基于GIS的都勻市土地利用與景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)力研究

摘要 為探究都勻市土地利用與景觀格局變化特征及驅(qū)動(dòng)力機(jī)制，以都勻市2010年和2020年2期遙感影像作為數(shù)據(jù)源，經(jīng)目視解譯和精度驗(yàn)證形成2期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后利用地理探測(cè)器對(duì)其驅(qū)動(dòng)力因素進(jìn)行探討。結(jié)果表明：研究區(qū)土地類(lèi)型以林地為主，耕地、草地、建設(shè)用地次之；研究期間耕地、草地、未利用地面積減少，林地、園地、建設(shè)用地、水域面積增加。土地利用變化動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值園地>未利用地>建設(shè)用地>草地>水域>耕地>林地。其中園地、建設(shè)用地增長(zhǎng)幅度較大；由于受基數(shù)面積較大影響，耕地和林地的動(dòng)態(tài)度變化不明顯。在景觀格局上，景觀破碎化程度有所增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）呈現(xiàn)小幅度下降，表明不同景觀類(lèi)型多樣性程度有所下降。2010年土地利用與景觀格局受高程因子影響較大，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2020年夜間燈光和人口等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子占主導(dǎo)地位，人類(lèi)活動(dòng)影響度增強(qiáng)，自然因素影響度相對(duì)減弱。

關(guān)鍵詞 GIS；土地利用與景觀格局變化特征；驅(qū)動(dòng)力；地理探測(cè)器；都勻市

中圖分類(lèi)號(hào) S127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）15-0067-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.015

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Land Use and Landscape Pattern Changes and Their Driving Forces in Duyun City Based on GIS

PAN Ming-wei1， WANG Xiao-xia2， WANG Fa-yan1

（1.Duyun Natural Resources Bureau，Duyun， Guizhou 558000;2.Qiannan Normal University for Nationalities， Duyun， Guizhou 558000）

Abstract In order to explore the characteristics and driving mechanisms of land use and landscape pattern changes in Duyun City， two remote sensing images of Duyun City in 2010 and 2020 were used as data sources. After visual interpretation and accuracy verification， two land use data were formed for analysis. Finally， the driving factors were explored using geographic detectors.The results show that the land type in the study area is mainly forest land， followed by cultivated land， grassland， and construction land;during the research period， the area of cultivated land， grassland， and unused land decreased， while the area of forest land， gardens， construction land， and water increased. The absolute value of land use change dynamics is garden land>unused land>construction land>grassland>water area>cultivated land>forest land. Among them， the growth rate of garden and construction land is relatively large;due to the large base area， the dynamic changes of cultivated land and forest land are not significant. In terms of landscape pattern， the degree of landscape fragmentation has increased. The Shannon Diversity Index （SHDI） and Shannon Uniformity Index （SHEI） showed a slight decrease， indicating a decrease in the degree of diversity among different landscape types. In 2010， land use and landscape patterns were greatly influenced by elevation factors. With the development of the social economy， social and economic factors such as nighttime lighting and population dominated in 2020， and the impact of human activities increased， while the impact of natural factors relatively weakened.

Key words GIS;Characteristics of land use and landscape pattern changes;Driving force;Geographic detector;Duyun City

