基于GIS的常德市土地利用動態變化研究

彭其龍，劉嘉順，陳哲夫,陳端呂

(1.湖南省婁底市森林資源監測中心，湖南 婁底 417000;2.湖南文理學院, 湖南 常德 415000)

1 引言

土地利用動態變化是屬于全球環境變化重要的組成部分之一,利用GIS技術對其進行研究已經成為了全球變化研究的前沿和熱點之一。目前，中國在經濟、政治、文化等方面取得了非凡的成就，人民的生產生活方式發生了巨大的改變，城市化率顯著地提升、城市化水平大大進步。隨著城市工業、住宅等建設用地規模的擴大，城市化不斷向外擴張，城市附近郊區的土地價格上漲，農業用地逐漸轉化為了工業用地，土地利用方式發生了巨大的改變，對經濟發展也產生了一定影響[1，2]。

目前，我國在LUCC方面進行了大量的調研并開展了一系列研究，研究項目的重點主要放在了以下的兩類地區：一類是“熱點地區”，即人為因素對環境所造成的影響超過自然因素，如北京、上海、廣州等東部發達的地區；二類是“脆弱地區”，環境的變化主要受制于自然因素，或者是生態環境遭到破壞很難恢復的地區，“脆弱”地區指的是面積大的、范圍廣的交錯地域如農林交錯帶、農牧交錯帶以及農魚交錯帶等敏感的交錯地區，尤其是在西藏、新疆、青海等地區的西部自然環境惡劣地區內。同時，在利用遙感影像監測分析土地利用與土地覆被變化、數據庫建設、變化驅動力研究、土地利用與土地覆被變化建模等方向也取得了許多的成果[3～5]。近年來，隨著經濟的發展，土地利用格局也在發生相應的改變。通過GIS技術對常德市的土地利用類型的現狀、變化狀況以及驅動力機制進行研究與分析，以期為研究和預測常德市土地利用變化提供理論和方法論的支持，推動常德市的土地利用朝著合理有效的方向發展，從而推動常德市可持續發展。

2 研究區概況

常德位于110°～112°17′52″E ,28°24′31″～30°07′53″N，地處湖南省西北部，是長江以南著名的“魚米之鄉”。地形以平原、山脈和丘陵為主。地勢西北高東南低。它是處于北亞熱帶和亞熱帶地區的一個過渡地帶。熱量比較豐富，年平均氣溫在16.7 ℃，夏季氣溫較高，受東南季風的影響，降水較多，雨熱同期；冬季溫暖，受到了寒冷干燥的冬季風影響，降水較少，四季比較分明。由于地形的影響，該地區的氣候呈非地帶性規律。常德市下轄6個縣和2個區，以及代管了1個縣級市。

3 研究方法

3.1 土地利用動態度研究分析

土地使用動態度能夠對該地區的土地利用變化速率進行量化分析。在對比不同的區域使用情況下，對今后的土地使用變化的趨勢做出了積極的貢獻[6]。它是包含了單一土地利用類型動態度和綜合土地利用動態度這兩種分析類型，能夠從多個角度對研究區某一特定時段的土地使用類型運用數學方法進行量化。

3.1.1 單一土地利用動態度

單個用地類型的動態度是指特定時期內某個地區的土地使用類型的變化[7,8]，計算公式為：

(1)

式(1)中，LC是研究期間土地利用類型的動態程度；Ua是指一種特定的土地使用方式在研究期之初的數目(個數)；Ub是對某一特定用地的期末使用數量的調查(個數)；T為研究時段長(年時/日時)，如果T的時間段設置為年時，那LC就表示研究區域內某一土地利用類型的年變化率[9](%)。

3.1.2 綜合土地利用動態度

區域土地綜合利用動態水平也能反映出該地區的土地使用變動速率[10～12]，計算公式為：

(2)

