城市化进程中土地利用变化及其空间分布研究

范　婷，朱晚秋，崔绿叶

(1四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川　成都　610068；2四川师范大学 地理与资源科学学院，四川　成都　610068)



城市化进程中土地利用变化及其空间分布研究

范婷1，2，朱晚秋1，2，崔绿叶1，2

(1四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068；2四川师范大学 地理与资源科学学院，四川成都610068)

在运用RS和GIS得到土地利用结构类型图的基础上，统计分析2003-2013年间凯里市各土地利用类型在数量上的变化速度以及在空间上的转移特征，并结合当地的地形条件分析土地利用变化在空间上的分布。结果表明：在城市化进程的推动下，研究区建设用地的变化幅度和变化速度尤为突出，分别高达188.47 %和18.85 %；而受地形条件的影响，大面积的土地转移发生在耕地、林地和其他用地之间；高程和坡度因子在一定程度上对区域的土地利用变化有阻碍作用。

土地利用变化，空间分布，城市化，凯里市

0　引言

土地利用 / 土地覆被变化在全球环境变化和可持续发展中都占有重要的地位，人类通过与土地有关的自然资源的利用活动改变地球陆地表面的覆被状况，而土地覆被变化也反过来深刻地影响着区域水循环、环境质量、生物多样性及陆地生态系统的生产力和适应能力[1]。近年来，在我国城市化发展速度不断加快和社会经济迅猛发展的影响下，区域土地利用结构不断发生变化，日益突出的土地利用冲突和人地矛盾使我国耕地资源所面临的形势更加严峻；同时城市不断向外扩展与城市内部土地粗放经营也使我国有限的土地资源越来越稀缺，这一系列问题使人们逐渐认识到探讨土地利用变化特征及其空间分布的重要性和迫切性。随着RS和GIS技术的不断完善和发展，借助高技术研究区域的土地利用变化，或者建立模型进行情景分析，探讨土地利用结构变化的形成规律及机制，仍是当前国内外在土地利用 / 覆被变化领域研究的主要趋势[2-6]。土地利用变化模拟与预测模型是土地变化科学的重要组成部分[7]，在国内以马尔科夫模型、元胞自动机模型以及CLUE-S模型应用最为普遍。本文选择位于喀斯特地貌区的凯里市为研究区，在遥感和地理信息系统技术的支撑下，分析其在城市发展过程中的土地利用变化情况；并从自然条件入手探讨喀斯特山区城市土地利用变化的空间分布，为该区今后的土地利用规划和管理整治提供科学依据。

1　研究区概况

凯里市地处贵州东南部，黔东南苗族侗族自治州西部，距贵阳市176公里，东邻台江县，南接丹寨县，西连福泉市，北交黄平县，地跨东经107°40′58″～108°12′09″，北纬26°24′13″～26°48′11″，处于云贵高原东侧阶梯状大斜坡(向中部丘陵过渡地带)的苗岭山麓，清水江畔。全市总面积1 556 km2，辖6个街道、9个镇、2个乡，现有总人口53.41万余人。境内有黔中山原和黔东中低山丘陵两个地貌区，最高点海拔1 447 m，最低点海拔529 m。属中亚热带湿润季风气候，年均温度16.1 ℃，降雨量1 243 mm。凯里资源丰富：森林覆盖率达53.28 %；境内有大小河溪153条；主要矿藏有煤、铁、铅、锌、铝土矿、硅石岩等，其中硅石的二氧化硅含量高达98 %，名列西南之冠。

2　数据与方法

2.1数据来源及其处理

本研究所采用的土地利用数据主要来源于2003年TM影像和2013年ETM+影像，时相为6-9月，影像质量较好，遥感影像均来自地理空间数据云(http：// www.gscloud.cn)。辅助数据和资料包括凯里市行政区划图和Google高清卫星地图。在ERDAS遥感图像处理软件支持下，参照谷歌高清卫星影像图，以土地用途、利用方式和覆盖特征为主要分类依据，对遥感影像进行目视判读并建立分类模板，将研究区土地利用划分为耕地、林地、水体、建设用地和其他用地5种类型，得到2003年和2013年的土地利用图。运用Arcgis10.1对两个时期的土地利用图数字化并进行空间叠加运算，计算出相应时期的土地利用类型转移矩阵，揭示不同时期土地利用类型的空间变化规律。

图1　凯里市土地利用格局分布图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土地利用数量变化模型

土地利用数量变化模型主要是用以反映在研究时段内区域土地利用变化的强弱程度和动态变化速度[8]。本文选择变化幅度模型和动态度模型来对凯里市各土地利用类型的数量变化及其变化速率进行计算和分析。

