城市化進程中土地利用變化及其空間分布研究

范　婷，朱晚秋，崔綠葉

(1四川師范大學 西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室，四川　成都　610068；2四川師范大學 地理與資源科學學院，四川　成都　610068)

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城市化進程中土地利用變化及其空間分布研究

范婷1，2，朱晚秋1，2，崔綠葉1，2

(1四川師范大學 西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室，四川成都610068；2四川師范大學 地理與資源科學學院，四川成都610068)

在運用RS和GIS得到土地利用結(jié)構(gòu)類型圖的基礎上，統(tǒng)計分析2003-2013年間凱里市各土地利用類型在數(shù)量上的變化速度以及在空間上的轉(zhuǎn)移特征，并結(jié)合當?shù)氐牡匦螚l件分析土地利用變化在空間上的分布。結(jié)果表明：在城市化進程的推動下，研究區(qū)建設用地的變化幅度和變化速度尤為突出，分別高達188.47 %和18.85 %；而受地形條件的影響，大面積的土地轉(zhuǎn)移發(fā)生在耕地、林地和其他用地之間；高程和坡度因子在一定程度上對區(qū)域的土地利用變化有阻礙作用。

土地利用變化，空間分布，城市化，凱里市

0　引言

土地利用 / 土地覆被變化在全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中都占有重要的地位，人類通過與土地有關(guān)的自然資源的利用活動改變地球陸地表面的覆被狀況，而土地覆被變化也反過來深刻地影響著區(qū)域水循環(huán)、環(huán)境質(zhì)量、生物多樣性及陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和適應能力[1]。近年來，在我國城市化發(fā)展速度不斷加快和社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展的影響下，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，日益突出的土地利用沖突和人地矛盾使我國耕地資源所面臨的形勢更加嚴峻；同時城市不斷向外擴展與城市內(nèi)部土地粗放經(jīng)營也使我國有限的土地資源越來越稀缺，這一系列問題使人們逐漸認識到探討土地利用變化特征及其空間分布的重要性和迫切性。隨著RS和GIS技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，借助高技術(shù)研究區(qū)域的土地利用變化，或者建立模型進行情景分析，探討土地利用結(jié)構(gòu)變化的形成規(guī)律及機制，仍是當前國內(nèi)外在土地利用 / 覆被變化領(lǐng)域研究的主要趨勢[2-6]。土地利用變化模擬與預測模型是土地變化科學的重要組成部分[7]，在國內(nèi)以馬爾科夫模型、元胞自動機模型以及CLUE-S模型應用最為普遍。本文選擇位于喀斯特地貌區(qū)的凱里市為研究區(qū)，在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支撐下，分析其在城市發(fā)展過程中的土地利用變化情況；并從自然條件入手探討喀斯特山區(qū)城市土地利用變化的空間分布，為該區(qū)今后的土地利用規(guī)劃和管理整治提供科學依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

凱里市地處貴州東南部，黔東南苗族侗族自治州西部，距貴陽市176公里，東鄰臺江縣，南接丹寨縣，西連福泉市，北交黃平縣，地跨東經(jīng)107°40′58″～108°12′09″，北緯26°24′13″～26°48′11″，處于云貴高原東側(cè)階梯狀大斜坡(向中部丘陵過渡地帶)的苗嶺山麓，清水江畔。全市總面積1 556 km2，轄6個街道、9個鎮(zhèn)、2個鄉(xiāng)，現(xiàn)有總?cè)丝?3.41萬余人。境內(nèi)有黔中山原和黔東中低山丘陵兩個地貌區(qū)，最高點海拔1 447 m，最低點海拔529 m。屬中亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫度16.1 ℃，降雨量1 243 mm。凱里資源豐富：森林覆蓋率達53.28 %；境內(nèi)有大小河溪153條；主要礦藏有煤、鐵、鉛、鋅、鋁土礦、硅石巖等，其中硅石的二氧化硅含量高達98 %，名列西南之冠。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源及其處理

