葛 飛，許靜佳，賈鳳鳴

（1.佛山市南海區(qū)測(cè)繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)中心，廣東 佛山 528200；2.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510000；3.湖北天地云地信科技集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

土地利用覆蓋變化（land use cover change，簡(jiǎn)稱LUCC）是人類為了生產(chǎn)和生活，滿足生存與發(fā)展需求而對(duì)土地資源進(jìn)行占用和開發(fā)的行為[1]。土地利用覆蓋變化研究通過(guò)分析其在時(shí)間序列上的變化規(guī)律，對(duì)揭示人類活動(dòng)影響程度具有重要意義。在國(guó)外，20 世紀(jì)八九十年代的“國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）”和“全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃（IHDP）”到2005 年的“全球土地計(jì)劃（GLP）”[2]，從不同空間尺度對(duì)土地利用變化進(jìn)行深入研究和探索，取得了豐碩研究成果。在國(guó)內(nèi)，土地利用研究主要集中在土地利用數(shù)量和強(qiáng)度變化[3]、土地利用空間格局變化[4]、驅(qū)動(dòng)力[5]、動(dòng)態(tài)模擬[6]等方面。例如，葉延瓊等[7]以佛山市順德區(qū)為例，討論了土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響；王麗萍等[8]探討了不同情景模擬下的佛山市土地利用分布；郭程軒等[9]從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析佛山市土地利用變化驅(qū)動(dòng)力時(shí)空分異。土地利用變化分析可以直觀反映各個(gè)土地利用類型的變化，也可以進(jìn)一步分析其變化原因。在城市尺度對(duì)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)影響因素進(jìn)行分析，為城市資源優(yōu)化配置提供科學(xué)參考。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市外延擴(kuò)展過(guò)快、農(nóng)用地資源浪費(fèi)、土地利用變化較頻繁等情況引起廣泛關(guān)注?；诖?，本文以佛山市地表覆蓋數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)土地利用數(shù)量變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析研究。相關(guān)研究成果可為當(dāng)?shù)赝恋毓芾砗涂沙掷m(xù)利用提供借鑒，可為土地利用研究提供一定參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

佛山市位于廣東省中部，東倚廣州市，毗鄰深圳市、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)，是廣佛都市圈和粵港澳大灣區(qū)的重要組成部分，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯。佛山市屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，整體地勢(shì)呈西北部和西南部高、中部和東南部低的態(tài)勢(shì)，下轄禪城、南海、順德、高明、三水5個(gè)區(qū)。近年來(lái)，佛山市土地利用變化趨勢(shì)明顯，該區(qū)域具有較好的研究借鑒和參考意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

LUCC 數(shù)據(jù)來(lái)源于GlobeLand30 數(shù)據(jù)集（http://www?globeland30?org）。該數(shù)據(jù)集是中國(guó)研制的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，分辨率為30m，包含2000、2010、2020 版本數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為Grid 格式。本文分別提取佛山市耕地、林地、草地、濕地、水體、人造地表等地表覆蓋類型數(shù)據(jù)。佛山市基礎(chǔ)矢量行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，各年路網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于道路開放數(shù)據(jù)（OpenStreetMap，OSM），社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于佛山市統(tǒng)計(jì)年鑒和官方網(wǎng)站。

2 研究方法

2.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

從定義看，單一土地利用動(dòng)態(tài)度能夠表現(xiàn)某種土地利用類型在一定時(shí)間內(nèi)的變化速率，一般通過(guò)動(dòng)態(tài)度指數(shù)衡量[10-11]，其計(jì)算方法如公式（1）所示。

式中：Ua、Ub分別為某時(shí)段土地類型的初期面積和末期面積；T為研究時(shí)間尺度，當(dāng)T為年時(shí)，K表示某土地利用類型的年變化率。

2.2 土地利用程度綜合指數(shù)

從定義看，土地利用程度綜合指數(shù)能夠表現(xiàn)研究區(qū)土地利用的綜合水平。本文參考中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所劉紀(jì)遠(yuǎn)[12]提出的土地利用程度分級(jí)方法，并結(jié)合佛山市實(shí)際土地利用情況，將林地、草地和水域分級(jí)指數(shù)設(shè)為2，耕地分級(jí)指數(shù)設(shè)為3，人造地表分級(jí)指數(shù)設(shè)為4。根據(jù)分級(jí)指數(shù)確定土地利用綜合程度指數(shù)，其計(jì)算方法如公式（2）～（4）[13]所示。