2.2.2土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是土地利用类型间相互转化的数量和方向定量研究的主要方法，它能够具体的反应土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向[9]。其数学表达式为：

(3)

式中，Sij为研究期内第i类土地向第j类转化的面积，i为研究期初土地利用类型，j为研究期末土地利用类型，n为土地利用类型的数量。

3　结果与分析

3.1土地利用结构及其变化特征

运用Arcgis10.1将分类处理后的遥感影像图转化为土地利用矢量图，经统计分析得到2003年和2013年两个时期各土地利用类型的面积及比例，在此基础上结合所选取的土地利用变化模型可进一步得出研究时段里该区的土地利用变化幅度和速度。

表1　凯里市2003年和2013年土地利用结构及数量变化Tab.1　Land use structure and quantity change of Kaili city in 2003 and 2013

凯里市2003年和2013年土地利用类型面积、百分比、土地利用变化幅度以及土地利用动态度从空间上表征了各种地类在不同时期的分布情况。从上表可以看出：凯里市2003-2013年间土地利用类型以耕地和林地为主。2003年耕地和林地所占面积较大，分别占研究区总面积的44.41 %和33.42 %；其次为其他用地，占土地总面积的16.96 %；水体和建设用地面积较小，分别占3.15 %和2.05 %。2013年土地利用类型以耕地、其他用地和林地为主，分别占土地总面积的37.66 %、28.97 %和21.10 %；水体和建设用地的面积仍然较小，分别占总面积的6.35 %和5.92 %。

从土地利用变化幅度来看，凯里市在2003-2013年间各土地利用类型的变化幅度普遍较大，其中水体、建设用地和其他用地面积增加，而耕地和林地的面积有所减少。在面积增大的土地利用类型中，以建设用地最为突出，变化幅度高达188.47 %；其次为水体，变化幅度达101.32 %；而其他用地也在2003年的基础上增加了70.79 %。相对而言，耕地和林地的面积在研究期内减少的幅度较小，耕地面积减少了15.20 %，林地面积减少了36.86 %。

从单一土地利用类型动态度来看，面积增加大的土地利用类型同时具有较高的动态度。建设用地的变化速度最快，平均每年的增加量达到18.85 %，充分表明凯里市近十年的建设规模正在不断扩大；水体和其他用地次之，每年增加10.13 %和7.08 %；同样耕地和林地的变化速度相比之下较小，每年减小速率分别为1.52 %和3.69 %。

3.2土地利用变化的空间转移

凯里市在研究时段内，各类土地利用类型的面积发生了很大变化，土地利用变化转移矩阵不仅可以定量说明各土地利用类型之间的转化状况，而且可以揭示不同类型间的转移速率。结合其数学表达式，运用Arcgis10.1中的叠置分析功能可以得到凯里市2003-2013年10年间的土地利用变化转移矩阵，如表2所示。

表2　凯里市2003-2013年土地利用变化转移矩阵Tab.2　The transfer matrix of land use change of Kaili city from 2003 to 2013　单位：/ km2

从矩阵表2可以看出：凯里市在2003-2013年间，各土地利用类型都存在转入与转出的情况，且各地类之间相互转化的面积量较大，表明在这10年间土地利用覆被的空间变化较大，土地利用结构处于快速调整期。

就土地利用类型的转出面积看，林地>耕地>其他用地>水体>建设用地；而从转入面积来看，其他用地>耕地>水体>建设用地>林地。具体到土地利用类型转化方向来看，耕地主要转化为其他用地，转化面积为72.12 km2，其次为水体和建设用地，转化面积分别为57.85 km2和41.06 km2；林地也主要转化为其他用地，面积多达127.41 km2，其次为耕地，转化面积为72.80 km2；建设用地、其他用地和水体主要转化为耕地，转化面积分别为5.50 km2、28.40 km2和11.15 km2。

在土地利用空间格局的分布上，面积明显增加的其他用地主要分布在凯里市东部，而面积显著减少的林地和耕地分布则遍布全市。城市中心地区以建设用地面积增加和耕地面积减少为主，建设用地的扩张基本上是在其原始基础上向四周发展，此外还有明显快速发展的炉山镇以及向西南(沿320国道)和东南(沿金山大道至三棵树镇主题公园游乐园)方向大力扩展。西北部各种土地利用类型的图斑总体来看变得比较零碎且分布广泛，这是由于在研究的10年时间里受自然和人文因素的影响比较大。

