基于GIS的商丘市土地利用時(shí)空變化分析

王興敏 楊亞輝

摘? 要：土地利用/覆蓋變化是造成全球環(huán)境變化的主要原因之一，基于GIS技術(shù)，結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度模型對(duì)商丘市2000年和2015年兩期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，耕地一直是商丘市最主要的土地利用類型，2000年與2015年的用地面積分別為8 564.84 km2、7 961.96 km2，分別占商丘市總面積的80.26%、74.37%;15年來(lái)，商丘市的耕地面積減少了602.88 km2，而其中有528.37 km2的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地;同時(shí)建設(shè)用地面積增長(zhǎng)最快，面積增加697.57 km2，占其2000年用地面積的37.57%;商丘市總體土地利用變化空間范圍較大，尤其是商丘市主城區(qū)周圍和商丘西北部地區(qū)，新增的建設(shè)用地圍繞著已有建設(shè)用地向外擴(kuò)散。

關(guān)鍵詞：GIS? 土地利用? 時(shí)空變化? 空間分析

中圖分類號(hào)：P208? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）02（b）-0097-05

Analysis of Spatial and Temporal Changes of Land Use in Shangqiu City Based on GIS

WANG Xingmin1? YANG Yahui2

（1.School of Surveying， Mapping and Planning， Shangqiu Normal University; 2.School of Media， Shangqiu Normal University， Shangqiu， Henan Province， 476000 China）

Abstract： Land use / cover change is an important component and one of the main causes of global environmental change. Using GIS technology， combined with land use transfer matrix and land use dynamic degree model， the land use data of Shangqiu City in 2000 and 2015 were analyzed. The results show that cultivated land has always been the main land use type in Shangqiu City. The land area in 2000 and 2015 were 8 564.84 km2 and 7 961.96 km2， accounting for 80.26% and 74.37% of the total area of Shangqiu City; in the past 15 years， the cultivated land area of Shangqiu City has decreased by 602.88 km2， of which 528.37 km2 cultivated land converted into construction land. At the same time， the area of construction land increased by 697.57 km2， accounting for 37.57% of the total land area in 2000. The spatial range of land use change in Shangqiu City is large， especially around the main urban area of Shangqiu City and the northwest area of Shangqiu City. The newly increased construction land spreads around the existing construction land.

Key Words： GIS; Land use change; Spatial and temporal changes;Spatial analysis

土地利用/覆被變化（LUCC）是導(dǎo)致全球變化的重要原因，是短期內(nèi)人類對(duì)自然環(huán)境施加影響帶來(lái)地球中尺度變化的最顯著表現(xiàn)形式，是全面探討人地關(guān)系地域系統(tǒng)的重要切入點(diǎn)[1-2]。土地利用/覆被變化（LUCC）不僅影響全球氣候波動(dòng)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與功能變化、生物地球化學(xué)循環(huán)演變等，還影響著區(qū)域資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是全球變化研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)之一[3-7]。

商丘地處華北平原，土地肥沃，是全國(guó)重要的商品糧基地、農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)基地和國(guó)家糧食生產(chǎn)核心示范區(qū)。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加速，商丘市建設(shè)用地規(guī)模迅速擴(kuò)張，伴隨著出現(xiàn)了土壤污染、水污染、大氣污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，使農(nóng)產(chǎn)品安全受到嚴(yán)重威脅，故商丘地區(qū)的土地合理利用應(yīng)得到高度關(guān)注[8]。該文以商丘市作為研究區(qū)，在GIS技術(shù)的支持下，通過(guò)構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度模型，對(duì)商丘地區(qū)2區(qū)1市6縣15年來(lái)的土地利用和覆蓋變化情況進(jìn)行研究，以期為商丘市今后的土地利用合理規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1? 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

商丘市處于華北平原的中心地帶，位于河南省最東部，介于東經(jīng)114°49'～116°39'，北緯33°43'～34°52'之間，為豫魯蘇皖四省的結(jié)合部。商丘市屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.6 ℃，年平均降水量711.9 mm，無(wú)霜期約211天。商丘市下轄梁園區(qū)、睢陽(yáng)區(qū)、夏邑縣、虞城縣、柘城縣、寧陵縣、睢縣、民權(quán)縣以及1個(gè)省直管縣級(jí)市永城（見(jiàn)圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

該文的數(shù)據(jù)源有：（1）商丘市土地利用矢量數(shù)據(jù)（2000年和2015 年）;（2）國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1∶400萬(wàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù);（3）社會(huì)與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)（來(lái)自《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》）[9]。

結(jié)合CAS土地利用分類系統(tǒng)和商丘市土地利用實(shí)際情況，將商丘市土地利用類型劃分為4類：耕地、林地、水域、建設(shè)用地。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度可以用來(lái)描述一段時(shí)間內(nèi)某種土地利用類型的變化速度，它通過(guò)對(duì)比土地利用變化的區(qū)域差異來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)[10-11]。其表達(dá)式為：

式中，M為一定時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度;U1和 U2表示初期和末期這種土地利用類型的面積;N 為研究時(shí)段。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可得到區(qū)域土地利用類型變化的方向、特征與結(jié)構(gòu)[12]。其數(shù)學(xué)形式為：

