基于ArcGIS的河南省土地利用变化特征研究*

2018-03-27王肖芳

中国农业资源与区划 2018年1期

王肖芳

(河南财政金融学院工商管理学院, 郑州 450046)

0 引言

土地是人们赖以生存及繁衍的重要资源，人们常将地球表面陆地由泥土和砂石组成的场所称作土地。随着城市化、工业化快速发展，经济发展对土地资源的依赖度有增无减。土地利用变化作为全球环境变化的重要原因之一，对景观格局、景观等级产生重要的影响。

目前，已有多数学者和专家对这方面开展全面的研究，形成相对成熟的理论体系。刘纪远等[1]研究称，土地利用变化研究应该包括变化监测、驱动力分析、全球变化对土地利用的影响、土地利用变化预测的建模以及土地利用变化导致的生物地球化学过程等。李平等[2]指出，我国现阶段土地利用变化驱动力存在空间差异，不同地区的土地利用变化情况不同。柴宏博等[3]以无锡市为研究对象，研究该区域2001～2008年土地利用情况与景观格局演变特征，说明无锡市存在突出的土地非农化和农用地非耕地化问题。倪杰、徐跃通等[4]以山东济宁省为对象，探析该地区土地利用及覆被空间格局演变情况，并得出人类活动对土地利用变化的影响已经超过了自然因素。

而在土地利用变化研究方法及途径方面，比较常见的是利用ArcGIS软件。ArcGIS软件可以用来创建地理数据库并构造信息和知识，编辑地理数据集，建立数据编辑和质量控制的工作流，创建地图和分析模型并将工作和方法记录成文档。兰寅等[5]通过ArcGIS软件，生成了铜仁市滨江旅游大道的不规则三角网图，并用于后续研究，指出该方法不需要投入大量的设备，成本低，速度快，值得大力推广使用。刘立国等[6]于2011年就ArcGIS软件生成土地利用现状图的步骤过程进行了详细说明，主要介绍了制图综合的原理，借助ArcGIS软件提供的功能模块及编辑工具，进行人机分工，交互式完成土地利用现状图的缩编。赵德[7]利用ArcGIS软件提取TM影像波段值，并计算植被指数，用于研究青海省海南藏族自治州天然草地植被特征。张霞[8]等以ArcGIS为技术平台，结合景观分析软件Fragstats3.3，应用空间分析法和景观指数分析法，分析了重庆市低山丘陵区农村居民点分布格局及其影响因素。

现阶段，河南处在综合实力和社会经济快速发展的时期，保障国家粮食安全任务艰巨。因此，其对土地资源的需求更强烈。但该地区在发展中存在各类用地盲目扩张、低效率用地等问题，制约河南省经济的发展。如何处理好经济可持续发展与土地高效率利用之间的关系，成为河南省急需研究和解决的问题。现已涉及的关于河南省土地利用变化特征及空间布局的研究比较薄弱[9]。该文以河南省为研究对象，在地理信息和遥感技术的支持下，借助ArcGIS软件，深入分析2005～2010年土地利用变化情况，以期为日后合理开发、利用土地资源提供一定指导。

1 研究地概况

河南地处我国中部偏东、黄河中下游地区，与河北省、安徽省、陕西省等地毗邻，河南界于北纬31°23′～36°22′，东经110°21′～116°39′之间。地势西高东低，西、南两地多为丘陵、山地，东、中、北部均为辽阔的平原地带，省域面积约为16.70万km2，其中，平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.70%、26.60%和17.70%。河南省土地利用主要以耕地、林地及建设用地为主，自20世纪90年代末，耕地逐渐向建设用地转化。河南省境内流域面积100km2以上的河流有493条，分别属于黄河、海河、长江和淮河四大水系。河南省属于温度大陆性季风气候区，全省由南向北年平均气温为15.7～12.1℃，年均降水量532.5～1 380.6mm，降雨以6～8月份最多，年均日照1 848.0～2 488.7h。综上所述，优越的地理位置、适宜的气候条件、肥沃土地等资源，为河南省的经济和社会发展提供充足的条件。了解河南省地理环境情况的变化规律及特点，能够更好地利用土地资源，促进经济健康、可持续发展。