3.3土地利用变化空间分布分析

3.3.1高程

土地是人类一切活动最根本的物质基础，地形作为其最重要的组成因子之一，从而影响人类对土地的利用。有研究表明[10-12]，地形是影响人类土地利用最重要的自然因子，同时也是制约土地利用变化方向和速度的重要因素。而高程作为地形的主要组成要素之一，对区域的土地利用具有重大的影响。

图2　凯里市高程分级Fig.2　The elevation classification map of Kaili

图3　2003-2013主要土地利用类型转移分布图Fig.3　The distribution map of main land use type transfer

凯里市的海拔普遍较高，故根据其范围将其分为5个等级。结合2003-2013年的主要土地利用类型转移格局分布，可以看出凯里市在研究期间的土地利用 / 覆被变化主要发生在600 m～1 000 m高程范围内。具体来看，由于受地理位置及交通条件的影响，土地利用变化类型为耕地—建设用地的区域主要位于海拔较低的600 m～900 m高程范围内，且大多属于平缓的山谷地带；而考虑到耕作的可行性以及农作物的产量，林地—耕地、其他用地—耕地大部分都位于700 m～900 m区域；至于其他用地—林地位于700 m～900 m高程范围是地方在盘活空闲地的同时加强生态建设的结果；林地—其他用地的分布遍布全市，是凯里在研究区内土地利用变化最为活跃的一种类型。

因此可以得出：在600 m～900 m内高程对土地在耕地与建设用地之间变化的影响最大，其次是对林地、耕地和其他用地之间的影响。高程因影响气压、空气密度和气温的变化，对人类生产生活所能到达海拔高度具有决定性作用，使人类的耕作和居住多分布在海拔较低、气温较高区域，故土地利用 / 覆被变化也主要在这高程范围内发生。

3.3.2坡度

同高程一样，坡度也是地形的重要组成要素之一，它同样影响着区域土地利用的空间分布和数量变化。坡度对土壤类型的空间分布有着重要影响，同时也制约着农业耕作以及城市化建设等人类活动，因此是制约土地利用 / 覆被变化在空间分布上的一个重要因素。

图4　凯里市坡度分级Fig.4　The slope classification map of Kaili

根据凯里市的坡度情况，将其分为5类。将研究区的主要土地利用类型转移图和坡度图结合分析可知，研究区在2003-2013年间土地利用 / 覆被变化在0°～15°的坡度内变化最大，在15°～35°的坡度内次之，而在坡度达35°以上区域变化最小。发生在坡度0°～15°内的主要是耕地—建设用地的变化，在坡度15°～35°内是林地、耕地、其他用地之间的变化，而坡度在35°以上则变化甚小。这说明在0°～35°范围内坡度因子主要影响土地利用 / 覆被在耕地、建设用地、林地以及其他用地之间的变化，就耕地—建设用地这一变化来说，结合凯里自身的发展实际，一个位于“地无三尺平”的山区并正处于城市化大力发展阶段的城市，亟需占用大量坡度小的土地来满足整个城市的发展需求，因而坡度在0°～15°范围内的平坦地区发生土地利用变化现象尤为明显。

4　结论

本文将凯里市作为研究对象，以2003年与2013年遥感影像为基础资料，运用RS和GIS相关技术对其进行图像分类处理以及数字化分别得到凯里市两个时期的土地利用结构图。首先用土地利用数量变化模型和转移矩阵对凯里市在2003-2013年间的土地利用变化进行数量和空间变化上的分析，然后从高程、坡度等地形因素进行空间分布上的研究，可以得出以下结论：

1)在2003-2013年间，凯里市土地利用发生了剧烈变化。从土地利用变化幅度来看，建设用地的变化最为突出，高达188.47 %；从土地利用变化动态度来看，也属建设用地的变化速度最快，平均每年的增加量达到18.85 %，这充分表明了凯里市近10年的建设规模正在不断扩大，城市化的步伐逐渐加快。而从土地利用变化空间分布上来看，凯里市在研究期内各地类之间相互转化的面积量较大，主要发生在耕地、林地、其他用地之间的相互转移，这反映出该期间凯里市的土地利用结构处于快速调整期。

2)地形因素对凯里市的土地利用变化具有显著的影响。总体上高程与坡度对凯里市土地利用变化表现出明显的阻碍作用，即随着海拔升高或者坡度增加，相应范围内的土地利用变化程度逐渐减弱，而受城市化步伐快速推进的影响，这种阻碍作用在一定程度上被削弱，反倒出现“削峰填谷、向山要地”等现象。

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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，硕士研究生，主要从事土地利用与评价研究。