式中：L為研究區(qū)域內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比。

式中：n為土地利用程度分級(jí)數(shù)量，該值反映了區(qū)域內(nèi)土地利用程度；△Lb-a為土地利用程度變化量；R為土地利用程度變化率；Lb和La分別為研究結(jié)束時(shí)期時(shí)間和研究開始時(shí)期的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級(jí)的土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Cib和Cia分別為某區(qū)域研究結(jié)束時(shí)期和研究開始時(shí)期第i級(jí)土地利用程度面積百分比。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是一種常用于地理學(xué)研究的重要方法[13]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以反映研究區(qū)不同時(shí)期用地類型結(jié)構(gòu)變化，也能明確用地類型的轉(zhuǎn)移去向和來(lái)源[14]，其計(jì)算方法如公式（5）所示。

式中：S表示土地轉(zhuǎn)換面積，n表示土地利用類型，i和j表示研究期間內(nèi)不同時(shí)期的土地利用類型。

2.4 主成分分析法

從定義看，主成分分析法將相關(guān)的若干個(gè)指標(biāo)重新組成為一組新的互為無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)并替代原指標(biāo)[15]，是最基本的多變量統(tǒng)計(jì)分析方法。本文借助SPSS 軟件，對(duì)影響土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行主成分分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地?cái)?shù)量變化分析

從2000、2010 和2020 年用地類型占行政區(qū)面積比例看，耕地、林地、水體和人造地表4 類用地是佛山市主要用地類型。耕地、林地、水體和人造地表占行政區(qū)面積比例較大，3 個(gè)年份的面積占比分別為94?19%、91?04%和96?35%；草地、濕地占行政區(qū)面積比例較小，3 個(gè)年份的面積占比分別為5?81%、8?96%和3?65%。詳細(xì)情況如表1 所示。

從分用途看，研究期內(nèi)耕地、水體數(shù)量呈現(xiàn)逐年降低態(tài)勢(shì)，其面積分別由2000 年的1 011?01 km2、1 107?27 km2降至2020 年的659?67 km2、841?18 km2；林地和草地?cái)?shù)量呈現(xiàn)先增加后降低態(tài)勢(shì)，其面積分別由2000 年的877?61 km2、219?69 km2增至2010 年的903?82 km2、340?10 km2，后降至2020年的712?14 km2、138?38 km2；人造地表面積呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì)，由2000 年的580?06 km2增至2020 年的1 444?68 km2。

3.2 土地利用變化分析

3.2.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度反映一定時(shí)期某種地表覆蓋類型面積的變化速率。2000—2010 年，草地和濕地面積變化速率較大，單一土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)值分別為5?48%和-6?81%；人造地表面積變化速率次之，單一土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)值為2?33%；林地面積變化速率最小，單一土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)值為0?30%。2010—2020 年，人造地表成為面積變化較大的地表覆蓋類型，其單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)達(dá)10?20%；草地、耕地、林地和濕地的面積變化速率次之，單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)分別為-5?93%、-2?65%、-2?12%和2?08%；面積變化速率最小的地表覆蓋類型為水體，單一土地利用動(dòng)態(tài)為-1?05%。詳細(xì)情況如表2 所示。

表2 2000—2020 年佛山市單一土地利用動(dòng)態(tài)度

整體上，2000—2020 年，人造地表、濕地是佛山市20 年面積變化速率較大的2 種地表覆蓋類型，其動(dòng)態(tài)度指數(shù)分別為7?45%和-3?07%；其次是耕地、草地和水體，變化速率范圍為-2%～2%；變化最小的地表覆蓋類型是林地，其單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)僅為-0?94%。

3.2.2 土地利用程度

根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)[16]提出的土地利用強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，土地利用強(qiáng)度范圍為100～400，數(shù)值越大，則該區(qū)域土地利用程度越高。從佛山市土地利用程度看，2000 年和2010 年土地利用程度指數(shù)變化不大，位于中間水平，其值分別為257?19 和261?31，這表明2000—2010 年佛山市土地利用程度相對(duì)穩(wěn)定。2020 年土地利用程度綜合指數(shù)上升到293?49，這表明2010—2020 年佛山市人造地表、耕地等用地類型發(fā)生較大變化，土地利用程度明顯提升。

從時(shí)段看，2000—2010 年土地利用程度變化量為4?12 km2，土地利用變化率為0?016，佛山市整體土地利用變化處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)；2010—2020 年土地利用程度變化量為32?18 km2，土地利用變化率升到0?123 1，佛山市整體土地利用變化處于加速變化的過(guò)程。整體上，2000—2020 年土地利用程度變化量達(dá)36?29 km2，土地利用變化率達(dá)0?141 1。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

本文利用ArcGIS軟件空間統(tǒng)計(jì)模塊，分別將2000年和2010 年、2010 年和2020 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，導(dǎo)出分析后的矢量數(shù)據(jù)屬性表，統(tǒng)計(jì)得到2000—2010、2010—2020 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表。2000—2010 年，地表覆蓋類型轉(zhuǎn)換總面積為732?76 km2，其中，人造地表、草地和水體面積增量最大，其面積增量分別為182?91 km2、159?88 km2、160?95 km2；從轉(zhuǎn)移矩陣看，此期間增加的面積主要來(lái)自耕地、水體、林地等地表覆蓋類型。詳細(xì)情況如表3 所示。

