河南省典型样区地形对城镇建设用地多样性的影响

2021-01-04任圆圆张学雷李笑莹吴星宇

国土资源科技管理 2020年6期

任圆圆，张学雷，李笑莹，吴星宇

(1.郑州轻工业大学社会发展研究中心，河南郑州 450002；2.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001)

地形作为重要的自然要素之一，其在一定程度上制约并影响着土地利用的方式和空间分布格局。土地利用变化反映人类在利用自然环境的过程中的时间上和空间上的趋势和行为，其相关研究已受到全球环境领域研究者的关注[1-4]。土地利用变化的过程受到自然因素和人为因素的影响，而地形在一定程度上能够揭示自然要素对土地利用格局变化的演变过程[5-7]。城镇建设用地作为重要的土地利用方式之一，其一直是土地科学研究的热点问题之一，探讨城镇建设用地扩张特征变化在地形上的演变过程在一定程度上能够为城市化过程中土地资源的合理有效利用提供数据支撑和现实参考。

关于地形和土地利用变化间的研究，Fang等[8]在复杂的地形区域研究了植被带动力学下的土地利用变化对风能潜力影响的变化；B Jiménez-Esteve等[9]在一个复杂的地形区域探讨土地利用和地形对高分辨率中尺度WRF模型的影响；MU Songlin等[10]基于地形因子对北京山区沟域的土地利用变化进行研究；申怀飞等[11]研究了河南省西部黄河流域土地利用空间格局在不同地形梯度上的分异规律；路昌等[12]探讨了挠力河流域地形因素对土地利用格局变化的影响，以揭示土地利用在时间和空间上演变的过程、机理和形成的原因；张静等[13]选择垂直地带性强的秦巴山区分析其土地利用的垂直景观格局、土地利用的强度和变化；宋戈等[14]研究了黑龙江省巴彦县的土地利用空间格局在不同地形梯度上的特征，并重点分析地形因子对土地利用空间产生的影响；张平等[15]探讨了安徽省南部地区不同高程、坡度和地形位指数上的土地利用分布指数，以揭示地形因子与土地利用分布和变化之间的内在联系；关于地形和城镇建设用地之间的关系，杨传俊等[16]获取了粤北山区韶关市3个不同时期的建设用地信息，分析了丘陵山区上城镇建设用地当前的分布规律、扩张方向与高程、坡度以及地貌形态的关系；瞿诗进等[17]对长江中游经济带城镇建设用地在时空上的类型转换特征进行分析；牛叔文等[18]基于甘肃省天水市的地形复杂程度对建设用地的适宜性进行了相关评价。以上相关研究多以地形因子的高程、坡度、地形位指数等来衡量不同土地利用类型的变化程度、城镇建设扩张强度等。

多样性的概念与分析方法起源于信息论领域，20世纪90年代，以Ibáez[19-20]为首的一个西班牙研究小组首先提出了与生态学研究中生物多样性相平行的“土壤多样性”理论，并日益受到国际间各方的重视，其研究方法也日趋成熟[21-22]。21世纪初，张学雷等[23-24]将土壤多样性理论与研究方法引入中国并尝试有关研究；之后，段金龙等[25-27]将多样性理论用于评价土地利用类型变化和水体空间分布特征，任圆圆等[28-29]探讨了河南省的地形、土壤和地表水体多样性间的格局特征；郭漩等[30]分析了伊洛河流域不同地形坡度下水土资源和地表水体、土壤、城镇建设用地和交通运输用地多样性间的特征，从而使多样性在土壤学、土地资源学、自然地理学等地学领域的研究视野变得更为开阔。鉴于此，本文将多样性最新的测度方法运用到城镇建设用地与地形要素空间分布多样性的分析之中，运用改进的仙农熵指数计算研究样区的地形多样性、城镇建设用地空间分布多样性及不同地形上分布的城镇建设用地的空间分布离散性特征，从新的视角探讨二者间关系，以期为城镇建设用地的合理布局和人们对城市的生态需求提供不同的数据参考。

一研究样区与研究方法

(一)研究区概况

根据自然生态环境的差异性，选取河南省北、中和南部的部分县市作为研究样区(图1)，样区基本信息见表1，3个样区之间的面积均在5 000 km2～5 300 km2之间。豫北样区的安阳市位于河南省最北部，地处豫、晋、冀三省的交界处，地形复杂多样性，地势西高东低；鹤壁市位于太行山东麓向华北平原过渡地带。豫中样区地势较为平坦，平原面积居多，部分地区也分布有丘陵与河川相间的地貌；豫南样区的固始县和商城县属于河南省最南部的信阳市，是南北方的过渡地带，地势南高北低。且豫北和豫中样区地处暖温带，属温带季风气候，豫南样区跨亚热带，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候。

