范 婷,朱晚秋,崔綠葉
(1四川師范大學(xué) 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610068;2四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610068)
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城市化進(jìn)程中土地利用變化及其空間分布研究
范婷1,2,朱晚秋1,2,崔綠葉1,2
(1四川師范大學(xué) 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610068;2四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院,四川成都610068)
在運(yùn)用RS和GIS得到土地利用結(jié)構(gòu)類(lèi)型圖的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)分析2003-2013年間凱里市各土地利用類(lèi)型在數(shù)量上的變化速度以及在空間上的轉(zhuǎn)移特征,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件分析土地利用變化在空間上的分布。結(jié)果表明:在城市化進(jìn)程的推動(dòng)下,研究區(qū)建設(shè)用地的變化幅度和變化速度尤為突出,分別高達(dá)188.47 %和18.85 %;而受地形條件的影響,大面積的土地轉(zhuǎn)移發(fā)生在耕地、林地和其他用地之間;高程和坡度因子在一定程度上對(duì)區(qū)域的土地利用變化有阻礙作用。
土地利用變化,空間分布,城市化,凱里市
土地利用 / 土地覆被變化在全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中都占有重要的地位,人類(lèi)通過(guò)與土地有關(guān)的自然資源的利用活動(dòng)改變地球陸地表面的覆被狀況,而土地覆被變化也反過(guò)來(lái)深刻地影響著區(qū)域水循環(huán)、環(huán)境質(zhì)量、生物多樣性及陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和適應(yīng)能力[1]。近年來(lái),在我國(guó)城市化發(fā)展速度不斷加快和社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的影響下,區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化,日益突出的土地利用沖突和人地矛盾使我國(guó)耕地資源所面臨的形勢(shì)更加嚴(yán)峻;同時(shí)城市不斷向外擴(kuò)展與城市內(nèi)部土地粗放經(jīng)營(yíng)也使我國(guó)有限的土地資源越來(lái)越稀缺,這一系列問(wèn)題使人們逐漸認(rèn)識(shí)到探討土地利用變化特征及其空間分布的重要性和迫切性。隨著RS和GIS技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,借助高技術(shù)研究區(qū)域的土地利用變化,或者建立模型進(jìn)行情景分析,探討土地利用結(jié)構(gòu)變化的形成規(guī)律及機(jī)制,仍是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在土地利用 / 覆被變化領(lǐng)域研究的主要趨勢(shì)[2-6]。土地利用變化模擬與預(yù)測(cè)模型是土地變化科學(xué)的重要組成部分[7],在國(guó)內(nèi)以馬爾科夫模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型以及CLUE-S模型應(yīng)用最為普遍。本文選擇位于喀斯特地貌區(qū)的凱里市為研究區(qū),在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支撐下,分析其在城市發(fā)展過(guò)程中的土地利用變化情況;并從自然條件入手探討喀斯特山區(qū)城市土地利用變化的空間分布,為該區(qū)今后的土地利用規(guī)劃和管理整治提供科學(xué)依據(jù)。
凱里市地處貴州東南部,黔東南苗族侗族自治州西部,距貴陽(yáng)市176公里,東鄰臺(tái)江縣,南接丹寨縣,西連福泉市,北交黃平縣,地跨東經(jīng)107°40′58″~108°12′09″,北緯26°24′13″~26°48′11″,處于云貴高原東側(cè)階梯狀大斜坡(向中部丘陵過(guò)渡地帶)的苗嶺山麓,清水江畔。全市總面積1 556 km2,轄6個(gè)街道、9個(gè)鎮(zhèn)、2個(gè)鄉(xiāng),現(xiàn)有總?cè)丝?3.41萬(wàn)余人。境內(nèi)有黔中山原和黔東中低山丘陵兩個(gè)地貌區(qū),最高點(diǎn)海拔1 447 m,最低點(diǎn)海拔529 m。屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均溫度16.1 ℃,降雨量1 243 mm。凱里資源豐富:森林覆蓋率達(dá)53.28 %;境內(nèi)有大小河溪153條;主要礦藏有煤、鐵、鉛、鋅、鋁土礦、硅石巖等,其中硅石的二氧化硅含量高達(dá)98 %,名列西南之冠。
2.1數(shù)據(jù)來(lái)源及其處理
