開封市土地利用變化及其驅(qū)動力研究

河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院　崔錦甜

開封市土地利用變化及其驅(qū)動力研究

河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院崔錦甜

近年來，隨著土地利用時(shí)空變化研究的展開，國內(nèi)外學(xué)者在其理論及其評價(jià)方法等方面取得了很大的進(jìn)展。國內(nèi)學(xué)者根據(jù)我國土地利用變化的規(guī)律及特點(diǎn)，通過多角度對我國不同土地利用類型進(jìn)行驅(qū)動力的研究并且提出了一些模型，但在研究范圍上，中部地區(qū)的研究為數(shù)不多。因此，本研究以引用土地利用動態(tài)度及主成分分析等方法，結(jié)合GIS及RS軟件分析1990-2005年開封市土地利用的時(shí)空變化特征，并用SPSS軟件探究其驅(qū)動因素，為開封市土地持續(xù)利用及規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

一、研究區(qū)域概況

開封市地處河南省東部，黃河中下游大沖積扇南側(cè)，東經(jīng)113°52′15”～115°15′42”，北緯34°11′45”～35°01′20”，現(xiàn)轄開封、蘭考、通許、杞縣、尉氏及城區(qū)，全市土地面積6262km2，總?cè)丝?87萬人（2005年），其中市區(qū)面積79.74km2，人口87.15萬人。開封市社會經(jīng)濟(jì)條件較好，工農(nóng)業(yè)發(fā)展較快，但仍處在發(fā)展中期。開封市土地利用類型被劃分為林地、耕地、園地、居民點(diǎn)與工礦用地、交通用地、未利用地、水域共7個(gè)一級類型，但因統(tǒng)計(jì)資料難以統(tǒng)一，本研究將居民點(diǎn)與工礦用地、交通用地歸并為建設(shè)用地，共計(jì)6個(gè)一級類型。

二、研究資料及土地遙感分類精度

（一）本項(xiàng)研究數(shù)據(jù)來源

本項(xiàng)研究數(shù)據(jù)來自于開封市1990年2月27日的Landsat5TM影像和2005年2月25日的Landsat5TM影像和1990年、2005年土地利用詳查和變更調(diào)查數(shù)據(jù)，以及開封市1997年1：1萬和2000年1：5萬土地利用圖和1990—2005年開封市統(tǒng)計(jì)年鑒及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

（二）土地遙感分類精度

對遙感影像解譯，分析不同地物的光譜特征，建立ROI，利用ENVI對兩期遙感影像監(jiān)督分類，對監(jiān)督分類后的影像進(jìn)行精度評價(jià)。TM影像分類總精度為84.46%，符合實(shí)際的精度要求。

三、研究區(qū)域土地利用的結(jié)構(gòu)變化

（一）土地利用類型的面積變化及變化幅度

從表1中可以看出開封市在1990—2005年土地利用類型的變化量及幅度，其中耕地、園地、水域和未利用地面積呈減少趨勢，耕地面積減少量最大，達(dá)6532.68hm2；未利用地、水域次之，分別減少了920.79hm2、910.91hm2。水域減少主要是由于小浪底工程的建成使黃河下游水量減少，一些河道長期處于干涸狀態(tài)，之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼗蚱渌愋陀玫?。園地減幅最小，為206.84hm2，園地的減少也加劇了水土的流失和環(huán)境的破壞。林地和建設(shè)用地面積則呈增長趨勢，分別增加了2223.56hm2和11479.16hm2，其中建設(shè)用地（包括居民點(diǎn)與工礦用地、交通用地）的大幅增加，主要是因人口增長和城市化所致；林地面積的增加則表明了開封市退耕還林的實(shí)施和旅游發(fā)展改善環(huán)境收到成效。圖1反映了開封市土地利用結(jié)構(gòu)變化幅度，其絕對值依次為建設(shè)用地＞林地＞未利用地＞園地＞水域＞耕地，雖然耕地面積變化量最大，但由于耕地基數(shù)較大，所以其變化幅度最小。開封市土地利用變化的總體趨勢為城市化導(dǎo)致建設(shè)用地的擴(kuò)展，耕地非農(nóng)化及其后備資源的開發(fā)和區(qū)域綠化林地覆蓋率增加。

（二）單一土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是衡量一定時(shí)間研究區(qū)域各土地利用類型的變化程度和變化速度，是一個(gè)相對值，可以對比出不同土地利用類型變化的差異，對土地利用變化區(qū)域差異的比較和未來土地利用變化趨勢的預(yù)測都具有積極的作用，其表達(dá)式為：

其中：K為一段研究時(shí)間內(nèi)單一土地利用類型的動態(tài)度，Ua為研究初期某一種土地利用類型的面積，Ub為研究末期某一種土地利用類型的面積，T為研究的時(shí)間間隔（單位為年）。當(dāng)K＞0時(shí)，表明在研究時(shí)段內(nèi)該土地類型用地呈增長趨勢，當(dāng)K＜0時(shí)，表明在研究時(shí)段內(nèi)該土地類型用地呈減少趨勢。

