近30年铜陵市土地利用时空变化分析

2021-11-18包勤跃谷正楠

矿山测量 2021年5期

包勤跃，谷正楠，张震

(1.铜陵有色金属集团股份有限公司矿产资源中心，安徽铜陵 244000；2. 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽淮南 232001)

有色金属城市以其丰富的矿产资源和完整稳定的工业体系为我国经济建设现代化事业提供了工业原料和资源保障[1]。但在有色金属资源加工和开采过程中伴随的高耗能、高污染、高排放等生态环境问题与城市经济发展、生态环境保护之间不平衡、不协调的矛盾突出，使得城市可持续发展面临严峻挑战。土地作为生态系统的空间载体，其变化直接关系到区域生态安全和社会稳定[2]。因此，开展土地利用变化相关研究，有助于揭示资源型地区人地关系地域系统的特征，识别资源开发过程中存在的问题，辨识影响资源型地区人地系统可持续发展的障碍因素，对资源型地区合理开发土地资源、优化土地配置、科学安排经济活动布局具有重要的参考意义。

土地利用一直是国内外研究的热点，主要集中在土地利用时空变化分析[3]、土地利用驱动力分析[4]、土地利用模拟及预测分析[5]研究。研究尺度上，研究者多关注全国[6]、省级[7]、城市群[8]、流域[9]尺度的研究。研究区域上，研究者多关注发达区域[10]、生态敏感区[11]，而有色金属型地区的土地利用变化研究较少。铜陵市作为典型的有色金属型地区，在过去的30年里，从矿产大规模开发的成熟期向矿产逐渐枯竭的衰退期转变，发展历史周期具有一定代表性，反映出的土地利用变化特征规律可为其他面临转型的有色金属型地区提供参考。

研究以1990～2020年Landsat遥感影像作为数据源，利用土地利用类型动态度模型和土地利用转移矩阵，分析了铜陵市的土地利用变化情况，揭示了该区域的土地利用变化现状，对其在经济发展过程中所显现出来的问题形成一个比较客观的认识[12]，同时为该区域的城市发展和土地资源的合理利用提供科学依据和保障[13]。

1 研究区概况

铜陵市(30°45′～31°09′N, 117°35′～118°09′E)位于安徽省中南部、长江中下游平原与皖南山区的交接地带，总面积3 008 km2，属于北亚热带湿润季风气候，气候多变，降水年际变化大。铜陵市也是长江三角洲中心区27城之一，因铜得名、以铜而兴，素有“中国古铜都，当代铜基地”之称。本文选取的研究区为铜陵市下辖的三个市辖区(铜官区、郊区和义安区)，如图1所示，其中,郊区为2018年之前的行政区划，研究区总面积约为1 102 km2。

图1 研究区行政区划图

2 数据来源和分析方法

2.1 数据来源及处理

本文以4年的光学影像为数据源(分别为1990年、2000年、2010年的Landsat 5 TM影像及2020年的Landsat 8 OLI影像)，借助ENVI5.3完成影像的辐射定标、大气校正、图像镶嵌及裁剪的预处理工作，得到1990～2020年4期光谱信息更接近真实地物的铜陵市遥感影像。根据土地利用覆盖类型的特征和光谱规律,利用最大似然法对遥感影像进行分类，并通过人机交互和目视解译进行检验和修正。以中国科学院土地资源分类系统为基础，参考相关专业部门开展的普查分类制定标准，结合研究区域的实际状况，将铜陵市的土地利用类型分为六类：水域、建设用地、林地、耕地、草地及未利用土地。

此外，人口数量、城市居民消费水平、农村居民消费水平、人均GDP、第一产业生产总值、第二产业生产总值和第三产业生产总值数据均来自《铜陵市统计年鉴》。

2.2 分析方法

2.2.1 土地利用类型动态度模型

综合土地利用类型动态度可以反映区域土地利用的年综合变化快慢，动态度指数越大，说明该土地利用类型变化速度越快，反之则慢。其计算公式为：

(1)

式中，LUi为研究期初期第i类土地的面积；ΔLUi-j为研究时段内第i类土地转移为第j类(j=1,2,…,n；n为土地利用类型数)土地的面积；T为研究时长，单位为年；LC为研究时段内的综合土地利用动态度。

单一土地利用类型动态度可以较为准确地表示在该研究区域上该研究时段内不同的土地利用类型面积转移变化的速度快慢，可以直观地反映不同土地利用类型的变化速度和幅度,其计算公式为：

(2)

式中，U1、U2分别为研究时间段内的起始时间和终止时间某一种土地利用类型的数量；T为整个研究时间的周期；K为在该研究时间范围内的某一种土地利用类型的动态度。

2.2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能够定量的表示特定研究时段区域内不同土地利用类型之间的转化，可以较好的表达研究区在特定研究时段的土地利用变化方向，具体的表达式为：

(3)

式中，Aij为在整个研究时间范围内，第i种土地利用类型转化为第j种土地利用类型的面积；n为土地利用类型的数量。

2.2.3 主成分分析

主成分分析法可以去除变量间的冗余信息，通过计算特征向量实现对数据集的降维，使主成分间、因子间线性无关。再根据特征值(>1)和累计贡献率(>85%)确定主成分，从而在变量不出现丢失的情况下将其归为相对独立的大类，再根据专业知识对各主成分所包含的信息加以解释。