本研究所采用的土地利用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2003年TM影像和2013年ETM+影像,時(shí)相為6-9月,影像質(zhì)量較好,遙感影像均來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http:// www.gscloud.cn)。輔助數(shù)據(jù)和資料包括凱里市行政區(qū)劃圖和Google高清衛(wèi)星地圖。在ERDAS遙感圖像處理軟件支持下,參照谷歌高清衛(wèi)星影像圖,以土地用途、利用方式和覆蓋特征為主要分類(lèi)依據(jù),對(duì)遙感影像進(jìn)行目視判讀并建立分類(lèi)模板,將研究區(qū)土地利用劃分為耕地、林地、水體、建設(shè)用地和其他用地5種類(lèi)型,得到2003年和2013年的土地利用圖。運(yùn)用Arcgis10.1對(duì)兩個(gè)時(shí)期的土地利用圖數(shù)字化并進(jìn)行空間疊加運(yùn)算,計(jì)算出相應(yīng)時(shí)期的土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣,揭示不同時(shí)期土地利用類(lèi)型的空間變化規(guī)律。
圖1 凱里市土地利用格局分布圖Fig.1 The distribution map of land use pattern of Kaili city in 2003 and 2013
2.2研究方法
2.2.1土地利用數(shù)量變化模型
土地利用數(shù)量變化模型主要是用以反映在研究時(shí)段內(nèi)區(qū)域土地利用變化的強(qiáng)弱程度和動(dòng)態(tài)變化速度[8]。本文選擇變化幅度模型和動(dòng)態(tài)度模型來(lái)對(duì)凱里市各土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化及其變化速率進(jìn)行計(jì)算和分析。
2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用類(lèi)型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向定量研究的主要方法,它能夠具體的反應(yīng)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類(lèi)型間的轉(zhuǎn)移方向[9]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
(3)
式中,Sij為研究期內(nèi)第i類(lèi)土地向第j類(lèi)轉(zhuǎn)化的面積,i為研究期初土地利用類(lèi)型,j為研究期末土地利用類(lèi)型,n為土地利用類(lèi)型的數(shù)量。
3.1土地利用結(jié)構(gòu)及其變化特征
運(yùn)用Arcgis10.1將分類(lèi)處理后的遙感影像圖轉(zhuǎn)化為土地利用矢量圖,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到2003年和2013年兩個(gè)時(shí)期各土地利用類(lèi)型的面積及比例,在此基礎(chǔ)上結(jié)合所選取的土地利用變化模型可進(jìn)一步得出研究時(shí)段里該區(qū)的土地利用變化幅度和速度。
表1 凱里市2003年和2013年土地利用結(jié)構(gòu)及數(shù)量變化Tab.1 Land use structure and quantity change of Kaili city in 2003 and 2013
凱里市2003年和2013年土地利用類(lèi)型面積、百分比、土地利用變化幅度以及土地利用動(dòng)態(tài)度從空間上表征了各種地類(lèi)在不同時(shí)期的分布情況。從上表可以看出:凱里市2003-2013年間土地利用類(lèi)型以耕地和林地為主。2003年耕地和林地所占面積較大,分別占研究區(qū)總面積的44.41 %和33.42 %;其次為其他用地,占土地總面積的16.96 %;水體和建設(shè)用地面積較小,分別占3.15 %和2.05 %。2013年土地利用類(lèi)型以耕地、其他用地和林地為主,分別占土地總面積的37.66 %、28.97 %和21.10 %;水體和建設(shè)用地的面積仍然較小,分別占總面積的6.35 %和5.92 %。
從土地利用變化幅度來(lái)看,凱里市在2003-2013年間各土地利用類(lèi)型的變化幅度普遍較大,其中水體、建設(shè)用地和其他用地面積增加,而耕地和林地的面積有所減少。在面積增大的土地利用類(lèi)型中,以建設(shè)用地最為突出,變化幅度高達(dá)188.47 %;其次為水體,變化幅度達(dá)101.32 %;而其他用地也在2003年的基礎(chǔ)上增加了70.79 %。相對(duì)而言,耕地和林地的面積在研究期內(nèi)減少的幅度較小,耕地面積減少了15.20 %,林地面積減少了36.86 %。
從單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度來(lái)看,面積增加大的土地利用類(lèi)型同時(shí)具有較高的動(dòng)態(tài)度。建設(shè)用地的變化速度最快,平均每年的增加量達(dá)到18.85 %,充分表明凱里市近十年的建設(shè)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大;水體和其他用地次之,每年增加10.13 %和7.08 %;同樣耕地和林地的變化速度相比之下較小,每年減小速率分別為1.52 %和3.69 %。
3.2土地利用變化的空間轉(zhuǎn)移
凱里市在研究時(shí)段內(nèi),各類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積發(fā)生了很大變化,土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以定量說(shuō)明各土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化狀況,而且可以揭示不同類(lèi)型間的轉(zhuǎn)移速率。結(jié)合其數(shù)學(xué)表達(dá)式,運(yùn)用Arcgis10.1中的疊置分析功能可以得到凱里市2003-2013年10年間的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣,如表2所示。
