基于GIS 的縣域尺度土地利用動(dòng)態(tài)變化
——以福建省建甌市為例

趙莉莉 范勛承＊

（邵陽(yáng)學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，湖南 邵陽(yáng)422000）

20 世紀(jì)90 年 代，International Geosphere-Bisphere Programme （IGBP） 和International Human Dimensions Programme（IHDP）提出的土地利用與覆被變化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）已成為目前全球環(huán)境變化研究的前沿和熱門課題之一[1]。土地利用變化是LUCC 研究的三大核心課題之一[2]，它深刻影響著全球可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，因此土地利用變化及其對(duì)周圍環(huán)境的影響已成為可持續(xù)發(fā)展研究中的重要研究領(lǐng)域[3-4]。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者就土地利用變化方面開展了諸多研究，研究區(qū)域主要集中在生態(tài)敏感區(qū)或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，如馬帥等[5]利用3S 技術(shù)對(duì)江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2000～2015 年的土地利用景觀格局時(shí)空變化情況進(jìn)行研究；沈振濤等[6]以大汶河流域作為研究區(qū)域，利用土地利用相關(guān)模型對(duì)1985～2017 年研究區(qū)的土地利用情況進(jìn)行了分析，并對(duì)其2030 年的土地利用變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)；常小燕等[7]以微山縣的11 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為研究區(qū)，對(duì)2000～2017 年礦區(qū)的土地利用變化進(jìn)行了研究；劉雨等[8]以山東省為研究區(qū)，探究了土地開發(fā)和效益的耦合協(xié)同關(guān)系；甄江紅等[9]利用定量分析的方法，對(duì)呼和浩特市的城市用地?cái)U(kuò)展及驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了深入探討。以上研究大多將研究區(qū)域選定在大、中尺度上，對(duì)于以縣為研究對(duì)象的小尺度研究較少[10-11]。然而近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以縣域?yàn)榇淼男〕叨葏^(qū)域城鎮(zhèn)化速度明顯加快，對(duì)縣域的土地利用情況展開深入分析，對(duì)于地方長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

建甌市簡(jiǎn)稱“芝城”，是福建省北部的農(nóng)業(yè)大市，省級(jí)園林城市、省級(jí)生態(tài)城市。研究期間，建甌市地區(qū)生產(chǎn)總值從1995 年的24.70×108元增至2015 年的198.67×108元，20 年間翻了8 倍多；建甌市歷來人口基數(shù)大，是南平市（閩北）所轄的10 個(gè)地區(qū)中人口最多的城市，2015 年常住人口45.1×104人，城鎮(zhèn)化水平48.1%。目前，縣域已經(jīng)被作為推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重點(diǎn)區(qū)域，這勢(shì)必引起土地利用結(jié)構(gòu)的改變，如不予以重視，合理規(guī)劃及利用，最終會(huì)影響到該市的人居環(huán)境和生態(tài)安全。因此，本文利用1995 和2015 年2 期遙感影像數(shù)據(jù)，研究20 年來建甌市的土地利用狀況，以期為該市土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

建甌市屬福建省南平市（閩北）下轄地區(qū)（圖1），土地總面積4233 km2，是福建省陸地面積最大的縣級(jí)市。屬東南沿海低山丘陵區(qū)，山地占土地總面積的57.3%，丘陵占29.9%。境內(nèi)河流發(fā)育完全，屬閩江建溪流域，總長(zhǎng)1079 km。建甌市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫14-20℃。截至2019 年末，戶籍人口54.91×104人，是閩北人口最多的縣級(jí)市，實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值（地區(qū)GDP）291.72×108元。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

根據(jù)研究目的和研究意義，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性等因素，建甌市1995 年Landsat-5TM 和2015 年Landsat-7ETM 遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率均為30 m×30 m。參照我國(guó)土地利用分類系統(tǒng)并結(jié)合南平市的地理特征，本文將研究區(qū)劃分為林地、草地、耕地、建筑用地、水域和未利用地共6 種土地利用類型。經(jīng)前人的經(jīng)驗(yàn)及研究分類的需要發(fā)現(xiàn)，RGB 組合為波段5、4、3 能夠更加清晰的區(qū)分本研究中需要的6 種土地利用類型。因此，利用ENVI Classic 中的Layer stacking 功能將每期遙感影像圖按照波段5、4、3 進(jìn)行合并。而后，采用直方圖匹配法將圖像進(jìn)行鑲嵌，導(dǎo)入研究區(qū)shp 矢量圖，執(zhí)行裁剪操作，最終得到所需圖像及相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用變化的研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度模型是表征土地利用變化速度的模型。表示的是某種地類在一定時(shí)間段內(nèi)面積變化的快慢，正值表示面積增加，負(fù)值反之。該模型包括兩種類型，分別是單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。

