明光市土地利用動(dòng)態(tài)變化分析及預(yù)測(cè)*

白義輝，郭忠臣，吳勝輝，王 勤，張慧妮，付 偉

(宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，234000，安徽省宿州市)

0 引 言

土地利用動(dòng)態(tài)變化規(guī)律可以間接反映出某一地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，通過(guò)研究這些規(guī)律可為調(diào)整城市用地布局，完善城市土地利用格局，緩解土地供不應(yīng)求的矛盾、提高土地利用效率等具體的做法與行為提供一定的科學(xué)依據(jù)與理論基礎(chǔ)[1-2].20世紀(jì)90年代，國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)與全球變化人文計(jì)劃(IHDP)合作共同提出了“土地利用/土地覆被變化(LUCC)”研究計(jì)劃[3-5]，之后，與土地利用相關(guān)的一系列問(wèn)題受到人們的廣泛重視.目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于土地利用/土地覆被變化這方面的研究起步較晚，自從20世紀(jì)末在中國(guó)開(kāi)展土地學(xué)會(huì)之后，不少學(xué)者對(duì)土地利用的動(dòng)態(tài)變化以及如何持續(xù)利用進(jìn)行了研究，但研究中對(duì)影響土地利用變化的主觀(guān)因素概述不充分[6-9].因此，本文以明光市作為研究區(qū)，對(duì)影響土地利用動(dòng)態(tài)變化的各個(gè)因素進(jìn)行了充分的探索.

明光市作為安徽省近20年來(lái)發(fā)展速度最快的縣級(jí)市之一，其GDP增長(zhǎng)幅度、人口流動(dòng)、各類(lèi)土地利用類(lèi)型間的變化程度以及土地類(lèi)型受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響程度都是巨大的.對(duì)明光市1998～2018年的影像進(jìn)行分析，可明顯發(fā)現(xiàn)各類(lèi)土地用地的面積變化，為了對(duì)各類(lèi)土地的變化情況進(jìn)行量化，以及為該市后續(xù)土地利用情況提供建議，本文將從不同角度對(duì)該市的土地利用變化情況進(jìn)行研究.本文選取明光市1998年4月TM影像、2003年4月TM影像、2008年4月TM影像、2013年4月Landsat8影像和2018年4月Landsat8遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用監(jiān)督分類(lèi)得到其1998年、2003年、2008年、2013年和2018年的土地利用現(xiàn)狀圖，結(jié)合不同時(shí)間段各類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)分析明光市土地利用特點(diǎn)及各地類(lèi)之間的轉(zhuǎn)變幅度，總結(jié)出影響土地利用變化的各種因素，最后對(duì)其2023年的土地利用狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便為明光市各土地利用類(lèi)型間的協(xié)調(diào)發(fā)展提出更加科學(xué)有效的解決方案.

1 研究區(qū)概況

明光市位于安徽省東部，為滁州市所轄，全市東西最大寬度68.1 km，南北最大長(zhǎng)度87.6 km，總面積2350.33 km2.地理位置位于東經(jīng)117°49′，118°25′和北緯32°26′，33°13′之間，境內(nèi)南部為低山區(qū)，占總面積的35.4%，中部為丘陵，占總面積的49.4%，北部為平原占9.8%，淮河南側(cè)為廣闊的河谷平原占總面積的5.4%，近20年來(lái)的年平均氣溫17 ℃左右，平均降雨量949.9 mm左右.

圖1 明光市地理位置

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)提供的明光市1998～2018年共5期的TM和Landsat8遙感影像(云量<1%)，通過(guò)ENVI5.3對(duì)5期影像進(jìn)行邊界矢量裁剪、輻射定標(biāo)、大氣校正與監(jiān)督分類(lèi)處理，結(jié)合明光市的土地利用情況并依據(jù)2017年修訂的《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》，將其土地利用情況按照表1進(jìn)行分類(lèi)處理.

