基于GIS的安庆市土地利用动态变化及其驱动力分析
2016-07-10李露露曹玉红绉季良
李露露 曹玉红 绉季良
摘要 土地利用变化是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式。该研究根据1990、2000、2013年遥感影像及安庆市行政区划图，基于RS和GIS的技术手段，对研究区土地利用类型进行信息提取，得到3个时段的土地转移数据，建立总动态度模型、单一土地利用类型动态度模型、地类活跃度等模型，对安庆市土地利用变化情况进行分析。结果表明，1990～2000年、2000～2013年、1990～2013年安庆市土地利用动态度分别为0.512%、8.194%、4.741%；高覆盖度草地和灌木林的转入、转出最为活跃。造成安庆市2000～2013年土地利用大幅变化的主要驱动力是退耕还林、退耕还湖、“861”行动计划等战略计划及人口增长。
关键词 GIS；安庆市；土地利用；动态变化
中图分类号 S27 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）05-305-04
Abstract Land use change is the most direct form of expression about the human activities and natural environment interaction. According to remote sensing image of 1990， 2000， 2013 and Anqing City administrative map， based on RS and GIS technology， information about land use types in the study area was extracted， land transfer data in three periods were obtained. The variation of land use was analyzed through establishing general dynamic model， single land use type dynamic model， land type activity model. The results showed that land use dynamic degree of Anqing City in 1990-2000， 2000-2013， 1990-2013 are 0.512%， 8.194%， 4.741%； transfer in and out of high coverage grassland and shrub are most active. The main drivers for land use change in Anqing City during 2000-2013 include returning farmland to forest， returning farmland to lake， “861” action plan and population growth.
Key words GIS； Anqing City； Land use； Dynamic change
土地利用类变化是表征人类活动对地球表面自然生态系统影响最直接的信号，是人类社会经济行为与自然生态过程交互和链接的纽带，对土地利用变化的研究尤为重要[1]。刘惠明等[2]对“3S”技术在生态学中的应用进行了研究；陈佑启等[3]通过GIS建模，分析了我国土地利用的变化与其影响因子之间的相互作用关系；罗亚等[4]对基于遥感影像的植被指数研究方法进行了述评。笔者以安庆市为例，利用遥感技术进行宏观监测获取大量的数据，根据这些数据建立土地利用类型变化模型，更为直观地对变化情况进行研究，得出其变化特征，分析引起其变化的驱动力，找到不利于土地生态安全的因素，为生态环境可持续发展建设提供参考。
1 数据来源与研究方法
1.1 数据来源
从中国科学院遥感数据共享平台下载1990、2000、2013年3期遥感数据，根据安庆市行政区划图进行裁剪，并选取样本点，对图像进行几何校正。为保证所获取数据的质量和一致性，对每期的数据集都进行统一的质量检查和数据集成。结合野外实地考察，并辅以相关资料，对数据进行抽查，得出土地利用一级利用类型综合评价精度达85%以上，二级类型分类综合精度达80%以上，建立土地利用变化数据库。完善数据库之后对土地利用类型进行分类，一共分为14类，分别是：城镇用地、高覆盖度草地、灌木林、旱地、河渠、裸岩石砾地、农村居民点、其他建设用地、其他林地、疏林地、水库坑塘、水田、滩地、有林地。
1.2 研究方法