2.2.1.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

該指標(biāo)反映的是研究期間某種地類的動(dòng)態(tài)變化程度[12]，即某種地類增長(zhǎng)或減少的速率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，K 為某一地類的動(dòng)態(tài)度；Ua和Ub則分別表示開始和結(jié)束時(shí)該地類的面積；T 則為研究的時(shí)間長(zhǎng)度，單位為a，下同。

2.2.1.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可反映研究區(qū)內(nèi)各地類綜合的變化速率，是研究區(qū)總體土地利用變化指標(biāo)，其值越低，表明土地利用變化越平穩(wěn)[13]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，IRj為研究區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度；n 為地類的數(shù)量；Zija、Zijb是研究區(qū)某地類的初始面積和研究末期的面積。

2.2.2 土地利用程度

土地利用程度可以表征人類開發(fā)土地的強(qiáng)度，是多種土地利用類型變化的結(jié)果[14]，其模型如下：

式中，Lj代表土地利用程度；n 代表土地利用分類數(shù)；Ai為第i 級(jí)土地利用的分級(jí)數(shù)；Ci為第i 級(jí)土地利用分類占總面積的百分比。本研究利用劉紀(jì)遠(yuǎn)先生[15]提出的土地利用程度的分級(jí)數(shù)，并結(jié)合建甌市土地利用類型的特點(diǎn)，把未利用地的分級(jí)數(shù)定為1，林地、草地和水域定為2，耕地為3，建筑用地為4。

土地利用程度變化量（率）的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：

2.2.3 土地利用結(jié)構(gòu)

土地利用結(jié)構(gòu)可用結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征指數(shù)來表示，即可用一種或幾種地類占研究區(qū)總面積的比值來表示[15]。根據(jù)研究目的需要，本章對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)特征指數(shù)分別定義為土地利用開發(fā)指數(shù)和土地利用墾殖指數(shù)。具體情況如下：

土地利用開發(fā)指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，bi為建筑用地的面積；B 則是開發(fā)指數(shù)。該指數(shù)是表示土地被利用為建筑用地的比例。

土地利用墾殖指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，ai為耕地類型的面積，A 為研究區(qū)面積，K 是墾殖指數(shù)，該公式表示耕地占研究區(qū)面積的百分比。

2.2.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是目前研究土地利用變化特征、方向、結(jié)構(gòu)的常用方法，它不僅可以表達(dá)土地利用的結(jié)構(gòu)特征，還可以表示研究時(shí)段內(nèi)的各地類的來源及組成[15]。除此之外，轉(zhuǎn)移矩陣還可以生成轉(zhuǎn)移概率矩陣，它可以按照百分比進(jìn)行排序，從該排序中可以看出引起該地類變化的主要土地利用類型和次要類型，從而分析出引起該種地類變化的原因。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)公式為：

式中，P 代表面積；n 代表土地利用類型的個(gè)數(shù)；i 和j 分別代表研究時(shí)段初期與末期的土地利用類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型的面積變化

利用ArcGIS10.2 軟件的統(tǒng)計(jì)分析工具對(duì)1995 年和2015 年的遙感解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到兩期各地類面積，整理計(jì)算得到各地類面積占整個(gè)研究區(qū)面積的比例變化圖（圖2）。從圖2可知，20 年間建甌市土地利用類型間變化頻繁，總體表現(xiàn)為“三增三減”具體為耕地、建筑用地和水域面積有所增加，其中耕地增加比例最大，達(dá)7.70%。建甌市的人口數(shù)量在閩北地區(qū)排名第二位，僅次于延平區(qū)，2015 年常住人口為45.1 萬(wàn)人，同時(shí)，建甌市也是閩北基本農(nóng)田主要集中區(qū)，因此，在保護(hù)基本農(nóng)田的基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)行土地整理和復(fù)墾開發(fā)，以滿足人口增長(zhǎng)的需要。這是建甌市在20 年中耕地面積增加的主要原因。研究期間，草地、未利用地和林地呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，面積比例依次減少了5.30%、3.99%和0.72%。主要因?yàn)檫@些面積減少的用地類型部分轉(zhuǎn)入了耕地所致。

圖2 1995～2015 年建甌市不同地類面積比例變化

3.2 土地利用類型的動(dòng)態(tài)度

由圖3 可知，研究期間建甌市各土地利用類型單一動(dòng)態(tài)度值有正有負(fù)，說明其土地利用類型處于不斷調(diào)整中。與其他用地類型相比，耕地和水域的動(dòng)態(tài)度為正值，且耕地動(dòng)態(tài)變化最大，動(dòng)態(tài)度大42.4%，說明此期間建甌市的耕地面積增加顯著。除耕地和水域外，其余用地類型的動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值，說明建甌市在此期間其余用地類型面積有所減少，具體減少順序由多到少依次為：未利用地（-4.1）＞草地（-3.37）＞建筑用地（-1.04）＞林地（-0.61）。這是由于20 年間，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建甌市對(duì)未利用地的開發(fā)強(qiáng)度持續(xù)加大，未利用地不斷向其他用地類型轉(zhuǎn)換的結(jié)果。根據(jù)公式（2）的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出建甌市1995～2015 年綜合動(dòng)態(tài)度為0.56，說明建甌市總體土地利用變化速度較為平穩(wěn)。

