深圳市30 a土地利用和景觀格局變化分析

黃 梅，洪金益，陳勁松

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院 GIS研究中心，湖南 長沙 410083；2.中國科學院 深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055）

深圳市30 a土地利用和景觀格局變化分析

黃 梅1,2，洪金益1，陳勁松2

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院 GIS研究中心，湖南 長沙 410083；2.中國科學院 深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055）

利用1980～2010年時間序列遙感影像，運用決策樹法得到各期土地利用圖，分析土地利用的時空變化特征和景觀變化特征，結合主成分分析法探討深圳市土地利用變化的驅動因子。結果顯示，30 a來深圳市土地利用發生了巨大變化：城鄉用地增加了55 077.24 hm2，增加265.19%；耕地面積減少33 949.17 hm2，減少73.93%。30 a間人類活動的干擾變大，使得土地利用類型斑塊無序化，景觀類型呈一元化發展趨勢，景觀格局愈來愈受單一斑塊所控制，且土地利用變化受社會經濟驅動力的影響逐步增強。

GIS；RS；土地利用變化；景觀格局；驅動力；深圳市

本文將RS與GIS相結合，提取深圳市各個時期土地利用類型的數量和空間分布信息，結合景觀分析法、主成分分析法，重點分析了深圳市近30 a土地利用變化特征和土地利用程度，并研究引起其變化的因素。

1 數據源與研究方法

1.1 研究區數據源

研究數據主要有Landsat MSS/TM/ETM數據、DEM數據、高分辨衛星影像數據和歷史1∶10萬，土地利用數據。驅動力分析主要依據《深圳市統計年鑒》（1980～2011年）、深圳市統計局統計數據等。所選取的影像盡量時相統一，避免因季節差異造成的誤判，降低分類準確度。對無法達到數據質量的區域，盡量用附近年限的數據替代（表1）。

表1 深圳市土地利用數據一覽表

1.2 研究方法

本研究基于多時相遙感影像數據，輔以研究區社會經濟統計數據和相關資料，以RS、GIS集成技術為主要手段。根據深圳市的特點，將研究區土地利用類型分為7類：水域、林地、耕地、草地、園地、城鄉用地、未利用土地。

圖1 技術流程圖

本研究采用多尺度分割方法建立基本分類單元，用數字高程模型DEM、歸一化植被指數NDVI、歸一化建筑指數NDBI、歸一化水體指數NDWI及已有土地利用數據、解譯標志等信息，構建特征空間，建立土地覆蓋分類決策樹和規則集，選取典型樣本，用最鄰近法形成原始分類結果。對于不易分的類別進行人工干預，最后形成土地利用數據集。

針對深圳市人類活動頻繁、景觀變化劇烈等特點，本文選取景觀生態學中的典型景觀指數進行分析，如斑塊密度（PD）、周長面積分維度（Pafrac）、景觀形狀指數（LSI）、蔓延度（Contag）、聚合度（AI）、平均斑塊面積（Area_MN）、平均形狀指數（Shape_MN）、香農多樣性指數(SHDI)和香濃均勻度指數(SHEI)。

選取了多個社會經濟因子指標，首先消除驅動因子量綱的影響，進行標準化處理。去除指標間的自相關性，將原來眾多具有相關性的指標化為少數幾個相互獨立的綜合指標，即土地利用變化的綜合驅動因素，以此作為分析依據。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型空間分析

通過遙感影像解譯得到1980年、1990年、2000年和2010年的土地利用分類矢量結果，結合同期參考資料和部分野外調查資料，通過隨機選取樣本，計算其分類混淆矩陣和Kappa指數。對4期遙感影像的分類結果進行精度檢驗，結果表明，Kappa 指數分別為0.81（1980年）、0.86（1990年）、0.87（2000年）、0.88（2010年），均達到最低允許判別的精度。各個時期空間分布格局如圖2所示。

