南昌市土地利用变化与高程的耦合分析

2014-04-18魏蕾娜傅玮佳张敬伟李景文

地理空间信息 2014年5期

关键词：工矿南昌市水域

魏蕾娜，傅玮佳，张敬伟，李景文

（1.江西省核工业地质调查院，江西南昌330038 ；2.江西师范大学地理与环境学院，江西南昌 330022；3.桂林理工大学测绘地理信息学院，广西桂林 541004）

南昌市土地利用变化与高程的耦合分析

魏蕾娜1，傅玮佳1，张敬伟2，李景文3

（1.江西省核工业地质调查院，江西南昌330038 ；2.江西师范大学地理与环境学院，江西南昌 330022；3.桂林理工大学测绘地理信息学院，广西桂林 541004）

以南昌市为研究区域，利用多时段土地利用遥感影像数据和DEM数据，分析研究区水平空间以及垂直方向上土地利用变化的时空分异，更全面地研究土地利用/覆盖变化情况。研究表明，南昌市土地类型分布中耕地和水域面积比重较大，土地利用的主要变化模式为耕地和水域之间的相互转化以及耕地转化为城乡工矿居民用地。高程对南昌土地利用空间分布的约束十分突出，各种土地类型在高程上的空间分布格局呈显著变化。1980～2005年南昌市不同高程土地利用动态度随时间推进提高了1．33%，土地利用类型变化最快的地方一直集中在高21．68 ～100．00 m之间。

土地利用变化；高程；南昌市；GIS；土地利用动态指数

土地利用/覆盖变化是全球环境变化研究的核心之一[1]。目前，土地利用的研究重点已从提高土地生产率转向改善环境，并与环境规划结合起来[2]。这意味着土地利用的研究要同时兼顾时间尺度和空间尺度。传统的研究方法主要基于区域平面化的景观格局变迁轨迹，在一定程度上忽略了地势起伏的作用[3,4]。将DEM与遥感影像、土地利用现状图等资料结合，从多维度去思考土地利用的空间分异、相互转化，探讨垂直尺度的土地利用变化、土地类型分布优势等在空间上的耦合特征，将会更加全面地剖析土地景观格局的变迁轨迹[5,6]。

南昌市是鄱阳湖生态经济区绿色崛起的“引擎”，承担着发展与保护的双重任务。如何整合和优化土地资源，为国民经济持续、稳定增长提供保障，是在发展过程中面临的巨大挑战。本文在空间信息技术支持下，结合DEM数据，从三维的角度探讨南昌市过去25 a土地利用变化轨迹，为今后南昌市土地资源可持续利用、生态建设提供参考。

1 研究区概况

南昌市东南平坦，西北丘陵起伏，南北长约112．1 km，东西宽约107．6 km，总面积7 402．36 km2。以平原、岗地和丘陵为主，平均海拔25 m。南昌市是江西省的省会，全市总人口为491．31万。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源和处理

本文分别选用1980年、1995年、2000 年、2005年4个时期的遥感影像以及1︰10万DEM模型（图1）为基础数据。遥感影像选取1、2、3波段，频谱范围分别为0．45～0．52、0．52～0．6、0．63～0．69，分辨率30 m。在土地利用变化研究中，使用Erdas软件对研究区范围进行校正、裁切、叠加、影像解译[7]。将研究区划分为11个高程带[8]：海拔低于10．00 m、10～18．50 m、18．5～20．5 m、20．5～21．68 m、21．68～22．59 m依次划分为第1～5高程带；海拔高于22．59 m的区域属于非洪水风险区[9]，考虑到地貌单元的划分标准，分别以30 m、50 m、100 m、200 m、 500 m为界进行高程带划分，分别命名为第6～11高程带。

