基于GIS的常德市土地利用動(dòng)態(tài)變化研究

彭其龍，劉嘉順，陳哲夫,陳端呂

(1.湖南省婁底市森林資源監(jiān)測(cè)中心，湖南 婁底 417000;2.湖南文理學(xué)院, 湖南 常德 415000)

1 引言

土地利用動(dòng)態(tài)變化是屬于全球環(huán)境變化重要的組成部分之一,利用GIS技術(shù)對(duì)其進(jìn)行研究已經(jīng)成為了全球變化研究的前沿和熱點(diǎn)之一。目前，中國(guó)在經(jīng)濟(jì)、政治、文化等方面取得了非凡的成就，人民的生產(chǎn)生活方式發(fā)生了巨大的改變，城市化率顯著地提升、城市化水平大大進(jìn)步。隨著城市工業(yè)、住宅等建設(shè)用地規(guī)模的擴(kuò)大，城市化不斷向外擴(kuò)張，城市附近郊區(qū)的土地價(jià)格上漲，農(nóng)業(yè)用地逐漸轉(zhuǎn)化為了工業(yè)用地，土地利用方式發(fā)生了巨大的改變，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也產(chǎn)生了一定影響[1，2]。

目前，我國(guó)在LUCC方面進(jìn)行了大量的調(diào)研并開展了一系列研究，研究項(xiàng)目的重點(diǎn)主要放在了以下的兩類地區(qū)：一類是“熱點(diǎn)地區(qū)”，即人為因素對(duì)環(huán)境所造成的影響超過自然因素，如北京、上海、廣州等東部發(fā)達(dá)的地區(qū)；二類是“脆弱地區(qū)”，環(huán)境的變化主要受制于自然因素，或者是生態(tài)環(huán)境遭到破壞很難恢復(fù)的地區(qū)，“脆弱”地區(qū)指的是面積大的、范圍廣的交錯(cuò)地域如農(nóng)林交錯(cuò)帶、農(nóng)牧交錯(cuò)帶以及農(nóng)魚交錯(cuò)帶等敏感的交錯(cuò)地區(qū)，尤其是在西藏、新疆、青海等地區(qū)的西部自然環(huán)境惡劣地區(qū)內(nèi)。同時(shí)，在利用遙感影像監(jiān)測(cè)分析土地利用與土地覆被變化、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、變化驅(qū)動(dòng)力研究、土地利用與土地覆被變化建模等方向也取得了許多的成果[3～5]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地利用格局也在發(fā)生相應(yīng)的改變。通過GIS技術(shù)對(duì)常德市的土地利用類型的現(xiàn)狀、變化狀況以及驅(qū)動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行研究與分析，以期為研究和預(yù)測(cè)常德市土地利用變化提供理論和方法論的支持，推動(dòng)常德市的土地利用朝著合理有效的方向發(fā)展，從而推動(dòng)常德市可持續(xù)發(fā)展。

2 研究區(qū)概況

常德位于110°～112°17′52″E ,28°24′31″～30°07′53″N，地處湖南省西北部，是長(zhǎng)江以南著名的“魚米之鄉(xiāng)”。地形以平原、山脈和丘陵為主。地勢(shì)西北高東南低。它是處于北亞熱帶和亞熱帶地區(qū)的一個(gè)過渡地帶。熱量比較豐富，年平均氣溫在16.7 ℃，夏季氣溫較高，受東南季風(fēng)的影響，降水較多，雨熱同期；冬季溫暖，受到了寒冷干燥的冬季風(fēng)影響，降水較少，四季比較分明。由于地形的影響，該地區(qū)的氣候呈非地帶性規(guī)律。常德市下轄6個(gè)縣和2個(gè)區(qū)，以及代管了1個(gè)縣級(jí)市。

3 研究方法

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)度研究分析

土地使用動(dòng)態(tài)度能夠?qū)υ摰貐^(qū)的土地利用變化速率進(jìn)行量化分析。在對(duì)比不同的區(qū)域使用情況下，對(duì)今后的土地使用變化的趨勢(shì)做出了積極的貢獻(xiàn)[6]。它是包含了單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度這兩種分析類型，能夠從多個(gè)角度對(duì)研究區(qū)某一特定時(shí)段的土地使用類型運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行量化。

3.1.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單個(gè)用地類型的動(dòng)態(tài)度是指特定時(shí)期內(nèi)某個(gè)地區(qū)的土地使用類型的變化[7,8]，計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，LC是研究期間土地利用類型的動(dòng)態(tài)程度；Ua是指一種特定的土地使用方式在研究期之初的數(shù)目(個(gè)數(shù))；Ub是對(duì)某一特定用地的期末使用數(shù)量的調(diào)查(個(gè)數(shù))；T為研究時(shí)段長(zhǎng)(年時(shí)/日時(shí))，如果T的時(shí)間段設(shè)置為年時(shí)，那LC就表示研究區(qū)域內(nèi)某一土地利用類型的年變化率[9](%)。

