近10年崇州市土地利用變化基本特征與空間格局*

潘薈交，王懷英，楊華容，彭文甫※

(1.電子科技大學成都學院，四川成都 611731； 2.四川師范大學地理與資源科學學院，成都 610101；3.西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都 610068)

0 引言

土地系統是人類—環境交互作用復合地球系統中的重要組成部分，是人類—環境關系的紐帶和橋梁，對理解和弄清人類—環境復雜關系具有重要作用[1]。土地利用/土地覆被變化(LUCC)是全球環境變化與可持續研究的重要內容，已成為國內外研究的熱點問題之一[2]。土地利用變化是人類活動作用于陸地表層環境的一種重要方式和響應，建立模型對土地利用變化過程進行研究，是深入了解土地利用變化成因及過程、揭示土地利用對人類活動響應程度的重要手段和途徑[3-4]。

目前已有學者利用各模型、方法從全球—國家—行政單元—流域宏觀尺度上進行了土地利用變化對人類活動響應程度分析[5-7]。劉紀遠等[8]采用衛星遙感信息源和相同的技術方法，對中國土地利用變化數據進行定期更新，提出并發展了土地利用動態區劃的方法，基于國家尺度研究土地利用變化的空間格局與時空特征； 龍花樓[9]、馬才學[10]等從省、市、區等行政單元出發討論了土地利用變化及其驅動力。除了具有政策導向性、經濟發達的“熱點區域”之外，還有很多專家將研究對象放到了河海流域、喀斯特地貌山區、農牧過渡帶等“脆弱區”[11]。其中山地平原過渡帶，以生態脆弱、敏感著稱，不僅具有復雜的地質環境，自然災害頻發，又是社會、經濟、文化方面的過渡帶，具有獨特的地理景觀[12]，是土地利用變化研究中具有代表性的選擇。特別是隨著土地資源研究不斷深入、城鎮化進程的加快及城鄉統籌發展新要求的提出，作為建設過程中的重、難點區域，平原山地過渡帶土地利用變化研究的重要性日益凸顯。文章利用2002年、2014年兩期遙感數據，選取成都崇州市作為研究區，從土地利用變化幅度、程度、方向、響應等基本特征與空間格局展開研究，為該區土地的合理利用提供數據支撐，同時為定性定量研究中小尺度下平原與山地過渡帶的土地利用/土地覆蓋的時空演變提供參考。

1 研究區概況

崇州市位于四川省岷江中上游成都平原西南邊緣，西接邛崍山脈，北鄰龍門山斷裂帶(圖1)，地勢從東南到西北逐漸升高，全境以街子鎮、三郎鎮、懷遠鎮為一線，線的西北為山地，線的東南為平原、丘陵，屬于典型的平原—山地過渡帶，過渡地區地質環境脆弱地震、滑坡等地質災害頻發。崇州市境內有西河、黑石河和金馬河3條河流，大體形成“四山一水五分田”的土地結構[13]。崇州市屬于汶川地震災后恢復重建4個重災縣(市)的規劃范圍。目前現代農業初具規模，城鄉建設步伐加快。

圖1 研究區位置

2 數據來源及處理

2.1 數據來源及預處理

該文所涉及的數據包括遙感影像、DEM、崇州市矢量邊界、野外實地采樣數據、成都市和崇州市統計年鑒數據。遙感影像為2002年4月TM影像、2014年5月ETM+影像，分辨率均為30m×30m，影像質量良好，遙感數據來源于中國科學院遙感與數字地球研究所和地理空間數據云。崇州市1： 5萬地形圖，來源于西南土地資源評價與監測重點實驗室； 土壤類型及數字高程模型(DEM)，數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心； 野外實地采樣數據為2016年7月，對崇州市進行為期1周的野外實地采樣。

數據的預處理主要是大氣校正、幾何校正、裁剪等?；贓NVI 5.1，對遙感影像進行大氣校正； 利用崇州市1： 5萬地形圖，對2002年TM影像進行幾何校正，再應用校正后的2002年影像對2014年影像進行幾何校正，誤差RMS控制在0.5個像素以內。

2.2 土地利用分類及解譯

土地利用分類系統是在2007年國家標準《土地利用現狀分類》的規定劃分基礎上[14]，結合崇州市的實際情況及遙感影像可解譯能力，將土地利用類型劃分為建設用地、耕地、林地、水體、草地和未利用地。

影像解譯采用人機交互解譯方法對遙感影像進行分類，并利用Google Earth的高分辨率遙感影像，對解譯過程中的不確定地物進行補判[15]，實現輔助分類； 通過野外實地采樣數據，對2014年、2002年土地分類結果進行對比驗證，分類結果精度分別達到85.7%、90.07%，Kappa系數均大于0.85，能夠滿足后期數據分析需求。

3 研究方法

3.1 土地利用動態度

單一土地利用動態度是刻畫不同土地利用類型在一定時間段內的變化速度和幅度的指標[16]，其表達式為：

(1)

