基于緩沖區(qū)分析的土地利用程度空間分布規(guī)律
——以福州市馬尾區(qū)為例

林璐，許章華，2，3，黃旭影，施婷婷

(1.福州大學 環(huán)境與資源學院，福州 350116；2.3S技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高校重點實驗室，福州 350116；3.福州大學 區(qū)域與城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心，福州 350116)

0 引言

土地資源是人類賴以生存的最基本條件，國土資源的多少和優(yōu)劣是決定一個國家安全程度的重要因素[1]。土地利用反映了人類對土地自然屬性的利用方式和狀況，即人類根據(jù)土地自然特點，按照一定的經(jīng)濟與社會目的，采取生物、技術(shù)等手段，對土地長期性和周期性的經(jīng)營管理與治理活動[1]。近年來，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的加快，土地資源在整個社會經(jīng)濟發(fā)展中越發(fā)起著重要的作用，一些只注重經(jīng)濟效益而忽略環(huán)境效益的傳統(tǒng)土地規(guī)劃導致人地矛盾不斷被激化。

土地利用程度反映出土地利用的廣度與深度，具有土地本身自然屬性與人類因素作用的雙重屬性特點，成為近年來的研究熱點[2-4]，土地利用程度的研究能夠幫助城市規(guī)劃者建立合理的土地利用保護政策，走出一條環(huán)境友好型、綠色生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展道路。Overmars 等[5]提出各個土地利用類型間存在很高的空間相關(guān)性，應(yīng)構(gòu)建空間模型研究土地利用程度的變化；Ferreira M P等[6]以河岸為中心，建立森林植被碎片帶，分析森林土地覆蓋的空間變化；Carmona A等[7]選擇智利南部的一個景觀，利用分裂指數(shù)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)聚類分析探討景觀覆蓋類型的空間特征；Liu Y 等[8]為研究中國黃淮海平原土地利用的時空動態(tài)模式，引入水環(huán)境與耕地評價土地利用格局變化；呂曉等[9]認為建設(shè)用地的分布與人類開發(fā)活動的強弱有著密切的聯(lián)系，從而影響土地利用程度的大??；楊勝天等[10]針對黃河中游多沙粗沙區(qū)植被變化研究2010年間3個時期土地利用與植被蓋度的關(guān)系。土地利用程度研究涉及多個尺度[11]，孫倩等[12]和胡和兵等[13]以流域為尺度，提出流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與土地利用程度息息相關(guān)；李啟權(quán)等[14]以縣域為研究尺度，認為區(qū)位位置、資源狀況及交通條件是形成土地利用程度與效益間空間耦合協(xié)調(diào)格局的主要因素；徐羽等[15]從城市出發(fā)，從土地利用變化速度、土地利用轉(zhuǎn)移空間特征與方向、土地利用程度等角度對城市人類活動作用下的土地利用變化時空規(guī)律進行了深入分析。

學者們針對全國、區(qū)域、城市、流域等不同尺度開展了關(guān)于土地利用程度的研究，雖然其中也引入空間分析，但是對區(qū)域內(nèi)部具體的植被、水體、建筑等與土地利用程度分布規(guī)律關(guān)系的研究只停留于單一因子或者沒有研究，且缺少定量化研究。福州馬尾區(qū)作為福建自貿(mào)試驗區(qū)福州片區(qū)的核心區(qū)，近年來，在相關(guān)政策的扶持下，區(qū)域社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快。本文利用RS與GIS技術(shù)，在緩沖區(qū)分析的基礎(chǔ)上引入?yún)^(qū)域統(tǒng)計與空間自相關(guān)研究，探討土地利用程度與空間分布的規(guī)律，并給出不同土地利用類型周圍緩沖區(qū)的“冷熱點”分析，可為科學管理土地提供有效的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

