西安市土地利用格局動態演變及其驅動力研究

李鳳霞，石　輝，馮曉剛，劉明星，許五弟，李　萌

(1. 西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055； 2. 西安建筑科技大學建筑

學院，陜西 西安 710055)

Study of Land Use Dynamic Evolution and Driving Factors in Xi’an

LI Fengxia,SHI Hui,FENG Xiaogang,LIU Mingxing,XU Wudi,LI Meng

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西安市土地利用格局動態演變及其驅動力研究

李鳳霞1,2，石輝1，馮曉剛2，劉明星2，許五弟2，李萌2

(1. 西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055； 2. 西安建筑科技大學建筑

學院，陜西 西安 710055)

Study of Land Use Dynamic Evolution and Driving Factors in Xi’an

LI Fengxia,SHI Hui,FENG Xiaogang,LIU Mingxing,XU Wudi,LI Meng

摘要：基于多時相TM/ETM+數據,以RS和GIS技術為支撐，采用監督分類、非監督分類等方法，輔助土地利用動態度和土地利用耗減度等定量指標，分析了西安1995—2010年的土地利用時空動態變化。結果表明，15年間西安市城區土地利用空間格局發生了較大變化，土地利用時空演變以速度加快，強度顯著，建設用地急劇擴張，占用大量耕地、林地為主要特征；景觀斑塊破碎化程度高，不穩定斑塊呈現出先分散后集中的特點，土地利用類型的空間穩定性低；經濟增長、城市化、人口增長等因素是其主要驅動力。

關鍵詞：土地利用；動態演變；RS；GIS；西安市

一、引言

土地利用變化是目前土地利用方面的研究熱點之一，土地利用變化不僅表現在數量上，而且表現在空間布局上。土地利用/覆被變化(land use and cover change,LUCC)是區域社會經濟、人口、資源、環境發展的重要影響因子，區域土地利用變化研究對環境保護和城市規劃具有十分重要的參考價值[1]。國內外學者一般應用RS和GIS手段對土地利用的動態變化進行分析。與傳統的監測手段相比，遙感數據具有實時性、高效性。國外對城市土地利用景觀格局的研究起步較早，研究方法、體系比較成熟[2-4]，Turner[5]指出LUCC是引起全球氣候變化的重要因素等。國內賈寶全、吳宏安、馮曉剛、解修平等基于TM影像數據，研究了城市土地利用變化及城市擴張[6-9]。

西部大開發戰略的實施,加快了西部地區城市化進程的步伐,而城市化快速發展通常伴隨著城市土地利用的急劇變化[8]。西安市正處于城市化的快速發展期，城市環境污染、城市生態用地不足、城市熱島現象嚴重。本文以西安市土地利用的時空動態演變為研究對象，利用RS和GIS技術，結合景觀生態學原理，對西安市1995—2000年間LUCC的空間結構演變進行探討，計算城市土地利用動態度、土地利用耗減度，并對西安城區的土地景觀格局變化的驅動機制進行剖析，研究結果對西安市土地資源優化及區域土地可持續利用具有極其重要的理論和現實意義。

二、研究區概況與研究方法

1. 研究區概況

西安地處我國西北東部關中平原中部，北瀕渭河，南依秦嶺，位于北緯33°42′—34°45′、東經107°40′—109°49′,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，平均海拔424 m,年平均溫度約13.3℃，平均降水量604.2 mm,平均濕度69.6%。

2. 數據來源及數據處理

(1) 數據來源

本研究采用1995年、2006年和2010年3個時相的TM遙感影像為基礎數據源，將土地利用分為6個一級類型，分別是建設用地、耕地、林地、草地、水域和未利用地(如圖1所示)。輔助數據包括西安市1∶5萬地形圖、30 m分辨率的數字高程模型數據、1989年1∶55萬土地利用圖及相關統計資料。