圖2 深圳市各時期土地利用狀況

圖3 深圳市土地利用類型變化狀況

由圖2、圖3可知，深圳市從1980～2010年土地利用格局發生了很大變化，總體面積增加，主要來自填海造陸和圍海養殖。城鄉用地面積迅速擴張，耕地、園地、林地面積大量減少，耕地向城鄉用地、林地、園地轉化。水域、草地在1980～1990年有增加的過程，1990年以后開始持續減少，主要向城鄉用地、園地轉化。城鄉用地的空間分布由城市中心開始向周圍擴張，具體表現為城鄉用地擴張劇烈，耕地、林地面積迅速減少，降幅較大的有未利用土地和水域。城鄉用地面積增長劇烈，這是以犧牲耕地、林地面積轉換而來的，未利用土地的減少說明了深圳市城市擴張增加對未利用土地的開墾，使得土地利用率提高。

2.2 土地利用變化轉移矩陣

首先提取深圳市1980～2010年各期地類的面積，運用GIS空間分析功能計算土地利用變化轉移矩陣，根據數量轉移矩陣計算出土地利用變化轉移概率矩陣（表2）。

由表2可知，從1980～2010年，深圳市的土地利用發生了巨大變化，轉化明顯的類型為：草地→林地、耕地→城鄉用地、其他用地→耕地、其他用地→林地、其他用地→水域、水域→城鄉用地。具體表現為城鄉用地和水域增加，耕地、林地和草地減少。其中，城鄉用地增加了55 077.24 hm2，增長率為265.19%；水域增加35.74%；草地、耕地和其他用地分別減少64.29%、73.93%和93%。且城鄉用地和水域主要由耕地轉化而來。

圖4為各時間段的土地利用變化率。通過計算得知，從1980～2010年整個研究時段的變化率來看，城鄉用地的變化最大（增加率為310.07%），其次是未利用土地面積和耕地面積明顯減少，變化率為93.28%和84.5%，林地面積的變化率為18.82%。分時段來看，1990～2000年的變化最為劇烈，城鄉用地面積增加率為99.01%，未利用土地面積減少率是48.95%，水域面積和林地面積變化率分別為30.49%和13.04%。總的來說，深圳市的城鄉用地面積一直呈增加狀態；而耕地和林地面積一直呈減少狀態；水域面積在1990年后呈現減少狀態。

圖4 1980～2010年土地利用變化率

2.3 土地利用變化的景觀特征

2.3.1 景觀水平上的景觀動態格局特征

Pafrac指標反映了景觀斑塊幾何形狀的復雜性。從表3可以看出，Pafrac從1980～2000年逐年增加，說明這段時間深圳土地利用類型斑塊逐漸分散，斑塊形狀越來越復雜。這是因為研究時段內人類活動的干擾變大，使得土地利用類型斑塊呈現無序化。2000～2010年逐步減小，說明這段時間深圳土地利用類型斑塊逐漸聚合，幾何形狀趨于規則。

表2 深圳市1980～2010年土地利用變化轉移矩陣

Contag描述的是景觀里不同拼塊類型的團聚程度或延展趨勢。該指數能反映景觀組分的空間配置特征，是描述景觀格局最重要的指數之一。深圳市土地利用景觀的Contag值先下降、后上升，反映出深圳市景觀先是急劇破碎之后開始緩解。

SHDI是一種基于信息理論的測量指數，主要反映了景觀的異質性。可以看到，在研究時段內SHDI呈先增長后下降的趨勢，說明深圳市不定性的信息含量經歷了變大到減小的過程，破碎化程度由增大趨于降低。說明深圳市1990～2010年內部的斑塊逐漸趨于均勻，有規劃的建設開發活動增多。

AI在研究時段內，呈現不斷上升的趨勢，反映深圳市景觀AI上下起伏的特點。

表3 1980～2010年景觀水平的景觀格局指數

2.3.2 斑塊類型水平上的景觀動態格局特征

從斑塊類型水平對深圳市進行景觀格局動態變化特征分析，具體包括研究區各年份斑塊數量指數（NP）、PD、最大斑塊指數（LPI）和分裂指數（Division），結果見表4和表5。