馬尾區(qū)為福建省福州市轄區(qū)，地理范圍在25°15′N～26°39′N，118°08′E～120°31′E之間，地處福州市南部，東瀕閩江口，西與福州市晉安區(qū)交界，南與長樂市、倉山區(qū)隔江相望，東北與連江縣接壤，下轄羅星街道和馬尾、亭江、瑯岐三鎮(zhèn)。區(qū)內(nèi)地表水資源豐富，全年冬短夏長，屬于南亞熱帶海洋季風氣候，年平均氣溫19～21 ℃，年降雨量約1 382 mm；地勢西高東低，具有山秀、溪清、石奇、林幽的生態(tài)景觀；經(jīng)濟發(fā)展快速，2014年實現(xiàn)地區(qū)總產(chǎn)值373.92億元，高于福州市全市平均水平0.9個百分點，居全市第2位，服務(wù)外包、港口物流等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，全區(qū)經(jīng)濟增長轉(zhuǎn)向依靠二、三產(chǎn)業(yè)共同帶動發(fā)展，近年來隨著馬尾新城建設(shè)的大力推進，城鎮(zhèn)土地利用的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等也發(fā)生相應(yīng)的變化。福建省于2015年開展福州新區(qū)的建設(shè)，選取馬尾作為研究區(qū)來研究土地利用程度與空間的關(guān)系，能更好地把控福州新區(qū)建設(shè)前的生態(tài)本底狀況，并對城市化土地整理以及土地資源的可持續(xù)利用具有重大的意義。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與影像預處理

收集的主要數(shù)據(jù)有：(1)Landsat-8 OLI多光譜遙感影像1景，過境時間為2014年12月12日；(2)馬尾區(qū)行政區(qū)劃圖；(3)福建省DEM數(shù)據(jù)。利用ENVI與ArcGIS對Landsat-8 OLI多光譜影像進行輻射校正、幾何糾正及裁剪等預處理。

2.2 土地利用類型解譯

本研究結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，考慮遙感影像的可解譯情況，根據(jù)研究內(nèi)容的需要，在全國遙感土地利用監(jiān)測分類系統(tǒng)的基礎(chǔ)進行調(diào)整，將馬尾區(qū)土地分為林地、水域、耕地、建設(shè)用地、未利用地五大類型，具體的分類及含義詳見表1。

表1 研究區(qū)土地利用分類系統(tǒng)

一般的監(jiān)督分類方法難以區(qū)分各種土地利用類型，本文采用基于決策樹的分類方法解譯研究區(qū)土地利用類型。馬尾區(qū)內(nèi)森林覆蓋率高，因此在構(gòu)建決策樹時將NDVI作為輔助數(shù)據(jù)應(yīng)用到分類中。

2.3 土地利用程度

本文利用土地利用綜合指數(shù)來評價研究區(qū)的土地利用程度。土地利用程度綜合指數(shù)是人類對土地實際利用狀態(tài)的反映。劉紀遠等[16]提出土地利用程度的量化方式，表達式為：

(1)

式中：Ai、Ci分別為第i級土地利用程度分級指數(shù)、分級面積百分比。

根據(jù)劉紀遠等提出的土地利用程度相應(yīng)分級原則，馬尾區(qū)各土地利用類型所對應(yīng)的土地利用分級指數(shù)如表2所示。

表2 土地利用程度分級賦值表

2.4 空間分布規(guī)律研究方法

地物除了基本信息外，還有空間信息，空間信息能使研究結(jié)果更加貼合實際[17]。Todd等[18]引入水文動力空間信息分析濕地植被群落的結(jié)構(gòu)特征；王潤等[19]為構(gòu)建都市游憩空間的有機結(jié)構(gòu)，以水系、交通為依托，分析北京游憩空間的分布規(guī)律；吳桂平等[20]以鄱陽湖為研究對象，用空間分析保護區(qū)近10年來濕地植被生物量的空間分布規(guī)律及其季節(jié)變化特征。由此可見，探討空間分布的規(guī)律對于地物分布規(guī)律的研究很有意義?？臻g分布規(guī)律研究涉及多個尺度、多種對象，本文選擇林地、水域、耕地、未利用地以及建設(shè)用地這5種土地利用類型的緩沖區(qū)為基礎(chǔ)，引入?yún)^(qū)域統(tǒng)計、空間自相關(guān)的方法對各個土地利用類型緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用程度的變化做出細化至100 m的分析，并把區(qū)域統(tǒng)計與空間自相關(guān)的分析的結(jié)果進一步綜合討論，能更好地探討區(qū)土地利用程度空間分布的規(guī)律變化。