表1 土地利用类型分类体系

一级分类二级分类编号名称编号名称1耕地11水田12旱地2林地21有林地22灌木林地23疏林地24其他林地3草地31高覆盖度草地32中覆盖度草地33地覆盖度草地4水域用地41河渠42湖泊43水库、坑塘44冰川永久积雪45海涂46滩地5建设用地51城镇52农村居民点53工交建设用地6未利用地61沙地62戈壁63盐碱地64沼泽地65裸土地66裸岩石砾地67其他未利用地

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究数据源自中国科学院资源与保护信息系统国家实验室，依据2005～2010年Landsat TM影像通过人机交互、野外考察得到。

2.2 研究方法

2.2.1 ArcGIS10.2软件

使用ArcGIS10.2软件对所得数据展开分析。搜集到的数据和图像，利用ArcGIS10.2软件建立矢量图层并人工勾画图斑范围。根据影像特征并结合土地利用类型分类体系进行地块类别解译分类，最终得到河南省土地利用类型面积表(表2)。其中，土地利用类型根据国土资源部发布文件的规定进行划分，分为耕地、林地、草地、水域用地、建设用地、未利用地6类(表1)。此外，采用ArcGIS10.2软件中的“交集制表”空间分析设备工具计算并获取了2005～2010年土地利用类型转移矩阵(表3)，具体操作是借助ArcGIS10.2空间分析功能对河南省20年土地利用情况进行叠加，获得土地利用类型转移情况。

表2 2005年、2010年河南省土地利用类型面积

土地类型20052010面积(万hm2)比例(%)面积(万hm2)比例(%)耕地1051 229663 931037 964663 12林地339 405520 64340 501620 71草地41 54692 5341 28302 50水域用地29 16171 7728 87461 76建设用地178 817110 87190 807311 6未利用地4 29900 265 02870 31

表3 2005～2010年河南土地利用类型数量转移矩阵万hm2

图1 2005年、2010年河南省土地利用类型分布

图2 2005年、2010年河南省土地利用数量变化

2.2.2 马尔科夫模型

利用ArcGIS10.2软件制作土地利用转移矩阵的参照模型是马尔科夫模型。马尔可夫模型是一种统计模型，用于描述某个包含隐含未知参数的马尔可夫过程，随之运用上述参数进行深入的分析，例如模式识别。马尔科夫链(Markov chain)是一种时间和状态均为离散的随机过程[10]。马尔柯夫的中心机制是转移概率和数量，在一定的时间内，土地类型i转化为j的转移发生率和转移数量。计算转移发生率是通过对过去土地利用转移数量的统计得出的[11]。采用马尔科夫模型描述河南省土地利用类型转移情况，即：每段时期各种土地利用类型增加与减少面积情况。

马尔可夫在研究自然界一类事物变化过程中仅与事物近期状态有关，与事物过去状态不关联，这种特性称作无后效性。无后效性计算公式为：

Xn+1=Xn×状态转移概率(P)

(1)

使用马尔科夫模型的关键在于明确各类土地之间相互转化的初始概率矩阵P，其具体表达过程为：假设共有E1、E2、En种土地利用类型，每次只能处于一种土地利用状态，但每种状态都有n中转向(包括转向自身，E1→E1，E1→E2，…，E1→En)。由土地利用类型Ei转移到Ej的概率为Pij(1≤i，j≤n)。

(2)

采用马尔科夫模型描述河南省土地利用类型转移情况，即：每段时期各种土地利用类型增加与减少面积情况，具体操作中，借助ArcGIS10.2空间分析功能对河南省20年土地利用情况进行叠加，获得土地利用类型转移情况。

3 结果与分析

3.1 土地利用格局分析

河南省土地利用程度较高，土地利用类型以耕地和林地为主，共占河南省总面积的83.00%以上。2005年的耕地面积和林地面积分别为1 051.229 6万hm2和339.405 5万hm2， 2010年的耕地面积和林地面积分别为1 037.964 6万hm2和340.501 6万hm2。其次是建设用地， 2005年的建设用地面积为178.817 1万hm2， 2010年的建设用地面积为190.807 3万hm2，占河南省总面积的11.00%左右。草地、水域用地和未利用地面积较小，占河南省总面积比例较小。

2005～2010年间，耕地、草地、水域用地面积减少。其中，耕地面积减少数量最多，为13.265 0万hm2，减少数量占2005年耕地面积总数量的1.26%。草地和水域用地分别减少2 639hm2和2 871hm2，减少数量占2005年原有土地类型面积总数量的0.64%和0.98%。建设用地、林地和未利用地面积增多，建设用地面积增加幅度最大，其次是未利用地和林地。未利用地增加1.096 2万hm2，增加数量占2005年未利用地数量的16.97%。建设用地和林地分别增加11.990 2万hm2和7 297hm2，增加数量占2005年原有面积数量的6.71%和0.32%。