(2) 數據處理

圖1　土地利用分類圖

本研究主要采用ENVI 4.8、eCognition 8.0、ArcGIS 10.0及ArcView 3.2等軟件對數據進行處理。首先以1∶5萬比例尺地形圖為基準采用三次多項式模型對3期TM數據進行幾何校正，校正誤差小于0.5個像元；然后根據具體研究范圍進行圖像裁剪及圖像增強處理，采取監督分類的方法對3期遙感圖像進行分類，提取出主要的土地利用類型，并結合野外實地調查，對分類結果進行糾正；最后運用聚類統計、過濾分析等方法進行后處理。

3. 研究方法

(1) 研究采用的技術路線

本文以西安市城區為例，利用RS、GIS等相關軟件，分析研究區1995—2010年土地利用變化的總體特征，建立1995—2006年和2006—2010年的土地利用轉移矩陣，探討土地利用變化的時空特征及動態變化。同時，本文引入土地利用動態度、土地利用耗減度等定量指標，分析土地利用類型的變化速度及年變化率，并對西安市土地利用變化的驅動機制進行探索分析，確定影響土地利用類型變動的關鍵因子。研究技術路線如圖2所示。

圖2　土地利用格局演變研究技術路線

(2) 土地利用動態度[10]、土地利用耗減度單一土地利用動態度反映一段時期內各種土地利用類型在研究期內年際變化的速度和幅度，它對預測未來土地利用變化趨勢有積極的指導作用，其公式為

(1)

式中，LUDI代表單一土地利用動態度；Ua、Ub分別表示研究期初及研究期末區域某種土地利用類型的面積；T表示研究時段長度，以年為單位。

(2)

式中，Rz表示綜合土地利用動態度；LUi為第i類土地類型研究期初的面積；ΔLUi為研究期末第i類土地類型轉化為其他土地利用類型的面積絕對值；T為研究時段長度。土地利用耗減度[4]表示某種土地利用類型在單位時間內被實際消耗的程度

(3)

式中，LUC表示土地利用耗減度；Cab為由a時刻到b時刻某種土地類型轉變為其他土地利用類型的面積總和；Ua為a時刻該土地類型的面積；T為研究時段長度。

三、結果與分析

1. 西安市土地利用變化的總體特征

根據西安市城區3期遙感影像數據的分類結果，借助GIS工具，計算出的西安1995—2010年土地利用的數量特征見表1。

表1　西安1995—2010年各時期土地利用的面積變化

由表1可以看出，總體而言，西安1995—2010年土地利用情況呈現出以耕地、建設用地和林地為主，以草地、水域及未利用地為輔，以耕地、林地、水域的減少，以及建設用地和草地的大幅度增加為主要特征。其中，1995—2006年間建設用地增加43.23 km2，年變化量為3.93 km2；而2006—2010年間建設用地的增加量為141.24 km2，幾乎是前一時段的4倍，年增加量達到35.31 km2，可見2006—2010時段是西安城市化高速發展的階段。草地面積在2006年以前是減少的，2006年之后草地面積逐步增加，2006—2010年草地增加119.43 km2，年增加面積29.86 km2。同時，在1995—2006年林地減少的面積不大，這說明西安在城市化進程中非常重視生態用地保護。

總的來看，1995—2010年間，建設用地的增加主要是以耕地、林地和水域的減少為代價的，這與國內外其他相關研究的結論基本一致。從耕地的減少來看，1995—2006年間變化不大，2006—2010年間共減少63.46 km2，年均減少15.87 km2，差不多是前一時段的15倍。從水域的變化來看，水域面積有所減少，1995—2006年間減少12.82 km2，2006—2010年間水域變化量為-2.43 km2，年變化量為-0.61 km2，減少的幅度有所降低，這與西安盡力保護水資源及西安的水資源匱乏有一定的關系。

2. 西安市土地利用變化的時空分析

根據西安1995年、2006年和2010年的土地利用分類圖，應用GIS的空間疊置功能，對相鄰兩幅圖形數據進行疊加，得到1995—2006年和2006—2010年土地利用動態變化圖(如圖3所示)，再利用ArcGIS的統計功能，建立的土地利用轉移矩陣見表2和表3。