1)緩沖區(qū)建立。緩沖區(qū)分析是GIS重要的分析功能之一，以ArcGIS提取的5種土地利用類型面域?qū)嶓w為基礎(chǔ)，建立以100 m為間距的緩沖區(qū)多邊形，以便于對林地、水域、耕地、未利用地、建設(shè)用地周圍的土地利用程度做空間分析，探討人類對于研究區(qū)當前的土地利用活動是否合理，詳細說明不同土地利用類型與土地利用程度的空間分布聯(lián)系。

2)區(qū)域統(tǒng)計。以林地、水域、耕地、未利用地、建設(shè)用地的緩沖區(qū)為基礎(chǔ)，通過與土地利用程度綜合指數(shù)空間分布圖進行疊置分析，統(tǒng)計出各距離的緩沖區(qū)內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)的平均值，探討不同土地利用類型周圍的綜合指數(shù)分布狀況。

3)空間自相關(guān)。空間自相關(guān)分析能檢驗?zāi)撤N地理現(xiàn)象或某一屬性值的整體分布狀況[21]，該方法在環(huán)境資源領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，Bequet等[22]用空間自相關(guān)模型研究森林不同樹種間的空間異質(zhì)性；韋仕川等[23]用空間自相關(guān)分析探討廣寧縣耕地質(zhì)量的空間結(jié)構(gòu)性特征和聚集性規(guī)律。本文的空間自相關(guān)以前期5種土地利用類型緩沖區(qū)Shp為基礎(chǔ)，加入土地利用程度綜合指數(shù)信息，利用Geoda做空間自相關(guān)分析，統(tǒng)計各類型土地利用程度的冷熱點，并結(jié)合區(qū)域統(tǒng)計的結(jié)果，綜合分析土地利用程度的空間分布規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

3.1 土地利用類型分類與土地利用程度結(jié)果

在ENVI中，通過目視解譯選擇大于10個的均勻分布的訓練樣本，像元數(shù)在200～500區(qū)間，利用Rulegen插件，采用QUEST算法自動獲取分類規(guī)則，生成決策樹，進行土地利用分類，決策樹分類規(guī)則如表3所示，得到研究區(qū)土地利用類型分類結(jié)果(圖1)，分類精度為88.78%，Kappa為0.854 1。并依據(jù)式(1)，得出馬尾區(qū)土地利用程度分布專題圖(圖2)，可知研究區(qū)2014年綜合指數(shù)處于0～400之間，區(qū)內(nèi)土地利用程度大部分處于中等水平，且土地利用程度較高的區(qū)域都集中在河流沿岸，馬尾鎮(zhèn)、羅星街道及亭江鎮(zhèn)對土地的開發(fā)利用主要沿著河流呈狹長狀延伸。