本研究所采用的土地利用數(shù)據(jù)主要來源于2003年TM影像和2013年ETM+影像，時相為6-9月，影像質(zhì)量較好，遙感影像均來自地理空間數(shù)據(jù)云(http：// www.gscloud.cn)。輔助數(shù)據(jù)和資料包括凱里市行政區(qū)劃圖和Google高清衛(wèi)星地圖。在ERDAS遙感圖像處理軟件支持下，參照谷歌高清衛(wèi)星影像圖，以土地用途、利用方式和覆蓋特征為主要分類依據(jù)，對遙感影像進行目視判讀并建立分類模板，將研究區(qū)土地利用劃分為耕地、林地、水體、建設用地和其他用地5種類型，得到2003年和2013年的土地利用圖。運用Arcgis10.1對兩個時期的土地利用圖數(shù)字化并進行空間疊加運算，計算出相應時期的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，揭示不同時期土地利用類型的空間變化規(guī)律。

圖1　凱里市土地利用格局分布圖Fig.1　The distribution map of land use pattern of Kaili city in 2003 and 2013

2.2研究方法

2.2.1土地利用數(shù)量變化模型

土地利用數(shù)量變化模型主要是用以反映在研究時段內(nèi)區(qū)域土地利用變化的強弱程度和動態(tài)變化速度[8]。本文選擇變化幅度模型和動態(tài)度模型來對凱里市各土地利用類型的數(shù)量變化及其變化速率進行計算和分析。

2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向定量研究的主要方法，它能夠具體的反應土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型間的轉(zhuǎn)移方向[9]。其數(shù)學表達式為：

(3)

式中，Sij為研究期內(nèi)第i類土地向第j類轉(zhuǎn)化的面積，i為研究期初土地利用類型，j為研究期末土地利用類型，n為土地利用類型的數(shù)量。

3　結(jié)果與分析

3.1土地利用結(jié)構(gòu)及其變化特征

運用Arcgis10.1將分類處理后的遙感影像圖轉(zhuǎn)化為土地利用矢量圖，經(jīng)統(tǒng)計分析得到2003年和2013年兩個時期各土地利用類型的面積及比例，在此基礎上結(jié)合所選取的土地利用變化模型可進一步得出研究時段里該區(qū)的土地利用變化幅度和速度。

表1　凱里市2003年和2013年土地利用結(jié)構(gòu)及數(shù)量變化Tab.1　Land use structure and quantity change of Kaili city in 2003 and 2013

凱里市2003年和2013年土地利用類型面積、百分比、土地利用變化幅度以及土地利用動態(tài)度從空間上表征了各種地類在不同時期的分布情況。從上表可以看出：凱里市2003-2013年間土地利用類型以耕地和林地為主。2003年耕地和林地所占面積較大，分別占研究區(qū)總面積的44.41 %和33.42 %；其次為其他用地，占土地總面積的16.96 %；水體和建設用地面積較小，分別占3.15 %和2.05 %。2013年土地利用類型以耕地、其他用地和林地為主，分別占土地總面積的37.66 %、28.97 %和21.10 %；水體和建設用地的面積仍然較小，分別占總面積的6.35 %和5.92 %。

從土地利用變化幅度來看，凱里市在2003-2013年間各土地利用類型的變化幅度普遍較大，其中水體、建設用地和其他用地面積增加，而耕地和林地的面積有所減少。在面積增大的土地利用類型中，以建設用地最為突出，變化幅度高達188.47 %；其次為水體，變化幅度達101.32 %；而其他用地也在2003年的基礎上增加了70.79 %。相對而言，耕地和林地的面積在研究期內(nèi)減少的幅度較小，耕地面積減少了15.20 %，林地面積減少了36.86 %。

從單一土地利用類型動態(tài)度來看，面積增加大的土地利用類型同時具有較高的動態(tài)度。建設用地的變化速度最快，平均每年的增加量達到18.85 %，充分表明凱里市近十年的建設規(guī)模正在不斷擴大；水體和其他用地次之，每年增加10.13 %和7.08 %；同樣耕地和林地的變化速度相比之下較小，每年減小速率分別為1.52 %和3.69 %。

3.2土地利用變化的空間轉(zhuǎn)移

凱里市在研究時段內(nèi)，各類土地利用類型的面積發(fā)生了很大變化，土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以定量說明各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化狀況，而且可以揭示不同類型間的轉(zhuǎn)移速率。結(jié)合其數(shù)學表達式，運用Arcgis10.1中的疊置分析功能可以得到凱里市2003-2013年10年間的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，如表2所示。

