基于地理国情监测的土地利用时空演变及其驱动力研究*

郭送民

(广东省工程勘察院，广东 广州　510510)



基于地理国情监测的土地利用时空演变及其驱动力研究*

郭送民

(广东省工程勘察院，广东 广州510510)

在广东省某地区2015年地理国情普查成果的基础上，利用遥感解译标志，对2011年、2013年遥感影像数据进行遥感解译，提取土地利用与覆盖数据。利用GIS技术手段，监测广东省某地区2011年至2015年期间全区土地利用与覆盖动态变化过程，结合土地利用规划数据、社会经济数据、人口等数据，分析土地利用与覆盖的时空演变的影响因素和内在驱动力，掌握土地资源变迁的内在机制，为政府部门在城镇化建设、城市管理、城市规划、产业规划等行政管理方面提供有效的决策支持。

地理国情监测；GIS；土地利用与地表覆盖；时空演变

0　引言

地理国情普查是一项重大的国情国力调查，是全面获取地理国情信息的重要手段，国务院第一次全国地理国情普查领导小组下发文件(国地普办[2014]7号)，提出为认真落实李克强总理“加强地理国情监测，及时发布监测成果和分析报告，为科学发展提供依据“的重要指示和张高丽副总理在第一次全国地理国情普查电视电话会上提出的“坚持边普查、边应用的原则，加快成果转化，充分发挥普查工作效用”的重要讲话精神，要求在开展地理国情普查工作的同时，加快普查成果应用，强化地理国情监测，尽快实现地理国情信息对政府、企业和公众的服务[1]。

本文利用GIS技术手段，以2015年广东省某地区地理国情普查数据为基础，以2011年、2013年遥感影像为数据源，解译2011年、2013年土地利用覆盖数据，通过面积统计、叠加分析显示土地利用覆盖的变化过程。在此基础上，分析发生变化的原因和内在驱动力，为政府部门调整土地利用政策，为土地利用和开发过程进行管理、规划和监督提供有效的数据支持，进而合理配置土地资源，提高土地利用价值[2]，从而缓解人地矛盾，减少人类对生态环境造成的影响。

1　数据分析与处理

地理国情普查中，土地利用覆盖分为10个一级类，58个二级类，135个三级类。结合该地区地理国情特色，充分利用2015年第一次地理国情普查的数据，将土地利用覆盖类型划分为12类，具体与地理国情普查的分类对应情况[3]，如表1所示。

在ArcGIS平台下，从2015年地理国情普查成果中提取2015年的地表覆盖数据，在此基础上，通过对2011年、2013年与2015年遥感影像的变化检测，对发生变化的土地利用覆盖斑块进行修整，获得2011年、2013年土地利用覆盖数据。

表1　土地利用覆盖类型分类

2　土地利用空间格局及其动态变化

2.12011年、2013年、2015年土地利用数量总体变化

利用ArcGIS软件，分别将2011年、2013年、2015年分类结果进行叠加分析，得到土地利用覆盖类型相互转换的数量关系矩阵。把经过叠加处理的影像分类结果作进一步的处理，即分别提取出不同的覆盖类型，得出各个土地利用覆盖类型的变化面积，如表2所示。

表2从土地利用覆盖数量上说明2011-2015年期间土地利用覆盖的变化情况。总体来看，该地区人工景观增多，自然半自然景观减少[4]。

2.2不同时段土地利用覆盖数量变化

图1展示了2011-2015年期间不同时段土地利用覆盖变化情况并不相同。若利用土地利用覆盖变化数量的绝对值来计算，2011-2013年期间，该地区土地利用覆盖变化面积为34.94 km2，比例变化为4.33%。2013-2015年期间，该地区土地利用覆盖变化面积为40.50 km2，比例变化为5.02%。两个时段中，自然半自然景观中的草地和水域是变化较大的地类；人工景观除构筑物变化不大外，其他变动都相对较大。

表2　广东省某地区2011-2015年土地利用覆盖变化面积

图1　不同时段土地利用覆盖变化数量Fig.1　Change number of land use and cover for different periods

2.3土地利用覆盖变化转移矩阵

转移矩阵可以有效地表达两个时期不同类型土地利用覆盖之间的相互转换关系[5]。表3、表4分别是2011-2013年、2013-2015年地类面积转移矩阵。从表中可以看出：水域、耕地在两个阶段(2011-2013年、2013-2015年)都呈现减少趋势；园地、林地、草地在前一阶段(2011-2013年)稍微有所增加，而在第二阶段(2013-2015年)呈现减少趋势。

