西安市土地利用格局动态演变及其驱动力研究

李凤霞，石　辉，冯晓刚，刘明星，许五弟，李　萌

(1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055； 2. 西安建筑科技大学建筑

学院，陕西 西安 710055)

Study of Land Use Dynamic Evolution and Driving Factors in Xi’an

LI Fengxia,SHI Hui,FENG Xiaogang,LIU Mingxing,XU Wudi,LI Meng



西安市土地利用格局动态演变及其驱动力研究

李凤霞1,2，石辉1，冯晓刚2，刘明星2，许五弟2，李萌2

(1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055； 2. 西安建筑科技大学建筑

学院，陕西 西安 710055)

Study of Land Use Dynamic Evolution and Driving Factors in Xi’an

LI Fengxia,SHI Hui,FENG Xiaogang,LIU Mingxing,XU Wudi,LI Meng

摘要：基于多时相TM/ETM+数据,以RS和GIS技术为支撑，采用监督分类、非监督分类等方法，辅助土地利用动态度和土地利用耗减度等定量指标，分析了西安1995—2010年的土地利用时空动态变化。结果表明，15年间西安市城区土地利用空间格局发生了较大变化，土地利用时空演变以速度加快，强度显著，建设用地急剧扩张，占用大量耕地、林地为主要特征；景观斑块破碎化程度高，不稳定斑块呈现出先分散后集中的特点，土地利用类型的空间稳定性低；经济增长、城市化、人口增长等因素是其主要驱动力。

关键词：土地利用；动态演变；RS；GIS；西安市

一、引言

土地利用变化是目前土地利用方面的研究热点之一，土地利用变化不仅表现在数量上，而且表现在空间布局上。土地利用/覆被变化(land use and cover change,LUCC)是区域社会经济、人口、资源、环境发展的重要影响因子，区域土地利用变化研究对环境保护和城市规划具有十分重要的参考价值[1]。国内外学者一般应用RS和GIS手段对土地利用的动态变化进行分析。与传统的监测手段相比，遥感数据具有实时性、高效性。国外对城市土地利用景观格局的研究起步较早，研究方法、体系比较成熟[2-4]，Turner[5]指出LUCC是引起全球气候变化的重要因素等。国内贾宝全、吴宏安、冯晓刚、解修平等基于TM影像数据，研究了城市土地利用变化及城市扩张[6-9]。

西部大开发战略的实施,加快了西部地区城市化进程的步伐,而城市化快速发展通常伴随着城市土地利用的急剧变化[8]。西安市正处于城市化的快速发展期，城市环境污染、城市生态用地不足、城市热岛现象严重。本文以西安市土地利用的时空动态演变为研究对象，利用RS和GIS技术，结合景观生态学原理，对西安市1995—2000年间LUCC的空间结构演变进行探讨，计算城市土地利用动态度、土地利用耗减度，并对西安城区的土地景观格局变化的驱动机制进行剖析，研究结果对西安市土地资源优化及区域土地可持续利用具有极其重要的理论和现实意义。

二、研究区概况与研究方法

1. 研究区概况

西安地处我国西北东部关中平原中部，北濒渭河，南依秦岭，位于北纬33°42′—34°45′、东经107°40′—109°49′,属暖温带半湿润大陆性季风气候，平均海拔424 m,年平均温度约13.3℃，平均降水量604.2 mm,平均湿度69.6%。

2. 数据来源及数据处理

(1) 数据来源

本研究采用1995年、2006年和2010年3个时相的TM遥感影像为基础数据源，将土地利用分为6个一级类型，分别是建设用地、耕地、林地、草地、水域和未利用地(如图1所示)。辅助数据包括西安市1∶5万地形图、30 m分辨率的数字高程模型数据、1989年1∶55万土地利用图及相关统计资料。

