基于轉(zhuǎn)移矩陣的上海市土地利用變化分析

羊秀娟 趙文琳 唐慶

摘 要：土地利用的變化對水土流失有著重要的影響，近15年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，土地利用結(jié)構(gòu)變化明顯，同時(shí)造成了一些環(huán)境問題如水土流失，雖然較輕微但也會(huì)在局地影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，研究上海市的土地利用變化狀況對水土保持工作有著十分重要的意義。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，上海市近15年來土地利用變化情況如下：2000—2015年，研究區(qū)總體上耕地、水域、未利用土地和草地面積呈減少趨勢，而城鄉(xiāng)工礦居民用地、林地面積呈增加趨勢，水域面積變化不明顯。土地利用類型變化主要為耕地、草地與未利用土地變化為城鄉(xiāng)工礦居民用地與林地。

關(guān)鍵詞：上海市；轉(zhuǎn)移矩陣；土地利用；水土保持

中圖分類號 F304.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）15-0078-03

Abstract：The change of land use has an important influence on soil erosion. In recent 15 years，the economic development of Shanghai is rapid and the structure of land use changes obviously. At the same time， some environmental problems，such as soil and water loss， will be slightly affected by the local economic development. Therefore， the study of land use change in Shanghai is of great significance for soil and water conservation. It is found that the changes of land use in Shanghai in the last 15 years are as follows： from 2000 to 2015，the area of cultivated land，water，unused land and grassland is decreasing， while the area of urban and rural industrial and mining land and forest land is increasing，and the change of water area is not obvious.The change of land use types is mainly the change of farmland，grassland and unused land into urban and rural industrial and mining residential land and woodland.

Key words：Shanghai City；Transition matrix；land use；Water and soil conservation

土地利用是指人們根據(jù)土地資源特性、功能和一定的經(jīng)濟(jì)目的，對土地進(jìn)行使用、保護(hù)和改造的過程[1]。土地利用結(jié)構(gòu)一直處于不斷的變化中，好的土地利用結(jié)構(gòu)會(huì)對水土保持產(chǎn)生積極的影響，目前各地正大力推進(jìn)土地的可持續(xù)利用[2]。若土地利用不合理，會(huì)造成水土流失，通常發(fā)生在順坡耕地上，其中又以中坡和陡坡耕地為主[3]。水土流失則是指自然或人為因素對水土資源不合理的開發(fā)利用，致使土壤表層物質(zhì)遭受破壞，土壤被侵蝕剝奪、搬運(yùn)，且侵蝕速度大于土壤形成或恢復(fù)速度，導(dǎo)致巖層裸露，再次被侵蝕[4，5]，對水土流失人類采取各種措施進(jìn)行水土保持，主要有預(yù)防和治理措施，其中從土地利用方面進(jìn)行水土保持較常見[6]。

土地利用動(dòng)態(tài)分析常見方法有轉(zhuǎn)移矩陣法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、構(gòu)造參數(shù)法等，轉(zhuǎn)移矩陣是根據(jù)同一地區(qū)不同時(shí)相的土地覆蓋現(xiàn)狀的轉(zhuǎn)化關(guān)系求得的1個(gè)二維矩陣[7]，通過對得到的轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析，能夠得到2個(gè)時(shí)相，不同的地類之間相互轉(zhuǎn)化的情況，它描述了不同的土地利用的類型在不同年份發(fā)生變化的土地類別以及發(fā)生變化的位置和變化的面積[8]。它不僅能反映上述固定區(qū)域、時(shí)間的各個(gè)地類面積數(shù)據(jù)，還能反映初期各個(gè)地類的面積轉(zhuǎn)出以及末期不同地類轉(zhuǎn)入面積，可以分析出土地利用結(jié)構(gòu)的變化[8，9]。土地利用狀況是影響上海市水土流失變化的重要因素[10]，采用轉(zhuǎn)移矩陣對上海市土地利用狀況的變化進(jìn)行研究，對水土流失治理有著重要的意義。

1 研究區(qū)概況

上海市位于北緯31°14'，東經(jīng)121°29'，地處長江三角洲前緣，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，北界長江入?？?，長江與東海在此連接。氣候溫和濕潤，春秋較短，冬夏較長，屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，雨量充沛，年降水量1208.8mm。地貌主要是在全新世海侵旋回和構(gòu)造沉降的同時(shí)，又經(jīng)歷了江、海、河、湖的沉積作用，除西南部有少數(shù)丘陵山脈外，全為坦蕩低平的平原，相對高差不大，地勢總體趨勢由東向西略微傾斜。到目前為止，上海主要的土地利用方式是城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，耕地，水域等，未利用土地很少，土地后備資源嚴(yán)重不足。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

本研究選取上海市土地利用數(shù)據(jù)，包括2000、2005、2015年3個(gè)時(shí)段的土地利用現(xiàn)狀圖。利用ArcGIS10.1工具進(jìn)行分析，首先使用數(shù)據(jù)分析工具（Data Management Tools）中的融合工具（Dissolve）分別對3個(gè)時(shí)段的上海市土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再用數(shù)據(jù)分析工具（Analysis Tools）中的Intersect工具進(jìn)行兩兩疊置分析，包括2000年與2005年疊置分析，2005年與2015年疊置分析，再計(jì)算面積。對疊置后的圖層用Calculate Geometry進(jìn)行面積計(jì)算和導(dǎo)出屬性表，對導(dǎo)出的屬性表進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算，用Excel中的數(shù)據(jù)透視表進(jìn)行計(jì)算，最后整理得出上海市近15年來土地轉(zhuǎn)移情況表。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣定義 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映一定地區(qū)在某一時(shí)段初期和末期各地類面積之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過程信息[11]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式如表1所示。

