李亦佳，陳竹安,2,3*

(1.東華理工大學測繪工程學院，330013，南昌 ；2.流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室， 330013，南昌；3.江西省數(shù)字國土重點實驗室，330013，南昌 )

0 引言

土地是人類賴以生存的重要載體之一，人們所進行的生產活動均離不開土地[1]。土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環(huán)境變化的主要原因之一，是全球可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境變化研究的重要問題之一[2]，同時也是自然因素和人類行為共同影響的結果，對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的保護以及提高全人類生活水平質量起著至關重要的作用[3]。在全球一體化和社會化的背景下，土地利用/覆被變化已經(jīng)成了全球熱點問題之一[4-5]。

近年來，國內外有許多學者對土地利用/覆被變化進行分析和研究。其中Appiah 等學者運用 GIS和 RS技術分析了加納城郊結合部土地利用/覆被變化的特征[6]，Enaruvbe運用監(jiān)督分類以及非監(jiān)督分類方法相結合分析了土地覆被時空變化的模式以及速率[7]。在國內的相關研究中，大部分學者選擇土地利用空間分析指標，例如土地利用程度綜合指數(shù)，土地利用動態(tài)度、緩沖區(qū)方法以及預測模型等，從土地利用變化速率、土地利用變化量、土地利用類型 轉換等層面上研究土地利用時空變化特征[8-13]。其中，鞏杰等運用移動窗口法、景觀指數(shù)和土地利用轉移矩陣研究甘肅省酒泉市綠洲化與景觀破碎化的時空變化[11]；王德智等運用了土地利用結構信息熵、土地利用程度變化模型及緩沖區(qū)梯度帶方法等分析海口市海岸帶分析土地利用時空變化特征[12]；岳東霞等運用CA-Markov模型的方法模擬，預測以及驗證石羊河流域土地利用時空變化[13]；徐睿擇等運用元胞自動機、馬爾可夫模型以及多準則評價方法對鄭州市土地利用變化進行模擬預測研究[14]。

21世紀以來中國城市迅速發(fā)展，中東部地區(qū)建設用地快速擴張，城市化正在迅速推進當中。而近20 a來是江西省實行中部地區(qū)崛起計劃、鄱陽湖經(jīng)濟生態(tài)區(qū)規(guī)劃等重要國家經(jīng)濟生態(tài)區(qū)域戰(zhàn)略規(guī)劃的重要時期。南昌市作為江西省的省會，歷史悠久，被評為世界最具有經(jīng)濟活力的城市之一[15-17]，由于南昌市城市化快速推進、社會經(jīng)濟快速發(fā)展以及國家一系列戰(zhàn)略規(guī)劃政策的實行，建設用地需求量不斷增長，土地利用受人類活動影響十分顯著，生態(tài)環(huán)境愈發(fā)脆弱。為此，本研究借助GIS與RS平臺，針對1995—2015年南昌市土地利用變化進行特征性分析，并進行空間格局變化驅動力分析，對未來的土地利用/覆被變化提供具體的針對性舉措，為將來的土地利用規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南昌市位于江西省中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽湖西南岸，古稱“豫章”“洪都”。位于東經(jīng)E115°27′～116°11′之間，北緯N28°09′～29°11′之間。東南以平原為主，地勢相對平坦，西北為丘陵地帶，地勢較為陡峭。南北最大縱距約為121.1 km，東西最大橫距約為108.3 km。南昌市屬于亞熱帶季風氣候，氣候濕潤溫和，夏天較熱，冬天較寒冷。近年來，南昌市經(jīng)濟發(fā)展迅速，建設用地擴張明顯，城市化速度顯著加快。作為重要的交通樞紐和廣電產業(yè)基地，2018年南昌市地區(qū)生產總值(GDP)為5 274.67億元，城鎮(zhèn)化率達到了74.23%。

圖1 南昌市區(qū)位圖

2 基礎數(shù)據(jù)以及研究方法

2.1 基礎數(shù)據(jù)

本文研究數(shù)據(jù)來自南昌市統(tǒng)計年鑒、政府公報，以及1995年、2005年以及2015年的南昌市3期遙感影像數(shù)據(jù)，其中遙感影像數(shù)據(jù)來源于全國土地利用數(shù)據(jù)產品，全國土地利用數(shù)據(jù)產品主要以Landsat TM/ETM/OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，經(jīng)過影像融合、幾何校正、圖像增強與拼接等處理后，通過人機交互目視解譯的方法，結合土地利用分類，采用ENVI5.1軟件提取建設用地、林地、水域、耕地、其他用地5種土地類型。利用ArcGIS隨機選點功能選取400個點，得到1995年、2005年、2015年3期數(shù)據(jù)。全國土地利用數(shù)據(jù)產品的影像分辨率為30 m，經(jīng)檢驗其Kappa系數(shù)均在85%以上，符合本文研究的精度。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度是指某研究區(qū)一定時間內某種特定土地利用類型的數(shù)量變化速率，土地利用類型的動態(tài)變化過程主要通過土地利用動態(tài)度來表達。