图1 南昌市1︰10万数字高程图

2.2 研究方法

土地利用优势度指数：

式中，Sij代表研究区内第j类高程上第i类土地的面积；S代表研究区总面积；Si代表i类土地的总面积；Sj代表j类高程土地的总面积。Fij为地形分布优势指数，Fij>1时，代表第i种地类在第j级地形上的分布水平高于该地类在区域中的平均分布水平，Fij越大优势度就越高，说明该高程适合此地类的分布和发育。

图2 1980～2005年南昌市土地利用的空间格局

土地利用转移矩阵：

式中，Cij代表研究区内第i类地类在第j类高程上转移的面积；C代表研究区内土地进行转移的总面积；Ci代表i类土地转移的总面积；Cj代表j类高程上土地转移的总面积；Kij为转移分布指数，当Kij>1时，代表第i种地类在第j级地形上的转移水平高于该地类在区域中的平均转移水平，Kij越大转移程度就越高，说明该高程的此地类转移比较容易。

土地利用动态度：

式中，LA（i,t1）j-ULAij为研究时期在j类高程上i类土地的转移面积；LA（i,t1）j为研究初期第i类在j类高程上的面积；ULAij为研究期间j类高程i类土地未发生变化的面积；Sj代表j类高程上的综合土地利用动态度，用来研究高程因子对土地利用变化速度的影响。

3 研究结果

3.1 土地利用变化分析

如表1所示，南昌市耕地面积25 a来虽面积有所减少，林地和草地的分布空间情况大致相同，水域广布，占全市总面积的18．26%；随着南昌市区城市化水平的不断提高，城乡工矿居民用地相对于其他土地利用类型变化相对突出，由1980年的3．77%上升到2005年的6．94%，增加了1．8倍；未利用地的分布大多与水域邻近，在2005年占研究区面积的4．97%。

表1 1980～2005年不同时期土地利用类型变化

3.2 土地利用类型的转移矩阵

1980～2005年，南昌市共有660．4 km2的土地类型发生了转化，占整个研究区的8．9%。其中， 116．1 km2的水域转化为耕地，19．5 km2的耕地转化为城乡工矿居民用地（表2）。1995～2000年有156．8 km2的土地发生类型转化，主要为119．4 km2的耕地转化为水域，其主要原因是1998年特大洪水和退田还湖政策引起水域面积变大（表3）。2000～2005年有334 km2的土地发生类型转化，包括171．3 km2的耕地转化为城乡工矿居民用地，38．8 km2的耕地转化为水域（表4）。

表2 1980～1995年土地利用转换矩阵/km2

表3 1995～2000年土地利用转换矩阵/km2

表4 2000～2005年土地利用转换矩阵/km2

4 三维空间上南昌市土地利用变化分析

4.1 不同高程上的空间格局分布

4.1.1 土地利用类型的高程分布

如表5所示，整体来看，南昌市土地利用格局主要分布在第7、6、2和8高程带，占总面积的87．2%，又以第7高程带面积最为集中，占总面积的52．9%。其中，耕地在4个时间段的第2、6、7高程带的分布最具有代表性，而第6、7高程带的耕地面积自1995年以来减少趋势明显；林地和草地在第7高程带变化趋势较为一致，25 a来的面积减少了约5%；水域在第6、7、8高程带的分布最集中，第6、7高程带的面积略微减少；城镇工矿居民用地在第6、7高程带的分布最广，其中第6高程带增加了1．9倍，第7高程带增加了2．1倍；未利用地主要分布在第6、7、8高程带，其中第6、8高程带的面积略微减少，第7高程带的面积略微增加。

表5 南昌市4个时间段不同高程的土地利用格局

4.1.2 土地类型的不同高程倾向分析

利用南昌市2005年不用高程上的各类土地面积，描绘百分率累计图（图3），观测土地利用类型与高程的关系。可以看出，林地和草地总体上倾向于分布在南昌市地势较高的位置，耕地倾向于分布在地势较低的位置，城乡工矿居民用地在低于2～4高程带上倾向于分布在较高的位置，而在4～8高程带上尽可能分布在高程较低的位置。水域和未利用地的曲线和黑色的高程总面积累计比重线趋势相近，略高于累计曲线，说明这2类土地的分布倾向于较低的地势。