3.1.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

區(qū)域土地綜合利用動(dòng)態(tài)水平也能反映出該地區(qū)的土地使用變動(dòng)速率[10～12]，計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中，LUi為監(jiān)測(cè)開始時(shí)第類土地利用類型面積(m2)；?LUi為監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)由第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用面積的絕對(duì)值(m2)；T是監(jiān)控周期的長(zhǎng)度(年時(shí)/日時(shí))。如果T時(shí)間段設(shè)置為年時(shí)，LC就是研究區(qū)域土地利用的年變化率(%)。

3.2 基于GIS技術(shù)進(jìn)行土地矩陣分析

土地利用動(dòng)態(tài)度可量化表述出研究區(qū)用地變化的速率，并從不同方面對(duì)某一特定時(shí)段的土地利用類型的變化程度進(jìn)行量化[13]。然而，它無(wú)法代表每種土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系，但是土地利用轉(zhuǎn)移矩陣卻可以定量地表示各種土地利用類型之間的關(guān)系，這將有助于了解土地發(fā)展變化的趨向，為了更深入的土地利用和規(guī)劃預(yù)測(cè)提供依據(jù)。疊置分析是GIS空間分析的重要組成部分，也是研究土地利用動(dòng)態(tài)變化的重要方法。通過數(shù)據(jù)整理，數(shù)據(jù)融合，疊加分析形成矩陣轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移矩陣(表1)不僅反映了變化開始和結(jié)束時(shí)土地利用類型的結(jié)構(gòu)，還反映了研究期間各種類型之間的轉(zhuǎn)移變化，以及研究期間結(jié)束時(shí)各種類型的來(lái)源和構(gòu)成[13,14]。

表1 土地利用矩陣

4 結(jié)果與分析

4.1 常德土地利用現(xiàn)狀分析

基于GIS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分類整理得到常德市2013年各土地利用類型的數(shù)據(jù)及土地利用結(jié)構(gòu)圖(圖1)。

由圖1和土地利用類型數(shù)據(jù)可知，常德市土地利用類型是以林地和耕地為主，分別占了全市土地總面積的39.46%和36.98%。其余為建設(shè)用地、未利用地、水域和草地，分別占總用地面積的9.84%、8.75%、4.95%和0.02%。

4.2 常德市土地利用變化分析

4.2.1 常德市土地利用的數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)變化分析

土地利用類型的數(shù)目變化反映在了不同土地類型總面積的變化數(shù)據(jù)上。通過用GIS和統(tǒng)計(jì)分析方法解析了土地利用類型整體變化的具體情況，就可以把握土地利用變化的總體趨勢(shì)以及其結(jié)構(gòu)變化特征。本文對(duì)4個(gè)時(shí)期的土地利用圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出2000～2013年常德市土地利用年變化率表(表2)和空間格局圖(圖2)。

圖1 2013年常德市土地利用類型面積百分比

表2 2000～2013年常德市土地利用年變化率

根據(jù)圖2和表2的數(shù)據(jù)，在2000～2013年的這13年間里，林地、水域、建設(shè)用地和草地面積擴(kuò)張了，而耕地和未利用地面積縮小了。2000年土地利用類型結(jié)構(gòu)為：林地>耕地>未利用地>建設(shè)用地>水域>草地；2005～2013年常德市土地利用結(jié)構(gòu)為：林地>耕地>建設(shè)用地>未利用地>水域>草地。由此得知常德市土地利用結(jié)構(gòu)變化不是很明顯，最主要的是未利用地的減少和建設(shè)用地規(guī)模的擴(kuò)大，從而使得土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

圖2 2000～2013年常德市土地利用空間格局

結(jié)合表2可以得知，建設(shè)用地是該市從2000～2013年面積增長(zhǎng)最多的土地利用類型，由2000年占土地總面積7.47%到9.84%，建設(shè)用地面積增加了43187.4 hm2，年變化率也較大。新增長(zhǎng)面積的主要來(lái)源是占用了未利用土地和林地；建設(shè)用地的擴(kuò)張?jiān)谝欢ǔ潭壬象w現(xiàn)了這一時(shí)期常德市城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加速。林地的占地面積由2000年占地面積38.71%到39.46%，已超過了耕地面積，成為常德市最主要的土地利用類型，林地所占的土地面積說(shuō)明常德市對(duì)林業(yè)的重視，并在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，新增了一定的林業(yè)工程。未利用地年變化率為-3.1%，減小幅度較大，面積減少了102186.83 hm2，占該市土地總面積的5.62%，是所有土地利用類型中面積收縮幅度最大的土地利用類型。說(shuō)明該市為追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，大力開發(fā)未利用地，使其為經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展服務(wù)。耕地年變化率為小于零，則表明了耕地面積在不斷下降。從2000～2013年，耕地面積由686811.57 hm2減少到了672564.31 hm2，總共減少了14247.26 hm2，年變化率為-3.1%，平均每年減少1095.94 hm2。水域的年變化率為14.87%，在所有土地利用類型的年變化率中最大，并明顯的大于其他的土地類型，漲動(dòng)幅度是最大的。