对遥感数据预处理后，导入GIS中对数据进行矢量化，建立相应的属性数据，对研究取得土地利用进行分类，得出相应利用类型的面积等数据，根据这些数据，建立研究区土地利用类型总动态度模型、单一土地利用类型动态度模型、地类活跃度模型和转移矩阵。土地利用动态度定量地描述了土地利用类型的变化速率，对预测未来土地利用变化趋势有积极的作用，地类活跃度模型对某种地类的转入转出进行研究，揭示了该种地物的稳定性。根据土地转移数据辅以GIS软件得到的1990、2000、2013年土地利用类型图、土地利用变化空间分区图进行研究分析，得出研究区土地利用宏观的空间变化特征，从而全面地揭示土地利用类型变化在空间和数量上的规律。
1.2.1
总动态度模型。土地利用总动态度是从整体角度上分析不同时间间隔内土地利用转移的数量和速率问题，其模型如下：
U=（K/Mt）×1T×100% （1）
St=M[Ti，Ti+1]Mt×△T×100%（2）
式中，U为研究区整个研究时段内的综合土地利用平均变化率；K所有时间间隔内土地利用变化总量；Mt为研究区面积；T为整个研究时间段；M[Ti，Ti+ 1]为Ti～Ti+ 1时间间隔内土地利用变化总量；△T为Ti～Ti+ 1的时间间隔。若St
1.2.2
单一土地利用类型动态度模型。单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其模型如下：
W=（Mb-Ma）Ma×1T×100%（3）
式中，W为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ma、Mb分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的面积；T为研究时段长，当T的时段设定为年时，W的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。
1.2.3
地类活跃度。地类活跃度是在总动态度的基础之上对具体的某一土地利用类型进行的分析。对研究单一的土地利用类型的稳定度具有重要的作用。其模型如下：
Cij=Zj△T×1Mj×100%（4）
Rij=Lj△T×1Mj×100%（5）
式中，Cij为Ti～Ti+1时间间隔内用地类型 j 的转入动态度；Zj为Ti～Ti+1时间隔内用地类型 j 的转入量；△T为Ti～Ti+1的时间间隔；Mj为用地类型j在Ti时刻的用地面积；Rij为Ti～Ti+1时间间隔内用地类型 j 的转出动态度；C为研究时段的总转化动态度（转入、转出的总动态度相等）。
若是转入或是转出动态度比总转化大，说明该种用地类型在这一时刻比较活跃，土地利用类型变化较快；若是转入转出活跃度比总转化度小，说明该种用地类型在这一时刻变化较小，较为稳定。
2 结果与分析
2.1 土地利用动态变化分析
在ArcGIS软件中，根据研究要求，处理得到1990、2000、2013年3个时段土地利用类型分布（图1），从中可以较为直观地看出土地利用类型在空间上的变化特征。为了准确地分析研究区土地利用类型在数量上的变化特征，通过ArcGIS软件中统一地物分类体系、同一空间分辨率、统一投影和坐标系，经过不同时段的融合和叠加过后，得出了1990～2000年、2000～2013年两个时段的土地利用转换情况（图2～3），在此基础上，利用公式（3）计算得到1990～2013年土地利用面积变化情况（表1）。
2.1.1
数量变化特征。从表1可以看出，1990～2013年，安庆市城镇用地、裸露岩石地、其他建设用地、疏林地、水库池塘和有林地的面积在增加，其中城镇用地、其他建设用地和水库池塘增长的速率较快，而其中其他建设用地的变化速率最大；高覆盖度草地、灌木林、旱地、河渠、农民居民点、其他林地、水田和滩地的面积都大量的减少，其中减少最快的是灌木林，年均减少率为4.177%。
2.1.2 空间变化特征。
（1）从图1可以看出，灌木林、高覆盖度草地等主要集中于岳西县、太湖县和宿松县；水田主要分布在怀宁县、望江县、宿松县较为平坦的地区；1990～2000年怀宁县、望江县、宿松县等安庆的东部地区还存在高覆盖度草地，但是到2013年，这些地区这种地物类型几乎减少为0。在大别山山脉的影响下，安庆市西部地区多山地，地形起伏较大，不适合工业经济的发展，土地利用多为自然植被；而东部地区，地形平坦，适于道路、工厂的建设，工业经济发展多集中在此，建设用地使用量较大。
（2）从图2可以看出，1990～2000年，从空间上水田的转化最为明显，还有裸露岩石地、其他建设用地、农民居民点转入量也较高；相应的，河渠、湖泊和其他林地转出量较多。主要是由于1990～2000年安庆市经济发展缓慢，工业产业还未抬头，当地人民还是主要依赖于农业，导致大量的“变林为耕”，农田大量增长，而森林和草地减少。
（3）从图3可以看出，2000～2013年，其他建设用地、水库坑塘、有林地、城镇用地等转入量增加较为明显，其中其他建设用地变化最大，高覆盖度草地、灌木林、旱地、河渠和水田的转入量较大。
