基于RS和GIS的鄭州市土地利用類型變化及其驅(qū)動力分析

馬瀟菲

摘 要：選取鄭州市為研究對象，對其2013—2017年土地利用類型時空變化及其影響因素進(jìn)行探究和分析。以鄭州市為研究區(qū)，獲取2013、2015、2017年研究區(qū)的Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，借助ERDAS軟件進(jìn)行遙感圖像的解譯，得到研究區(qū)3個時段的土地利用分布圖。結(jié)合ArcGIS建立空間數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行空間分析，得到研究區(qū)的土地利用變化情況，利用面積轉(zhuǎn)移矩陣的方法，分析該區(qū)域2013—2017年土地利用變化特征及驅(qū)動機(jī)制。研究結(jié)果表明：空間格局上，林地變化最多，并且大部分林地轉(zhuǎn)化為建筑用地、耕地、湖泊、河渠、其他用地面積基本保持穩(wěn)定。通過驅(qū)動機(jī)制分析，發(fā)現(xiàn)政治因素和經(jīng)濟(jì)因素是該地區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動因素。研究成果可為該區(qū)土地利用可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土地利用變化;面積轉(zhuǎn)移矩陣;驅(qū)動機(jī)制;遙感;GIS

中圖分類號：TP751 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0109-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.026

Land Use Type Change and Its Driving Force Analysis Based on RS and GIS in Zhengzhou

MA Xiaofei

（School of Earth Sciences and Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Taking Zhengzhou City as the research object， this paper explores and analyzes the spatial and temporal changes of land use types and its influencing factors from 2013 to 2017.Taking Zhengzhou City as the research area， the Landsat-8 remote sensing image data of 2013，2015 and 2017 in the research area were obtained as the basic data source.The remote sensing images were interpreted by ERDAS software， and the land use distribution maps of three periods in the study area were obtained.Combined with ArcGIS， the spatial database was established and the spatial analysis was conducted to obtain the land use change in the study area.Using the method of area transfer matrix， the characteristics and driving mechanism of land use change in this region during 2013—2017 were analyzed.The results show that：In terms of spatial pattern， the forest land changed the most， and most of the forest land was converted into building land， cultivated land， lakes， river channels， and other land areas remained basically stable.Through the analysis of driving mechanism， it is found that political and economic factors are the main driving factors of land use change in this region.The research results can provide scientific basis for the sustainable development of land use in this area.

Key words：land use change;area transfer matrix;driving mechanism;remote sensing;GIS

0 引言

人類社會的生存發(fā)展始終離不開土地，土地資源是人類寶貴的物質(zhì)財富，它為人類的生產(chǎn)、生活提供了最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。土地利用變化是人類活動最直觀的表現(xiàn)，受自然因素和人文因素的影響，自然因素對土地利用變化有一定的控制作用，而經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)和政策等各種人文因素則在一定程度上起決定性作用[1]。土地利用變化信息是土地利用/覆蓋變化研究的一個重要研究方向，已成為研究的熱點(diǎn)問題，土地利用的變化信息對于土地利用變化研究有著重要的意義[2]。

目前，收集土地變化的信息，大多采用土地變化監(jiān)測方法。傳統(tǒng)的土地變化監(jiān)測方法需要消耗大量的人力、物力、財力，并且需要很長時間才能完成，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足信息化時代對快速變化的土地利用進(jìn)行有效統(tǒng)計與分析的要求[3]。國內(nèi)學(xué)者大多利用遙感技術(shù)（Remote Sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Informations System，GIS），以其快速、精準(zhǔn)、周期短、覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)為土地利用/覆蓋動態(tài)變化研究提供有效手段。郎坤和趙庚星[4]在2019年為了分析黃河三角洲的土地利用變化情況，分析了其近10年的遙感圖像，并選取2005年、2009年和2015年三年的TM遙感圖像為主要數(shù)據(jù)源，使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行分類來獲得各個時期的土地利用變化情況，并通過面積轉(zhuǎn)移矩陣和各種量化指標(biāo)來對各類土地類型進(jìn)行動態(tài)的分析。薛貝和楊梅煥[5]以1990年到2010年的貴陽市遙感影像圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，使用面積轉(zhuǎn)移矩陣，土地利用動態(tài)度和土地利用程度等評價方法，分析了貴陽市在1990至2010年的土地利用變化情況。焦繼宗、楊露和杜婷[6]以1986—2015年的西北農(nóng)牧交錯帶地區(qū)的遙感影像圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS軟件，進(jìn)行空間分析，利用相關(guān)性分析和數(shù)理統(tǒng)計的方法，來研究研究區(qū)域的土地利用變化情況。