式(2)中，LUi為監測開始時第類土地利用類型面積(m2)；?LUi為監測時間內由第i類土地利用類型轉為非i類土地利用面積的絕對值(m2)；T是監控周期的長度(年時/日時)。如果T時間段設置為年時，LC就是研究區域土地利用的年變化率(%)。

3.2 基于GIS技術進行土地矩陣分析

土地利用動態度可量化表述出研究區用地變化的速率，并從不同方面對某一特定時段的土地利用類型的變化程度進行量化[13]。然而，它無法代表每種土地利用類型之間相互轉換的關系，但是土地利用轉移矩陣卻可以定量地表示各種土地利用類型之間的關系，這將有助于了解土地發展變化的趨向，為了更深入的土地利用和規劃預測提供依據。疊置分析是GIS空間分析的重要組成部分，也是研究土地利用動態變化的重要方法。通過數據整理，數據融合，疊加分析形成矩陣轉移。轉移矩陣(表1)不僅反映了變化開始和結束時土地利用類型的結構，還反映了研究期間各種類型之間的轉移變化，以及研究期間結束時各種類型的來源和構成[13,14]。

表1 土地利用矩陣

4 結果與分析

4.1 常德土地利用現狀分析

基于GIS技術進行數據分析，分類整理得到常德市2013年各土地利用類型的數據及土地利用結構圖(圖1)。

由圖1和土地利用類型數據可知，常德市土地利用類型是以林地和耕地為主，分別占了全市土地總面積的39.46%和36.98%。其余為建設用地、未利用地、水域和草地，分別占總用地面積的9.84%、8.75%、4.95%和0.02%。

4.2 常德市土地利用變化分析

4.2.1 常德市土地利用的數量和空間結構變化分析

土地利用類型的數目變化反映在了不同土地類型總面積的變化數據上。通過用GIS和統計分析方法解析了土地利用類型整體變化的具體情況，就可以把握土地利用變化的總體趨勢以及其結構變化特征。本文對4個時期的土地利用圖形數據進行統計分析，得出2000～2013年常德市土地利用年變化率表(表2)和空間格局圖(圖2)。

圖1 2013年常德市土地利用類型面積百分比

表2 2000～2013年常德市土地利用年變化率

根據圖2和表2的數據，在2000～2013年的這13年間里，林地、水域、建設用地和草地面積擴張了，而耕地和未利用地面積縮小了。2000年土地利用類型結構為：林地>耕地>未利用地>建設用地>水域>草地；2005～2013年常德市土地利用結構為：林地>耕地>建設用地>未利用地>水域>草地。由此得知常德市土地利用結構變化不是很明顯，最主要的是未利用地的減少和建設用地規模的擴大，從而使得土地利用結構發生了變化。

圖2 2000～2013年常德市土地利用空間格局

結合表2可以得知，建設用地是該市從2000～2013年面積增長最多的土地利用類型，由2000年占土地總面積7.47%到9.84%，建設用地面積增加了43187.4 hm2，年變化率也較大。新增長面積的主要來源是占用了未利用土地和林地；建設用地的擴張在一定程度上體現了這一時期常德市城市化和經濟發展的加速。林地的占地面積由2000年占地面積38.71%到39.46%，已超過了耕地面積，成為常德市最主要的土地利用類型，林地所占的土地面積說明常德市對林業的重視，并在經濟發展過程中，新增了一定的林業工程。未利用地年變化率為-3.1%，減小幅度較大，面積減少了102186.83 hm2，占該市土地總面積的5.62%，是所有土地利用類型中面積收縮幅度最大的土地利用類型。說明該市為追求更高的經濟效益，大力開發未利用地，使其為經濟建設發展服務。耕地年變化率為小于零，則表明了耕地面積在不斷下降。從2000～2013年，耕地面積由686811.57 hm2減少到了672564.31 hm2，總共減少了14247.26 hm2，年變化率為-3.1%，平均每年減少1095.94 hm2。水域的年變化率為14.87%，在所有土地利用類型的年變化率中最大，并明顯的大于其他的土地類型，漲動幅度是最大的。

