土地利用景觀格局演變及驅(qū)動因子分析

朱恒槺 袁燦 李虎星

1.河南省水利科技應(yīng)用中心 河南 鄭州 450003

2.河南省水利工程安全技術(shù)重點實驗室 河南 鄭州 450003

城市區(qū)下墊面的變化主要是受到自然環(huán)境和人類活動共同作用的影響，它是城市生態(tài)系統(tǒng)變化的重要產(chǎn)物，近年來關(guān)于下墊面景觀格局演變研究一直都是熱點[1]，尤其是以土地利用類型變化為特征。景觀生態(tài)學(xué)則是以景觀單元的類型組成、空間配置及其與生態(tài)學(xué)過程互相作用研究為主的學(xué)科，其中最為重要的研究方法為景觀格局指數(shù)法[2]。

作為珠江三角洲腹地的廣州市增城區(qū)經(jīng)過近十五年的飛速發(fā)展，其下墊面條件尤其是土地利用類型發(fā)生了巨大變化，直接影響著全市農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)的發(fā)展和居民的生活。之前有研究曾對增城區(qū)2010年以前的土地利用進(jìn)行動態(tài)變化分析[3]，本次研究則選擇快速城鎮(zhèn)化的2010-2020年作為研究階段，分析了增城區(qū)土地利用演變格局及驅(qū)動因子，深層次地分析和揭示了增城區(qū)土地利用變化趨勢和原因，從而對增城區(qū)未來的城市國土規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

增城區(qū)位于廣州市東部，其得天獨厚的自然環(huán)境，使得增城區(qū)成為廣州市副中心，主要產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)。增城區(qū)地處南亞熱帶，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，全年炎熱多雨，平均氣溫20℃以上，2022年增城區(qū)GDP達(dá)到1325.3億元，總?cè)丝跒?55萬人。

1.2 研究方法

本文以地理信息系統(tǒng)和遙感為技術(shù)手段，以增城區(qū)為研究對象，對2010、2015、2020年三期遙感影像進(jìn)行解譯，利用轉(zhuǎn)移矩陣法、景觀格局指數(shù)法分析增城區(qū)土地利用和景觀格局變化特征，采用主成分分析法歸納其土地變化驅(qū)動機制，以期為增城區(qū)未來國土規(guī)劃提供參考依據(jù)。

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣[4]展示了同一區(qū)域內(nèi)不同時間節(jié)點的土地利用類型的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系；景觀格局指數(shù)分析從景觀類型層次對景觀格局特征進(jìn)行分析；主成分分析法是以主要變量作為代表，需要構(gòu)建驅(qū)動因子分析體系。

1.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

本次研究的數(shù)據(jù)類型包括：1、遙感數(shù)據(jù)：分別為2010、2015和2020年10月的Landsat影像，空間分辨率為30m，下載于地理空間數(shù)據(jù)云數(shù)據(jù)平臺；2、社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)和基本氣候數(shù)據(jù)則來源于《增城統(tǒng)計年鑒》；3、增城區(qū)基本矢量和柵格數(shù)據(jù)。

遙感分類：Landsat數(shù)據(jù)為Level 1T標(biāo)準(zhǔn)地形校正產(chǎn)品，基于此對遙感影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正和裁剪，根據(jù)光譜響應(yīng)特征理論，采用監(jiān)督分類、選擇訓(xùn)練區(qū)分類的方法進(jìn)行目視解譯，分為河流、林地、農(nóng)田、園地、建設(shè)用地和坑塘，得到增城區(qū)三景的土地利用分類結(jié)果（圖1）。采用上述方法進(jìn)行分類的Kappa系數(shù)均達(dá)到0.8以上。

圖1 增城區(qū)2010、2015、2020年土地利用分類

2 結(jié)果與分析

2.1 增城區(qū)土地利用變化特征

2.1.1 面積比重變化分析

增城區(qū)2010-2020年間土地利用變化情況如表1。可以看出：河流、農(nóng)田面積均呈減小的變化趨勢，林地面積呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，建設(shè)用地和園地的面積增幅明顯。

表1 增城區(qū)2010-2015-2020土地利用變化結(jié)果

2.2 增城區(qū)各類型用地的轉(zhuǎn)移概率矩陣

利用ARCGIS軟件的空間疊置分析功能，求得增城區(qū)十年間土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣（表2）。通過此矩陣能夠分析增城區(qū)土地利用景觀格局的空間變化。