土地資源是人類(lèi)生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］，是人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球自然表面進(jìn)行改造的重要載體。土地利用/覆蓋變化（LUCC）是研究生物多樣性和碳循環(huán)等全球生態(tài)環(huán)境和氣候變化問(wèn)題的基礎(chǔ)［2-4］，土地利用/覆蓋的變化對(duì)人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)、生活均產(chǎn)生影響。景觀格局是指景觀組成單元的類(lèi)型、數(shù)目以及空間分布與配置，其穩(wěn)定性影響到土地資源的可持續(xù)利用［5］。目前，國(guó)內(nèi)外已有眾多研究學(xué)者利用不同的研究方法和數(shù)據(jù)對(duì)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行研究，并取得了一系列研究成果，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是基于不同時(shí)期的遙感影像，經(jīng)人工目視解譯劃分土地利用類(lèi)型來(lái)研究土地利用時(shí)空變化規(guī)律［6］；另一方面是根據(jù)研究區(qū)實(shí)際狀況考慮數(shù)據(jù)可獲取性、系統(tǒng)性和代表性，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然因素等方面選取驅(qū)動(dòng)力因子，來(lái)探究土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制［7］。如汲旭生等［5］利用RS和GIS技術(shù)對(duì)南京市土地利用及景觀格局變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明土地利用和景觀格局有明顯的變化趨勢(shì)，引起土地利用變化的主要因素是城市化和退耕還林。Zhao等［8］從自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素方面探究對(duì)土地利用程度的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制，明確土地利用變化特征及驅(qū)動(dòng)力。馮舒等［9］對(duì)北京市生境質(zhì)量時(shí)空演變進(jìn)行分析研究?？紫閭惖龋?0］對(duì)1986—2016年黃河三角洲土地利用/覆被變化及景觀格局分析。Li等［11］利用CA-Markov模型對(duì)珠三角城市群3種不同情景下的土地利用格局進(jìn)行模擬，結(jié)果表明建設(shè)用地的擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的安全具有一定的影響。當(dāng)前研究主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域，針對(duì)貴州山區(qū)喀斯特地貌的土地利用變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)力的研究仍較少。

因此，該研究以貴州省都勻市為例，基于土地可持續(xù)利用理論、區(qū)位理論等基礎(chǔ)理論，依托GIS空間分析模塊，對(duì)都勻市2010—2020年土地利用與景觀格局變化特征進(jìn)行分析探討，利用地理探測(cè)器定量分析方法，探究研究區(qū)土地利用與景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為研究區(qū)土地利用規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

都勻市地處貴州省南部，位于107°7′～107°46′E和25°51′～26°26′N(xiāo)，市域東西長(zhǎng)64 km，南北寬63 km，總面積2 285 km2。東與丹寨縣和三都水族自治縣毗鄰，南與獨(dú)山縣和平塘縣接壤，西與貴定縣相鄰，北與麻江縣交界。下轄5個(gè)街道、4個(gè)鎮(zhèn)、1個(gè)民族鄉(xiāng)，2022年末戶(hù)籍總?cè)丝诩s為51萬(wàn)人。是貴州省南部政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，同時(shí)也是全國(guó)首批產(chǎn)城融合發(fā)展示范區(qū)、貴州省首批縣級(jí)國(guó)家新型城鎮(zhèn)化綜合試點(diǎn)市和黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)五大主要中心城市之一。境內(nèi)交通便利，距省會(huì)貴陽(yáng)公路里程96 km，黔桂鐵路、貴新高速公路、廈蓉高速公路、320國(guó)道、321國(guó)道、207省道和貴廣高速鐵路縱貫?zāi)媳薄?/p>

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究數(shù)據(jù)集包括：①都勻市2010年和2020年2期遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。數(shù)據(jù)來(lái)源于都勻市自然資源局。利用ArcGIS軟件對(duì)2期影像進(jìn)行坐標(biāo)變換和圖像剪切等處理，依據(jù)土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和研究目的，將用地類(lèi)型解譯為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地，獲得2期土地利用圖（圖2）。將目視解譯結(jié)果與同時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行校對(duì)驗(yàn)證，解譯的精度優(yōu)于95%，達(dá)到研究精度要求。②自然環(huán)境因子包括DEM、年降水量、年平均氣溫、河流。利用ArcGis軟件對(duì)河流進(jìn)行歐氏距離分析，由DEM提取坡度。DEM、河流數(shù)據(jù)來(lái)源于都勻市自然資源局；年unc6LjU5tICm8hmopDs2Q6XaBEF3kojNw6DL9YC/APk=降水量、年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：∥www.resdc.cn）。③社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子包括道路、人口密度、GDP、夜間燈光，數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。都勻市土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化動(dòng)態(tài)度。