表1 明光市土地利用分類(lèi)體系

2.2 研究方法

通過(guò)對(duì)比各種監(jiān)督分類(lèi)方法的精度，本文采用精度值為93.45%的最大似然法對(duì)明光市1998～2018年共5期的影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，圖2給出了各期土地利用分類(lèi)圖，依據(jù)分類(lèi)結(jié)果即可對(duì)明光市20年的土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析以及對(duì)其2023年各類(lèi)土地的面積進(jìn)行預(yù)測(cè).

圖2 1998～2008年明光市土地利用分類(lèi)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 明光市土地利用變化幅度

圖3給出了明光市1998～2018年各類(lèi)土地的占地面積，表2和表3給出了各類(lèi)土地的面積占比及其變化幅度，通過(guò)分析可知：(1)明光市的建筑用地面積在逐年增加，由1998年的197.316 km2增加到2018年的236.295 km2，面積占比從1998年的8.34%增加到2018年的9.99%.這是由于近20年間，明光市把握時(shí)機(jī)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化水平提高，中心城區(qū)及工業(yè)用地需求增加，各類(lèi)園區(qū)發(fā)展迅速，大部分農(nóng)村住房集中區(qū)變?yōu)槌青l(xiāng)集合區(qū)，零散的農(nóng)村宅基地建設(shè)成人口集中的城鎮(zhèn)小區(qū).同時(shí)政府頒發(fā)各項(xiàng)富民政策，大量外來(lái)企業(yè)投資各級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目等這都導(dǎo)致明光市的建筑用地面積逐年增加；(2)明光市是安徽省東部的耕地資源大縣，人口的主要收入來(lái)源是依靠耕地收入，從1998年到2018年，由于耕地占補(bǔ)平衡、退耕還林等政策，使得明光市的耕地面積波動(dòng)幅度不大；(3)林地的面積增加幅度相對(duì)較大，面積從1998年的268.457 km2增加到2018年的393.438 km2，面積增幅達(dá)46.55%；(4)水體的面積有所增加，從1998年的177.449 km2增加到2018年的193.138 km2，增幅達(dá)8.84%，氣候環(huán)境的變化致使降水量增加，從而使淮河的水資源量有所增加，作為耕地灌溉的水源地之一，政府十分重視對(duì)該水資源的保護(hù)，嚴(yán)禁過(guò)度開(kāi)采地下水；(5)明光市其他用地的面積減少幅度較大，從1998年的1042.813 km2減少為2018年的880.581 km2，一方面由于中心城區(qū)的擴(kuò)張占用了部分其他用地，另一方面因?yàn)槠渌玫刂姓即竺娣e的裸地通過(guò)土地整改后轉(zhuǎn)變成了林地和耕地.

圖3 明光市1998～2018年各類(lèi)土地面積

表2 明光市1998～2018年各類(lèi)土地面積占比

表3 明光市1998～2018年各類(lèi)土地面積變化

3.2 土地利用變化速度

土地利用變化速度可以通過(guò)土地利用動(dòng)態(tài)度體現(xiàn)出來(lái)，一個(gè)區(qū)域內(nèi)土地利用類(lèi)型的變化程度快慢分別用土地利用單一動(dòng)態(tài)度(Y)和土地利用綜合動(dòng)態(tài)度(MY)表示，土地利用動(dòng)態(tài)度的計(jì)算公式如下[10]：

(1)

(2)

式中,Ua和Ub分別表示某種用地在研究開(kāi)始和研究結(jié)束的面積大??；MUi表示第i類(lèi)用地類(lèi)型的面積；ΔMUi-j表示第i類(lèi)用地類(lèi)型在固定時(shí)間內(nèi)面積變化量的絕對(duì)值；n表示研究區(qū)內(nèi)土地類(lèi)型的種類(lèi)數(shù)量；T表示研究時(shí)長(zhǎng)，本文將T設(shè)為5年，由上述公式，可得明光市1998～2018年土地利用動(dòng)態(tài)度(表4).