本研究時(shí)段為1990—2005年，T值取15，由此模型可得到表2，其顯示了15年間開封市6種土地利用類型的動態(tài)度，其中變化最快的是建設(shè)用地，年變化率約0.95%，表現(xiàn)出很強(qiáng)的變化現(xiàn)象，說明開封市的城市擴(kuò)張正在迅速發(fā)展；林地次之，達(dá)到0.62%，其動態(tài)度已經(jīng)超過了全國每年平均約0.23%的速度，主要是開封市逐漸推行生態(tài)建設(shè)，并優(yōu)化城市旅游環(huán)境所致；未利用地動態(tài)度約0.59%；耕地的動態(tài)度為0.1%，而我國耕地面積減少的速度約3‰，可見研究區(qū)內(nèi)耕地的動態(tài)度已高于全國平均水平。

（三）基于遙感影像分類的土地利用變化及建成區(qū)變化分析

本研究基于知識建立訓(xùn)練樣本，并根據(jù)該區(qū)DEM空間統(tǒng)計(jì)關(guān)系和土地利用類型及地物光譜特征的經(jīng)驗(yàn)知識確定土地類型，在ENVI的支持下對開封市1990—2005年的LandsatTM影像進(jìn)行幾何糾正和空間坐標(biāo)配，再利用最大似然法分類，并利用掩膜去除已分類的地塊，對處理后的影像波段進(jìn)行分析，去除已分類地物對影像的干擾，提高分類精度，得到兩期該區(qū)土地覆被和土地利用類型圖（略）。

通過比較同一區(qū)域2個(gè)年份的土地利用分布差異，可以看到，1990年城區(qū)外圍的建設(shè)用地不多且布局較為分散，耕地面積較大且呈片狀分布，黃河流域處仍有大面積未利用地。隨后幾十年內(nèi)，由于開封市委及市政府加強(qiáng)了城市規(guī)劃力度，并開始實(shí)施“工業(yè)強(qiáng)市，旅游帶動”和“改造舊城區(qū)，大力發(fā)展西區(qū)”的政策，使得城市各類用地布局趨于合理。2005年，城區(qū)已由中部地區(qū)向外圍擴(kuò)展，東部和西南部的部分耕地已被城區(qū)取代。此外，林地也逐漸增多，黃河流域的未開墾地也被耕地及居民區(qū)取代，城區(qū)外圍的居住區(qū)由原來的散亂分布向中部地區(qū)集中化，城區(qū)開始出現(xiàn)周邊化發(fā)展，城市規(guī)劃開始步入正軌。

四、研究區(qū)域城市化水平分析

根據(jù)研究區(qū)域城市化水平的主要影響因素，分析得到兩個(gè)主要指標(biāo)：C1—非農(nóng)人口占總?cè)丝诘谋戎?，C2—非農(nóng)產(chǎn)業(yè)GDP占總GDP的比重。運(yùn)用特爾斐法分別賦予C10.8和C20.2的權(quán)重，加權(quán)平均后得到綜合指標(biāo)C（見表3），得到1990—2005年開封市城市化水平折線圖（見圖2）。

由圖2可以得出，1990—2005年開封市城市化水平基本上處于不斷上升的狀態(tài)，這是由于開封市實(shí)施經(jīng)濟(jì)體制改革及建立市場經(jīng)濟(jì)體制，推動了開封市外向型經(jīng)濟(jì)、私營經(jīng)濟(jì)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致了土地利用結(jié)構(gòu)的變化，各類用地的優(yōu)化配置，使得土地利用率和產(chǎn)出率得到提高。2000年之后，隨著國家退耕還林等土地政策的實(shí)施，全市林地面積開始增加，再加上近年來中部崛起戰(zhàn)略及鄭汴一體化的實(shí)施，使得開封的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有了重大變化，建成區(qū)范圍擴(kuò)展，相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)、房地產(chǎn)業(yè)及其他建設(shè)都得到一定程度的提高，因此，這一時(shí)期不斷提高的城市化水平也使開封市的土地利用發(fā)生了變化。

表1　開封市1990—2005年土地利用變化

表2　開封市土地利用類型動態(tài)度

表3　1990-2005年間開封市城市化水平

表4　指標(biāo)體系

表5　1999-2005年間主成分分析數(shù)據(jù)

五、驅(qū)動因子分析

（一）指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)處理

驅(qū)動力與土地利用變化的關(guān)系是土地利用變化動力學(xué)研究的核心。根據(jù)開封市城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有資料，以科學(xué)性、整體性、層次性、可操作性為準(zhǔn)則，建立開封市土地利用指標(biāo)體系（見表4）。研究以年份為基本單元，選取1999—2005年間相應(yīng)的數(shù)據(jù)（見表5），運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，得到KMO值為0.749＞0.7，即可以進(jìn)行主成分分析，根據(jù)特征值＞1和累積貢獻(xiàn)率≥85%，提取出前2個(gè)主成分，特征值和各主成分的貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)（見表6），主成分載荷矩陣（見表7）。