图1 研究区位置示意

(二) 数据来源与处理

地形数据来自地理空间数据云平台的DEM数据的解译，不同研究时期城镇建设用地数据来自于地理空间数据云平台的Landsat数据，影像的具体下载时间见表1。其中，不同研究区2001年和2007年的数据为Landsat7的TM传感器获取，2017年数据为Landsat7的OLI传感器获取，获取季节在4月底和5月初主要为了减少郁葱植被对城镇建设用地的遮挡与覆盖。3个研究时期之间相差17年，旨在研究不同区域不同时段城镇建设用地在研究区内的面积变化和空间分布离散性变化，并探讨不同地形对城镇建设用地空间分布格局产生的影响。为了便于比较，研究数据采用的坐标系和投影均为WGS84坐标系和UTM投影。

表1 研究样区和数据来源

数据处理软件有ENVI4.5，ArcGIS10.2，具体处理步骤为：首先，获取不同样区不同时期的遥感影像，运用ENVI4.5软件的最大似然分类方法对研究区的数据进行监督分类，在分类的过程中对于不确定的区域需要结合Google Earth高清图像进行校正；其次运用ArcGIS10.2软件处理土地利用分类的矢量数据，提取出不同样区不同时期的城镇建设用地数据；最后，生成不同研究样区的1 km×1 km网格，并将其与城镇建设用地数据进行叠加并运用改进的仙农熵公式计算地形多样性、城镇建设用地多样性和不同地形上的城镇建设用地分布格局。

(三)研究方法

1.多样性测度方法

在多样性测度方法中有经典的仙农熵公式，为更好地表征研究区域对象分布的均匀程度和空间离散程度，以1 km×1 km的格网为尺度计算地形和城镇建设用地各自空间分布多样性指数。使用如下改进的仙农熵公式：

(1)

式中：在地形和土地利用空间分布多样性中，多样性指数Yh[21]表示研究区内某个地形类别或不同时期的城镇建设用地在样区内的空间分布多样性特征，即单个地形类别或单个时期的城镇建设用地在空间分布上的离散性特征。S表示研究区空间网格的总数目，pi表示第i个空间网格里某类地形(或某一年的城镇建设用地)的面积占研究区内该地形类别(或该年份的城镇建设用地)总面积的比例。

多样性指数Yh的取值区间为[0，1]，当相对丰度分布极度不均匀，即当一个或少数几个对象处于支配地位时，Yh取值趋于0；当相对丰度分布均匀，即每个对象都均匀分布时，Yh趋于1。在空间分布多样性中，单个地形类别或单个时期的城镇建设用地空间分布离散性越强，Yh取值越大。当单个地形类别或单个时期的城镇建设用地集中分布在研究区内少数几个网格时，Yh取值趋于0；当在研究区内网格中均匀分布时，Yh取值趋于1。

2.关联性分析测度方法

为探讨地形和城镇建设用地空间分布之间的关联性，使用以下关联系数：

(2)

式中：A和B分别为不同样区的地形类别和不同样区不同时期的城镇建设用地，r(A,B)[31]为某一样区内地形类别A和该样区内某一时期的城镇建设用地B之间的关联系数，Yh(A)和Yh(B)分别为地形和城镇建设用地的空间分布多样性指数，应用公式(1)进行计算，Yh(A,B)表示地形类别A和城镇建设用地B公共斑块的空间分布多样性指数,计算公式如下：

(3)

(4)

(5)

其中，p(i,j)为联合分布概率。

在关联性分析中，关联系数r(A,B)的取值区间为[0，1]。如果某样区内的某一地形类别A和该样区内某一时期的城镇建设用地B公共斑块在研究区内少数几个网格(或没有公共斑块)时，Yh(A,B)的取值趋于0(或Yh(A,B)=0)，表明二者关联性很弱(或不相关)，即该类地形对该样区内某一时期的城镇建设用地空间分布情况的影响很弱(或无影响)；如果A和B的公共斑块分布均匀时，Yh(A,B)的取值趋近于1，表明二者的关联性很强，即该类地形对该样区内某一时期的城镇建设用地空间分布情况的影响很强。Yh(A,B)在[0，1]内的取值越大，表明某样区内的某一地形类别A和该样区内某一时期的城镇建设用地B的空间分布特征的相关性越强，即该类地形对该样区内某一时期的城镇建设用地空间分布情况的影响越大。

二结果与讨论

(一)地形空间分布多样性特征

地形空间分布多样性表征不同类别的地形在研究区空间分布上的离散性程度。地形的空间分布多样性指数越大，表明该类别的地形在与之对应的研究样区的行政区域内分布状况越均匀；反之，空间分布多样性指数越小，则表明分布状况越零散。通过对豫北、豫中和豫南样区的DEM影像进行解译得到了平原、地形和丘陵三种地形类别(盆地地形所在区域均不在本次研究所选择的样区内，故不予考虑)。然后，将不同样区的1 km×1 km网格矢量图与相应的地形图叠加，带入公式(1)得到不同研究样区内3种地形的空间分布多样性值，其结果见表2。