表4 明光市1998～2018年土地利用動(dòng)態(tài)度

(1)1998～2018年明光市建筑用單一地動(dòng)態(tài)度逐年正向波動(dòng)，說(shuō)明這一時(shí)期明光市的經(jīng)濟(jì)得到飛速發(fā)展，建筑用地面積持續(xù)增長(zhǎng)，在2008～2013年期間面積增長(zhǎng)速率達(dá)到頂峰；(2)1998～2003、2003～2008年明光市耕地單一動(dòng)態(tài)度分別為-0.72%和-0.34%，2008～2013、2013～2018年分別為0.48%和0.08%，伴隨著明光市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中心城區(qū)的擴(kuò)張占用了部分耕地，但由于部分其他用地開(kāi)墾為水田導(dǎo)致明光市的耕地處于占補(bǔ)平衡狀態(tài)；(3)水體動(dòng)態(tài)度變化不大，受氣候和人為的影響，明光市的水體面積從1998～2018年增長(zhǎng)迅速，但面積變化速率逐漸趨向平衡；(4)林地動(dòng)態(tài)度變化幅度最大，但面積增長(zhǎng)速率逐年減少，一方面由于國(guó)家積極推行退耕還林等政策，使得林地面積在這期間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，另一方面，由于明光市中心城區(qū)發(fā)展迅速，占用了小部分林地面積，使林地面積增加速率減少；(5)明光市其他用地單一動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)逐年負(fù)向變化狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致其他土地類(lèi)型不可避免地占用其他用地，但隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率趨于穩(wěn)定，其他用地的面積變化速率也趨向平衡.

3.3 土地利用多樣性指數(shù)

土地利用多樣性指數(shù)可以反映出一個(gè)地區(qū)在一段時(shí)間內(nèi)土地利用的復(fù)雜程度，即該地區(qū)的土地利用類(lèi)型數(shù)量大小[11]，其計(jì)算公式為：

(3)

式中，H表示土地利用類(lèi)型多樣性指數(shù)，H越大，表明該區(qū)域的土地利用類(lèi)型越多，結(jié)構(gòu)種類(lèi)越復(fù)雜；m表示研究區(qū)內(nèi)的土地類(lèi)型的種類(lèi)；Pi表示第i類(lèi)用地類(lèi)型占研究區(qū)總面積的比例.

表5給出了明光市1998～2018年的土地利用多樣性指數(shù)，可以看出，明光市的土地利用多樣性呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，由1998年的1.37增加到2018年的1.46，這是由于明光市城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植大量不同種類(lèi)的綠化以及第一產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)土地種類(lèi)變得復(fù)雜.

表5 明光市1998～2018年土地利用多樣性指數(shù)

3.4 景觀(guān)偏離度指數(shù)

人類(lèi)的活動(dòng)對(duì)區(qū)域內(nèi)的自然環(huán)境變化具有較大影響，具體影響程度可用景觀(guān)偏離度指數(shù)體現(xiàn)出來(lái)[12].一般將研究區(qū)內(nèi)受人類(lèi)活動(dòng)影響較大的土地利用類(lèi)型的面積之和占全域面積的百分比作為該區(qū)域的景觀(guān)偏離度.本研究選取耕地，林地，建筑用地這三項(xiàng)土地利用類(lèi)型作為明光市的景觀(guān)地類(lèi)，景觀(guān)偏離度的值越大，表示土地利用動(dòng)態(tài)變化受人類(lèi)活動(dòng)的影響越大，人類(lèi)改造自然的能力越強(qiáng)，同理，景觀(guān)偏離度越小，表示人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的影響越小.

通過(guò)計(jì)算我們可以得到明光市1998、2003、2008、2013、2018年景觀(guān)偏離度指數(shù)分別為：48.43%、49.79%、52.23%、53.98%、54.61%,由此可見(jiàn)，雖然明光市其他用地面積占研究區(qū)總面積較大比例，但景觀(guān)偏離度指數(shù)一直在增加，說(shuō)明明光市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境的影響在增大.

3.5 影響土地利用動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力因素

3.5.1 自然因素

近年來(lái)，由于全球氣候的改變，土地利用類(lèi)型間的相互變化受到了較大的影響.表6依據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)對(duì)明光市1998～2018年的年平均溫度和年平均降水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[13].