(2) 数据处理

图1　土地利用分类图

本研究主要采用ENVI 4.8、eCognition 8.0、ArcGIS 10.0及ArcView 3.2等软件对数据进行处理。首先以1∶5万比例尺地形图为基准采用三次多项式模型对3期TM数据进行几何校正，校正误差小于0.5个像元；然后根据具体研究范围进行图像裁剪及图像增强处理，采取监督分类的方法对3期遥感图像进行分类，提取出主要的土地利用类型，并结合野外实地调查，对分类结果进行纠正；最后运用聚类统计、过滤分析等方法进行后处理。

3. 研究方法

(1) 研究采用的技术路线

本文以西安市城区为例，利用RS、GIS等相关软件，分析研究区1995—2010年土地利用变化的总体特征，建立1995—2006年和2006—2010年的土地利用转移矩阵，探讨土地利用变化的时空特征及动态变化。同时，本文引入土地利用动态度、土地利用耗减度等定量指标，分析土地利用类型的变化速度及年变化率，并对西安市土地利用变化的驱动机制进行探索分析，确定影响土地利用类型变动的关键因子。研究技术路线如图2所示。

图2　土地利用格局演变研究技术路线

(2) 土地利用动态度[10]、土地利用耗减度单一土地利用动态度反映一段时期内各种土地利用类型在研究期内年际变化的速度和幅度，它对预测未来土地利用变化趋势有积极的指导作用，其公式为

(1)

式中，LUDI代表单一土地利用动态度；Ua、Ub分别表示研究期初及研究期末区域某种土地利用类型的面积；T表示研究时段长度，以年为单位。

(2)

式中，Rz表示综合土地利用动态度；LUi为第i类土地类型研究期初的面积；ΔLUi为研究期末第i类土地类型转化为其他土地利用类型的面积绝对值；T为研究时段长度。土地利用耗减度[4]表示某种土地利用类型在单位时间内被实际消耗的程度

(3)

式中，LUC表示土地利用耗减度；Cab为由a时刻到b时刻某种土地类型转变为其他土地利用类型的面积总和；Ua为a时刻该土地类型的面积；T为研究时段长度。

三、结果与分析

1. 西安市土地利用变化的总体特征

根据西安市城区3期遥感影像数据的分类结果，借助GIS工具，计算出的西安1995—2010年土地利用的数量特征见表1。

表1　西安1995—2010年各时期土地利用的面积变化

由表1可以看出，总体而言，西安1995—2010年土地利用情况呈现出以耕地、建设用地和林地为主，以草地、水域及未利用地为辅，以耕地、林地、水域的减少，以及建设用地和草地的大幅度增加为主要特征。其中，1995—2006年间建设用地增加43.23 km2，年变化量为3.93 km2；而2006—2010年间建设用地的增加量为141.24 km2，几乎是前一时段的4倍，年增加量达到35.31 km2，可见2006—2010时段是西安城市化高速发展的阶段。草地面积在2006年以前是减少的，2006年之后草地面积逐步增加，2006—2010年草地增加119.43 km2，年增加面积29.86 km2。同时，在1995—2006年林地减少的面积不大，这说明西安在城市化进程中非常重视生态用地保护。

总的来看，1995—2010年间，建设用地的增加主要是以耕地、林地和水域的减少为代价的，这与国内外其他相关研究的结论基本一致。从耕地的减少来看，1995—2006年间变化不大，2006—2010年间共减少63.46 km2，年均减少15.87 km2，差不多是前一时段的15倍。从水域的变化来看，水域面积有所减少，1995—2006年间减少12.82 km2，2006—2010年间水域变化量为-2.43 km2，年变化量为-0.61 km2，减少的幅度有所降低，这与西安尽力保护水资源及西安的水资源匮乏有一定的关系。

2. 西安市土地利用变化的时空分析

根据西安1995年、2006年和2010年的土地利用分类图，应用GIS的空间叠置功能，对相邻两幅图形数据进行叠加，得到1995—2006年和2006—2010年土地利用动态变化图(如图3所示)，再利用ArcGIS的统计功能，建立的土地利用转移矩阵见表2和表3。