2.4土地利用覆盖监测模型

目前，关于城市土地利用与覆盖监测模型的研究有很多，但各种模型都有相应的适用条件和要求，本文将选择适合该地区且易于操作的技术模型对土地利用与覆盖的数据进行分析。具体采用的计算模型包括：土地利用动态度模型、土地利用多样性指数模型、土地利用破碎度指数模型、土地利用空间格局分析模型。

表3　2011-2013年广东省某地区土地利用覆盖转移矩阵　(单位：km2)

表4　2013-2015年广东省某地区土地利用覆盖转移矩阵　(单位：km2)

2.4.1土地利用动态度模型

土地利用动态度模型是表现土地利用变化速度的数学模型[6]，主要分析各种地类在不同年份的变化量大小，其数学公式为：

(1)

式中：Ua为监测初期地类面积；Ub为监测末期地类面积；T为监测周期。

2011-2013年和2013-2015年的土地利用动态度计算结果，如表5所示。

通过对表5中数据的分析，可以得出该地区2011-2015年期间土地利用动态变化存在以下特点：

1)耕地、水域、裸露地表面积逐渐减少，耕地、水域面积变化幅度不大，裸露地表面积变化幅度较大；

2)园地、林地、草地和构筑物在2011-2013年间有少量增加，2013-2015年间减少，变化幅度不大；

3)房屋建筑区、道路、温室、大棚、建筑工地逐年增加，除建筑工地增长比较明显外，其余几类增长幅度不大；

4)人工堆掘地在2011-2013年间有所减少，但在2013-2015年间呈大幅增长态势。

表5　2011-2013年和2013-2015年的土地利用动态度

2.4.2土地利用多样性指数模型

土地利用多样性指数描述土地利用类型的丰富程度和复杂程度，反映土地利用类型的多少和各种类型所占的比例，可以从整体上分析土地利用结构变化的趋势。本文选用的数据模型为：

(2)

式中：H为土地利用多样性指数，其中，H值越大，土地利用多样性程度越大；Pi为各种土地利用类型所占的百分比；n为土地利用类型的种类。

2011年、2013年和2015年的土地利用多样性指数计算结果，如表6所示。

表6　2011年、2013年和2015年土地利用多样性指数

从表6可以得出，2011-2015年期间，该地区土地利用多样性指数变化不大，基本上持平。

2.4.3土地利用破碎度指数模型

土地利用破碎度指数是描述土地利用被分割的程度，在一定程度上揭示了人类活动对土地利用的影响，其模型为：

(3)

式中：C为破碎度指数，其中，C越大，表示土地利用越趋于破碎化；ni为土地利用所有类型斑块的个数；F为土地总面积。

2011年、2013年和2015年土地利用破碎度指数，如表7所示。

表7　2011年、2013年和2015年土地利用破碎度指数

从表7可以得出，该地区自2011年以来，土地利用破碎度指数基本接近，说明该地区土地利用覆盖变化程度不大。

2.4.4土地利用空间格局分析模型

土地利用空间格局分析是采用土地利用相对重要性指数来分析土地利用类型的空间分布，反映不同土地利用类型在区域中的不同地位和重要性，其计算模型为：

Zi=(1/Fi)/∑(1/Fi)

(4)

Fi=Di/Si

(5)

其中，

(6)

Si=Ai/A

(7)

式中：n为土地利用类型i的斑块总个数；A为土地总面积；Ai为土地利用类型i的面积；Si为土地利用类型i的面积指数；Di为土地利用类型i的距离指数；Fi为土地利用类型i的分离度；Zi为土地利用类型i的相对重要性指数，其中，Zi越大，表明土地利用类型i在区域中越重要。

2011年、2013年、2015年的土地利用空间格局指数，如表8所示。

从表8可以看出，该地区从2011年到2015年的土地利用空间格局变化较小。

3　土地利用覆盖时空变化的驱动力分析

3.1产业结构

该地区原本是一个以生产塘鱼、水稻、蚕桑、甘蔗为主的农业县，工业基础比较薄弱，土地利用结构以农业用地为主。从改革开放到20世纪90年代初期，该地区通过对自身经济的发展和经济结构分别进行不断的总结和及时的调整，以“工业立县”为发展战略，大力发展工业，特别是乡镇企业，第二产业、第三产业在土地利用结构所占比例迅速上升，第一产业(农业)用地所占比例持续下降。改革开放尤其是步入21世纪以来，经济发展高速增长。从产业结构来看，该地区主要以第二、第三产业为主，第一产业所占比例较小，第三产业呈逐年增加趋势，但仍以第二产业为主导地位，如图2所示。

表8　2011年、2013年、2015年的土地利用空间格局指数

表8(续)

