许昌市2000～2020年土地利用动态变化及主成分分析

李向然 朱荣荣 田明霜 冯娟 路振宇

（1.郑州市新世纪测绘有限公司，河南 郑州 450000；2.河南省远志林业规划设计有限公司，河南 郑州 450000；3.河南省科发地理研究所有限公司，河南 郑州 450052；4.林州市林业技术推广站，河南 安阳 456550）

1 引言

土地是人类一切社会活动的重要载体，是经济持续发展的重要条件[1]。土地利用/覆盖变化（Land Use/Cover Change，LUCC）与环境变化密切相关，是人类与环境相互作用的结果[2]，多表现在水文、气候、地形等对土地利用的影响[3]，是当代学术界对生态环境变化的重要研究之一[4]。随着3S 技术的成熟，专家学者们在不同地区开展全面或专项性探究[5]，形成较为成熟的理论体系。比如，陈磊[6]等通过SSM模型和信息熵方法研究南京市2005～2016 年土地利用变化时空格局差异，建立了经济计量模型分析驱动力。林晓楠[7]等利用动态度和灰色关联度探究柳州市2010～2018 年土地利用变化特征和驱动因素，结果表明建设用地面积呈爆发式增加趋势，耕地及其他土地利用面积下降，经济增长、粮食产量增加等是土地利用变化的主要驱动因素。周国胜[8]等分析了宿迁市近20 年土地利用变化，并利用统计资料分析主要驱动因素，结果显示耕地和建设用地增加，其他土地利用类型主要用于补充两个地类，驱动因素主要为经济和政策。张宇晗[9]等以福州市为研究对象，利用人类活动强度、土地利用动态度分析土地利用变化，结合Fragstats4.0 得到不同时期的景观指数，分析其变化格局，并运用SPSS 软件统计分析主要驱动因素。赵赛帅[10]等以LandsatTM/OLI 遥感数据为基础，运用随机森林分类法结合Circos 图探究杭州湾南岸滨海湿地的土地利用变化。

过去一段时期，业内运用大量方法研究土地利用变化，主要集中在南方及沿海城市，中原地区研究相对较少。本研究以河南省许昌市为研究区域，探究在过去长时间尺度下的土地利用变化和空间分布特征规律，以期为后续的土地管理和空间规划等提供参考。

2 研究区与数据来源

2.1 研究区概括

许昌市位于河南省中部，地理坐标为北纬33°42′～34°24′，东经113°03′～114°19′，面积4986 平方公里。东与周口市接壤，南与漯河市交界，西与平顶山市相连，北与郑州市、开封市毗邻。现辖魏都区、建安区2 区，禹州市、长葛市2 市，襄城县、鄢陵县2 县 ；地势西北高，东南低，自西北向东南缓慢倾斜。气候特征属北暖温带季风气候区，热量资源丰富，雨量充沛，光照充足，无霜期长。截至2022 年末，许昌市常住人口已达到438.1 万人。

2.2 数据来源

研究选用国家基础地理信息中心制作的2000 年、2010 年、2020 年3 期土地覆盖数据（空间分辨率30m×30m）和行政界线矢量数据。许昌市土地利用覆盖数据涵盖耕地（10）、林地（20）、草地（30）、湿地（50）、水体（60）、人造地表（80）。依据第三次全国国土调查分类体系，结合实地情况，运用ArcGIS10.8 软件借助研究区界线范围对土地利用数据进行裁剪，通过重分类操作将研究区分为5 种土地利用类型：耕地、林地、草地、水域、建设用地。选取的驱动力因子为GDP（亿元）、人口（万人）、第一产业比重（%）、第三产业比重（%）、粮食总产量（万吨）、城镇居民人均可支配收入（元）、社会固定资产投资额（万元），来源于《许昌市国民经济和社会发展的统计公报》（2000～2020 年）。

3 方法与结果分析

3.1 研究方法

3.1.1土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是对两个不同时期各土地类型之间变化过程的量化表达，直观描述了各地类在不同时期的流出和流入情况，进而反映其变化特征。

3.1.2主成分分析

主成分分析法是一种将多个变量通过线性变换选取关键变量的多元统计分析方法，可筛选出几个重要因子替代多个原始变量，借助重要因子客观表现整体信息情况，具有非常好的科学性，在经济、土地驱动因素分析等方面有着极大的优势[11]。故本研究使用主成分分析法分析许昌市土地利用变化驱动力。