表4 1980～2010年深圳市土地利用斑塊數量和斑塊密度

表5 1980～2010年深圳市土地利用最大斑塊指數和景觀分裂指數

由表4可知，水域NP指數和PD指數先增加后減少， 1990年左右破碎化嚴重，水域分布零散且破碎。城鄉用地、未利用土地、園地呈下降狀態，耕地的NP指數和PD指數大體呈下降趨勢，僅在2000年有回升。總體上看，深圳市的景觀斑塊數量減少、斑塊密度降低，在一定程度上反映出破碎度指數減小，景觀的異質程度和多樣性指數降低，景觀類型有向非均衡化方向發展的趨勢。

表5表示最大拼塊占據整個景觀面積的比例和Division的程度，LPI值的大小決定著景觀中的優勢種、內部種的豐度等生態特征。耕地的LPI值急劇上升，在2010年達到36.019；林地的LPI值從1980～2010年呈先上升后下降狀態；城鄉用地在研究時段內下降，而在1990～2000年變化最大。另外的幾種土地利用類型的LPI值變化不大。深圳市土地利用類型的Division都很高，接近于1，而變化程度較大的集中在城鄉用地、未利用土地和耕地，表明人為活動的無序增加和一定程度的規劃建設對原先的景觀格局造成干擾，使得各類型景觀破碎化程度呈現不同的特點。

3 土地利用面積變化驅動力分析

3.1 主成分分析

根據現有的資料，本文選取了深圳市的年末總人口（X1）、戶籍人口（X2）、自然增長率（X3）、GDP（X4）、農業總產值（X5）、工業總產值（X6）、第一產業（X7）、第二產業（X8）、第三產業（X9）、地方財政預算內收入（X10）、地方財政預算內支出（X11）、城鄉居民儲蓄年末余額（X12）、社會消費品零售額（X13）、職工年平均工資（X14）、固定資產投資總額（X15）共15個自變量因子。

首先，對原始數據進行標準化，以消除各驅動因子量綱差異帶來的影響，然后對原有指標進行相關分析，計算指標間的相關系數。人均GDP與X6、X10、X11、X13、X14、X15存在著極其顯著的關系；與X1、X12存在著顯著關系。因此有必要去除指標間的自相關性，將原來眾多具有相關性的指標化為少數幾個相互獨立的綜合指標，即土地利用變化的綜合驅動因素。

逐步進行回歸分析得到兩個主成分：第一主成分F1由變量X5、X7、X1決定；第二主成分F2由X1、X2、X3、X4、X9、X6、X8、X10、X11、X12、X13、X14、X15決定。

綜合驅動力得分為：

F=0.813 7F1+0.186 3F2

F=0.038X1+0.072X2+0.058X3+0.102X4-0.055X5+0.109X6-0.076X7+0.101X8+0.103X9+0.103X10+ 0.104X11+0.09X12+0.075X13+0.071X14+0.085X15

3.2 結果與分析

圖5 土地利用變化社會驅動力因子綜合得分

將30 a的統計數據代入上式，得到社會驅動力因子得分，并繪制散點圖（圖5）。由圖5可見，影響深圳市30 a土地利用變化的社會經濟綜合驅動因子得分逐年增加，表明受社會經濟驅動力的影響逐步增強，其中1997年以前的綜合驅動力得分均為負值，1998年以后為正值，土地利用變化受社會經濟的影響逐年增強，1993年之前驅動力綜合得分幾乎不變，2005年以后增勢加快。

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P273

B

1672-4623（2015）03-0110-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.039

黃梅，碩士，研究方向為生態與環境遙感。

2014-03-20。

項目來源：中國科學院戰略性先導科技資助項目（XDA05050107-3）。