3.2 土地利用类型空间转换

土地利用转移矩阵可以很好地显示各种用地间的流转关系，并且对各种用地间流转面积的确定也有一定的参考价值[12]，能深入分析河南省土地利用变化情况，揭示各类土地间转变数量及概率。2005～2010年间不同类型土地利用情况均发生了相应改变。

(1)耕地向建设用地转移量最大，转移面积为13.403 1万hm2。其次是林地和水域用地，转移面积分别为2.854 4万hm2和1.703 5万hm2。耕地向草地、未利用地等土地利用类型转移概率最小。河南省是我国的农业大省，耕地面积的大小直接影响到农业种植生产规模的大小。近年来，为提高农作物产量、加快建设现代化农业，河南省政府加大了耕地质量监测力度和耕地保护力度，进一步降低违法占用耕地比例，一定程度上使得耕地面积减少。另一方面，政府希望通过开垦增加耕地面积，但由于适宜开垦的耕地后备资源日趋减少，农村建设用地拆旧复垦难度增大，占补平衡困难，可利用的高质量耕地面积屈指可数。此外，农民的知识水平较为落后，农作物缺乏科学的施肥处理。目前，我国化肥中氮素的利用率为30%～70%，磷肥为10%～25%，钾肥为40%～70%，肥料利用率较低[13]。过量的化肥和农药残留在土壤中，导致土壤肥力下降甚至板结，耕地向其他土地利用类型转移。耕地转移的现象与自然环境也有很大的关系。近几年，河南省耕地沙漠化问题严重，一些自然灾害也导致耕地大面积的转移。此外，近年来河南省现代化建设速度的加快，也是导致河南省耕地面积减少，向建设用地转移量增多的原因。大力开发现代化楼盘和越来越密集的商业用房，占用了用于农业的土地。

(2)建设用地的变化主要来自耕地、林地的转移，耕地转移13.403 1万hm2成为建设用地，林地转移1 607hm2成为建设用地。河南省的经济在不断发展，城市化进程在不断加快。2005年河南省国民生产总值为1.053 520万亿元， 2010年河南省国民生产总值为2.294 268万亿元，年平均增长速率23.55%。在这种背景下，河南省不断改进当地交通运输和大众居住条件，势必会增加建设用地面积。而建设用地多选择在地势较为平稳的地方。耕地、草地和林地成为首选。此外，农村劳动力大规模转移进入城市， 2005年河南省农村劳动力转移数量为1 557.45万人， 2010年河南省农村劳动力转移数量为2 216.22万人，年平均增长速率8.46%。劳动力的转移造成大量耕地空闲待耕，耕地有效利用率下降。为保证土地资源的有效利用，空闲的耕地和农村居住用地被划分为建设用地。建设用地面积不断增加，耕地面积不断减少。

表4 2005～2010年河南省土地利用动态度

土地类型空间变化面积(万hm2)动态度(%)耕地5 05540 48林地1 96860 58建设用地1 73890 97草地0 24240 58水域用地2 18487 49未利用地0 29496 86

(3)未使用地出现转移的概率最大。这些未使用地主要向耕地和水域用地转出，转移面积分别为2 568hm2和7 673hm2。2010年河南省年降水量841.70mm，与2005年年降水量905.80mm相比，减少了64.10mm。此外，在河南省年降水量减少的前提下，河南省的地表水资源也在慢慢减少。2005～2010年，从435.92亿m3减少到415.70亿m3。部分水域慢慢干涸，水资源过度开发利用情况严重。在这种情况下，大量的水域用地变成未利用地，导致未利用地面积增加。同时，河南省还存在耕地向未使用地转移的情况，主要是由于耕地过度开垦，化肥农药污染严重，肥力大幅度降低，耕地面积大量流失，这种情况值得深入展开调查。