3 土地利用变化分析

3.1 土地利用类型动态度分析

1990～2020年铜陵市土地利用类型一直以耕地、林地、建设用地和水域为主，其中,耕地占比最大，如图2和表1所示。总体来看，近30年水域、草地、林地的面积无明显变化，建设用地面积显著增加，耕地面积显著减少。其中,建设用地共增加了148.48 km2，且2000～2010年和2010～2020年面积增加均较显著，增加面积分别为72.61 km2和73.31 km2，耕地共减少了132.44 km2，以2000～2010年面积减少最为显著，减少面积为145.17 km2，而2010～2020年面积减少趋于平缓，可见近年来铜陵市越来越重视控制非农建设占用耕地，且对耕地的保护初见成效。

表1 1990～2020年铜陵市土地利用动态度

图2 铜陵市土地利用类型空间分布图

从1990～2020年单一土地利用动态度来看： 1990～2000年，除草地外，其他类型均较为稳定； 2000～2010年，未利用土地最为活跃(18.92%)，其次是建设用地(11.85%)；2010～2020年，未利用土地和建设用地动态度也较大，不过未利用土地转为负值，建设用地相比2000～2010年有减缓趋势。从1990～2020年综合土地利用动态度可以发现，2000～2010年各种土地利用类型变化速率最快，主要原因是2000～2010年间铜陵市建设用地逐年扩张，人口城镇化率大幅增长。

3.2 土地利用转移矩阵分析

如表2所示，1990～2000年铜陵市土地利用类型的转移变化主要发生在建设用地、耕地、林地和草地之间，且各类土地利用类型均有部分转移为耕地，故在此过程中耕地接收其他土地利用类型的转入量是最多的，但各种土地利用类型的面积总体上变化不大。

表2 铜陵市不同研究时期土地利用类型转移矩阵/km2

2000～2010年土地利用类型的转移主要发生在耕地向其他土地利用类型的转移，且最多转移为建设用地，虽然也有其他土地利用类型转移为耕地，但由于其转出量远大于其接收的其他土地利用类型的转入量，故在此过程中，耕地的面积有所减少，而建设用地由于接收其他土地利用类型的转入量是最多的，故其面积显著增加，可见，在此过程中建设用地的增加主要来源于对耕地的侵占。

2010～2020年耕地和未利用土地主要转移为建设用地，林地主要转移为建设用地和耕地，草地主要转移为耕地，其中,耕地转移为其他土地利用类型的面积是最多的，但由于也有部分其他土地利用类型转移为耕地，故耕地的面积减少并不显著，这可能与铜陵市保护及补充耕地有关，而在此过程中，建设用地接收其他土地利用类型的转入量仍大于其转出量，故其面积变化依旧显著。

综合来看，铜陵市近30年来的土地利用类型转移主要发生在其他土地利用类型向建设用地方向的转移，以及耕地、林地和草地向其他土地利用类型方向的转移，故整个研究时段内，建设用地的面积显著增加，而耕地的面积显著减少。

4 土地利用变化驱动力分析

铜陵市位于长江三角洲，经济发达，城镇化率高，可以认为这一地区内，人类活动对于土地利用变化的影响程度远远超过自然因素。因此，本文主要研究人文社会驱动因素对铜陵市土地利用的影响。

选取人口数量、城市居民消费水平、农村居民消费水平、人均GDP、第一产业生产总值、第二产业生产总值和第三产业生产总值等七个因子分析铜陵市土地利用变化的驱动力，运用SPSS进行主成分分析，提取主成分因子以及载荷矩阵，如表3、表4所示。

表3 铜陵市主成分因子提取及方差分解

表4 铜陵市主成分因子载荷矩阵

由表3可知，前两个主成分的累计贡献率高达98.187%，因此,可以用这两个主成分计算相应因子的载荷矩阵，载荷系数越大，则说明该因子对土地利用变化的影响越大。

由表4可知，铜陵市的土地利用变化驱动力可以归为以下两类：

一是经济发展。在第一主成分中，人均GDP、第二产业生产总值、城镇居民消费水平和农村居民消费水平的载荷系数较大。铜陵市是典型的有色金属资源型城市，铜矿产业发达，第二产业生产总值在全市生产总值所占比重最大，因此,第二产业在经济发展过程中起主导作用，是GDP的主要来源。在1995～2018年，铜陵市(不含枞阳县)第二产业的生产总值从26.5亿元增长到585.5亿元，增长了22倍多，矿产资源的开发、工业的发展势必会导致工矿仓储用地的增加，直接影响着土地利用的变化。

二是人口数量。在第二主成分中，人口数量的载荷系数最大，说明人口数量对土地利用类型的变化起着重要的作用。但根据《铜陵市统计年鉴》发现，铜陵市1995年年末总人口数为66.35万人，2018年为73.76万人，23年间铜陵市的人口增长速率为0.49%，增长幅度并不明显，因此,人口数量的影响更多的体现在人口城镇化率上[14]，特别是在1995～2015年，人口城镇化率从48.9%增长到79.41%，直接导致了城市人口的大幅增加，一方面使城市建设用地增加，另一方面因部分耕地的撂荒和被占用，间接导致了耕地的减少。