表2 凱里市2003-2013年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The transfer matrix of land use change of Kaili city from 2003 to 2013 單位:/ km2
從矩陣表2可以看出:凱里市在2003-2013年間,各土地利用類(lèi)型都存在轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的情況,且各地類(lèi)之間相互轉(zhuǎn)化的面積量較大,表明在這10年間土地利用覆被的空間變化較大,土地利用結(jié)構(gòu)處于快速調(diào)整期。
就土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)出面積看,林地>耕地>其他用地>水體>建設(shè)用地;而從轉(zhuǎn)入面積來(lái)看,其他用地>耕地>水體>建設(shè)用地>林地。具體到土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化方向來(lái)看,耕地主要轉(zhuǎn)化為其他用地,轉(zhuǎn)化面積為72.12 km2,其次為水體和建設(shè)用地,轉(zhuǎn)化面積分別為57.85 km2和41.06 km2;林地也主要轉(zhuǎn)化為其他用地,面積多達(dá)127.41 km2,其次為耕地,轉(zhuǎn)化面積為72.80 km2;建設(shè)用地、其他用地和水體主要轉(zhuǎn)化為耕地,轉(zhuǎn)化面積分別為5.50 km2、28.40 km2和11.15 km2。
在土地利用空間格局的分布上,面積明顯增加的其他用地主要分布在凱里市東部,而面積顯著減少的林地和耕地分布則遍布全市。城市中心地區(qū)以建設(shè)用地面積增加和耕地面積減少為主,建設(shè)用地的擴(kuò)張基本上是在其原始基礎(chǔ)上向四周發(fā)展,此外還有明顯快速發(fā)展的爐山鎮(zhèn)以及向西南(沿320國(guó)道)和東南(沿金山大道至三棵樹(shù)鎮(zhèn)主題公園游樂(lè)園)方向大力擴(kuò)展。西北部各種土地利用類(lèi)型的圖斑總體來(lái)看變得比較零碎且分布廣泛,這是由于在研究的10年時(shí)間里受自然和人文因素的影響比較大。
3.3土地利用變化空間分布分析
3.3.1高程
土地是人類(lèi)一切活動(dòng)最根本的物質(zhì)基礎(chǔ),地形作為其最重要的組成因子之一,從而影響人類(lèi)對(duì)土地的利用。有研究表明[10-12],地形是影響人類(lèi)土地利用最重要的自然因子,同時(shí)也是制約土地利用變化方向和速度的重要因素。而高程作為地形的主要組成要素之一,對(duì)區(qū)域的土地利用具有重大的影響。
圖2 凱里市高程分級(jí)Fig.2 The elevation classification map of Kaili
圖3 2003-2013主要土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移分布圖Fig.3 The distribution map of main land use type transfer
凱里市的海拔普遍較高,故根據(jù)其范圍將其分為5個(gè)等級(jí)。結(jié)合2003-2013年的主要土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移格局分布,可以看出凱里市在研究期間的土地利用 / 覆被變化主要發(fā)生在600 m~1 000 m高程范圍內(nèi)。具體來(lái)看,由于受地理位置及交通條件的影響,土地利用變化類(lèi)型為耕地—建設(shè)用地的區(qū)域主要位于海拔較低的600 m~900 m高程范圍內(nèi),且大多屬于平緩的山谷地帶;而考慮到耕作的可行性以及農(nóng)作物的產(chǎn)量,林地—耕地、其他用地—耕地大部分都位于700 m~900 m區(qū)域;至于其他用地—林地位于700 m~900 m高程范圍是地方在盤(pán)活空閑地的同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)的結(jié)果;林地—其他用地的分布遍布全市,是凱里在研究區(qū)內(nèi)土地利用變化最為活躍的一種類(lèi)型。
因此可以得出:在600 m~900 m內(nèi)高程對(duì)土地在耕地與建設(shè)用地之間變化的影響最大,其次是對(duì)林地、耕地和其他用地之間的影響。高程因影響氣壓、空氣密度和氣溫的變化,對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活所能到達(dá)海拔高度具有決定性作用,使人類(lèi)的耕作和居住多分布在海拔較低、氣溫較高區(qū)域,故土地利用 / 覆被變化也主要在這高程范圍內(nèi)發(fā)生。
3.3.2坡度
同高程一樣,坡度也是地形的重要組成要素之一,它同樣影響著區(qū)域土地利用的空間分布和數(shù)量變化。坡度對(duì)土壤類(lèi)型的空間分布有著重要影響,同時(shí)也制約著農(nóng)業(yè)耕作以及城市化建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng),因此是制約土地利用 / 覆被變化在空間分布上的一個(gè)重要因素。
圖4 凱里市坡度分級(jí)Fig.4 The slope classification map of Kaili
根據(jù)凱里市的坡度情況,將其分為5類(lèi)。將研究區(qū)的主要土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移圖和坡度圖結(jié)合分析可知,研究區(qū)在2003-2013年間土地利用 / 覆被變化在0°~15°的坡度內(nèi)變化最大,在15°~35°的坡度內(nèi)次之,而在坡度達(dá)35°以上區(qū)域變化最小。發(fā)生在坡度0°~15°內(nèi)的主要是耕地—建設(shè)用地的變化,在坡度15°~35°內(nèi)是林地、耕地、其他用地之間的變化,而坡度在35°以上則變化甚小。這說(shuō)明在0°~35°范圍內(nèi)坡度因子主要影響土地利用 / 覆被在耕地、建設(shè)用地、林地以及其他用地之間的變化,就耕地—建設(shè)用地這一變化來(lái)說(shuō),結(jié)合凱里自身的發(fā)展實(shí)際,一個(gè)位于“地?zé)o三尺平”的山區(qū)并正處于城市化大力發(fā)展階段的城市,亟需占用大量坡度小的土地來(lái)滿足整個(gè)城市的發(fā)展需求,因而坡度在0°~15°范圍內(nèi)的平坦地區(qū)發(fā)生土地利用變化現(xiàn)象尤為明顯。