表2 增城區(qū)不同土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（%）

在近十年區(qū)間內(nèi)不同類型土地自我保留率從大到小依次為林地、河流、庫塘、建設(shè)用地、園地和農(nóng)田，總的來說農(nóng)田面積直線下降，建設(shè)用地面積快速上升，這些說明雖然增城還是一個農(nóng)業(yè)大縣，但是近些年來二三產(chǎn)業(yè)的興起使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的比重呈現(xiàn)出下降趨勢；部分林地也轉(zhuǎn)換為園地，園地面積直線上升，這與增城區(qū)近十年來增城區(qū)的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)諸如公園、果園的“千園計劃”密切相關(guān)，說明城市建設(shè)活動直接影響到土地利用類型結(jié)構(gòu)組成。

2.3 土地利用景觀格局分析

2.3.1 景觀格局指數(shù)分析

通過監(jiān)督分類得到的三期土地利用分類圖，利用Envi導(dǎo)出矢量格式，再利用ArcGIS工具矢量文件轉(zhuǎn)柵格文件，接著導(dǎo)入到Fragstics軟件分別從類型水平進(jìn)行景觀格局分析。

由表3數(shù)據(jù)可以看出：林地、園地、農(nóng)田的斑塊指數(shù)增大、結(jié)合度指數(shù)減少，說明十年間景觀破碎度逐年增大，連通性變?nèi)酰唤ㄔO(shè)用地的斑塊個數(shù)減少、結(jié)合度指數(shù)增大，說明經(jīng)過10年的城市建設(shè)，增城建設(shè)用地連通性增強，又加上形狀指數(shù)逐年上升，可以看出建設(shè)用地越來越趨于規(guī)則；斑塊密度上看農(nóng)田和園地最大，說明它們分布最為廣泛，最大斑塊指數(shù)、形狀指數(shù)以林地和農(nóng)田為大且近十年保持穩(wěn)定，這對于維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有著重要的意義；河流與庫塘散步與并列指數(shù)較大，分布相對集中。

表3 基于類型水平的增城區(qū)2010-2020年土地利用景觀指數(shù)

2.3.2 驅(qū)動因子分析

對選定的13個指標(biāo)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后借助SPSS軟件進(jìn)行KMO檢驗，合格之后進(jìn)行主成分分析。經(jīng)Bartlett球形度檢驗，KMO系數(shù)為0.856，效果較好。按照特征值大于1且累計概率大于85%的原則提取兩個主成分因子，這兩個主成分可以解釋土地利用景觀格局變化的驅(qū)動力。第一主成分、第二主成分的特征值分別為10.610和2.169，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到90.864。隨后計算出因子載荷矩陣，并應(yīng)用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法對因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由此得出主成分載荷矩陣（表4）。

表4 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

由表4可知，第一主成分與地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)民人均純收入、社會消費品零售額、全市總接待旅游人數(shù)等存在著很大的正相關(guān)，相關(guān)度達(dá)到0.970以上。第二主成分與第一產(chǎn)業(yè)增加率有著很大的正相關(guān)，與養(yǎng)老保險參保人數(shù)、全市戶籍總?cè)丝诖嬖谥欢ǖ呢?fù)相關(guān)，反映的是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)情況。總體而言，社會經(jīng)濟發(fā)展水平、第一產(chǎn)業(yè)增加率是影響增城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動因子。

3 結(jié)論

本文選取廣州市增城區(qū)為研究對象，以快速城市化發(fā)展的2010-2020年為研究時間，借助Envi和ArcGIS軟件平臺，運用轉(zhuǎn)移矩陣法、景觀格局分析法對增城區(qū)土地利用景觀格局演變進(jìn)行分析，結(jié)論：

（1）增城區(qū)各類型土地利用變化差異明顯： 農(nóng)田、林地面積呈減少趨勢，園地、坑塘、建設(shè)用地面積均呈上升趨勢，但整體景觀破碎化加劇，斑塊形態(tài)越來越復(fù)雜；林地和農(nóng)田仍占有較大比重，園地和建筑用地比重上升較快。（2）增城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化主要驅(qū)動因子是經(jīng)濟發(fā)展指標(biāo)、全市接待游客總量、第一產(chǎn)業(yè)上升率三個方面。

總之，在下階段的發(fā)展中，增城區(qū)要充分發(fā)揮國土空間規(guī)劃尤其是土地管理的控制作用，在確保農(nóng)田、林地保護(hù)的基礎(chǔ)上，適度開發(fā)旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)，使得新一輪的城鎮(zhèn)發(fā)展朝著更加科學(xué)的方向。