式中：Pij表示T1至T2期間土地類型i轉(zhuǎn)換為土地類型j的面積占土地總面積的百分比； Pii表示T1～T2期間i種土地利用類型保持不變的面積百分比。Pi+表示T1時(shí)點(diǎn)地類i的總面積百分比。P+j表示T2時(shí)點(diǎn)j種土地利用類型的總面積百分比。Pi+-Pii為T1～T2期間地類i面積減少的百分比； P+j-Pjj為T1～T2期間地類j面積增加的百分比。轉(zhuǎn)移前后土地利用類型數(shù)可以有所不同，這是矩陣的行數(shù)和列數(shù)不同，是1個(gè)一般矩陣。為了研究方便，轉(zhuǎn)移前后通常采用相同的分類體系和分類精度，這樣矩陣的行數(shù)列數(shù)相同，它就是1個(gè)N階方陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣含有豐富的研究時(shí)段期初和期末各地類之間相互轉(zhuǎn)化的信息，并具有豐富的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.2 上海市土地利用變化情況

3.2.1 2005—2010年上海市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 從表2可以看出，上海市2005—2010年的土地利用總體變化情況，這5年間草地轉(zhuǎn)入面積為125.87hm2，而轉(zhuǎn)出為522.45hm2，可見草地面積減少。有13025.7hm2其他土地轉(zhuǎn)變?yōu)槌青l(xiāng)工礦居民用地，而轉(zhuǎn)出才2063.3hm2，所以城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加較多。耕地面積轉(zhuǎn)入為7117.1hm2，轉(zhuǎn)出為66191.0hm2，耕地面積明顯減少，變化幅度較大。林地14662.8hm2，轉(zhuǎn)出804.91hm2，林地以轉(zhuǎn)入為主，面積增多。水域面積轉(zhuǎn)入為3050.41hm2，轉(zhuǎn)出為7871.68hm2，面積減少?？傮w是城鄉(xiāng)工礦居民用地、林地面積增多，而其他類型用地面積減少。這是因?yàn)殡S著上海市經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，城市化不斷加快，城鄉(xiāng)工礦居民建設(shè)對土地需求增多，土地利用變化較明顯。

3.2.2 2010—2015年上海市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 從表3可以看出，上海市2010—2015年的土地利用總體變化情況，其中有12016.73hm2的其他土地類型轉(zhuǎn)變?yōu)槌青l(xiāng)工礦居民用地，其中耕地轉(zhuǎn)入面積為11450.59hm2，林地轉(zhuǎn)入281.16hm2，水域轉(zhuǎn)入為181.96hm2，草地轉(zhuǎn)入為102.69hm2。草地轉(zhuǎn)出133.8hm2，轉(zhuǎn)入9.36hm2。耕地轉(zhuǎn)出12215.7hm2，轉(zhuǎn)入為1946.7hm2，面積減少。林地轉(zhuǎn)出394.5hm2，轉(zhuǎn)入712.1hm2，面積增加，水域面積轉(zhuǎn)入674.2hm2，轉(zhuǎn)出672.9hm2，面積增多，但變化不大。這5年間草地、耕地面積減少較多，城鄉(xiāng)工礦居民用地、林地與水域面積增加，上海市經(jīng)濟(jì)繼續(xù)不斷的發(fā)展，城市化水平進(jìn)一步提高，城鄉(xiāng)建設(shè)對土地的需要進(jìn)一步增多，使得城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增多；林地增多是因?yàn)殡S著生活質(zhì)量的提高，人們對環(huán)境有更高的要求以及對環(huán)境的保護(hù)，城市與周圍縣區(qū)林地面積增多。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，土地利用變化與上一階段基本相似。

3.3 不同土地利用類型水土流失特點(diǎn) 不同土地利用類型水土流失情況各不相同[12]，由數(shù)據(jù)可知，上海市土地利用主要分為林地、耕地、水域和城市用地。各用地水土流失情況分別為：林地有穩(wěn)固水土防止水土流失的作用；耕作用地則是地表裸露時(shí)雨季會(huì)造成水土流失，大小視降雨量而定；城市建設(shè)用地則是在建設(shè)施工階段，水土流失較多；水域則與水土流失關(guān)系較小。從上述分析中可以看出，上海市近年來耕地減少，林地增多會(huì)使水土流失緩解，城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增多，使得地表硬化，水土流失情況也會(huì)減少。

4 結(jié)論與討論

上海市水土流失情況較輕微，主要受人為活動(dòng)與植被、降水、風(fēng)力作用的影響，其中土地利用深刻的影響著水土流失的情況。短期水土流失情況的改變基本是人為，其中土地利用情況很大程度上受人類活動(dòng)的影響。從上述分析中可以看出，上海市近年來耕地減少，林地增多會(huì)使水土流失緩解；城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增多，使得地表硬化，水土流失情況也會(huì)減少；對環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng)等采取的保護(hù)措施，也使得上海水土流失減少。今后，隨著上海市城市繼續(xù)發(fā)展，城市化水平將進(jìn)一步提高，生活水平提高，人們對環(huán)境問題積極采取措施，上海的水土流失情況會(huì)在現(xiàn)在基礎(chǔ)上更好。

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（責(zé)編：張宏民）