土地利用變化動(dòng)態(tài)度是指研究區(qū)某一時(shí)期不同土地利用類(lèi)型的變化速率和變化幅度［12］。

G=Ub-UaUa×1T×100%（1）

式中：G為研究區(qū)某一土地利用類(lèi)型的動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期、末期某種土地利用類(lèi)型的面積；T為研究時(shí)長(zhǎng)。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映一定時(shí)期內(nèi)某種地類(lèi)的時(shí)空演化過(guò)程，是一種較好應(yīng)用于定量化分析土地利用轉(zhuǎn)移情況的方法［13］ 。

f=

f11…f1n

fn1…fnn（2）

式中：f為面積；n為土地利用的類(lèi)型數(shù)。

1.3.3 景觀格局指數(shù)。

景觀格局指數(shù)能高度濃縮空間格局信息，對(duì)基于土地利用數(shù)據(jù)的景觀格局指數(shù)分析是研究景觀空間格局的重要手段［14］。該研究結(jié)合研究區(qū)自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征，共選取6個(gè)景觀格局指數(shù)（表2），運(yùn)用Fragstats軟件對(duì)研究區(qū)域景觀格局分布狀況進(jìn)行研究。

1.3.4 地理探測(cè)器。

地理探測(cè)器是王勁峰等［15］提出“因子力”度量指標(biāo)，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)和集合論，用以識(shí)別多因子之間交互作用的模型［16］。該研究采用因子探測(cè)器來(lái)探究影響土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化特征分析

在數(shù)量結(jié)構(gòu)上，2010—2020年，都勻市土地利用變化面積絕對(duì)值從高到低依次為：林地>耕地>草地>建設(shè)用地>園地>水域>未利用地（圖1）。研究期間耕地、草地和未利用地面積減少，林地、建設(shè)用地、園地、水域面積增加。耕地、草地和未利用地面積減少，建設(shè)用地增加，與近些年城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進(jìn)，建設(shè)用地不斷擴(kuò)張占用和開(kāi)荒未利用地實(shí)施土地開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有關(guān)；林地、園地面積增加的主要原因與國(guó)家實(shí)施退耕還林等政策相關(guān)，水域面積增加與研究期間建設(shè)大型水利設(shè)施項(xiàng)目擴(kuò)大淹沒(méi)區(qū)有關(guān)，如三江堰項(xiàng)目的建設(shè)。

在土地利用變化空間分布上，研究期間建設(shè)用地主要集中往勻東經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、老城區(qū)北部和綠茵湖工業(yè)園區(qū)方向擴(kuò)張，這些區(qū)域與老城區(qū)臨近、地勢(shì)相對(duì)平坦易于成片開(kāi)發(fā)且與老城區(qū)交通聯(lián)系便利。耕地主要分布于市域的東部和南部地區(qū)，以勻東鎮(zhèn)、小圍寨、墨沖鎮(zhèn)和歸蘭鄉(xiāng)為主，這些地區(qū)水資源豐富，海拔較低，地勢(shì)相對(duì)平坦，耕地所占比重大。隨著城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用勻東鎮(zhèn)的耕地面積逐漸減少，往市域南部的小圍寨和墨沖鎮(zhèn)方向逐漸擴(kuò)張。2020年土地利用類(lèi)型以林地、耕地和建設(shè)用地為主，其中林地占土地總面積的67.13%，主要分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)海拔比較高的山區(qū)；耕地占土地總面積的19.70%；建設(shè)用地占土地總面積5.27%，主要分布于老城區(qū)、勻東經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)和綠茵湖工業(yè)園區(qū)。其次是草地、園地、水域；最后未利用地面積較小，主要分布在歸蘭、毛尖等鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖2）。