表6 明光市1998～2018年平均溫度與年平均降水量

可以看出，1998～2018年明光市的年平均氣溫略微下降，而年平均降水量有明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)，氣溫和降水的變化導(dǎo)致了研究區(qū)土地利用類(lèi)型發(fā)生變化.溫度下降導(dǎo)致研究區(qū)的水體蒸發(fā)變慢，明光市的水體面積有所增加；降水量增加導(dǎo)致明光市的耕地使用河水量減少，耕地對(duì)河流灌溉的依賴(lài)性降低，使得耕地面積增加.

3.5.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素

主成分分析即將具有一定相關(guān)性的指標(biāo)，通過(guò)重新特殊的組合，轉(zhuǎn)換成一組互相獨(dú)立無(wú)關(guān)的新指標(biāo)[14]，根據(jù)滁州市統(tǒng)計(jì)年鑒[15]，可以得到1998～2018年間明光市生產(chǎn)總值、人均GDP、人口等相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).本研究選取了對(duì)土地利用變化影響較大的10個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在SPSS軟件中通過(guò)主成分分析法得到特征值大于1的兩個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為99.09%，其中主成分荷載矩陣如表7.表中A、B、C、D、E、F、G、H、I、J分別表示生產(chǎn)總值、人均GDP、第一生產(chǎn)總值、第二生產(chǎn)總值、第三生產(chǎn)總值、人口總量、固定資產(chǎn)投資總額、人均社會(huì)消費(fèi)品零售總額、單位面積人口、單位面積生產(chǎn)總值.

表7 明光市主成分荷載矩陣

由表7可知，主成分1與生產(chǎn)總值、人均GDP、第一生產(chǎn)總值、第二生產(chǎn)總值、第三生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資總額、人均社會(huì)消費(fèi)品零售總額、單位面積生產(chǎn)總值等經(jīng)濟(jì)因素呈正相關(guān)性，且因子荷載均在0.9以上，這反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)明光市的土地利用動(dòng)態(tài)變化有較大影響，其中第一生產(chǎn)總值影響最大；主成分2與人口總量、單位面積人口等人口因素呈正相關(guān)性，因子荷載大于0.7，說(shuō)明人口變化對(duì)明光市土地利用動(dòng)態(tài)變化也具有一定影響，但影響程度沒(méi)有社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響程度大.

3.6 土地利用動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3.6.1 CA-Markov模型

土地利用類(lèi)型變化是一種動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化，這種變化通常具有一定的規(guī)律性，可以運(yùn)用模型具體表達(dá)出來(lái)[16-18].由明光市歷年的土地利用變化特點(diǎn)可知運(yùn)用CA-Markov模型預(yù)測(cè)其土地利用數(shù)據(jù)最為合適.

馬爾科模型是一種統(tǒng)計(jì)模型，它表明一個(gè)系統(tǒng)由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)至另一種狀態(tài)時(shí)存在一定的轉(zhuǎn)移概率，這個(gè)概率可以通過(guò)該系統(tǒng)之前的狀態(tài)推算出來(lái)[19].土地利用變化的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可用以下公式表達(dá)出來(lái)：

St+1=Pij×St,

(4)

式中,St、St+1分別為在t時(shí)刻和t+1時(shí)刻的時(shí)間的狀態(tài)；Pij為在某一時(shí)刻事件由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)為另一種狀態(tài)的概率組成的轉(zhuǎn)移矩陣，式中

0≤Pij<1，(i,j=1,2,3…n)[20],

(5)

元胞自動(dòng)機(jī)是一種具有較強(qiáng)的空間運(yùn)算能力的計(jì)算模型，它可以反映出某區(qū)域各類(lèi)土地利用類(lèi)型在時(shí)間、空間上的相互作用關(guān)系[21-23].CA模型公式表達(dá)如下

St+1=f(St,N),

(6)

式中，S表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合；N表示元胞的鄰域；t和t+1表示不同時(shí)刻；f表示部分空間元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則.