覆盖类型 2011年 2013年 2015年 DiFiZiDiFiZiDiFiZi房屋建筑区3.2513.970.113.3113.750.113.2813.400.10道路0.303.780.400.283.440.420.273.130.43构筑物1.6135.190.041.6335.430.041.6235.520.04温室、大棚0.31131.190.010.33137.800.010.39125.820.01人工堆掘地0.3754.470.030.3775.310.020.5535.460.04建筑工地0.3534.940.040.4231.530.050.4421.990.06裸露地表0.09511.950.000.07588.420.000.04892.440.00水域3.4311.070.143.4311.750.123.4312.040.11

图2　2011-2015年广东省该地区产业结构变化Fig.2　Industrial structure changes in a district of Guangdong province from 2011 to 2015

注：图2中的数据来源于该地区统计年鉴。

伴随经济增长(见图3)的，是工业独大所造成的建设用地人工景观的增加，且不断侵占农业用地。

图3　2011-2015年广东省该地区GDP增长Fig.3　GDP growth in a district of Guangdong province from 2011 to 2015 注：图3中的数据来源于该地区统计年鉴。

3.2人口增长

人口是人类社会经济诸因素中对土地利用变化的影响最主要的因素，也是最具有活力的土地利用变化的驱动力之一。人可以通过生产技术、活动方式调节和组织土地利用系统的结构，占用一定面积的土地用作生存生活的场所，消耗土地利用系统的产品，增加对人地系统生产力的压力。因此，人口的增长必然导致居住用地的扩大和土地利用系统输出产品需求的增加。2011-2015年，该地区常住人口有所增加，同时还伴随着工业所带来的大量流动人口(见图4)，也导致了建设用地的增长。

图4　2011-2015年广东省该地区人口增长Fig.4　Population growth in a district of Guangdong province from 2011 to 2015 注：图4中的数据来源于该地区统计年鉴。

3.3农业生产效益变化

农业生产结构调整和农业剩余劳动力转移，园艺业已经形成品牌效应，集约化程度高，经济效益高，不少农民把部分耕地变为果园、花卉等。“桑基鱼塘”已经名不副实，部分桑基鱼塘也慢慢地转变成建设用地或是花卉用地。

4　结论

本文利用已有地理国情普查数据、高分辨率遥感像数据和其他专题数据，按照统一的标准和技术要求，完成广东省某地区土地利用与土地覆盖时空变化监测，结合社会经济发展等各方面资料，对发生变化的原因和内在驱动力进行分析，为当地政府部门城镇化建设、城市管理、城市规划、产业规划等行政管理提供了有效的决策支持数据，为土地利用和开发过程进行管理、规划和监督提供有效信息支撑。但由于收集资料

的限制，仍然存在一些不足，在今后的工作中可以进一步的深入和强化，建立常态化监测及应用机制。

[1]付治河.基于地理国情监测的城市扩张分析研究[J].测绘通报，2013(3)：98-101.

[2]唐根，陈铸.基于地理国情监测框架下长沙市望城区地理空间分析[J].国土资源导刊，2014，11(10)：129-132.

[3]张勇.地理国情普查和土地利用变更中耕地数据的对比[J].地理空间信息，2015，13(5)：4-5.

[4]刘淑红，邓开艳，宋昊，等.景观格局在地理国情综合统计中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2015，38(4)：71-73.

[5]郑敏辉，王海云，李灿，等.基于地理国情监测的清远开发区土地利用时空演变分析[J].地理信息世界，2015，22(5)：27-32.

[6]简煊祥，卢菲菲，杨永均.建筑用地变化的福州市地理国情监测[J].测绘科学，2015，40(3)：68-70.

Research on Land Use Spatial-Temporal Evolution and Its Driving Forces Based on Geographical Conditions Monitoring

GUO Song-min

(Guangdong Engineering Investigation Institute,Guangzhou Guangdong 510510，China)

Based on the results of Geographical Conditions Census in a district of Guangdong province in 2015, the data of land use and land cover was extracted by remote sensing image interpretation of 2011 and 2013 by means of remote sensing interpretation symbol.With GIS technology, the dynamic changes of land use and land cover in a district of Guangdong province from 2011 to 2015 can be monitored. In combination with the planning data of land use,and social economy and population, the study analysed the influencing factors and internal driving forces of spatial-temporal evolution of land use and land cover. Furthermore, the internal mechanism of the changes of land resources has been established, and thus it can provide the effective guidelines for the administration in town construction, urban management, urban planning, industrial planning,and so on.

Geographical Conditions Monitoring；GIS；land use and land cover；spatial-temporal evolution

2016-05-24

F 301.2

A

1007-9394(2016)03-0005-05

郭送民(1974～)，男，广东紫金人，学士，工程师，现主要从事不动产测绘、地理信息系统、摄影测量方面的应用研究工作。