表2　西安1995—2006年土地利用轉移矩陣　km2

表3　西安2006—2010年土地利用轉移矩陣　km2

圖3　土地利用動態變化圖

從圖3中可以看出，土地利用空間格局發生了較大變化，1995—2006年間，不穩定斑塊呈現出分散性的特點。建設用地面積在增加，表現出向四周擴張的特征，特別是南邊的大片耕地轉化成建設用地，這與西安市城市化進程中南郊的快速發展是相吻合的，尤其是西安曲江新區的高速發展。同時，比較明顯的是位于東南角的大量草地轉為耕地，這意味著西安市在城市建設過程中注重耕地的保護。而在2006—2010年間，不穩定斑塊的分布相對比較集中，呈現出聚集性的趨勢，尤其是西安市東郊和北郊最為典型。建設用地仍在快速擴張，向北郊和東郊擴展較明顯，這與北郊的西安經濟技術開發區及東郊的西安國際港務區快速發展相符。

由表2和表3的結果來看，15年間各種土地利用類型發生了比較復雜的相互轉化。總體來看，土地利用類型的保持率不高，隨著時間的推移，各種土地利用類型的轉出量增加，其空間穩定性有所降低，表現為以下兩個方面：

1) 1995—2006年間，建設用地的增加量主要從耕地、林地和水域轉化而來。其中耕地凈轉化為建設用地的面積為34.03 km2，其他土地利用類型凈轉化為建設用地9.6 km2。耕地主要轉化為林地、建設用地及未利用地，分別為79.48 km2、51.52 km2、28.32 km2。草地的減少主要流向耕地，其中由草地凈轉為耕地的面積為19.12 km2。

2) 2006—2010年間，增加的建設用地和草地主要來源于耕地、林地和未利用地。以耕地來看，凈轉化為建設用地的面積為99.06 km2，與前一時段相比較，共增加了65.03 km2，多了21.67 km2。可見，城市化速度在不斷地加快，并且侵占了大量的耕地。減少的耕地、林地、未利用地，其變化的主要方向是建設用地和草地。其中耕地向草地轉化37.01 km2，同時，草地轉化為耕地的面積是13.05 km2，13.62 km2的建設用地又轉向耕地，這說明了土地利用類型間變化的多元化、多方向性。總體上看，減少最多的是林地，其主要轉化為草地、耕地和建設用地，對西安而言，林地是生態脆弱斑塊，而且是重點斑塊，因此，在未來城市建設過程中應加強保護，盡量抑制房地產開發對綠地的影響。

3. 西安市土地利用動態變化分析

從表4可以看出，首先，在動態度方面，建設用地持續增長，1995—2010年間，動態度達到30.95%，2006—2010年的動態度是1995—2006年的6倍多。草地面積先減少后增加，未利用地先增加后減少，皆呈現出動態變化的特征。從草地類型來看，2006—2010年的動態度幾乎是前一時間段的24倍，這體現了城市發展的過程。另外，耕地、林地和水域持續減少，隨著時間的推移，耕地和林地的動態度增大，水域的動態變化比較平穩。總的來說，1995—2010年間，建設用地和草地的年變化率較大，這與未來城市發展的趨勢基本一致，也可初步預測未來土地利用變化的趨勢。其次，在耗減度方面，總體來看，耕地、林地、草地、水域和未利用地的變化都比較大，其耗減度分別為14.94%、18.63%、13.91%和13.48%，其被實際消耗的程度高，而建設用地的耗減度較小。總之，2006年之后各地類動態變化整體加快，反映了城市發展的速度在提升。

表4　西安1995—2010年土地利用動態變化　(%)

根據式(2)計算出的西安1995—2006年間綜合土地利用動態度為2.74%，而2006—2010年間綜合土地利用動態度上升為7.42%，幾乎是前一時間段的3倍。可見，西安各種土地利用類型變化的速度很快，綜合年變化率很大，呈現出不穩定的特征。

四、西安市土地利用變化的驅動機制分析

隨著城市化進程的加快，西安市已進入高速發展的階段。土地利用變化受社會經濟、人口變化、政府政策、自然條件、氣候變化、地形地貌等諸多因素的影響，結合統計數據，本文歸納總結出影響西安市土地利用變化的驅動力，并對其進行剖析。

