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(jiān)測教育部重點實驗室，四川成都 610068)

0 引言

土地系統(tǒng)是人類—環(huán)境交互作用復(fù)合地球系統(tǒng)中的重要組成部分，是人類—環(huán)境關(guān)系的紐帶和橋梁，對理解和弄清人類—環(huán)境復(fù)雜關(guān)系具有重要作用[1]。土地利用/土地覆被變化(LUCC)是全球環(huán)境變化與可持續(xù)研究的重要內(nèi)容，已成為國內(nèi)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(huán)境的一種重要方式和響應(yīng)，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(yīng)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(yīng)程度分析[5-7]。劉紀遠等[8]采用衛(wèi)星遙感信息源和相同的技術(shù)方法，對中國土地利用變化數(shù)據(jù)進行定期更新，提出并發(fā)展了土地利用動態(tài)區(qū)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(qū)等行政單元出發(fā)討論了土地利用變化及其驅(qū)動力。除了具有政策導(dǎo)向性、經(jīng)濟發(fā)達的“熱點區(qū)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(qū)、農(nóng)牧過渡帶等“脆弱區(qū)”[11]。其中山地平原過渡帶，以生態(tài)脆弱、敏感著稱，不僅具有復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，自然災(zāi)害頻發(fā)，又是社會、經(jīng)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(zhèn)化進程的加快及城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展新要求的提出，作為建設(shè)過程中的重、難點區(qū)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(shù)據(jù)，選取成都崇州市作為研究區(qū)，從土地利用變化幅度、程度、方向、響應(yīng)等基本特征與空間格局展開研究，為該區(qū)土地的合理利用提供數(shù)據(jù)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(qū)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(zhèn)、三郎鎮(zhèn)、懷遠鎮(zhèn)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(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。崇州市境內(nèi)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(jié)構(gòu)[13]。崇州市屬于汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建4個重災(zāi)縣(市)的規(guī)劃范圍。目前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)初具規(guī)模，城鄉(xiāng)建設(shè)步伐加快。

圖1 研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

該文所涉及的數(shù)據(jù)包括遙感影像、DEM、崇州市矢量邊界、野外實地采樣數(shù)據(jù)、成都市和崇州市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。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(zhì)量良好，遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所和地理空間數(shù)據(jù)云。崇州市1： 5萬地形圖，來源于西南土地資源評價與監(jiān)測重點實驗室； 土壤類型及數(shù)字高程模型(DEM)，數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心； 野外實地采樣數(shù)據(jù)為2016年7月，對崇州市進行為期1周的野外實地采樣。

數(shù)據(jù)的預(yù)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(yīng)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(nèi)。

2.2 土地利用分類及解譯

土地利用分類系統(tǒng)是在2007年國家標準《土地利用現(xiàn)狀分類》的規(guī)定劃分基礎(chǔ)上[14]，結(jié)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(shè)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(xiàn)輔助分類； 通過野外實地采樣數(shù)據(jù)，對2014年、2002年土地分類結(jié)果進行對比驗證，分類結(jié)果精度分別達到85.7%、90.07%，Kappa系數(shù)均大于0.85，能夠滿足后期數(shù)據(jù)分析需求。

3 研究方法

3.1 土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度是刻畫不同土地利用類型在一定時間段內(nèi)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(qū)某種土地利用類型年變化率；Ua、Ub分別為研究區(qū)初期及末期某種土地類型的數(shù)量；T為研究時段長，即年數(shù)。

3.2 土地利用程度

根據(jù)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(tài)分為若干級，并賦予分級指數(shù)，從而給出了土地利用程度綜合指數(shù)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(qū)土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為研究區(qū)域內(nèi)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(shù)。

3.3 土地利用空間轉(zhuǎn)移

轉(zhuǎn)移矩陣可全面又具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各個土地類型的變化方向[18]，該方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，大多數(shù)土地利用變化研究均采用地類間轉(zhuǎn)移矩陣分析，轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學模型為：

(3)

式(3)中，S代表面積;n代表土地類型的數(shù)目;i、j分別表示研究區(qū)期初和期末的土地類型。轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，還能反映時段內(nèi)各類土地利用類型的轉(zhuǎn)移情況，即未變、轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出的方向。

3.4 地形因子響應(yīng)

地形因子是影響土地利用方式的重要環(huán)境因子[19]，高程、地形坡度分級是土地管理、地理信息服務(wù)的重要內(nèi)容[20]，該文根據(jù)2004年《土地利用更新調(diào)查技術(shù)規(guī)定》，結(jié)合相關(guān)研究成果及研究區(qū)實際情況，對高程、坡度進行了分級[21]。對研究區(qū)土地利用變化地形因子響應(yīng)作研究分析。

4 結(jié)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(shù)據(jù)(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(shè)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(wěn)定。其中崇陽街道辦、大劃鎮(zhèn)等12個場鎮(zhèn)建設(shè)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(zhuǎn)移方向面積(hm2)占比(%)1耕地→建設(shè)用地68103036802林地→耕地23401812643建設(shè)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(shè)用地968045238草地→林地482222619水→建設(shè)用地3621619610林地→草地32328175合計17024679198未轉(zhuǎn)移90753038306發(fā)生轉(zhuǎn)移18508501694研究區(qū)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(zhèn)等8個位于海拔較低的平原地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用程度較大，均在310以上，土地利用處于發(fā)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(zhèn)等5個場鎮(zhèn)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(qū)之外，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均位于平原向山地的過渡帶。其中崇陽街道辦、大劃鎮(zhèn)土地利用程度大且增長速度快，人類活動對這兩鎮(zhèn)土地利用影響劇烈； 公議鄉(xiāng)土地利用程度變化量低于0，處于調(diào)整期。崇州市土地利用開發(fā)地域差異明顯，平原地區(qū)開發(fā)程度大但發(fā)展平穩(wěn)，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(fā)展的重點關(guān)注區(qū)域，土地開發(fā)方向由平原向平原山地過渡帶轉(zhuǎn)移。