單一動態(tài)度(LCDIi)表示的是區(qū)域內土地利用類型變化與研究時段的比值，主要體現(xiàn)了單個土地利用類型在一定時間內的變化速度與變化幅度。

(1)

雙向動態(tài)度(BLCDIi)描述的是土地利用變化的方向和過程，反映土地利用變化的劇烈程度，可以說是對LCDIi的補充。

(2)

式中：LCDIi為i類土地利用類型的單一動態(tài)度，Uim為i類土地利用類型結束時的面積，Uin為i類土地利用類型開始時的面積，T為研究時段間隔。BLCDIi為i類土地利用類型的雙向動態(tài)度，∑Uij為第i類土地利用類型面積轉為其他土地利用類型面積之和，∑Uji為其他土地利用類型面積轉為第i類土地利用類型面積之和，Ui為開始時第i類土地利用類型的面積。

2.2.2 土地利用類型轉移矩陣 土地利用類型之間的相互轉換情況主要利用土地利用轉移矩陣來實現(xiàn)。土地利用類型轉移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應用，能夠定量地說明土地利用類型之間的相互轉換情況，以及不同地類之間相互轉移比例和速率等特征。

(3)

式中：Sij代表n×n矩陣，S代表面積 ,n代表土地類型數(shù) ，i、j分別代表研究期初和研究期末的土地類型。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化

對南昌市土地利用類型進行劃分，得到南昌市1995年、2005年、2015年土地利用分類圖(圖2)。根據(jù)南昌市3期土地利用分類圖可以得到，南昌市土地利用結構主要以耕地、林地和水域為主，其中耕地分布最為廣泛；林地主要分布于主城區(qū)和安義縣西北部，進賢縣南部；水域和其他用地主要分布于新建區(qū)北部方向、進賢縣西北部方向以及南昌縣北部方向，此外主城區(qū)內也存在少量的水域；建設用地在主城區(qū)分布最廣。

圖2 1995年、2005年和2015年南昌市土地利用類型

對比南昌市土地利用類型比例(表1)，可以看出其明顯的升降特征。建設用地所占比例逐年上升，增幅達31 563.39 hm2，所占比例從1995年的4.13%上升到2015年的8.40%。耕地與林地所占比例逐年下降，其中耕地下降幅度最大，20 a間耕地減少了31 054.60 hm2，所占比例從1995年的56.56%減少至2015年的52.36%。林地所占比例從16.50%減少至15.79%，水域所占比例從16.70%上升至17.43%，其他用地所占比例從6.11%減少至6.02%，可知林地、水域、其他用地的比例結構總體變化不明顯。由此可見，快速城市化的過程中主要以建設用地侵蝕耕地為主。

表1 1995年、2005年、2015年南昌市土地利用面積對比/hm2

3.2 土地利用轉移分析

為了進一步分析其土地轉移具體的方向，本文繼續(xù)分析了南昌市1995—2005年以及2005—2015年土地利用轉移矩陣。

1)利用1995—2005年土地利用轉移矩陣(表3)分析可得，1995—2005年南昌市耕地與林地的面積在減少，其余都在增長。其中，建設用地轉入與轉出百分比相差了40.04%，耕地相差了-6.57%，水域相差了6.01%，而林地、其他用地分別相差了-1.45%、0.48%。說明在1995—2005年內，南昌市變化最劇烈的土地利用類型是建設用地，其次是耕地和水域。建設用地單一動態(tài)度最大，表明南昌市土地利用轉移具有一定的方向性，快速城市化進程中主要是以建設用地的區(qū)域擴張為主；而雙向動態(tài)度又是反映土地利用類型動態(tài)轉換速度的指標，從中可以看出，1995—2005年快速城市化進程中的土地利用變化方向主要為建設用地與耕地之間的相互轉換，并且建設用地的轉換速度遠大于耕地的轉換速度。

表3 南昌市1995—2005年土地利用轉移矩陣/hm2

2)利用2005—2015土地利用轉移矩陣(表4)分析可得，2005—2015年南昌市除建設用地面積在增長外其余的用地類型面積都在減少，但是總體來說土地利用轉移速度較上階段變化速度稍有減緩。其中，建設用地轉入與轉出百分比相差了15.7%，耕地相差了-0.81%，而水域、林地和其他用地分別相差了-2.06%、-2.80%和1.73%。建設用地的單一動態(tài)度依舊最高，說明了城市化進程中建設用地的增長是主流趨勢，為客觀地理現(xiàn)象。同時耕地被侵蝕的速率明顯小于上一階段，這是由于南昌市政府在2005年后出臺了一系列的耕地保護政策，使得耕地的轉出受到了制約。由雙向動態(tài)度可以得知，建設用地和其他用地轉移速率相對較高，說明這兩者轉換相對較頻繁。這是由于南昌市在“十二五”規(guī)劃期間強調生態(tài)文明建設戰(zhàn)略研究以及“十三五”強調的“田園城市”布局結構，使得其余用地類型的轉換受到了制約。