3.2 结果与分析

3.2.1土地利用结构变化分析

依据2000 年、2010 年、2020 年土地利用现状图（如图1 所示）可以看出，许昌市土地利用类型以耕地为主，其次为建设用地。通过对比2000～2020 年许昌市土地利用现状可知，建设用地增加明显，对应耕地明显减少。从时期划分，2000～2010 年，各主城区和零星居民点建设用地急剧增加，耕地面积快速减少 ；2010～2020年，建设用地持续增加，主要集中在许昌市各县区主城区等核心区域。

图1 2000～2020年许昌市土地利用现状

对2000 年、2010 年、2020 年的土地利用类型进行面积比例统计分析，结果如表1所示。2000～2020 年，耕地处于明显主导地位，各时期占比分别为81.54%、75.11%、71.89%，呈逐步下降趋势，到2020 年减少量为480.89km2；其次是建设用地，各时期占比分别为15.42%、21.96%、24.96%，呈持续增长趋势，到2020年增加量为475.24km2；再者是林地，各时期占比分别为2.24%、2.26%、2.22%，呈小幅度波动性减少，到2020 年减少量是0.94km2；然后是水域，各时期占比分别为0.42%、0.28%、0.47%，呈小幅度波动性增加，到2020 年增加量为2.77km2；最后是草地，各时期占比分别为0.38%、0.39%、0.46%，呈持续增长趋势，到2020 年增加面积3.82km2。

表1 2000～2020年许昌市土地利用面积及比例

3.2.2土地利用转移矩阵分析

为探究许昌市土地利用类型变化特征，通过ArcGIS 软件，将2000 年与2010 年、2010 年与2020年数据套合分析，得到两个时间段的土地利用转移矩阵，结果如表2 和表3 所示。在2000～2010 年、2010～2020 年两个时间段，耕地分别向建设用地转移了442.97km2和308.96km2，占总转移量的74.59%和58.97%，另外分别有10.81km2和24.97km2转向草地、林地和水域；建设用地分别向耕地转移了118.64km2和160.06km2，另外分别有1.26km2和2.67km2转向草地、林地和水域；草地主要转向林地，林地和水域主要流向耕地。

表2 许昌市2000～2010年土地利用转移矩阵（单位：km2）

表3 许昌市2010～2020年土地利用转移矩阵（单位：km2）

3.2.3主成分分析

影响土地利用变化的驱动因素有自然因素和社会经济因素。相对自然因素而言，人类生产经营活动等引起的社会经济因素对土地利用变化的影响更深远[12]。为了从科学角度指出许昌市土地利用变化的主要原因，选取GDP（x1）、人口（x2）、第一产业比重（x3）、第三产业比重（x4）、粮食总产量（x5）、城镇居民人均可支配收入（x6）、社会固定资产投资额（x7）等7 个因素，以数据形式体现驱动因素的影响作用。

使用SPSS 软件对7 个因素进行主成分分析后，KMO = 0.723（＞0.6），显著性= 0.00（＜0.05），满足主成分分析的条件。提取出的1 个主成分可以代表90.235%所有因素的信息，选取的主成分能够很好反映许昌市土地利用空间演化驱动情况。

由旋转后的主成分荷载矩阵（如表4 所示）可知，第一主成分与人口、城镇居民人均可支配收入、社会固定资产投资额、GDP 和第三产业比重等因素有明显的正相关性，且相关性较强，相关系数分别为0.993、0.993、0.989、0.964 和0.964，这些因素均与人口数量和经济发展水平相关。第一主成分与第一产业比重呈现负相关性，相关系数为-0.988，表明第一产业的发展将会牵制土地利用发生转化。

表4 旋转后主成分荷载矩阵

4 结论与讨论

本研究以GlobeLand 30 数据为基础，利用土地利用转移矩阵、主成分分析等方法，从数量、空间、社会经济等多维度对许昌市2000～2020 年的土地利用变化情况进行探究，分析其空间利用分布特征。研究结果表明：20 年间许昌市建设用地急剧扩张，而耕地大量减少，林地、草地和水域变化较弱；人口因素和经济因素是20 年间许昌市土地利用变化的主要驱动力，人口增长和城镇化的快速发展是土地利用变化的主要成因。

许昌市地处河南省中部，是全国粮食主产区，也是国家城乡融合发展试验区和中原城市群、中原经济区核心城市之一。在经济高速增长和城镇化快速发展的大背景下，用地问题日渐凸显，如何高效、合理地使用土地成为一个亟待解决的问题。本研究选取许昌市过去20 年间土地利用时空特征进行探究，成因分析尚浅，此后将进一步研究土地利用变化的前期成因和日后预测。