本文將凱里市作為研究對(duì)象,以2003年與2013年遙感影像為基礎(chǔ)資料,運(yùn)用RS和GIS相關(guān)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行圖像分類(lèi)處理以及數(shù)字化分別得到凱里市兩個(gè)時(shí)期的土地利用結(jié)構(gòu)圖。首先用土地利用數(shù)量變化模型和轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)凱里市在2003-2013年間的土地利用變化進(jìn)行數(shù)量和空間變化上的分析,然后從高程、坡度等地形因素進(jìn)行空間分布上的研究,可以得出以下結(jié)論:
1)在2003-2013年間,凱里市土地利用發(fā)生了劇烈變化。從土地利用變化幅度來(lái)看,建設(shè)用地的變化最為突出,高達(dá)188.47 %;從土地利用變化動(dòng)態(tài)度來(lái)看,也屬建設(shè)用地的變化速度最快,平均每年的增加量達(dá)到18.85 %,這充分表明了凱里市近10年的建設(shè)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大,城市化的步伐逐漸加快。而從土地利用變化空間分布上來(lái)看,凱里市在研究期內(nèi)各地類(lèi)之間相互轉(zhuǎn)化的面積量較大,主要發(fā)生在耕地、林地、其他用地之間的相互轉(zhuǎn)移,這反映出該期間凱里市的土地利用結(jié)構(gòu)處于快速調(diào)整期。
2)地形因素對(duì)凱里市的土地利用變化具有顯著的影響??傮w上高程與坡度對(duì)凱里市土地利用變化表現(xiàn)出明顯的阻礙作用,即隨著海拔升高或者坡度增加,相應(yīng)范圍內(nèi)的土地利用變化程度逐漸減弱,而受城市化步伐快速推進(jìn)的影響,這種阻礙作用在一定程度上被削弱,反倒出現(xiàn)“削峰填谷、向山要地”等現(xiàn)象。
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The change of land use and its spatial distribution in the process of urbanization
FAN Ting1,2,ZHU Wanqiu1,2,CUI Lvye1,2
(1KeyLaboratoryofMinistryofEducationforLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwest,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China;2CollegeofGeographyandResourcesScience,Chengdu610068,China)
Land is the material foundation of human survival and development.Timely understanding of the current situation and the structure of land use,and dynamic updating of the quantity and quality of land resources can promote more rational development and utilization of land,and achieve sustainable utilization of land resources to guarantee sustainable development of regional economy.In this paper,on the basis of the map of land use structure type obtained with RS and GIS,we analyzed the change rate and the transferring characteristics of each land use type during 2003-2013 in Kaili city.The results showed that the range and speed of change of construction land in the studied area was particularly prominent under the impetus of urbanization,which was as high as 188.47 % and 18.85 % respectively.While affected by the terrain conditions,a large area of land transfer occurred among cultivated land,forest land and other land.Elevation and slope have a hindering effect on regional land use change to some extent.
land use change,spatial distribution,urbanization,Kaili
F301.2
A
1003-6563(2016)04-0036-05
2016-05-19;
2016-05-26
范婷(1993-),女,四川西充人,碩士研究生,主要從事土地利用與評(píng)價(jià)研究。