4.2.2 常德市土地利用的動(dòng)態(tài)變化分析

由圖3和表3可以看出：在研究的4個(gè)時(shí)期，常德市單個(gè)土地利用動(dòng)態(tài)度的土地利用變化速度是不同的。其中，2000～2005年和2000～2013年的動(dòng)態(tài)度變化曲線基本相同的，波動(dòng)較大，說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)期土地變化速度波動(dòng)較大。而2005～2010年和2010～2013年動(dòng)態(tài)度變化曲線基本一致，比較平緩，說(shuō)明在研究期的后期，土地變化速度相對(duì)平穩(wěn)一些，動(dòng)態(tài)度小，變化速度也小。水域單一動(dòng)態(tài)度為38.662%，變化速度是快于其他土地利用類型的。草地單一動(dòng)態(tài)度也是較大的，達(dá)到了8.912%。未利用地和建設(shè)用地的年變化率也較大，動(dòng)態(tài)度分別達(dá)到了-7.820%和6.357%；耕地和林地的年變化率較小，分別為-0.415%和0.393%。從圖4和表3可以看出，從2000～2013年，常德市土地綜合利用動(dòng)態(tài)度呈下降的走向，其中，由2000～2005年這一時(shí)期到2005～2010年這一時(shí)期動(dòng)態(tài)度迅速減少，2005～2010時(shí)期到2010～2013年時(shí)間段減少曲線基本平穩(wěn)，說(shuō)明土地變化速度比較平穩(wěn)。2000～2005年，常德市土地利用類型變化是較快的，土地利用綜合動(dòng)態(tài)度為6%。而在2005～2010、2010～2013年間其速度變化較慢，分別為0.4198%和0.4196%。

表3 2000～2013年常德市土地利用動(dòng)態(tài)度

圖3 2000～2013年常德市單一土地利用動(dòng)態(tài)度/%

圖4 2000～2013年常德市綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

3.2.3 常德市土地利用矩陣分析

由表4、表5可知：草地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移概率達(dá)0.7196，而草地的補(bǔ)充來(lái)源只有林地。建設(shè)用地主要是轉(zhuǎn)化為了耕地、水域和未利用地，轉(zhuǎn)移概率依次是0.0558、0.0231和0.0091，轉(zhuǎn)移面積分別為629.41、261.01和101.46 hm2，為未利用地的重要補(bǔ)充來(lái)源。而建設(shè)用地的主要補(bǔ)充來(lái)源為耕地和林地。耕地主要轉(zhuǎn)化為水域和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移概率分別為0.029和0.0221，轉(zhuǎn)移面積分別為4335.81和3210.02 hm2，而耕地的補(bǔ)充來(lái)源主要為水域、建設(shè)用地和林地。林地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化面積為1623.62 hm2，其次是耕地和水域，轉(zhuǎn)化面積分別為248.39和122.257 hm2，林地補(bǔ)充的主要來(lái)源是水域和耕地，說(shuō)明該市退耕還林取得了一定成效。水域主要轉(zhuǎn)化的土地利用類型是耕地，轉(zhuǎn)移面積1953.94 hm2，其次則是建設(shè)用地和林地、未利用地主要轉(zhuǎn)化為水域，轉(zhuǎn)移概率0.8883，轉(zhuǎn)移面積為83.68 hm2。水域的主要補(bǔ)充來(lái)源是耕地、林地和建設(shè)用地。通過各土地轉(zhuǎn)移面積可以得出常德市各土地利用類型之間面積轉(zhuǎn)化的大致情況為耕地>林地>水域>建設(shè)用地>未利用地>草地。

5 結(jié)論

本次研究以常德市為研究區(qū)域,利用GIS技術(shù)，通過空間分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方式，直觀準(zhǔn)確地得出了2000～2013年常德市土地利用動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。在此期間，常德市土地利用是以林地和耕地為主的，但土地利用的空間格局發(fā)生了一定程度上的變化，具體的表現(xiàn)為林地、草地、建設(shè)用地和水域面積的擴(kuò)大，以及耕地和未利用地面積的縮減；土地利用區(qū)域差異是先增大后減小的，基本保持在0.68左右；土地利用類型之間的面積轉(zhuǎn)換為耕地>林地>水域>建設(shè)用地>未利用地>草地；水域單一動(dòng)態(tài)度為0.38622，遠(yuǎn)大于其他的土地利用類型，土地綜合利用動(dòng)態(tài)度呈下降趨向。

表4 2000～2013年常德市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表5 2000～2013年常德市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣概率

本文僅對(duì)常德市做了整體的研究工作。如果由縣、區(qū)、鎮(zhèn)等較小的單位進(jìn)行研究和分析，結(jié)果可能更準(zhǔn)確、更合理，從而更好地指導(dǎo)土地利用政策。本文只是分析了土地的動(dòng)態(tài)變化，但沒有涉及對(duì)動(dòng)態(tài)變化的原因分析。期望以后進(jìn)行更加深入的研究。