由表2可知：就面积比例而言，3个研究样区平原地形所占的面积比例均在53%以上，说明3个研究样区均以平原地形为主，但豫北样区平原地形比重最小，丘陵地形在其研究区内也有32%的分布比重。且豫南样区的丘陵地形和山地地形的面积比例在3个研究区中均是最低的。就空间分布多样性值而言，总体看3个研究样区地形空间分布多样性指数，平原最高、丘陵次之、山地最低，其多样性的平均值分别为0.95，0.85和0.72。综上，3个研究样区均是以平原地形为主，其面积比例和空间分布多样性值在相应的研究区内均是最大的，且豫南样区(包括固始县和商城县)的山地地形的面积比例和空间分布多样性值均是最小值。

表2 研究区不同时期城镇建设用地空间分布多样性

(二)城镇建设用地空间分布多样性特征

1.不同研究样区城镇建设用地的面积变化

从土地利用信息数据库中提取豫北、豫中和豫南样区在三个不同时期(2001年、2007年、2017年)内的城镇建设用地数据，运用ArcGIS10.2软件对相应的图层进行叠加分析，并计算其面积和其在空间上的离散状况。统计3个研究样区三个时期的城镇建设用地面积的情况，其结果见图2。

图2 研究区不同时期城镇建设用地面积的变化

图2是豫北、豫中和豫南样区在不同研究时期的城镇建设用地总面积的变化情况，可知：总体看，3个研究样区不同研究时期建设用地总面积豫北样区>豫中样区>豫南样区，且随着时间的推移3个样区的城镇建设用地总面积均处于上升趋势；就各个研究样区而言，3个样区不同时期的面积上升幅度存在差异。其中，豫北样区2001—2007年(时期Ⅰ)的上升幅度是14%，2007—2017年(时期Ⅱ)的上升幅度是33%；豫中样区两个研究时期的上升幅度48%和16%；豫南样区两个研究时期的上升幅度分别是2%和72%。即豫北样区和豫南样区均是研究时期Ⅱ的涨幅大于研究时期Ⅰ，不同的是豫南样区内2007年的城镇建设用地总面积虽大于2001年但是没有明显差异，豫中样区虽然不同时期的城镇建设用地用面积差异较为明显，但是研究时期Ⅰ城镇建设用地总面积的涨幅却大于研究时期；从时间角度看，同一样区在不同时期的城镇建设用地总面积的差异也十分明显，且随着时间的增长，研究样区内的城镇建设用地总面积也在不断增涨，总体情况呈正相关关系。

2.不同样区城镇建设用地空间分布多样性

将豫北、豫中、豫南样区3个研究时期的城镇建设用地与基于该样区行政边界创建的1 km×1 km网格分别进行叠加分析，之后将数据代入公式(1)得到在该尺度网格下城镇建设用地在空间分布上的离散性程度。空间分布多样性值越接近1说明城镇在研究样区内的分布越均匀，反之，越接近于0说明其面积较小且分布不均匀。

表3统计了不同研究样区在不同研究时期的城镇建设用地空间分布多样性指数，从该表可知：(1)总体上看，豫北、豫中、豫南3个样区在同一时期的城镇建设用地空间分布多样指数，豫北样区均大于豫中、豫南样区。(2)就不同研究样区而言，豫北样区三个时期的城镇建设用地空间分布多样性均大于0.84，豫中样区均大于0.80，这说明其城镇建设用地空间分布的均匀程度较好，也在一定程度上反映出去城镇建设用地在研究区内的分布和发展状态良好；豫南样区三个时期的多样性指数均大于0.5，表明其城镇建设用地的空间分布的均匀程度有待提高，且从上小节可知豫南城镇建设用地不同时期面积的增长幅度存在较大的差异，这都反映出豫南地区城市化建设的巨大潜力。(3)从时间角度出发，同一研究样区在不同时期的城镇建设用地空间分布多样性指数值存在差异，且时间与多样性指数总体情况呈正相关关系，即随着时间的增长，研究样区内的城镇建设用地空间分布多样性也在不断增长。

表3 研究区不同时期城镇建设用地空间分布多样性

(三)不同地形下城镇建设用地的空间分布格局

计算豫北、豫中和豫南样区在平原地形、丘陵地形和山地地形下随着时间的变化其城镇建设用地在在空间分布上的离散性程度，结果见表4。图3～图5是2001年、2007年和2017年豫北、豫中和豫南样区在平原、丘陵和山地地形下分布的城镇建设用地情况。

由表4和图3～图5可知：(1)除了豫南样区的山地地形外，其他样区各地形条件下城镇建设用地空间分布多样性值均处于上升趋势，且平原>丘陵>山地，这说明城镇建设用地的分布在各个研究区内趋于均匀，且平原上城镇的均匀程度高于丘陵和山地。(2)就丘陵地形上分布城镇建设用地多样性而言，豫北样区最大，豫中和豫南样区次之，且豫北样区的均匀程度增长较快，豫中和豫南样区的变化较小。(3)就山地地形上的城镇建设用地多样性而言，豫北样区大于豫中样区，豫南样区上没有城镇建设用地的分布，这与该样区内山地分布的面积占比及其空间分布位置较为集中有关。