1. 社會經濟驅動力

由統計數據可知，西安市1995—2010 15年間的國內生產總值(GDP)由410.43億元增長到3 241.69億元，增長幅度是689.8%。至2006年，人均生產總值增長至17 794元，第一、二、三產業的增加值分別為70.73億元、615.26億元、764.03億元，第二、三產業的比重逐年增加。15年來，西安的總投資額增長率迅猛增長，位于西安城東南的曲江新區是中外客商投資的熱點。其次，位于西安主城南邊的高新技術產業開發區(簡稱西高新)和位于主城北邊的經濟技術開發區(簡稱經開區)的發展也對西安市的經濟迅速增長作了很大的貢獻。

2. 人口驅動力

西安市宜居的環境使得人口逐年增加，市區人口由1995年的303.31萬人增長至2010年的562.65萬人(數據來源：2011西安統計年鑒)，1995—2010年間，非農人口增加了113.36萬人，年增長率達到10.3%。其中，位于西安南郊的碑林區一直是城區人口密度最高的區，這與南郊的土地利用動態變化大是相吻合的。人口快速增長使得用于人們居住、辦公、休閑娛樂的土地增加，導致耕地減少、建設用地增多，西安市土地利用結構發生了較大變化。

3. 政策、產業結構及基礎設施驅動力

城市土地利用類型變化的一個主要驅動力是宏觀政策的導引,自1999年國家實施西部大開發戰略以來，西安的產業結構主要轉向第三產業，如旅游業、房地產業等，產業結構的調整引起了土地利用結構的變化。高新區、經開區、草灘生態產業園及西安國際港務區的發展帶動了其周邊的餐飲、娛樂、房地產等服務業的迅速發展。此外，西安市建成的繞城高速、三環路、機場高速等為過往車輛提供了便捷的通道，基礎設施的建設占用了大量的土地，尤其是耕地。

五、結論

本文基于1995年、2006年、2010年3期TM/ETM+數據,借助RS和GIS軟件，采用監督分類、非監督分類，輔助轉移矩陣、單一土地利用動態度、綜合土地利用動態度和土地利用耗減度等定量指標，對西安1995—2010 15年間的土地利用時空動態變化進行了詳細論述，并剖析了影響西安土地利用變化的驅動機制及其驅動力，得出以下結論：

1) 1995—2010年的15年間西安市城區土地利用結構發生了大幅度的變化，耕地面積減少67.04 km2，建設用地持續增加184.47 km2，究其原因是城市化快速發展引起的。土地利用時空演變以速度加快、強度顯著、建設用地急劇擴張、林地減少及大量耕地被占用為西安土地利用變化的主要特征。

2) 應用GIS的空間疊置，發現西安15年間土地利用空間格局發生了較大變化，隨著時間的推移，景觀斑塊破碎化程度不斷提高，不穩定斑塊呈現出先分散后集中的特點，建設用地向北郊和東郊擴張比較明顯，這與北郊的西安經濟技術開發區及東郊的西安國際港務區快速發展相符。

3) 15年間各種土地利用類型發生了比較復雜的相互轉化，土地利用類型的保持率不高，各種土地利用類型的轉出量增加，其空間穩定性有所降低，尤其是2006—2010年間各地類動態變化整體加快，綜合年變化率很大，呈現出不穩定的特征。

4) 綜合分析影響西安土地利用類型變化的各個因素，發現導致城市土地利用變化的主要驅動力是在政策導向下的經濟增長、城市化、人口增長等主要因素，西部大開發、各開發區的快速發展及社會投資額的增加為西安城市發展帶來了盎然生機。

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作者簡介：李鳳霞(1982—)，女，博士生，講師，主要從事環境遙感及3S方面的教學和研究。 E-mail: lifengxiasky@163.com

基金項目：國家自然科學基金(51178371/E080201)；陜西省自然科學基金(2014JZ011)；西安建筑科技大學校青年基金(QN13009)；陜西省自然科學基金青年人才基金(2013J95011)

收稿日期：2014-11-04

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)12-0041-05

引文格式： 李鳳霞，石輝，馮曉剛,等. 西安市土地利用格局動態演變及其驅動力研究[J].測繪通報，2015(12)：41-45.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.374