表3 研究區(qū)決策樹分類規(guī)則

附注：B8為NDVI，B1～B7為Landsat OLI影像原始波段。

圖1 馬尾區(qū)2014年土地利用分類圖

圖2 馬尾區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)空間分布圖

3.2 基于緩沖區(qū)下的區(qū)域統(tǒng)計土地利用程度空間分布規(guī)律研究

1)以林地緩沖區(qū)為主體的土地利用程度空間分布。林地區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果如圖3(a)，利用折線圖來表示土地利用程度綜合指數(shù)的空間變化。圖4(a)可以看出，土地利用程度指數(shù)隨著林地緩沖區(qū)距離的變化而變化，先增加后減少：在林地周圍100 m處，土地利用程度保持在較低水平，約210.951，在100 m至200 m處，土地利用程度急增，增長率為47.63%，平均增速為10.05%，這主要是由于林地周圍100 m處一般留有與其他用地的過渡帶，人為干擾較小，而100～200 m處，土地類型由林地—過渡帶迅速轉(zhuǎn)為耕地、建設(shè)用地等，可見在林地周圍200 m處，建設(shè)用地的比重較大；當緩沖區(qū)在200 m以后時，中間有稍許起伏，但整體來看土地利用程度指數(shù)的數(shù)值隨著距離的增大而減小，這是因為200 m后，建設(shè)用地比例逐漸減少，最后土地利用類型歸于水域，在2 200 m處達到最小值153.535。由此見得，建設(shè)用地對于土地利用程度綜合指數(shù)的影像較大，林地的土地呈現(xiàn)半自然化—自然化，應(yīng)在規(guī)劃時注意要在林地與建設(shè)用地之間的留有一定的緩沖區(qū)。

2)以水域緩沖區(qū)為主體的土地利用程度空間分布。同理，對水域做區(qū)域統(tǒng)計分析(圖3(b))。圖4(b)可看出，水域周圍的土地利用程度綜合指數(shù)的數(shù)值總體趨勢為先增加后減少，最后趨于平緩：當緩沖區(qū)為200 m時，綜合指數(shù)達到最大(約271.608)，這是因為在水域附近0～100 m處是水域與居名點的緩沖帶，主要是未利用地、濕地、灘涂等，符合生態(tài)安全的要求，而100～200 m處，建筑用地比例上升；在200～800 m之間，隨著河流距離的拉大及地形因素等影響，建設(shè)用地逐漸減少，耕地、林地面積增加，土地利用強度減少，平均減速為11.31%；在800 m后，綜合指數(shù)變化趨于平緩，平均為198.311，在這個距離間，土地類型95%以上為林地，人類活動強度小，土地回歸自然化。在城市土地利用過程中，應(yīng)該對水域附近的0～100 m緩沖區(qū)實施重點保護，防止人為活動污染水體。

3)以耕地緩沖區(qū)為主體的土地利用程度空間分布。從圖3(c)、圖4(c)看出，耕地周圍的土地利用程度綜合指數(shù)的變化整體呈現(xiàn)平緩的下降趨勢，詳細來說：在耕地周圍100 m到700 m處，土地利用程度綜合指數(shù)由274.554減少到211.757，平均變化率為12.56%，是由于這地段大部分土地利用類型是從耕地過渡到林地，人類對林地利用程度相對較小，所以之間的土地利用程度綜合指數(shù)減少速率較快，約22.87%；從耕地周圍700 m到4 300 m處，土地利用程度綜合指數(shù)基本不變，平均為199.744，因為這個區(qū)域中大部分是林地—耕地，土地利用類型基本沒有變化；從4 300 m處后，綜合指數(shù)進一步減小，因為在研究區(qū)邊界附件基本為林地，且開發(fā)活動基本沒有，土地處于自然化狀態(tài)。在規(guī)劃時，應(yīng)保護耕地的基本占有率，防止為了經(jīng)濟發(fā)展而破壞耕地，同時耕地與其他土地類型之間應(yīng)留有緩沖區(qū)，防止農(nóng)業(yè)污染波及其他類型土地。

4)以未利用地緩沖區(qū)為主體的土地利用程度空間分布。未利用周圍的土地利用程度綜合指數(shù)變化趨勢為先小幅度增長，后下降到趨于平緩，在2 400～2 700 m處急速減少(圖3(d)、圖4(d))：100 m到200 m之間，綜合指數(shù)由235.695增加到253.772，平均變化值18.077，在200～800 m綜合指數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，變化率為19.01%，這是因為從100 m到200 m之間，未利用地被其他類型用地取代，土地利用強度增大，而在200～800 m之間，土地類型逐漸轉(zhuǎn)為林地；緩沖區(qū)800 m到2 400 m，綜合指數(shù)變化趨于平緩，平均值為199.288，因為這部分土地利用類型基本為林地—耕地，且比例沒有明顯變化；從2 400 m以后，綜合指數(shù)減小，且減少幅度較大，平均變化值為51.068，這是由于土地類型由原來的林地—耕地，轉(zhuǎn)為自然林地，綜合指數(shù)在2 700 m處達到最小值，約141.667。未利用地在研究區(qū)的土地利用類型中所占比例不大，且較為破碎，可以在規(guī)劃中注意保護成片的未利用地。