4.2 空間轉(zhuǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)移，面積9.075 303萬hm2，占研究區(qū)的83.06%； 30類圖譜單元發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換面積合計1.850 850萬hm2，占研究區(qū)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(shè)用地的轉(zhuǎn)化達到8 140.5hm2，其中6 810.30hm2的耕地轉(zhuǎn)變，占全區(qū)轉(zhuǎn)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(xiāng)鎮(zhèn)以及西北方向的街子鎮(zhèn)。2009年街子鎮(zhèn)被批復(fù)為國家4A級旅游景，受到政策影響開發(fā)利用力度增強，較大面積的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地； 面積排在第2位的圖譜單元類型是林地、建設(shè)用地向耕地的轉(zhuǎn)換，新增耕地面積4 432.23hm2主要集中在街子鎮(zhèn)、懷遠鎮(zhèn)、道明鎮(zhèn)山地向平壩過度的丘陵地區(qū)，應(yīng)多注意地區(qū)林地保護； 位列第3位的是由耕地、未利用地、草地轉(zhuǎn)換的新增林地，面積為3 060.99hm2，未利用地向林地的轉(zhuǎn)換主要集中在雞冠山鄉(xiāng)北部高山地區(qū)，耕地向林地的轉(zhuǎn)換主要集中在公議鄉(xiāng)，主要原因是公議鄉(xiāng)以丘陵地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理項目為契機，以發(fā)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(xiāng)北部高山地帶。林地與未利用地的相互轉(zhuǎn)換受人類的影響小，屬于自然演替狀態(tài)。水體與草地轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入面積均較小，是最穩(wěn)定的土地類型。

4.3 中心城市擴展方向

緩沖分析(圖4)結(jié)果表明， 2002年中心城區(qū)緩沖范圍內(nèi)建設(shè)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(wěn)定。

通過研究建設(shè)用地的擴展指數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)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(zhèn)、羊馬鎮(zhèn)、大劃鎮(zhèn)、集賢鄉(xiāng)等區(qū)域； 在河流東側(cè)土地利用程度大，得到高度開發(fā)，平均增長速度是23%、18%、8%，其建設(shè)用地增長貢獻率達到了71%。在北、西北、西、西南、南5個區(qū)塊，河流西側(cè)的建設(shè)用地面積均緩慢增長，可能是今后城市土地規(guī)劃、管理工作關(guān)注的方向。

圖4 2002年(a)和2014年(b)中心城市緩沖區(qū)

圖5 各區(qū)塊建設(shè)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(yīng)

研究區(qū)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(jié)合提取的土地利用信息，可以得出：

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

坡度0°～6°是人類活動最頻繁區(qū)域，新增的建設(shè)用地、耕地的大量減少、草地的增加絕大部分發(fā)生在此坡度地形中； 建設(shè)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(qū)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(guān)性

相關(guān)系數(shù)2002年2014年高程坡度高程坡度建設(shè)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(shè)用地、耕地、水體與高程、坡度之間負相關(guān)性顯著， 2002年、2014年相關(guān)系數(shù)均達-0.9水平，表明地形因子對建設(shè)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(guān)性，兩期相關(guān)系數(shù)為分別為-0.958、-0.983，而與高程的相關(guān)系數(shù)較??； 未利用地與坡度存在較高的負相關(guān)性，兩期相關(guān)系數(shù)為分別為-0.937、-0.928，而與高程的相關(guān)系數(shù)一般，這一結(jié)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(jié)論

(1)土地利用類型以林地、耕地、建設(shè)用地為主，建設(shè)用地變化速度最快，動態(tài)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(jīng)濟價值的提升程度大，土地利用處于發(fā)展時期。以能集中反映人類活動區(qū)域差異性的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究單元，地域差異明顯，位于平原山地過渡區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用開發(fā)程度顯著增強。

(2)近10年來空間發(fā)生轉(zhuǎn)換的土地類型面積合計1.850 850萬hm2，占研究區(qū)總面積的16.939%，建設(shè)用地、耕地、林地在空間轉(zhuǎn)移中是最活躍的土地類型。中心城區(qū)建設(shè)用地面積大幅增長，2002～2014年中心城區(qū)緩沖范圍內(nèi)建設(shè)用地面積增加了接近1倍，建設(shè)用地空間擴展規(guī)律呈現(xiàn)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(shè)用地、耕地、水體與高程、坡度之間負相關(guān)性顯著。海拔低、坡度較緩的平原地區(qū)依然是人類活動最頻繁的區(qū)域，建設(shè)用地增加、耕地大量減少絕大部分發(fā)生在該地區(qū)； 山地平原過渡帶是今后土地利用發(fā)展的重點地區(qū)。該區(qū)域耕地、建設(shè)用地的增加主要來自林地的減少； 高海拔地區(qū)林地與未利用地的相互轉(zhuǎn)換屬于自然演替狀態(tài)。

掌握區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，深化對城鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)歷史的科學認識，對該區(qū)域土地利用調(diào)控和管理具有一定的現(xiàn)實意義，對城鎮(zhèn)建設(shè)意見、經(jīng)濟社會政策、城市建設(shè)布局規(guī)劃的制定具有重要參考意義，為土地利用結(jié)構(gòu)更加合理提供依據(jù)。

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