根據(jù)土地利用變化數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，開展以鄭州市為研究區(qū)域，分析鄭州市土地利用變化情況，探討影響鄭州市土地利用變化的驅(qū)動因子，為政府合理規(guī)劃鄭州市空間布局提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

鄭州，古稱商都，是河南省省會，是全國重要的鐵路、電力、航空、郵政主樞紐城市，是國家中部地區(qū)重要的中心城市，位于中國華北平原南部，黃河下游，居河南省中部偏北，東臨開封，西接洛陽，北依黃河，南與平頂山、許昌接壤。介于東經(jīng)112°42′—114°14′，北緯34°16′—34°58′，管轄6個市轄區(qū)、5個縣級市和1個縣。截至2019年，鄭州市總面積為7 446 km，市區(qū)面積為1 009 km，中心城區(qū)建成區(qū)面積為550.33 km，市域城市建成區(qū)面積為830.97 km，城鎮(zhèn)化率為73.2%。研究區(qū)區(qū)域圖如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)選擇3期空間分辨率為30 m的Landsat-8數(shù)據(jù)（表1），來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）。為保證研究區(qū)結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)地考察研究區(qū)地表四季變化情況，同時結(jié)合影像云量等因素，確定遙感影像選取的時間段以4—6月為宜，并且遙感影像的拍攝月份日期盡量相近。綜合以上因素，本文選取的遙感影像拍攝日期分別為2013年6月4日、2015年4月23日、2017年4月28日。

2 研究方法

2.1 遙感影像解譯

根據(jù)野外調(diào)查及遙感數(shù)據(jù)精度的限制，將研究區(qū)土地類型劃分為水域、林地、耕地、城市用地、湖泊及其他用地6種類型。由于遙感影像精度的限制，在影像上的各土地利用類型間的邊界較為模糊，只采用監(jiān)督分類或非監(jiān)督分類的計算機(jī)分類方法難以取得較好的分類結(jié)果。因此，采用計算機(jī)分類和目視解譯相結(jié)合的方法[7-14]。首先通過波段合成、幾何精糾正、大氣校正、直方圖匹配對遙感影像圖進(jìn)行圖像預(yù)處理，然后建立各種土地利用類型的解譯標(biāo)志（表2），對不同時間段的遙感影像圖進(jìn)行計算機(jī)分類和目視解譯。解譯完成之后，對結(jié)果進(jìn)行精度評估。精度評估通常是將分類過后的圖層和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，然后用正確的百分比來表示分類精度[15-16]。在實(shí)際的操作當(dāng)中，因?yàn)檫b感圖像太大，無法整幅圖像去比對，因此經(jīng)常采用抽樣的方式用部分像素代替整幅圖像進(jìn)行精度評估。目前，經(jīng)常采用混淆矩陣的方法，并通過Kappa系數(shù)來評價整幅圖的精度。在本研究中，三期的Kappa分別是82%、79%、85%，均達(dá)到精度要求。最后對結(jié)果進(jìn)行野外驗(yàn)證，用驗(yàn)證結(jié)果對解譯結(jié)果進(jìn)行完善。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在自然因素和人為因素的影響下，研究區(qū)內(nèi)的各種土地利用類型的數(shù)量是在不斷發(fā)生變化的，并且變化的速度是不同的。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是根據(jù)同一地區(qū)不同時相的土地覆蓋現(xiàn)狀的變化關(guān)系得出的一個二維矩陣。借助ArcGIS技術(shù)制作兩期研究區(qū)的土地利用分類圖，通過疊加分析可以計算生成土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。通過對土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的分析，可以得出兩個時相間不同土地利用類型的轉(zhuǎn)化情況。它不僅能夠反映某一時間點(diǎn)的各類地類的面積，還包含了各地類轉(zhuǎn)出和各地類轉(zhuǎn)入信息，可以更好地表述土地利用時空變化過程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（1）。

式中：S為研究期內(nèi)i種土地向j種轉(zhuǎn)化的面積矩陣;n為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型數(shù)量;i、j分別為研究中不同時期的土地利用類型。