表3 2000—2010 年佛山市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

2010—2020 年，地表覆蓋類型轉(zhuǎn)換總面積為1 144?29km2，人造地表是面積增加最大的地表覆蓋類型，其面積為759?08 km2；從轉(zhuǎn)移矩陣看，人造地表增加的地表覆蓋類型主要來(lái)自耕地、水體、林地，轉(zhuǎn)入面積分別為297?59 km2、163?48 km2、142?19 km2；除濕地和人造地表外，草地、耕地、林地、水體為主要轉(zhuǎn)出地表覆蓋類型，其面積分別為234?04 km2、395?04 km2、229?01 km2和256?63 km2。詳細(xì)情況如表4 所示。

表4 2010—2020 年佛山市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

3.4 驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用及其變化是自然與人文相互影響的結(jié)果。土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素一般分為自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，自然因素包括氣候、土壤、地貌等因素，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素一般包括人口變化、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化程度、土地利用政策等因素[17]。根據(jù)佛山市城市特點(diǎn)和土地利用情況，本文選取坡度、坡向、道路里程、距中心城鎮(zhèn)距離、固定資產(chǎn)投資額、人均生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)人口7 個(gè)影響因子，其變量名稱分別為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7，以佛山市2000、2010 和2020 年土地面積為因變量（Y）。利用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析，對(duì)各自變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過(guò)KMO 檢驗(yàn)方法和Bartlett 球形檢驗(yàn)方法對(duì)7 個(gè)自變量的顯著性水平進(jìn)行驗(yàn)證。詳細(xì)情況如表5 所示。

表5 主成分分析自變量KMO 檢驗(yàn)及Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果

從驗(yàn)證結(jié)果看，各個(gè)自變量的KMO 檢驗(yàn)值為0?705 5，說(shuō)明各個(gè)驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)性較強(qiáng)，可通過(guò)主成分分析法進(jìn)一步降維分析。本文選取SPSS 因子分析模塊中的主成分分析法，降維計(jì)算各個(gè)自變量貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率。詳細(xì)情況如表6 所示。

表6 初始特征值

按照特征值>1 的標(biāo)準(zhǔn)，本文提出2 個(gè)主成分，2 個(gè)因子的貢獻(xiàn)率分別是81?063%和9?881%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)99?933%。從數(shù)據(jù)結(jié)果看，2 個(gè)主成分可以較好地反映原始因子的特征。在旋轉(zhuǎn)后的自變量因子載荷數(shù)據(jù)中，主成分1 的坡度、坡向、道路里程、人均生產(chǎn)總值和城鎮(zhèn)人口的因子值均達(dá)0?8 以上，具有較強(qiáng)的正向相關(guān)性；人均生產(chǎn)總值和城鎮(zhèn)人口因子值較高，說(shuō)明佛山市土地利用轉(zhuǎn)變的主要影響因素是經(jīng)濟(jì)因素；坡度和坡向因子值較低，說(shuō)明坡度、坡向等自然因素對(duì)土地利用變化的影響小于經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)人口因素的影響。詳細(xì)情況如表7 所示。

表7 旋轉(zhuǎn)后的自變量因子載荷

4 結(jié)論

本文基于佛山市3 期GlobeLand 30 地表覆蓋數(shù)據(jù)，從土地利用變化數(shù)量、空間變化趨勢(shì)等角度進(jìn)行分析，并對(duì)驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了探究，得到如下結(jié)論。

（1）2010—2020 年，佛山市地表覆蓋類型變化頻繁，與人類活動(dòng)關(guān)系密切的人造地表面積增量最大。不同地表覆蓋類型的土地利用動(dòng)態(tài)度差異明顯，其中，人造地表是變化程度最大的地表覆蓋類型，其單一土地利用動(dòng)態(tài)度最大。

（2）在研究期內(nèi)，佛山市整體土地利用程度呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，其中，人造地表的利用程度大幅度提升，2010—2020 年增量最明顯，土地利用程度綜合指數(shù)由2000 年的257?19 增至2020 年的293?49。從土地利用轉(zhuǎn)移結(jié)果看，佛山市近20年的城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，耕地、林地、草地和濕地為主要轉(zhuǎn)出地表覆蓋類型。

（3）近年來(lái)，佛山市受到城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和人口因素疊加的影響，人類活動(dòng)對(duì)土地利用需求程度不斷加大。通過(guò)分析影響土地利用分布的驅(qū)動(dòng)力，佛山市近20 年土地利用變化驅(qū)動(dòng)力依次為經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化因素（人均生產(chǎn)總值與城鎮(zhèn)人口）、交通因素（道路里程與距中心城鎮(zhèn)距離）、自然因素（坡度與坡向）。