式(1)中，K為研究區某種土地利用類型年變化率；Ua、Ub分別為研究區初期及末期某種土地類型的數量；T為研究時段長，即年數。

3.2 土地利用程度

根據劉紀遠等[8]提出的土地利用程度的綜合分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干級，并賦予分級指數，從而給出了土地利用程度綜合指數及土地利用程度變化模型的定量化表達式[17]。

(2)

式(2)中，Lj為研究區土地利用程度綜合指數；Ai為研究區第i級土地利用程度分級指數；Ci為研究區域內第i級土地利用程度分級面積百分比；n為土地利用程度分級數。

3.3 土地利用空間轉移

轉移矩陣可全面又具體地刻畫區域土地利用變化的結構特征與各個土地類型的變化方向[18]，該方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，大多數土地利用變化研究均采用地類間轉移矩陣分析，轉移矩陣的數學模型為：

(3)

式(3)中，S代表面積;n代表土地類型的數目;i、j分別表示研究區期初和期末的土地類型。轉移矩陣不僅能夠反映研究期間的期初與期末的土地利用結構，還能反映時段內各類土地利用類型的轉移情況，即未變、轉入、轉出的方向。

3.4 地形因子響應

地形因子是影響土地利用方式的重要環境因子[19]，高程、地形坡度分級是土地管理、地理信息服務的重要內容[20]，該文根據2004年《土地利用更新調查技術規定》，結合相關研究成果及研究區實際情況，對高程、坡度進行了分級[21]。對研究區土地利用變化地形因子響應作研究分析。

4 結果與分析

基于TM/ETM+影像提取了崇州市2002年、2014年土地利用數據(圖2)。

4.1 土地利用變化的基本特征

(1)土地利用速度變化

近10年崇州市建設用地、未利用地變化速度較快，分別為5.72%和-1.04%； 林地的變化速度最小，為-0.23%； 耕地、水體、草地增減速度較為穩定。其中崇陽街道辦、大劃鎮等12個場鎮建設用地的年增長速度較快，均達到5%以上。

(2)土地利用程度變化

圖2 土地利用類型分類

圖3 2002～2014年土地利用變化空間分布

表1 變化圖譜單元面積

序號轉移方向面積(hm2)占比(%)1耕地→建設用地68103036802林地→耕地23401812643建設用地→耕地20920511304耕地→林地1333357205未利用地→林地1245426736林地→未利用地1067675777林地→建設用地968045238草地→林地482222619水→建設用地3621619610林地→草地32328175合計17024679198未轉移90753038306發生轉移18508501694研究區1092615310000

近10年崇州市土地利用程度由254.25增長到260.93，其中崇陽街道辦、三江鎮等8個位于海拔較低的平原地區鄉鎮土地利用程度較大，均在310以上，土地利用處于發展時期，人類活動對土地利用的影響的程度增加； 崇陽街道辦、大劃鎮等5個場鎮土地利用程度增長量最大，除了崇陽街道辦作為行政中心位于地勢較低的平原地區之外，其他鄉鎮均位于平原向山地的過渡帶。其中崇陽街道辦、大劃鎮土地利用程度大且增長速度快，人類活動對這兩鎮土地利用影響劇烈； 公議鄉土地利用程度變化量低于0，處于調整期。崇州市土地利用開發地域差異明顯，平原地區開發程度大但發展平穩，平原山地過渡帶雖然目前土地利用程度不突出，但是變化劇烈，是今后平衡土地發展的重點關注區域，土地開發方向由平原向平原山地過渡帶轉移。

4.2 空間轉移特征

合成土地利用變化圖譜表明(圖3)，生成的36類圖譜單元中， 6類未發生轉移，面積9.075 303萬hm2，占研究區的83.06%； 30類圖譜單元發生變化，轉換面積合計1.850 850萬hm2，占研究區總面積的16.94%，計算累計百分率(表1)，排在前10位的圖譜單元變化面積1.702 467萬hm2，占比91.98%。

在近10年間，增長面積最大的圖譜單元耕地、林地、水體向新增建設用地的轉化達到8 140.5hm2，其中6 810.30hm2的耕地轉變，占全區轉換類型面積的36.796%。主要分布在城市中心的崇陽街道辦等周邊鄉鎮以及西北方向的街子鎮。2009年街子鎮被批復為國家4A級旅游景，受到政策影響開發利用力度增強，較大面積的耕地轉為建設用地； 面積排在第2位的圖譜單元類型是林地、建設用地向耕地的轉換，新增耕地面積4 432.23hm2主要集中在街子鎮、懷遠鎮、道明鎮山地向平壩過度的丘陵地區，應多注意地區林地保護； 位列第3位的是由耕地、未利用地、草地轉換的新增林地，面積為3 060.99hm2，未利用地向林地的轉換主要集中在雞冠山鄉北部高山地區，耕地向林地的轉換主要集中在公議鄉，主要原因是公議鄉以丘陵地區生態環境綜合治理項目為契機，以發展林果為重點，大力開展退耕還林工作； 其次，新增未利用地面積1 067.67hm2，集中分布在雞冠山鄉北部高山地帶。林地與未利用地的相互轉換受人類的影響小，屬于自然演替狀態。水體與草地轉出、轉入面積均較小，是最穩定的土地類型。