3 土地利用變化分析

3.1 土地利用類型的數(shù)量變化

通過對2013、2015、2017年三年的鄭州市遙感影像圖的分類，可以看出鄭州市土地利用類型在數(shù)量上的階段性變化特征，如表3所示。

根據(jù)這三期遙感影像圖分類的結(jié)果，可以得出每一階段鄭州市的遙感影像圖的土地利用類別所占的比例，如圖2所示。

由圖2可以看出呈現(xiàn)面積增長的是城鎮(zhèn)、其他用地，面積基本維持不變的是河渠、湖泊、耕地，面積減少最多的是林地。

3.1.1 城鎮(zhèn)面積增加。城鎮(zhèn)用地的變化是這三期遙感影像圖分類中變化最明顯的土地利用分類，也是唯一一個增長幅度較大的土地類型。2013、2015、2017年城鎮(zhèn)面積分別為719.811 km、1 765.61 km、1 880.17 km，分別占鄭州市總面積的10%、24%、25%，5年的時間里，城鎮(zhèn)的面積增加了1 160.359 km，這些變化與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市的擴(kuò)張緊密相連。

3.1.2 林地面積減少。2013、2015、2017年三年的林地面積分別為2 579.81 km、1 377.68 km、1 032.32 km，分別占鄭州市總面積的34%、18%、14%，總量上減少了1 547.49 km。由于城市的迅速擴(kuò)張，各種類型的土地用地相繼擴(kuò)張，使得林地面積大范圍減少。

3.1.3 耕地、湖泊、河渠、其他用地面積基本保持穩(wěn)定。2013、2015、2017年三年的耕地面積分別為3 764.73 km、3 710.53 km、3 987.45 km，分別占鄭州市總面積的50%、49%、53%，總面積增加276.92 km。湖泊面積分別為2.983 81 km、3.062 3 km、5.545 42 km，其總量增加為2.561 61 km。河渠的面積分別為73.051 8 km、76.102 6 km、44.546 km，其總量減少31.556 6 km。其他用地面積為377.341 km、584.594 km、572.27 km，分別占總面積的5%、8%、8%，面積總量增加207.253 km。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

對鄭州市進(jìn)行土地利用情況分析，需要考慮不同時間階段的土地利用圖層在空間上的差異性，比如說，耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地的空間變化。該變化過程是表現(xiàn)在各個時期圖層之間的不同類型的圖形差異，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地的空間范圍將在轉(zhuǎn)變前后發(fā)生變化，通過對空間范圍變化的分析，從而確定土地利用情況，2013—2017年鄭州市的面積轉(zhuǎn)移矩陣如表4所示。

3.2.1 城鎮(zhèn)。根據(jù)表4可以看出：2013年城鎮(zhèn)固有面積為719.1 km，至2015年增加到1 763.9 km。據(jù)圖3所示，2015—2017年城鎮(zhèn)面積增加到1 878.6 km。其空間分布如圖3所示?？梢钥闯?，2013—2015年城鎮(zhèn)的未變化區(qū)集中在鄭州市區(qū)，土地類型轉(zhuǎn)換到城鎮(zhèn)類型的地區(qū)大部分集中在鄭州市區(qū)周圍以及市轄的各個地級市市中心，城鎮(zhèn)土地類型轉(zhuǎn)移出去的地方集中在中牟縣，主要原因是鄭州市人口數(shù)量激增以及中牟縣發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)的政策導(dǎo)引作用。2015—2017年，城鎮(zhèn)未變化的區(qū)域大部分在鄭州市區(qū)以及各個地級市市中心，新增的城鎮(zhèn)面積大部分分布在各個地級市市區(qū)周邊，城鎮(zhèn)面積轉(zhuǎn)移出去的地方還是分布在中牟縣內(nèi)?？梢钥闯鲟嵵菔谐擎?zhèn)化的腳步有所放緩，各個地級市正在加強(qiáng)城鎮(zhèn)化地建設(shè)，中牟縣堅(jiān)定不移地發(fā)展本地的旅游產(chǎn)業(yè)。

3.2.2 耕地。根據(jù)表4，2013年耕地固有面積為3 761.3 km，2015年耕地面積增加到3 707 km。2015—2017年耕地面積增加到3 983.6 km2。