通過對主成分載荷的分析，第一主成分與A（0.986）、C（0.997）、F（0.992）、G（0.995）、H（0.993）、I（0.969）相關(guān)性比較強(qiáng)，它們主要反映了開封市的人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，且第一主成分的貢獻(xiàn)率最高，這表明開封市的土地利用變化主要受這些方面的影響，因此，第一主成分可視作城鎮(zhèn)化水平、人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。第二主成分與B（0.830）、E（0.902）相關(guān)性比較強(qiáng)，這表明開封市的土地利用變化與第三產(chǎn)業(yè)即服務(wù)業(yè)也有相關(guān)，而第三產(chǎn)業(yè)主要是以城市為載體，其與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、國民素質(zhì)的提高、行業(yè)的構(gòu)建、人民生活水平的提高息息相關(guān)，因此，第二主成分可視作服務(wù)業(yè)發(fā)展的代表，即服務(wù)業(yè)的發(fā)展也是影響開封市土地利用結(jié)構(gòu)變化的一個(gè)重要因子。

圖1　開封市1990-2005年土地利用結(jié)構(gòu)變化幅度`

圖2　1990-2005年開封市城市化水平折線圖

（二）影響開封市土地利用結(jié)構(gòu)的驅(qū)動因子

1.城市化因子。數(shù)據(jù)顯示，1988—2003年開封市的城市化指數(shù)由20.09%增長至29.89%，其城市化步伐的加快致使城市規(guī)模擴(kuò)大，市區(qū)邊緣區(qū)不斷向外推進(jìn)，農(nóng)耕地被住宅、交通、商業(yè)、行政、工廠等各類建設(shè)用地替代。結(jié)合開封市的具體情況，土地利用類型的轉(zhuǎn)化受城市化發(fā)展的作用主要體現(xiàn)在交通用地、公共基礎(chǔ)設(shè)施及市政配套設(shè)施用地等建設(shè)用地的增加和農(nóng)村居民區(qū)的增加上。

2.人口因子。城市人口越多，對城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施的需求也越多，對于建設(shè)用地增長的作用力可能也越大。據(jù)開封市統(tǒng)計(jì)年鑒顯示：1980—2005年，其非農(nóng)業(yè)人口由1980年的41.05萬人，增加到2005年的60.78萬人；城區(qū)面積由1980年的359.3hm2，增加到2005年的403.7hm2，人口增加帶來的需求量增加，對土地利用產(chǎn)生了顯著影響。

3.經(jīng)濟(jì)因子。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快慢，直接影響土地供給量的大小，經(jīng)濟(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可導(dǎo)致土地供給內(nèi)部地類的相互轉(zhuǎn)化。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：1990年開封市的國內(nèi)生產(chǎn)總值約為16.93億元，至2005年增至218.35億元，相較1990年增長了約13倍。經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)和服務(wù)業(yè)也快速發(fā)展，耕地的變化受非農(nóng)業(yè)人口的增長及固定資產(chǎn)的投資影響較大。由于受到經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動，開封市的一些耕地已不斷轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，而農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)在單位面積土地中的凈產(chǎn)值約為1：100：1000，這表明農(nóng)用地面積土地的凈產(chǎn)值并不高，而相對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的增加，糧食價(jià)格卻一直較低，這也使許多耕地轉(zhuǎn)移或廢棄?？梢?，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與土地利用類型的變化是密不可分的。

表6　特征值及貢獻(xiàn)率

表7　主成分載荷矩陣

六、結(jié)論

（一）1990—2005年研究區(qū)的遙感影像及數(shù)據(jù)分析表明，開封市的土地利用率較高，不同區(qū)域土地利用的差異較為明顯，呈現(xiàn)出分區(qū)分布狀，耕地在土地利用中占主要地位，區(qū)內(nèi)耕地面積在不斷減少，但因其基數(shù)大，變化率并不高，基本與園地及水域的變化率持平，水域的面積基本沒有變化，保持了較好的穩(wěn)定性。建設(shè)用地及林地的變化較快，市區(qū)邊沿土地也得到利用，被開發(fā)成耕地及建設(shè)用地，原因主要是人口的增長、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平和質(zhì)量及城市化水平的逐年提高。此外，城市及其建成區(qū)擴(kuò)張，基礎(chǔ)配套設(shè)施逐漸健全，建設(shè)用地也由原來的分散狀逐漸發(fā)展為向中部地區(qū)集中成片，城區(qū)外圍原本分散的居住地也開始向城市靠攏，成為城市的一部分。

（二）驅(qū)動因子分析表明，15年間人口增長、城市化及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對開封市的土地利用變化起主要作用。由于開封市仍處在城市化發(fā)展的中期階段，因此，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，經(jīng)濟(jì)及人為因素對土地利用變化的影響要大于自然因素的影響。

（三）目前，開封市的土地利用布局仍較混亂，特別是城鎮(zhèn)及工礦用地的變化率較高、增長較快，但土地資源有較多的浪費(fèi)，生產(chǎn)效益較低。因此，必須優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，保持耕地面積，加大林地及園地的建設(shè)，抑制水域面積的減少，合理開發(fā)未利用地。