3.6.2 約束條件的制定

約束條件運(yùn)用二值法，只有兩決策：允許、禁止[24].本文設(shè)定了3個(gè)約束條件，分別是高程、坡度和坡向.如圖4所示，從左至右約束條件依次為高程、坡度、坡向.

圖4 高程、坡度、坡向約束條件

3.6.3 模型預(yù)測(cè)

首先通過(guò)馬爾科夫模型運(yùn)算土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，得到馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率矩陣(表8)，再以2013年明光市土地利用現(xiàn)狀格局為初始狀態(tài)，其中時(shí)間間隔為5年，應(yīng)用CA-Markov模型對(duì)明光市2023年土地利用類(lèi)型變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，元胞大小為100 m×100 m，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示，對(duì)各類(lèi)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并將其與2018年數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表9.

表8 馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣

圖5 明光市2023年土地利用分類(lèi)圖

表9 明光市2018年和2023年各類(lèi)土地利用面積

由表9可以看出，到2023年，明光市的建筑用地面積有所增加，由2018年的236.295 km2增加到2023年的241.158 km2，面積增幅為2.06%，其中主要是中心城區(qū)的建設(shè)范圍向外擴(kuò)張，但擴(kuò)張速率沒(méi)有之前的年份快；林地、水體面積較2018年相比呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中林地面積的增長(zhǎng)幅度仍是5種地類(lèi)中變化最大的；其他用地面積和之前年份一樣，依舊為減少狀態(tài)，面積從2018年的880.581 km2，減少為2023年的872.159 km2，面積增幅為-0.96%；耕地面積同其他用地面積一樣也呈現(xiàn)減少趨勢(shì).總體來(lái)看，明光市2023年的土地利用動(dòng)態(tài)變化符合動(dòng)態(tài)平衡的特征.

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)明光市土地利用動(dòng)態(tài)變化的一系列影響因素進(jìn)行分析比較，得出以下結(jié)論：

(1)在1998～2018年間，明光市的各土地類(lèi)型間發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，由于中心城區(qū)的快速發(fā)展，建筑物群逐漸集中，建筑用地面積逐年增長(zhǎng)，增幅達(dá)19.64%，林地面積變化最大，增幅達(dá)46.48%，耕地面積有增有減，但總體維持著占補(bǔ)平衡原則；研究期間，受降雨量影響以及政府對(duì)水資源的積極保護(hù)，明光市水體面積不斷擴(kuò)大，水體環(huán)境逐漸變好；在1998～2018年期間，明光市縣區(qū)內(nèi)大面積裸地被重新開(kāi)墾，轉(zhuǎn)化為林地與水體，導(dǎo)致其他用地面積減少.

(2)明光市的土地利用類(lèi)型趨于多樣化，景觀(guān)偏離度指數(shù)也逐年增大，由此可見(jiàn)，土地利用類(lèi)型發(fā)生轉(zhuǎn)變與人類(lèi)的活動(dòng)緊緊關(guān)聯(lián).因此，土地資源的合理化分布可以通過(guò)人為來(lái)改變.

(3)由主成分分析法可知，明光市土地利用類(lèi)型變化主要受到生產(chǎn)總值、人均GDP、第一生產(chǎn)總值、第二生產(chǎn)總值、第三生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資總額、人口總量、人均社會(huì)消費(fèi)品零售總額、單位面積人口、單位面積GDP等因素的影響，其中人口總量與單位面積人口的影響程度較小.由此可知城市的發(fā)展總是圍繞經(jīng)濟(jì)建設(shè)展開(kāi)，但也離不開(kāi)人口的流動(dòng).

(4)由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，到2023年明光市的其他用地類(lèi)型依然占據(jù)著大面積土地，其中包括大量未開(kāi)墾的裸地，因此，政府應(yīng)當(dāng)推行更加利民的政策，鼓勵(lì)農(nóng)民植樹(shù)造林，引進(jìn)更多的外來(lái)企業(yè)建工造廠(chǎng)，提高明光市的土地利用效率.