圖3 建甌市各土地利用類型單一動(dòng)態(tài)度

3.3 土地利用程度

按照公式（3）的土地利用程度模型對(duì)建甌市1995 年和2015年的土地利用程度進(jìn)行了計(jì)算，其值分別為202.70 和218.19。從計(jì)算結(jié)果可以看出，20 年間建甌市土地利用的深度和廣度不斷增大。另外，與全國(guó)平均水平201.86[16]相比，無論是1995 年還是2015 年都高于全國(guó)平均水平，說明建甌市土地資源的開發(fā)強(qiáng)度和集約化程度在全國(guó)平均水平之上。利用公式（4）和（5）計(jì)算可知，建甌市的土地利用程度變化量和變化率分別為15.49 和0.08，其值均大于0，說明該市土地利用較為活躍，土地利用的綜合水平較高，處于蓬勃發(fā)展期。

3.4 土地利用結(jié)構(gòu)

根據(jù)公式（6）和（7）計(jì)算得到研究區(qū)土地利用開發(fā)指數(shù)和墾殖指數(shù)（圖5）。從圖4 可以看出，1995-2015 年間，建甌市土地開發(fā)指數(shù)從1995 年的2.78 增至2015 年的4.47，說明20 年間建甌市土地利用開發(fā)強(qiáng)度不斷增大，新增建筑用地持續(xù)增加。土地墾殖指數(shù)從2.65 增至9.83，20 年間翻了3 倍多。建甌市是福建省陸地面積最大、閩北人口最多的縣級(jí)市，同時(shí)，建甌市還是閩北基本農(nóng)田集中區(qū)，在國(guó)家保護(hù)基本農(nóng)田政策的影響下，20年間該市耕地面積不斷增加，因此墾殖指數(shù)持續(xù)增大。

圖4 1995～2015 年建甌市土地利用結(jié)構(gòu)特征

3.5 土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣

從1995～2015 年建甌市土地利用變化轉(zhuǎn)移概率矩陣上看（表1），建甌市林地保持率是66.96%，轉(zhuǎn)為林地最高的用地類型是水域，轉(zhuǎn)入率為61.05%，建筑用地次之，為58.45%。建甌市耕地保持率為34.62%，加之其他地類的轉(zhuǎn)入也較高，其中，有21.64%的林地轉(zhuǎn)為了耕地，而林地是研究區(qū)土地面積占比最大的用地類型，因此研究期間建甌市耕地面積增加最多。各土地利用類型具體轉(zhuǎn)出概率排序?yàn)椋何蠢玫兀?9.76%）＞草地（92.63%）＞建筑用地（88.29%）＞水域（71.06%）＞耕地（65.38%）＞林地（33.04%）；除了第一轉(zhuǎn)出方向是林地外，未利用地和草地的主要轉(zhuǎn)出方向還有耕地，其向耕地的轉(zhuǎn)入概率分別為33.87%和35.52%。

表1 1995～2015 年建甌市土地利用變化轉(zhuǎn)移概率矩陣（%）

4 主要結(jié)論

土地利用變化可以反映某地區(qū)的人類活動(dòng)對(duì)地表覆蓋物的影響程度，尤其是最近幾十年，縣域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人類對(duì)土地資源開發(fā)和利用的規(guī)模猛增。因此，以縣級(jí)市-福建省建甌市作為研究案例，利用土地利用相關(guān)計(jì)算模型，對(duì)該市20 年間的土地利用情況進(jìn)行定量分析，以期為該市及其它縣域的土地可持續(xù)利用提供科學(xué)參考。其主要研究結(jié)論如下：

4.1 20 年間，建甌市各土地利用變化總體表現(xiàn)為“三增三減”，其中耕地和草地分別是面積增加和減少最大的用地類型。與其他用地類型相比，建甌市雖然耕地動(dòng)態(tài)變化最為劇烈，其值達(dá)42.4%，但總體而言，該市的土地利用變化速度較為平穩(wěn)。

4.2 研究期間，建甌市的土地資源開發(fā)強(qiáng)度和集約化程度均在全國(guó)水平之上，土地利用的綜合水平較高。由于耕地和建筑用地的面積均呈增加趨勢(shì)，因此，其土地利用開發(fā)指數(shù)和墾殖指數(shù)在20 年間均呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

4.3 建甌市耕地保持率雖不高，但林地、未利用地和草地的大量轉(zhuǎn)入，使得20 年間耕地成為了面積增加最多的用地類型。