4.3 中心城市擴展方向

緩沖分析(圖4)結果表明， 2002年中心城區緩沖范圍內建設用地面積由2 808hm2增長到2014年的4 928.76hm2，增加了2 120.76hm2，耕地面積由7 396.29hm2縮減到5 401.8hm2，減少了1 994.49hm2，其他土地類型較為穩定。

通過研究建設用地的擴展指數，可以發現2002～2014年城中心主要是向東、東南、東北3個方向擴展(圖5)，范圍包括崇陽街道辦、崇平鎮、羊馬鎮、大劃鎮、集賢鄉等區域； 在河流東側土地利用程度大，得到高度開發，平均增長速度是23%、18%、8%，其建設用地增長貢獻率達到了71%。在北、西北、西、西南、南5個區塊，河流西側的建設用地面積均緩慢增長，可能是今后城市土地規劃、管理工作關注的方向。

圖4 2002年(a)和2014年(b)中心城市緩沖區

圖5 各區塊建設用地平均擴展速率及擴展貢獻率

圖6 地形因子分級

4.4 土地利用的高程、坡度響應

研究區高程、坡度分級圖(圖6),表明高程、坡度各等級分布均相對集中，海拔高度走向自西北向東南遞減趨勢，結合提取的土地利用信息，可以得出：

建設用地、耕地、水體分布在0～1 400m，其中0～500m平原地區為集中分布區域。研究期間建設用地面積大幅增加，街子鎮、懷遠鎮在500～1 400m高程內建設用地面積增加明顯； 0～500m高程的耕地面積出現了大量減少，面積為3 889.62hm2，集中在崇陽街道辦及其周邊鄉鎮； 林地面積主要分布在海拔500m以上的雞冠山鄉等5個鄉鎮，其中街子鎮、懷遠鎮林地面積減少明顯； 草地面積在低海拔區域比例增加明顯，反映了城市建設過程綠化意識的加強； 3 000m以上的高海拔地區林地與未利用地的相互轉換明顯。

坡度0°～6°是人類活動最頻繁區域，新增的建設用地、耕地的大量減少、草地的增加絕大部分發生在此坡度地形中； 建設用地在各坡度等級面積均有所增加，在0°～2°坡度上面積增加量最大，為4 824.27hm2； 耕地在0°～2°上面積減少了3 623.33hm2； 林地主要分布在坡度>25°的區域， 2002～2014年該坡度范圍面積變化小，分別是2.528 298萬hm2、2.540 79萬hm2，坡度1°～6°范圍面積減少明顯。

表2 土地利用與地形因子相關性

相關系數2002年2014年高程坡度高程坡度建設用地-0921-0959-0937-0945耕地-0903-09300908-0934林地0716095207560952水體-0906-0967-0889-0957草地0280-09580162-0983未利用地0544-09370636-0928

由表2可見，建設用地、耕地、水體與高程、坡度之間負相關性顯著， 2002年、2014年相關系數均達-0.9水平，表明地形因子對建設用地、耕地、水體的空間分布起制約作用。草地與坡度存在較高的負相關性，兩期相關系數為分別為-0.958、-0.983，而與高程的相關系數較小； 未利用地與坡度存在較高的負相關性，兩期相關系數為分別為-0.937、-0.928，而與高程的相關系數一般，這一結果表明坡度對草地、未利用地分布的影響程度較大且高于高程。

5 結論

(1)土地利用類型以林地、耕地、建設用地為主，建設用地變化速度最快，動態度達到5.72，崇州市整體土地利用程度由2002年的254.25增長到2014年的260.93，增加了6.68，土地直接經濟價值的提升程度大，土地利用處于發展時期。以能集中反映人類活動區域差異性的鄉鎮為研究單元，地域差異明顯，位于平原山地過渡區域的鄉鎮土地利用開發程度顯著增強。

(2)近10年來空間發生轉換的土地類型面積合計1.850 850萬hm2，占研究區總面積的16.939%，建設用地、耕地、林地在空間轉移中是最活躍的土地類型。中心城區建設用地面積大幅增長，2002～2014年中心城區緩沖范圍內建設用地面積增加了接近1倍，建設用地空間擴展規律呈現自河流向東、東南、東北3個方向擴展，這3個方向需要更加重視土地集約化管理。

(3)地形條件對土地資源的空間布局起著制約作用，建設用地、耕地、水體與高程、坡度之間負相關性顯著。海拔低、坡度較緩的平原地區依然是人類活動最頻繁的區域，建設用地增加、耕地大量減少絕大部分發生在該地區； 山地平原過渡帶是今后土地利用發展的重點地區。該區域耕地、建設用地的增加主要來自林地的減少； 高海拔地區林地與未利用地的相互轉換屬于自然演替狀態。

掌握區域土地利用結構變化規律，深化對城鎮發展建設歷史的科學認識，對該區域土地利用調控和管理具有一定的現實意義，對城鎮建設意見、經濟社會政策、城市建設布局規劃的制定具有重要參考意義，為土地利用結構更加合理提供依據。

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