4.2 不同高程上土地类型转换特征

4.2.1 高程与土地利用转移变化的关系

利用1980～2005年不同高程带上各类土地的转换矩阵数据可以看出，不同高程带内各土地利用类型的转移存在较大差异（图4）。林地和草地这2类土地的变化优势区间集中在7～11高程带；耕地的变化曲线趋势和城乡工矿居民用地的曲线趋势相反，说明这2种地类存在着互竞关系；水域在第2、3高程带变化迅速，因为这两个高程带在鄱阳湖区是退圩堤进洪水位的区域，难免成为水域变化最快的高程带；未利用地的转移优势范围比较大，分布在2～6高程带和第8高程带。

图3 2005年不同高程的土地类型百分比累计图

4.2.2 高程与土地利用变化速度的关系

由图5可知，3个时间段南昌市土地利用动态度指数在高程上变化特征是一致的，且2000～2005年的土地变化综合速率基本上最高，而2000～2005年的高程综合变化率比1980～1995年的高程综合变化率平均高出1．3%。就高程而言，其最快地方集中在第5～8高程带。当高程低于21．68 m时，土地利用动态速率总体趋势是随地势越来越低，动态度指数降低。但是在第2高程带，由于水域变化速率大，所以土地利用的综合指数有一定的回升。当高程高于100 m时，土地利用受干扰的程度越来越小，土地利用动态速率总体趋势是随高程增加，动态指数降低。

图4 1980～2005年各土地利用类型高程转移分布指数

图5 土地利用变化速度在地形区域上的分布

5 结语

1）南昌市以高程为30～50 m的土地最为集中，面积有3 915 km2，占整个研究区总面积的52．9%。耕地倾向于分布在10～22．59 m，林地和草地倾向于分布在500～1 500 m，城乡工矿居民用地在低于10～21．68 m高程上倾向于分布在较高的位置，而在21．68～100 m高程带上多分布在较低的位置。水域的分布优势在22．59～100 m，未利用地的分布优势在20．50～30 m以及50～100 m。

2）南昌市1980～2005年期间土地利用的各个高程综合变化速率呈上升趋势，2000～2005年的高程综合变化率比1980～1995年的高程综合变化率平均高出1．3%。土地利用变化最快地方一直集中在高程21．68～100 m。当高程低于21．68 m，土地的变化速率随着高程的增加而递增，当高于100 m，土地的变化速率随着高程的增加而递减。

3）同一高程带的土地利用的互竞关系明显。1980～2005年南昌市城乡工矿居民用地优势分布高程范围不变,集中在10～50 m高程范围内，但对高程区域的土地占用能力不断增强；相反，与城乡工矿居民用地分布在同高程上的耕地分布不断被挤占，面积日益缩减。

4）人工地和自然地差异明显。耕地和城乡工矿居民用地为人工制造的土地类型，而自然地的典型代表为林地和草地，这2大类地在分布结构图中完全呈现2种不同的曲线，其高程分布倾向、变化率都在垂直空间上差异很大。

[1] 李秀彬．全球环境变化的核心领域:土地利用/土地覆盖变化的国际研究动向[J]．地理学报,1996,51(6):553-557

[2] 崔卫国．基于DEM的醴陵市土地利用空间格局分析[J]．资源科学,2008(2):228-234

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[5] 冯朝阳．地形因子对京西门头沟区土地利用/覆盖变化的影响[J]．山地学报,2007(3):274-279

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[8] 毛蒋兴．深圳土地利用时空变化与地形因子的关系研究[J]．地理与地理信息科学,2008(2):71-76

[9] 姜鲁光．鄱阳湖退田还湖地区洪水风险与土地利用变化研究[D]．北京:中国科学院研究生院,2006

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