表2　凱里市2003-2013年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2　The transfer matrix of land use change of Kaili city from 2003 to 2013　單位：/ km2

從矩陣表2可以看出：凱里市在2003-2013年間，各土地利用類型都存在轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的情況，且各地類之間相互轉(zhuǎn)化的面積量較大，表明在這10年間土地利用覆被的空間變化較大，土地利用結(jié)構(gòu)處于快速調(diào)整期。

就土地利用類型的轉(zhuǎn)出面積看，林地>耕地>其他用地>水體>建設用地；而從轉(zhuǎn)入面積來看，其他用地>耕地>水體>建設用地>林地。具體到土地利用類型轉(zhuǎn)化方向來看，耕地主要轉(zhuǎn)化為其他用地，轉(zhuǎn)化面積為72.12 km2，其次為水體和建設用地，轉(zhuǎn)化面積分別為57.85 km2和41.06 km2；林地也主要轉(zhuǎn)化為其他用地，面積多達127.41 km2，其次為耕地，轉(zhuǎn)化面積為72.80 km2；建設用地、其他用地和水體主要轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積分別為5.50 km2、28.40 km2和11.15 km2。

在土地利用空間格局的分布上，面積明顯增加的其他用地主要分布在凱里市東部，而面積顯著減少的林地和耕地分布則遍布全市。城市中心地區(qū)以建設用地面積增加和耕地面積減少為主，建設用地的擴張基本上是在其原始基礎上向四周發(fā)展，此外還有明顯快速發(fā)展的爐山鎮(zhèn)以及向西南(沿320國道)和東南(沿金山大道至三棵樹鎮(zhèn)主題公園游樂園)方向大力擴展。西北部各種土地利用類型的圖斑總體來看變得比較零碎且分布廣泛，這是由于在研究的10年時間里受自然和人文因素的影響比較大。

3.3土地利用變化空間分布分析

3.3.1高程

土地是人類一切活動最根本的物質(zhì)基礎，地形作為其最重要的組成因子之一，從而影響人類對土地的利用。有研究表明[10-12]，地形是影響人類土地利用最重要的自然因子，同時也是制約土地利用變化方向和速度的重要因素。而高程作為地形的主要組成要素之一，對區(qū)域的土地利用具有重大的影響。

圖2　凱里市高程分級Fig.2　The elevation classification map of Kaili

圖3　2003-2013主要土地利用類型轉(zhuǎn)移分布圖Fig.3　The distribution map of main land use type transfer

凱里市的海拔普遍較高，故根據(jù)其范圍將其分為5個等級。結(jié)合2003-2013年的主要土地利用類型轉(zhuǎn)移格局分布，可以看出凱里市在研究期間的土地利用 / 覆被變化主要發(fā)生在600 m～1 000 m高程范圍內(nèi)。具體來看，由于受地理位置及交通條件的影響，土地利用變化類型為耕地—建設用地的區(qū)域主要位于海拔較低的600 m～900 m高程范圍內(nèi)，且大多屬于平緩的山谷地帶；而考慮到耕作的可行性以及農(nóng)作物的產(chǎn)量，林地—耕地、其他用地—耕地大部分都位于700 m～900 m區(qū)域；至于其他用地—林地位于700 m～900 m高程范圍是地方在盤活空閑地的同時加強生態(tài)建設的結(jié)果；林地—其他用地的分布遍布全市，是凱里在研究區(qū)內(nèi)土地利用變化最為活躍的一種類型。

因此可以得出：在600 m～900 m內(nèi)高程對土地在耕地與建設用地之間變化的影響最大，其次是對林地、耕地和其他用地之間的影響。高程因影響氣壓、空氣密度和氣溫的變化，對人類生產(chǎn)生活所能到達海拔高度具有決定性作用，使人類的耕作和居住多分布在海拔較低、氣溫較高區(qū)域，故土地利用 / 覆被變化也主要在這高程范圍內(nèi)發(fā)生。

3.3.2坡度

同高程一樣，坡度也是地形的重要組成要素之一，它同樣影響著區(qū)域土地利用的空間分布和數(shù)量變化。坡度對土壤類型的空間分布有著重要影響，同時也制約著農(nóng)業(yè)耕作以及城市化建設等人類活動，因此是制約土地利用 / 覆被變化在空間分布上的一個重要因素。