表2　西安1995—2006年土地利用转移矩阵　km2

表3　西安2006—2010年土地利用转移矩阵　km2

图3　土地利用动态变化图

从图3中可以看出，土地利用空间格局发生了较大变化，1995—2006年间，不稳定斑块呈现出分散性的特点。建设用地面积在增加，表现出向四周扩张的特征，特别是南边的大片耕地转化成建设用地，这与西安市城市化进程中南郊的快速发展是相吻合的，尤其是西安曲江新区的高速发展。同时，比较明显的是位于东南角的大量草地转为耕地，这意味着西安市在城市建设过程中注重耕地的保护。而在2006—2010年间，不稳定斑块的分布相对比较集中，呈现出聚集性的趋势，尤其是西安市东郊和北郊最为典型。建设用地仍在快速扩张，向北郊和东郊扩展较明显，这与北郊的西安经济技术开发区及东郊的西安国际港务区快速发展相符。

由表2和表3的结果来看，15年间各种土地利用类型发生了比较复杂的相互转化。总体来看，土地利用类型的保持率不高，随着时间的推移，各种土地利用类型的转出量增加，其空间稳定性有所降低，表现为以下两个方面：

1) 1995—2006年间，建设用地的增加量主要从耕地、林地和水域转化而来。其中耕地净转化为建设用地的面积为34.03 km2，其他土地利用类型净转化为建设用地9.6 km2。耕地主要转化为林地、建设用地及未利用地，分别为79.48 km2、51.52 km2、28.32 km2。草地的减少主要流向耕地，其中由草地净转为耕地的面积为19.12 km2。

2) 2006—2010年间，增加的建设用地和草地主要来源于耕地、林地和未利用地。以耕地来看，净转化为建设用地的面积为99.06 km2，与前一时段相比较，共增加了65.03 km2，多了21.67 km2。可见，城市化速度在不断地加快，并且侵占了大量的耕地。减少的耕地、林地、未利用地，其变化的主要方向是建设用地和草地。其中耕地向草地转化37.01 km2，同时，草地转化为耕地的面积是13.05 km2，13.62 km2的建设用地又转向耕地，这说明了土地利用类型间变化的多元化、多方向性。总体上看，减少最多的是林地，其主要转化为草地、耕地和建设用地，对西安而言，林地是生态脆弱斑块，而且是重点斑块，因此，在未来城市建设过程中应加强保护，尽量抑制房地产开发对绿地的影响。

3. 西安市土地利用动态变化分析

从表4可以看出，首先，在动态度方面，建设用地持续增长，1995—2010年间，动态度达到30.95%，2006—2010年的动态度是1995—2006年的6倍多。草地面积先减少后增加，未利用地先增加后减少，皆呈现出动态变化的特征。从草地类型来看，2006—2010年的动态度几乎是前一时间段的24倍，这体现了城市发展的过程。另外，耕地、林地和水域持续减少，随着时间的推移，耕地和林地的动态度增大，水域的动态变化比较平稳。总的来说，1995—2010年间，建设用地和草地的年变化率较大，这与未来城市发展的趋势基本一致，也可初步预测未来土地利用变化的趋势。其次，在耗减度方面，总体来看，耕地、林地、草地、水域和未利用地的变化都比较大，其耗减度分别为14.94%、18.63%、13.91%和13.48%，其被实际消耗的程度高，而建设用地的耗减度较小。总之，2006年之后各地类动态变化整体加快，反映了城市发展的速度在提升。

表4　西安1995—2010年土地利用动态变化　(%)

根据式(2)计算出的西安1995—2006年间综合土地利用动态度为2.74%，而2006—2010年间综合土地利用动态度上升为7.42%，几乎是前一时间段的3倍。可见，西安各种土地利用类型变化的速度很快，综合年变化率很大，呈现出不稳定的特征。

四、西安市土地利用变化的驱动机制分析

随着城市化进程的加快，西安市已进入高速发展的阶段。土地利用变化受社会经济、人口变化、政府政策、自然条件、气候变化、地形地貌等诸多因素的影响，结合统计数据，本文归纳总结出影响西安市土地利用变化的驱动力，并对其进行剖析。