4.2.2 常德市土地利用的動態變化分析

由圖3和表3可以看出：在研究的4個時期，常德市單個土地利用動態度的土地利用變化速度是不同的。其中，2000～2005年和2000～2013年的動態度變化曲線基本相同的，波動較大，說明這兩個時期土地變化速度波動較大。而2005～2010年和2010～2013年動態度變化曲線基本一致，比較平緩，說明在研究期的后期，土地變化速度相對平穩一些，動態度小，變化速度也小。水域單一動態度為38.662%，變化速度是快于其他土地利用類型的。草地單一動態度也是較大的，達到了8.912%。未利用地和建設用地的年變化率也較大，動態度分別達到了-7.820%和6.357%；耕地和林地的年變化率較小，分別為-0.415%和0.393%。從圖4和表3可以看出，從2000～2013年，常德市土地綜合利用動態度呈下降的走向，其中，由2000～2005年這一時期到2005～2010年這一時期動態度迅速減少，2005～2010時期到2010～2013年時間段減少曲線基本平穩，說明土地變化速度比較平穩。2000～2005年，常德市土地利用類型變化是較快的，土地利用綜合動態度為6%。而在2005～2010、2010～2013年間其速度變化較慢，分別為0.4198%和0.4196%。

表3 2000～2013年常德市土地利用動態度

圖3 2000～2013年常德市單一土地利用動態度/%

圖4 2000～2013年常德市綜合土地利用動態度

3.2.3 常德市土地利用矩陣分析

由表4、表5可知：草地主要轉化為建設用地，轉移概率達0.7196，而草地的補充來源只有林地。建設用地主要是轉化為了耕地、水域和未利用地，轉移概率依次是0.0558、0.0231和0.0091，轉移面積分別為629.41、261.01和101.46 hm2，為未利用地的重要補充來源。而建設用地的主要補充來源為耕地和林地。耕地主要轉化為水域和建設用地，轉移概率分別為0.029和0.0221，轉移面積分別為4335.81和3210.02 hm2，而耕地的補充來源主要為水域、建設用地和林地。林地主要轉化為建設用地，轉化面積為1623.62 hm2，其次是耕地和水域，轉化面積分別為248.39和122.257 hm2，林地補充的主要來源是水域和耕地，說明該市退耕還林取得了一定成效。水域主要轉化的土地利用類型是耕地，轉移面積1953.94 hm2，其次則是建設用地和林地、未利用地主要轉化為水域，轉移概率0.8883，轉移面積為83.68 hm2。水域的主要補充來源是耕地、林地和建設用地。通過各土地轉移面積可以得出常德市各土地利用類型之間面積轉化的大致情況為耕地>林地>水域>建設用地>未利用地>草地。

5 結論

本次研究以常德市為研究區域,利用GIS技術，通過空間分析和數據統計分析的方式，直觀準確地得出了2000～2013年常德市土地利用動態變化規律。在此期間，常德市土地利用是以林地和耕地為主的，但土地利用的空間格局發生了一定程度上的變化，具體的表現為林地、草地、建設用地和水域面積的擴大，以及耕地和未利用地面積的縮減；土地利用區域差異是先增大后減小的，基本保持在0.68左右；土地利用類型之間的面積轉換為耕地>林地>水域>建設用地>未利用地>草地；水域單一動態度為0.38622，遠大于其他的土地利用類型，土地綜合利用動態度呈下降趨向。

表4 2000～2013年常德市土地利用轉移矩陣

表5 2000～2013年常德市土地利用轉移矩陣概率

本文僅對常德市做了整體的研究工作。如果由縣、區、鎮等較小的單位進行研究和分析，結果可能更準確、更合理，從而更好地指導土地利用政策。本文只是分析了土地的動態變化，但沒有涉及對動態變化的原因分析。期望以后進行更加深入的研究。