2.2 土地利用變化動(dòng)態(tài)度分析

2010—2020年都勻市土地利用變化動(dòng)態(tài)度耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地依次為-2.29%、8.78%、1.18%、-6.01%、4.17%、7.04%和-7.83%。土地利用變化動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值從高到低依次為：園地>未利用地>建設(shè)用地>草地>水域>耕地>林地。其中，園地、建設(shè)用地、水域、林地變化動(dòng)態(tài)度值為正值，表明該期間4種地類(lèi)面積持續(xù)增加且園地和建設(shè)用地面積有較大幅度上升，說(shuō)明城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展速度可觀；未利用地、草地、耕地動(dòng)態(tài)度值為負(fù)值，表明此期間面積持續(xù)減少。受基數(shù)面積較大的影響，耕地和林地的動(dòng)態(tài)度變化不明顯。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析 利用ArcGis空間分析柵格計(jì)算器模塊，制作都勻市2010—2020年的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣（表3），進(jìn)一步探究研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移變化情況。研究期間，耕地面積總體上呈遞減，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍⒔ㄔO(shè)用地和園地，這說(shuō)明與城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和實(shí)施退耕還林政策有關(guān)。園地面積增加主要由耕地、林地、草地等地類(lèi)轉(zhuǎn)入，與研究區(qū)域大量種植茶園基地有關(guān)。林地面積持續(xù)增加主要由耕地、園地、草地等地類(lèi)轉(zhuǎn)入，這與實(shí)施退耕還林政策有關(guān)以及受海拔高、坡度大的影響人類(lèi)活動(dòng)減少，部分園地、草地自然生長(zhǎng)演變成林。草地面積減少，主要轉(zhuǎn)為耕地、園地和林地。水域面積增加，主要由耕地、林地轉(zhuǎn)入，這與研究期間大型水利設(shè)施項(xiàng)目擴(kuò)大淹沒(méi)區(qū)占用部分耕地和林地相關(guān)。建設(shè)用地面積增加，主要由耕地、林地轉(zhuǎn)入，與近些年快速推進(jìn)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化建設(shè)過(guò)程相符。未利用地面積減少，主要轉(zhuǎn)為林地、建設(shè)用地、耕地，與近些年實(shí)施土地開(kāi)發(fā)項(xiàng)目補(bǔ)充耕地，實(shí)施耕地占補(bǔ)平衡有關(guān)。

2.4 土地利用景觀格局分析

運(yùn)用Fragstats軟件對(duì)研究區(qū)景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以得知，在斑塊水平上的景觀格局指數(shù)，斑塊數(shù)（NP）表征整體景觀的非均勻性，其數(shù)值越大，景觀破碎度越高；斑塊密度（PD）反映斑塊破碎化程度，其值越大，景觀破碎度越高；聚集度（AI）表征景觀中不同斑塊的聚集度，其數(shù)值越大，景觀破碎度越低。2010—2020年研究區(qū)除未利用地外，其他地類(lèi)的斑塊數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）均增加，說(shuō)明景觀破碎程度增加。同時(shí)建設(shè)用地的斑塊聚集度（AI）上升，說(shuō)明該景觀類(lèi)型受人類(lèi)活動(dòng)干預(yù)增強(qiáng)，相同景觀類(lèi)型間表現(xiàn)出聚集的特征，不同景觀類(lèi)型間表現(xiàn)出分塊的特征。在景觀水平上的景觀格局指數(shù)，景觀多樣性指標(biāo)（SHDI和SHEI）是用于度量景觀豐度和均勻度的指標(biāo)。研究期間，景觀水平上的香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）呈現(xiàn)出較慢的減少趨勢(shì)，表明不同景觀類(lèi)型多樣性程度下降，各景觀要素所占比例的差異有所增加。