3.3 土地利用类型变化动态度

图3 2005～2010年河南省土地利用空间变化

依托ArcGIS10.2软件，通过对2005年、2010年土地利用空间分析，获得河南省不同土地利用类型动态度变化(表4)，并绘制土地利用类型动态度图(图3)。

河南省土地利用空间转移面积大小为耕地>水域用地>林地>建设用地>未利用地>草地。其中，耕地转移面积最大，为5.055 4万hm2。其次为水域用地，转移面积2.184 8万hm2。草地转移面积最小，转移面积为2 424hm2。而在动态度方面，不同土地利用类型的动态度大小为水域用地>未利用地>建设用地>林地、草地>耕地。动态度之所以出现与空间转移数量不同的变化，主要是由于2005年不同土地利用类型面积基数不同。水域用地动态度变化为7.49%，未利用地动态度变化为6.86%，耕地变化动态度最小，为0.48%。

耕地和林地之间的变换则表现为部分耕地退耕还林过程中在转为林地的同时，一些林地由于毁林转换成耕地，表明林业建设不可只重视植树造林，生态保护也应受到关注。然而，水域用地面积则经历先减少后增加的发展过程，这种情况与河南省气候、农业发展情况存在一定联系。耕地与水域用地位置转换源自部分水域干涸后被人们开垦为耕地，而有些耕地由于河道变迁或人工蓄水等转换成水域[14]。此外，河南省建设用地一直处于增加状态，主要源于某些耕地由于建设用地扩张被占用。开垦废弃的工矿居民用地是增加有效耕地的重要途径，也是合理调整土地利用结构必须关注的内容。此外，耕地和建设用地转换过程中，建设用地转移为耕地的可逆性较小，主要因城市周边和人口密集的农村耕地明显向建设用地转移。

4 结论及建议

4.1 结论

2005～2010年河南省土地利用格局发生了较大变化，通过对土地利用格局分析、空间转换特征及土地利用类型动态度分析，得出以下结论。

(1)2005～2010年河南省主要土地利用类型是耕地、林地和建设用地。

(2)2005～2010年河南省耕地面积减少，耕地向建设用地转移量最大。林地、草地和水域用地面积基本不变。建设用地面积增多，建设用地主要来自耕地、林地的转移。未利用地出现转移的概率最大，主要向耕地和水域用地转出。

(3)2005～2010年河南省单一土地利用动态度由大到小为水域用地>未利用地>建设用地>林地、草地>耕地。

4.2 建议

政府的各项政策、劳动力转移、城市化和现代化农业发展、资源不合理利用都是导致河南省土地利用类型变化的原因。结合河南省土地利用变化现状及其影响因素，政府可从以下几方面入手，促进河南省土地利用的健康发展。

(1)制定详细的土地利用总体规划。土地利用总体规划既要保证河南省现代化建设的顺利实施，又要满足农民对农业用地的需求，按照保发展与保“红线”并重的原则编制土地利用总体规划。规划要联系实际，做到根据形势变化及时修改和完善。例如，耕地面积的多少是一个地区发展的基本保障，面对河南省越来越少的耕地现状，要做到适时开垦，及时保护。此外，既要有总体规划，又要有实施细则，既有阶段目标，又有年度计划。河南省发展迅速，土地利用随时会出现新情况和新问题，规划要面面俱到。

(2)完善和落实各项政策措施。政府要本着节约优先的原则，以合理利用土地资源为核心，根据实际情况制定各项政策措施。农村劳动力的大面积转移已经成为土地利用变化的主要影响因素之一。在这样的背景下，政府有必要出台政策，对劳动力转移后农村的空房、空地进行相应的转移。一方面，可以避免土地资源的浪费；另一方面，可以加快河南省现代化发展的进程，加快旧房改造进程。

(3)注重生态环境保护。保护生态环境是一项长远的工作，任何的政策和措施均不能以牺牲生态环境为代价。河南省土地利用类型的变化中，建设用地的大面积增加虽然有部分来自未利用地的开垦，但也有部分来自于耕地和水域用地。耕地的减少，除了是因为河南省现代化建设迅速，建设用地需求量大，耕地向建设用地转移，也有一部分原因是因为耕地丢荒。在以后的发展中，要尽量做到保护环境，加大环保宣传力度，促进农民合理施肥等，避免有效用地转移成荒地。

河南省各类土地利用之间的矛盾日益激烈，建议相关部门依据各地地理条件、经济发展水平及土地利用中出现的问题，制定合理的政策和措施，努力保护好已有土地资源，为河南乃至中国经济的发展做出重要贡献。河南省作为我国的人口和农业大省，研究该地区土地利用变化情况，有利于在日后发展为合理利用土地提供一定参考。

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