5)以建設(shè)用地緩沖區(qū)為主體的土地利用程度空間分布。建設(shè)用地周圍的綜合指數(shù)變化呈現(xiàn)兩頭急速減少，中部區(qū)域平緩的趨勢(圖3(e)、圖4(e))：100～500 m處呈現(xiàn)下降區(qū)域，其中緩沖區(qū)100 m至200 m的平均變化值為73.602，比200～500 m處的平均變化值高出64.052個數(shù)值，這是因為100～200 m處，土地利用類型從建設(shè)用地轉(zhuǎn)為灘涂、濕地、水域、未利用地等，土地開發(fā)強度迅速下降，而200～500 m之間，水域面積擴大，數(shù)值減少地不似之前那么劇烈；從500～4 700 m之間，綜合指數(shù)變化趨于平緩，平均為197.352，是因為這地帶土地利用類型與人為干擾強度基本不變；4 700 m至4 800 m處，綜合指數(shù)急速減少，下降了65.850個數(shù)值，這是因為這地帶靠近研究區(qū)邊界，邊界周圍多自然林地，土地自然化程度高。建設(shè)用地對于土地利用程度綜合指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，注意控制建設(shè)用地的無序擴張是城市規(guī)劃與土地管理工作中的重點。

圖3 馬尾區(qū)各土地利用類型緩沖區(qū)區(qū)域統(tǒng)計

圖4 馬尾區(qū)各土地利用類型緩沖區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)變化圖

3.3 基于緩沖區(qū)下空間自相關(guān)的土地利用程度空間分布規(guī)律研究

對林地、水域、耕地、未利用地以及建設(shè)用地的土地利用程度綜合指數(shù)做空間自相關(guān)分析，可知各個土地利用類型緩沖區(qū)內(nèi)綜合指數(shù)的“冷熱點”。從表4、圖4～圖5中可知：

(1)耕地的土地利用程度熱點區(qū)域較其他用地較為分散，可能是由于耕地面域較為破碎，且易受周圍林地、建設(shè)用地的影響。

(2)5種土地利用類型的土地利用程度綜合指數(shù)最小值都在邊界，但從空間自相關(guān)分析上看，除了未利用地，其余土地利用類型的冷點區(qū)域都分布于研究區(qū)邊界位置，可能是由于不同區(qū)之間留有緩沖帶，但緩沖帶內(nèi)的未利用地較少。

(3)未利用地的冷熱點分布與其他土地利用類型不同，其熱點區(qū)域位于研究區(qū)邊界地帶，為冷點區(qū)域為周圍0～900 m處，說明未利用地近距離內(nèi)土地利用程度較小，這塊區(qū)域有開發(fā)的潛力，但也要注意保護。

(4)林地的冷點區(qū)域較與其他土地利用類型較為分散，為1 700～1 800 m、1 900～2 200 m，說明在林地周圍1 800～1 900 m間，人類活動較為明顯，區(qū)域統(tǒng)計也顯示此距離內(nèi)綜合指數(shù)減少速率較低。

表4 土地利用程度空間自相關(guān)分析

圖5 馬尾區(qū)各土地利用類型土地利用程度冷熱點空間分布

3.4 討論

對研究區(qū)5種土地利用類型緩沖區(qū)的區(qū)域統(tǒng)計與空間自相關(guān)分析結(jié)果進行進一步的討論，并給出規(guī)劃建設(shè)意見：