圖4　凱里市坡度分級Fig.4　The slope classification map of Kaili

根據(jù)凱里市的坡度情況，將其分為5類。將研究區(qū)的主要土地利用類型轉(zhuǎn)移圖和坡度圖結(jié)合分析可知，研究區(qū)在2003-2013年間土地利用 / 覆被變化在0°～15°的坡度內(nèi)變化最大，在15°～35°的坡度內(nèi)次之，而在坡度達35°以上區(qū)域變化最小。發(fā)生在坡度0°～15°內(nèi)的主要是耕地—建設用地的變化，在坡度15°～35°內(nèi)是林地、耕地、其他用地之間的變化，而坡度在35°以上則變化甚小。這說明在0°～35°范圍內(nèi)坡度因子主要影響土地利用 / 覆被在耕地、建設用地、林地以及其他用地之間的變化，就耕地—建設用地這一變化來說，結(jié)合凱里自身的發(fā)展實際，一個位于“地無三尺平”的山區(qū)并正處于城市化大力發(fā)展階段的城市，亟需占用大量坡度小的土地來滿足整個城市的發(fā)展需求，因而坡度在0°～15°范圍內(nèi)的平坦地區(qū)發(fā)生土地利用變化現(xiàn)象尤為明顯。

4　結(jié)論

本文將凱里市作為研究對象，以2003年與2013年遙感影像為基礎資料，運用RS和GIS相關(guān)技術(shù)對其進行圖像分類處理以及數(shù)字化分別得到凱里市兩個時期的土地利用結(jié)構(gòu)圖。首先用土地利用數(shù)量變化模型和轉(zhuǎn)移矩陣對凱里市在2003-2013年間的土地利用變化進行數(shù)量和空間變化上的分析，然后從高程、坡度等地形因素進行空間分布上的研究，可以得出以下結(jié)論：

1)在2003-2013年間，凱里市土地利用發(fā)生了劇烈變化。從土地利用變化幅度來看，建設用地的變化最為突出，高達188.47 %；從土地利用變化動態(tài)度來看，也屬建設用地的變化速度最快，平均每年的增加量達到18.85 %，這充分表明了凱里市近10年的建設規(guī)模正在不斷擴大，城市化的步伐逐漸加快。而從土地利用變化空間分布上來看，凱里市在研究期內(nèi)各地類之間相互轉(zhuǎn)化的面積量較大，主要發(fā)生在耕地、林地、其他用地之間的相互轉(zhuǎn)移，這反映出該期間凱里市的土地利用結(jié)構(gòu)處于快速調(diào)整期。

2)地形因素對凱里市的土地利用變化具有顯著的影響?？傮w上高程與坡度對凱里市土地利用變化表現(xiàn)出明顯的阻礙作用，即隨著海拔升高或者坡度增加，相應范圍內(nèi)的土地利用變化程度逐漸減弱，而受城市化步伐快速推進的影響，這種阻礙作用在一定程度上被削弱，反倒出現(xiàn)“削峰填谷、向山要地”等現(xiàn)象。

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The change of land use and its spatial distribution in the process of urbanization

FAN Ting1，2，ZHU Wanqiu1，2，CUI Lvye1，2

(1KeyLaboratoryofMinistryofEducationforLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwest，SichuanNormalUniversity，Chengdu610068，China；2CollegeofGeographyandResourcesScience，Chengdu610068，China)

Land is the material foundation of human survival and development.Timely understanding of the current situation and the structure of land use，and dynamic updating of the quantity and quality of land resources can promote more rational development and utilization of land，and achieve sustainable utilization of land resources to guarantee sustainable development of regional economy.In this paper，on the basis of the map of land use structure type obtained with RS and GIS，we analyzed the change rate and the transferring characteristics of each land use type during 2003-2013 in Kaili city.The results showed that the range and speed of change of construction land in the studied area was particularly prominent under the impetus of urbanization，which was as high as 188.47 % and 18.85 % respectively.While affected by the terrain conditions，a large area of land transfer occurred among cultivated land，forest land and other land.Elevation and slope have a hindering effect on regional land use change to some extent.

land use change，spatial distribution，urbanization，Kaili

F301.2

A

1003-6563(2016)04-0036-05

2016-05-19；

2016-05-26

范婷(1993-)，女，四川西充人，碩士研究生，主要從事土地利用與評價研究。