construction land is imbalance from 2000 to 2030，in other words that was to say，residential land，Land for commercial services，land for transport increased faster from 2000 to 2009，and the increase of the construction land was mainly the land for mining warehouse and land for public management and public service from 2009 to 2030，and the growth rate of land for transport was seemed to be speeding up；(3)from 2009 to 2030，the increase of the construction land was at the cost of occupation of many high quality cultivated land，garden land and forest land around the township，and the land development mode maybe extensive，and then many countermeasures on the land sustainable use were taken to.Key words：the analysis models for land-use change；land-use change；Landsat ETM；Nanyang township

2015-04-29；

2015-07-12．

作者簡介：陽輝(1993-)，女，湖南省衡陽人，本科生，資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專業(yè).
*通信作者：符小洪(1967-)，男，福建省壽寧人，副教授，碩士，主要從事區(qū)域經(jīng)濟與城鄉(xiāng)規(guī)劃的教學(xué)與科研工作.

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-7852(2015)04-0055-08