(1)區(qū)域統(tǒng)計與空間自相關(guān)分析的結(jié)果說明，耕地的土地利用程度熱點區(qū)域較為分散、林地的冷點區(qū)域較為分散。這可能是由于研究區(qū)內(nèi)耕地分布較為破碎，在規(guī)劃中應(yīng)該注意耕地規(guī)劃的連續(xù)性，不能隨意占用耕地；林地緩沖區(qū)的設(shè)置研究區(qū)內(nèi)林地周圍1 800～1 900 m受人類活動影響較大，應(yīng)該此距離內(nèi)設(shè)置一定的緩沖帶保護區(qū)，防止人類活動對林地的干擾。

(2)從緩沖區(qū)區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果上看，5種土地利用類型的土地利用程度綜合指數(shù)數(shù)值基本在研究區(qū)邊界達到最小值，但空間自相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了未利用地，其余土地利用類型的冷點都在邊界，說明研究區(qū)邊界土地偏向自然化狀態(tài)，這可能是因為不同區(qū)為避免區(qū)域之間的互相影響而留有緩沖帶，但緩沖帶內(nèi)未利用地較少。說明馬尾區(qū)在區(qū)劃緩沖帶的設(shè)置上較為合理，應(yīng)該注重對邊界自然化土地的保護。

(3)區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果表明土地利用程度綜合指數(shù)平均數(shù)值分別在林地、水域以及未利用地的200 m處緩沖區(qū)達到最大，通過空間自相關(guān)的進一步分析發(fā)現(xiàn)，林地與水域滿足，其200 m處是熱點區(qū)域，但是未利用地則在邊界是土地利用程度的熱點區(qū)域，說明人類活動在林地、水域土地周圍200 m處的強度最大，在生態(tài)維護以及土地安全管理的工作中應(yīng)該對林地、水域周圍200 m處采取重點監(jiān)控，避免因胡亂開發(fā)土地而引起嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。

(4)水域、耕地、未利用地周圍200～800 m處綜合指數(shù)數(shù)值減小的速率相對較高，空間自相關(guān)發(fā)現(xiàn)：對于200～800 m區(qū)域內(nèi)，①水域：400～500 m、600～800 m土地綜合指數(shù)減小較有意義(因為其0～400 m、500～600 m為土地利用綜合指數(shù)的熱點區(qū)域)。②耕地：500～600 m土地綜合指數(shù)減小較有意義(因為其200～500 m、600～900 m為土地利用綜合指數(shù)的熱點區(qū)域)。③未利用地：0～900 m為冷點區(qū)域，符合區(qū)域統(tǒng)計結(jié)論。因此在對馬尾區(qū)進行土地利用時，對水域附近400～500 m與600～800 m、耕地附近500～600 m以及未利用周圍200 m～800 m區(qū)域應(yīng)該實施監(jiān)控，保護期間的土地。

4 結(jié)束語

研究區(qū)2014年土地利用程度綜合指數(shù)處于0～400之間，區(qū)內(nèi)土地利用程度大部分處于中等水平，且土地利用程度較高的區(qū)域都集中在河流沿岸，馬尾鎮(zhèn)、羅星街道及亭江鎮(zhèn)對土地的開發(fā)利用主要沿著河流呈狹長狀延伸。

研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地與林地對土地利用程度綜合指數(shù)的影響最大，林地的自然化程度大小對于城市土地利用程度影響較大，應(yīng)重點保護城市林地、合理開發(fā)并且注意緩沖帶的設(shè)置在規(guī)劃工作中，應(yīng)對林地周圍200 m、水域周圍200 m、400～500 m與600～800 m、耕地周圍500～600 m、未利用地周圍200～800 m實施重點監(jiān)控，注意土地規(guī)劃的連續(xù)性，防止亂占用耕地，維護土地安全。

水域與建筑用地周圍800 m至近鄰研究區(qū)邊界處，由于期間各土地類型面積相對平衡，綜合指數(shù)數(shù)值基本穩(wěn)定，在土地管理與城市發(fā)展工作中，可引入新技術(shù)，參考國內(nèi)外優(yōu)秀的經(jīng)驗，增加此距離間中林地面積，進一步降低城市土地負荷，實現(xiàn)經(jīng)濟、生態(tài)的共同發(fā)展。