2.5 土地利用變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際狀況和數(shù)據(jù)可獲取性，考慮到因子系統(tǒng)性與代表性，共選取10個(gè)驅(qū)動(dòng)因子。借助ArcGis軟件重分類(lèi)和自然間斷點(diǎn)分級(jí)法分等賦值，創(chuàng)建漁網(wǎng)圖層和采樣點(diǎn)，最后運(yùn)用地理探測(cè)器（GeoDetector）進(jìn)行分析檢測(cè)，各因子均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（P<0.05），探測(cè)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，2010年各因子對(duì)研究區(qū)土地利用變化貢獻(xiàn)度排序?yàn)椋篋EM＞人口＞夜間燈光＞年平均氣溫=GDP＞坡度＞年降水量＞距公路距離＞距鐵路距離＞距河流距離。說(shuō)明高程是主要影響因子，對(duì)土地利用變化具有重要影響。2020年各因子對(duì)研究區(qū)土地利用變化貢獻(xiàn)度排序?yàn)椋阂归g燈光＞人口=年降水量＞GDP＞DEM＞坡度＞距公路距離=年平均氣溫＞距鐵路距離＞距河流距離，其中占主導(dǎo)地位的是夜間燈光、人口和年降水量?？v觀整個(gè)研究期，不同時(shí)期土地利用變化的影響因素作用強(qiáng)度不盡相同，2020年夜間燈光和人口占主導(dǎo)地位、地形因子高程、坡度影響相對(duì)減弱。說(shuō)明隨著城市建設(shè)發(fā)展，人為活動(dòng)因素對(duì)土地利用變化的貢獻(xiàn)度逐漸提高，自然因素影響相對(duì)減弱。

3 結(jié)論

以都勻市2010年和2020年2期遙感影像作為數(shù)據(jù)源，經(jīng)目視解譯和精度驗(yàn)證形成2期土地利用數(shù)據(jù)從土地利用變化動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局指數(shù)方面進(jìn)行分析，最后利用地理探測(cè)器對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行探討。研究結(jié)果表明：

（1）研究區(qū)土地利用以林地為主，耕地、草地、建設(shè)用地次之，研究期間耕地、草地、未利用地規(guī)模下降，林地、園地、建設(shè)用地、水域規(guī)模增加，與近些年城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和退耕還林政策的實(shí)施相符。土地利用轉(zhuǎn)移量絕對(duì)值排序?yàn)椋毫值?gt;耕地>草地>建設(shè)用地>園地>水域>未利用地。其中林地、耕地、草地與其他地類(lèi)之間的變化量絕對(duì)值較大，均達(dá)到10 000 hm2以上；其次是建設(shè)用地和園地，變化量絕對(duì)值為1 000～5 000 hm2；最后是水域和未利用地與其他地類(lèi)間變化量絕對(duì)值為1 000 hm2以下。

（2）土地利用變化動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值排序?yàn)椋簣@地>未利用地>建設(shè)用地>草地>水域>耕地>林地。其中園地（8.78%）、建設(shè)用地（7.04%）增長(zhǎng)幅度較大；耕地（-2.29%）和林地（1.18%）的動(dòng)態(tài)度變化不明顯，與其基數(shù)面積較大有關(guān)。

（3）在景觀格局上，除未利用地外，其他地類(lèi)的斑塊數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）均增加，表明景觀破碎程度增加；建設(shè)用地的斑塊聚集度（AI）上升，表明該景觀類(lèi)型受人類(lèi)干預(yù)增強(qiáng)。香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）呈現(xiàn)出小幅度下降，表征不同景觀類(lèi)型多樣性程度有所下降。

（4）在驅(qū)動(dòng)因子方面，2010年土地利用與景觀格局受自然地形影響因子較大，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2020年夜間燈光和人口等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子占主導(dǎo)地位，人類(lèi)活動(dòng)影響度增強(qiáng)，自然因素影響度相對(duì)減弱。

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