3.2.3 河渠。根據(jù)表4，2013年河渠固有面積為72.9 km，2015年增加到76 km。2015—2017年河渠面積減小到44.4 km。

3.2.4 湖泊。根據(jù)表4，2013年湖泊固有面積為2.9 km，2015年增加到3.06 km。2015—2017年湖泊面積增加到5.5 km。

3.2.5 林地。根據(jù)表4和圖4，2013年林地固有面積為2 577.4 km，2015年減少到1 376.7 km。2015—2017年林地面積增加到1 878.6 km。從圖4可以看出，2013—2015年林地的未變化區(qū)域集中在鞏義市、登封市、滎陽市和新密市的交界地帶，轉(zhuǎn)入林地類型的土地大部分集中在黃河沿岸以及林地未變化區(qū)域的周邊，林地轉(zhuǎn)出的區(qū)域集中在新密市內(nèi)。造成這樣結(jié)果的原因是響應(yīng)國家綠色城市的號召以及人們環(huán)境意識的提高。2015—2017年林地未變化區(qū)域未發(fā)生較大的變化，但是轉(zhuǎn)入林地的土地較少，零碎分布在未變化區(qū)域周邊，但轉(zhuǎn)出林地較多，每個地級市內(nèi)都有林地轉(zhuǎn)出，從分布來看，新密市內(nèi)轉(zhuǎn)出較多。造成這種情況的原因是人口的增長，需要更多的城鎮(zhèn)和耕地面積來滿足需求。

3.2.6 其他用地。根據(jù)表4，2013年其他用地固有面積為377 km，2015年其他用地面積增加到584.1 km。2015—2017年，其他用地面積減小到571.8 km。

3.3 土地利用變化驅(qū)動力

3.3.1 人口因素。鄭州市從2013年開始，人口迅速增長，對飲食、旅游、交通、住宿等的需求量大幅上升，加劇了土地利用類型的轉(zhuǎn)化速度。鄭州市統(tǒng)計局的歷年數(shù)據(jù)顯示：2013年，鄭州市總?cè)丝跒?19.1萬人，在市區(qū)內(nèi)的人口為466.3萬人，城鎮(zhèn)化率為67.1%，人口密度為1 234人/km，自然增長率為5.6%，城鎮(zhèn)人口為616.5萬人，自然增長率為3%，鄉(xiāng)村人口302.6萬人，下降0.6%;2015年，總?cè)丝跒?56.9萬人，市區(qū)內(nèi)人口為489.3萬人，城鎮(zhèn)化率為69.7%，人口密度為1 285人/ km，自然增長率為5.8%，城鎮(zhèn)人口為666.9萬人，自然增長率為4.1%，鄉(xiāng)村人口為290為萬人，下降2.4%;2017年，總?cè)丝跒?88.1萬人，市區(qū)內(nèi)人口為506.0萬人，城鎮(zhèn)化率為72.2%，人口密度為1 327人/ km，自然增長率為6.7%，城鎮(zhèn)人口為713.7萬人，增長3.4%，鄉(xiāng)村人口為274.4萬人，下降2.6%。

從這組數(shù)據(jù)可以看出，鄭州市人口每年都在穩(wěn)步增加，增長速度一直呈現(xiàn)正增長，隨之而來的就是城鎮(zhèn)化率的提高，人口密度的增加，對于土地來說，就意味著需要更多的城鎮(zhèn)面積來滿足人們的正常生活需要，這就導(dǎo)致了土地利用類型的迅速轉(zhuǎn)化。

3.3.2 自然因素。鄭州市地處中原，地勢平坦，土地資源十分豐富，從氣候上看，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)，這樣的季風(fēng)氣候帶來了冷暖氣流的頻繁交替，使得鄭州四季分明。春季少雨，風(fēng)多冷暖變化較快;夏季炎熱，降水相對全年來說較多;秋季干爽，時間上太過短暫;冬季干冷，雨雪天氣較少。在水資源方面，位于黃河和淮河自第二階梯流入第一階梯的出水口區(qū)域，水資源豐富?？傮w來看，自然因素對鄭州的土地利用類型的轉(zhuǎn)變影響較少。