（2）

式中，n為地類的數(shù)量;S為地類的面積，i、j分別為研究初、期末地類。

2? 商丘土地利用時(shí)空變化特征分析

2.1 土地利用數(shù)量變化

將原始數(shù)據(jù)基于一級(jí)地類進(jìn)行融合、統(tǒng)計(jì)，得到商丘市2000年與2015年的土地利用數(shù)據(jù)（具體見(jiàn)表1、圖2）。

由圖2和表1可知，15年來(lái)，商丘市的土地利用特征非常明顯，耕地一直是商丘市最主要的土地利用類型，2000年為8 564.84 km2，占比80.26%;2015年為7 961.96 km2，占比74.37%;與此同時(shí)，耕地這15年來(lái)用地面積變化也極大，減少面積高達(dá)602.88 km2。其次是建設(shè)用地，而建設(shè)用地的面積則快速增加，增加面積697.57 km2，占2000年建設(shè)用地總面積的37.57%。林地主要分布在商丘市西北地區(qū)，是2000以來(lái)用地變化幅度最大的，面積數(shù)量上減少61.8 km2，變化率達(dá)41.20%。水域的變化相對(duì)較小，面積增加僅為1.34 km2。從變化量來(lái)看，建設(shè)用地和耕地最大，具體表現(xiàn)為耕地大幅度減少與建設(shè)用地的快速增加，兩者的消長(zhǎng)成為研究區(qū)土地利用變化的最大特征。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

基于GIS軟件對(duì)商丘市2000年與2015年的土地利用結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到近15年來(lái)商丘土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣（見(jiàn)表2）。

根據(jù)表2可知，2000年以來(lái)，建設(shè)用地面積的快速增長(zhǎng)，增加的面積主要來(lái)源于耕地，轉(zhuǎn)化面積高達(dá)528.37 km2，占2015年建設(shè)用地總面積的20.69%。耕地面積減少量最大，減少的耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，少部分轉(zhuǎn)為林地與水域，可見(jiàn)近年來(lái)，退耕還林、退耕還草、荒山植被恢復(fù)的措施已產(chǎn)生一定效果，但同時(shí)城市化的快速擴(kuò)張，又占領(lǐng)了大量農(nóng)用地。林地變化幅度最大，高達(dá)54.50%的面積被開發(fā)為耕地，19.55%被占用為建設(shè)用地，使得用地面積本就比較少的林地更加稀少。水域總面積變化不大，還略有增加，這是因?yàn)榻陙?lái)的環(huán)境治理，相關(guān)部門對(duì)水域重新進(jìn)行規(guī)劃，從而使商丘區(qū)域的水體面積有所增加[13]。

2.3 土地利用動(dòng)態(tài)度

通過(guò)計(jì)算，得到商丘市2000以來(lái)的土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)（見(jiàn)表3），由表3可知，15年來(lái)，林地和建設(shè)用地的變化度非常大，林地以每年2.75%的速度急速減少，而建設(shè)用地則每年以2.50%的幅度快速增長(zhǎng)。耕地變化幅度相對(duì)較小，為-0.47%。由此可見(jiàn)，商丘市近年來(lái)土地利用并不合理。生態(tài)用地面積快速減少，這將對(duì)商丘市今后的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)極大的負(fù)面作用。由此可見(jiàn)，科學(xué)合理地規(guī)劃土地利用已迫在眉睫。

2.4 土地利用空間變化特征

基于GIS軟件做疊加分析，得到商丘市15年來(lái)的土地利用變化空間圖與土地利用轉(zhuǎn)移圖（見(jiàn)圖3）。

由圖3可以看出，研究區(qū)建設(shè)用地面積大量增加，西北部、中部地區(qū)的擴(kuò)長(zhǎng)尤其明顯。2000—2015年來(lái)，新增的建設(shè)用地主要圍繞商丘市中部、西北部地區(qū)，并且呈放射狀增加。由此可見(jiàn)，城市化的直接后果就是建設(shè)用地在已有建設(shè)用地的基礎(chǔ)上，圍繞著其邊緣地區(qū)快速擴(kuò)張，并且新增的建設(shè)用地主要來(lái)源于耕地。

3? 結(jié)論

該文基于GIS軟件，通過(guò)構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度模型，對(duì)商丘市2000年、2015年兩期的土地利用情況進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

（1）耕地一直是商丘市最主要的土地利用類型，其中2000年與2015年面積分別為8 564.84 km2、7 961.96 km2，占比為80.26%、74.37%。15年來(lái)，商丘市的耕地面積減少了602.88 km2，占2000年耕地總面積的7.04%，而其中有528.37 km2的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

（2）建設(shè)用地的用地面積變化量最大，由2000年用地面積1 856.49 km2到2015年的2 554.06 km2，15年來(lái)土地利用面積增加697.57 km2，其增長(zhǎng)面積占2000年的37.57%，增加的面積主要由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)。

（3）2000年以來(lái)，商丘市總體土地利用變化空間范圍較廣，尤其是商丘市主城區(qū)周圍和商丘西北部地區(qū)，新增建設(shè)用地圍繞著已有建設(shè)用地向外擴(kuò)散。

因此，商丘市在未來(lái)的城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃中，要嚴(yán)格實(shí)行“占一補(bǔ)一”耕地保護(hù)政策的前提下，需更加重視水域、林地等自然資源的保護(hù)，退耕還林、退房還湖，合理優(yōu)化調(diào)整土地利用格局，保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)—社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

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