1. 社会经济驱动力

由统计数据可知，西安市1995—2010 15年间的国内生产总值(GDP)由410.43亿元增长到3 241.69亿元，增长幅度是689.8%。至2006年，人均生产总值增长至17 794元，第一、二、三产业的增加值分别为70.73亿元、615.26亿元、764.03亿元，第二、三产业的比重逐年增加。15年来，西安的总投资额增长率迅猛增长，位于西安城东南的曲江新区是中外客商投资的热点。其次，位于西安主城南边的高新技术产业开发区(简称西高新)和位于主城北边的经济技术开发区(简称经开区)的发展也对西安市的经济迅速增长作了很大的贡献。

2. 人口驱动力

西安市宜居的环境使得人口逐年增加，市区人口由1995年的303.31万人增长至2010年的562.65万人(数据来源：2011西安统计年鉴)，1995—2010年间，非农人口增加了113.36万人，年增长率达到10.3%。其中，位于西安南郊的碑林区一直是城区人口密度最高的区，这与南郊的土地利用动态变化大是相吻合的。人口快速增长使得用于人们居住、办公、休闲娱乐的土地增加，导致耕地减少、建设用地增多，西安市土地利用结构发生了较大变化。

3. 政策、产业结构及基础设施驱动力

城市土地利用类型变化的一个主要驱动力是宏观政策的导引,自1999年国家实施西部大开发战略以来，西安的产业结构主要转向第三产业，如旅游业、房地产业等，产业结构的调整引起了土地利用结构的变化。高新区、经开区、草滩生态产业园及西安国际港务区的发展带动了其周边的餐饮、娱乐、房地产等服务业的迅速发展。此外，西安市建成的绕城高速、三环路、机场高速等为过往车辆提供了便捷的通道，基础设施的建设占用了大量的土地，尤其是耕地。

五、结论

本文基于1995年、2006年、2010年3期TM/ETM+数据,借助RS和GIS软件，采用监督分类、非监督分类，辅助转移矩阵、单一土地利用动态度、综合土地利用动态度和土地利用耗减度等定量指标，对西安1995—2010 15年间的土地利用时空动态变化进行了详细论述，并剖析了影响西安土地利用变化的驱动机制及其驱动力，得出以下结论：

1) 1995—2010年的15年间西安市城区土地利用结构发生了大幅度的变化，耕地面积减少67.04 km2，建设用地持续增加184.47 km2，究其原因是城市化快速发展引起的。土地利用时空演变以速度加快、强度显著、建设用地急剧扩张、林地减少及大量耕地被占用为西安土地利用变化的主要特征。

2) 应用GIS的空间叠置，发现西安15年间土地利用空间格局发生了较大变化，随着时间的推移，景观斑块破碎化程度不断提高，不稳定斑块呈现出先分散后集中的特点，建设用地向北郊和东郊扩张比较明显，这与北郊的西安经济技术开发区及东郊的西安国际港务区快速发展相符。

3) 15年间各种土地利用类型发生了比较复杂的相互转化，土地利用类型的保持率不高，各种土地利用类型的转出量增加，其空间稳定性有所降低，尤其是2006—2010年间各地类动态变化整体加快，综合年变化率很大，呈现出不稳定的特征。

4) 综合分析影响西安土地利用类型变化的各个因素，发现导致城市土地利用变化的主要驱动力是在政策导向下的经济增长、城市化、人口增长等主要因素，西部大开发、各开发区的快速发展及社会投资额的增加为西安城市发展带来了盎然生机。

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作者简介：李凤霞(1982—)，女，博士生，讲师，主要从事环境遥感及3S方面的教学和研究。 E-mail: lifengxiasky@163.com

基金项目：国家自然科学基金(51178371/E080201)；陕西省自然科学基金(2014JZ011)；西安建筑科技大学校青年基金(QN13009)；陕西省自然科学基金青年人才基金(2013J95011)

收稿日期：2014-11-04

中图分类号：P208

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)12-0041-05

引文格式： 李凤霞，石辉，冯晓刚,等. 西安市土地利用格局动态演变及其驱动力研究[J].测绘通报，2015(12)：41-45.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.374