2.1.3 总动态度特征分析。利用模型（1）～（3），得出1990～2000年、2000～2013年、1990～2013年土地利用动态度分别是0.512%、8.194%、4.741%。1990～2000年的动态度较于整个研究时段（1990～2013年）来说较小，说明在这一时间段内整体土地利用变化速率较慢；2000～2013年土地利用动态度是1990～2013年时间段的2倍，明显高于整个研究时间段的动态度，2000～2013年研究区域的整体土地利用变化速率较快。
2.2 地类转换活跃度变化分析
地类活跃度是具体的某种用地的转入、转出展开的研究的，用来表达该种地类在该时间段内的稳定程度。
利用公式（5），计算得出1990～2013年不同土地用地类型转入转出的活跃度（图4）。在此基础上，各地类转移活跃度分别用转入和转出动态度的均值表示；负值表示该用地类型转移低于平均水平，表示不活跃，较为稳定；正值表示该用地类型的转移高于平均水平，表示活跃[5]。
由图4可知，1990～2013年研究区高覆盖度草地、灌木林转入、转出活跃度都较高，表明这2种土地利用类型转换较快，而且高覆盖度草地和灌木林的转入比转出的值大，说明面积总量增加。城镇用地、河渠、疏林地、水库池塘的转入量为负值，说明在这段时间，这些土地利用类型的活跃度较低，较为稳定。
2.3 2000～2013年土地利用变化驱动力分析
2.3.1
退耕还林。安庆市自2002年实施退耕还林工程项目以来，随着坡耕地逐年退耕造林，植被逐渐恢复，山区增加森林面积7.47万hm2，全市森林覆盖率提高 3%，山区水土流失明显减少，自然灾害发生频率逐年下降，为农业实现稳产增收打下了坚实基础。目前，退耕还林营造的茶、桑等经济林已进入收益期，每年每公顷可获纯收益 7 500元以上[6]。退耕还林工程使大量的水田和旱地转化成有林地，造成2000～2013年耕地的减少和有林地的增加。
2.3.2
退耕还湖。安庆市从1955年开始对湖区进行有计划的垦殖，但1998年，长江流域遭遇百年一遇的洪水，安庆沿江地区损失惨重，围湖造田导致的行蓄洪和抗洪隐患凸显，此后，“平垸行洪，退田还湖，移民建镇”成为沿江平原湖区的战略措施，以消除围湖造田的隐患[7]。从图2、图3可看出，河渠和水库坑塘的转转入量增多，水库坑塘的增加速度较快；退耕还湖工程使大量的水田和旱地转化成河渠、水库湖泊，造成2000～2013年耕地面积减少。
2.3.3
“861”行动计划等重大战略计划。“861”行动计划是安徽省实现全面建设小康社会奋斗目标的重要基础和支撑力量，是促进经济结构战略性调整、培育富有竞争力的支柱产业和新增长点的重要抓手，是促进经济社会全面、协调、可持续发展的重要载体。由于国家、省部的大力支持，安庆市的经济发展迅速，拥有安庆经济技术开发区、安徽桐城经济开发区2个国家级经济技术开发区，还有9个省级经济技术开发区，分别是：安徽安庆大观经济开发区、安徽枞阳经济开发区、安徽太湖经济开发区、安徽宿松工业园、安徽宿松临江产业园、安徽望江经济开发区、安徽安庆长江大桥经济开发区、安徽怀宁经济开发区、安徽潜山经济开发区等。经济的快速发展，就会引发建设用地的扩张，因此，1990～2013年建设用地变化速度较快。
2.3.4
人口的增长。经济基础的改善，就会引发人口的增长。相应的就会发生土地利用类型的变化，用来适应人口不断增长的需要。
3 结论与建议
该研究根据遥感影像数据，运用RS和GIS技术手段，对1990～2013年安庆市土地利用变化进行分析，得出以下结论及建议：安庆市的绿色植被较多，土地植被覆盖率高，生态环境好，与之对应的城市建设用地相应较少，所以，安庆市应该合理地做出规划，从生态城市绿色城市这条路；从2000～2013年的土地利用变化看出，退耕还林（还湖）等政策对安庆市的土地利用格局影响较大，取得的效果也比较明显，所以，在安庆市发展的过程中，应当注意政府的正确引导；结合安庆市地形图可知，安庆市多山地，植被多，可形成局部小气候，具有环境优势，安庆市发展应该注重对生态环境的保护，不能破坏了良好的生态连续性。
参考文献
[1]王秀兰，包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展，1999（1）：83-89.
[2]刘惠明，尹爱国，苏志尧.3S技术及其在生态学研究中的应用[J].生态科学，2002（1）：82-85.
[3]陈佑启，VERBURG P H.基于GIS的中国土地利用变化及其影响模型[J].生态科学，2000（3）：1-7.
[4]罗亚，徐建华，岳文泽.基于遥感影像的植被指数研究方法述评[J].生态科学，2005（1）：75-79.
[5]徐国富安庆市整改退耕还林审计发现的问题[N].中国审计报，2009-10-21（002）.
[6]张理华，周葆华.安庆沿江湖泊围垦与退田还湖[J].宿州学院学报，2011（11）：10-14.
[7]全泉，田光进.基于GIS的北京市城乡景观格局梯度时空变化研究[J].生态科学，2008（4）：254-261.