3.3.3 政治因素。國家政策對于土地利用類型的轉(zhuǎn)變因素的影響是十分顯著的，它是土地利用類型轉(zhuǎn)變的直接決策因素，通過經(jīng)營制度、價格制度等直接影響土地利用及其結(jié)構(gòu)的形式。河南省委、省政府根據(jù)我國的經(jīng)濟(jì)體制改革的目標(biāo)，建設(shè)河南特色的社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制，利用鄭州市獨(dú)有的交通優(yōu)勢以及資源優(yōu)勢，做出了把鄭州市建設(shè)成為社會主義現(xiàn)代化商貿(mào)城市的決策，大力投資開發(fā)鄭東新區(qū)龍頭建設(shè)項(xiàng)目，一系列的政策使得鄭州市的土地利用類型在2013—2017年發(fā)生了劇烈的變化。

3.3.4 經(jīng)濟(jì)因素。經(jīng)濟(jì)因素是推動土地利用類型變化的主要推動力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的好壞影響著河南省是否有足夠的資金進(jìn)行一系列的建設(shè)，包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市建設(shè)農(nóng)村建設(shè)等。鄭州市統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示：2013年，生產(chǎn)總值為6 201.9億元，比上年增長10%;人均生產(chǎn)總值為68 080元，比上年增長7.9%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值為147億元，增長3.2%;第二產(chǎn)業(yè)增加值為3 470.5億元，增長10.4%;第三產(chǎn)業(yè)增加值為2 584.4億元，增長9.6%。2015年，生產(chǎn)總值為7 315.2億元，比上年增長10.1%;人均生產(chǎn)總值為77 217元，比上年增長7.9%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值為151億元，增長3.0%;第二產(chǎn)業(yè)增加值為3 625.5億元，增長9.4%;第三產(chǎn)業(yè)增加值為3 538.7億元，增長11.4%。2017年，生產(chǎn)總值為9 130.2億元，比上年增長8.2%;人均生產(chǎn)總值為93 143元，比上年增長6.5%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值為158.6億元，增長2.6%;第二產(chǎn)業(yè)增加值為4 247.5億元，增長7.6%;第三產(chǎn)業(yè)增加值為4 724.1億元，增長9.0%。

從三年的經(jīng)濟(jì)情況來看，鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人們生活水平逐年提高，為滿足人們需求，間接導(dǎo)致了土地利用類型的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

筆者以鄭州市為研究區(qū)，選擇2013、2015、2017年三年遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用ERDAS軟件對遙感影像圖進(jìn)行分類，得到研究區(qū)的土地利用分布圖。借助ArcGIS軟件建立土地利用信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行空間分析，得到地圖利用變化信息，結(jié)論如下。

①城鎮(zhèn)面積增加。2013、2015、2017年城鎮(zhèn)面積分別為719.811 km、1 765.61 km、1 880.17 km，分別占了鄭州市的總面積的10%、24%、25%，5年間，城鎮(zhèn)面積增加了1 160.359 km。

②林地面積減少。2013、2015、2017年三年的林地面積分別為2 579.81 km2、1 377.68 km、1 032.32 km，分別占鄭州市面積的34%、18%、14%，總量上減少了1 547.49 km。

③耕地、湖泊、河渠、其他用地面積基本保持穩(wěn)定。2013、2015、2017年三年的耕地面積分別為3 764.73 km、3 710.53 km、3 987.45 km，分別占鄭州市總面積的50%、49%、53%，總面積增加為276.92 km。湖泊面積分別為2.983 81 km、3.062 3 km、5.545 42 km，其總量增加為2.561 61 km。河渠的面積分別為73.051 8 km、76.102 6 km、44.546 km，其總量減少為31.556 6 km。其他用地面積為377.341 km、584.594 km、572.27 km，分別占總面積的5%、8%、8%，面積總量增加為207.253 km。

④土地利用變化驅(qū)動力包括自然因素、人口因素、政治因素、經(jīng)濟(jì)因素。自然因素相對穩(wěn)定，主要通過時間的積累來影響土地利用的變化。相反，政治因素、人口因素和經(jīng)濟(jì)因素在土地利用變化過程中活躍，影響決策者對土地利用類型的政策決定。

林地轉(zhuǎn)化為建筑用地在一定程度上影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡，應(yīng)在保證生態(tài)穩(wěn)定的大前提下，減少對林地的侵占，在條件允許的情況下可以適當(dāng)?shù)赝烁€林，將部分建筑用地適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)化為林地或草地，對于建筑用地的使用和規(guī)劃應(yīng)該充分考慮該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

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