表4 南昌市2005—2015年土地利用轉移矩陣/hm2

3.3 土地利用空間變化分析

為了進一步分析1995—2015年的土地利用總體變化特征，利用ArcGIS將1995年、2015年2期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行空間分析疊加，分析得到1995—2015年土地利用類型的空間變化示意圖(圖3)，對各類土地利用類型的變化面積進行數(shù)理統(tǒng)計分析后得到南昌市1995—2015年土地利用轉移情況(表5)。

表5 南昌市1995—2015年土地利用轉移情況/hm2

圖中白色地塊為土地利用類型未發(fā)生改變或初始地類為其他的類型的地塊

3.3.1 耕地轉移空間變化 1995—2015年耕地一共向其余類型的用地轉移了44 123.85 hm2，是所有土地類型中轉移量最大的用地類型，幾乎所有地區(qū)均有分布。其中耕地向建設用地一共轉移了28 322.10 hm2，占所有耕地轉出面積的64.20%，可知其轉出的主要用地類型是建設用地。耕地向建設用地的轉移主要集中在主城區(qū)和南昌縣、新建縣的交界處，而由于南昌市北部靠近鄱陽湖，居民以農業(yè)、漁業(yè)為主，鮮有耕地轉為建設用地的情況。其空間變化的分布規(guī)律為“以主城區(qū)為中心，逐漸向四周擴散”；另外，耕地向水域一共 轉移了12 982.90 hm2，占所有耕地轉出面積的29.42%。耕地向水域的轉移主要集中在南昌縣和新建區(qū)的部分地區(qū)，這種轉移呈破碎狀分布。此外，耕地向林地以及其他用地分別轉移了1 877.69 hm2、941.16hm2，分別占耕地轉出面積的4.25%和2.13%。耕地轉為林地以及其他用地的現(xiàn)象較少，僅在進賢縣內有少量的轉移。

3.3.2 林地轉移空間變化 1995—2015年林地一共向其余類型的用地轉移了9 501.69 hm2，主要發(fā)生在主城區(qū)和新建區(qū)的交界處、進賢縣南部以及安義縣北部。其中林地分別向耕地和建設用地轉移了4 664.36 hm2和4 260.10 hm2，分別占所有林地轉出面積的49.10%以及44.83%，可知其轉出的主要用地類型是耕地和建設用地。林地轉為建設用地的現(xiàn)象多發(fā)生在主城區(qū)和新建縣的交界處，主要發(fā)生在贛江沿岸地區(qū)，其空間分布變化規(guī)律為“分散變化，沿江多變”；林地轉為耕地的現(xiàn)象多發(fā)生在進賢縣南部、新建區(qū)北部以及安義縣西北部，主要分布在靠近城市邊界的地帶。此外，林地分別向水域和其他用地轉移了299.83 hm2和277.40 hm2，分別占林地轉出面積的3.15%和2.91%，林地轉為水域以及其他用地的現(xiàn)象較少。

3.3.3 水域轉移空間變化 1995—2015年水域一共向其余類型的用地轉移了12 345.5 hm2，主要發(fā)生在新建區(qū)、進賢縣和主城區(qū)內。其中水域分別向耕地和其他用地轉移了5 647.00 hm2和4 080.05 hm2，分別占所有水域轉出面積的45.74%以及33.05%，可知其轉出的主要用地類型是耕地和其他用地。水域轉為耕地的現(xiàn)象多發(fā)生在新建區(qū)、南昌縣和進賢縣內，呈破碎狀變化；水域轉為其他用地的現(xiàn)象多發(fā)生在新建區(qū)東北部靠近鄱陽湖地帶，其空間分布分布規(guī)律為“集中分布，靠湖多變”。另外，水域向建設用地轉移了1 926.66 hm2，占所有水域轉出面積的15.60%，其多發(fā)生在主城區(qū)中部靠近贛江的地帶。

3.3.4 其他用地轉移空間變化 1995—2015年其他用地共向其余用地類型轉移了6 012.23 hm2，主要發(fā)生在新建區(qū)和南昌縣的北部以及進賢縣的南部。其中其他用地向水域轉移了3 119.44 hm2，占所有其他用地轉出面積的51.88%，可知其轉出的主要用地類型是水域，其多發(fā)生在新建區(qū)北部與南昌縣內，集中于新建區(qū)和南昌縣的交界處。另外，其他用地向林地轉移了1 641.62 hm2，占所有其他用地轉出面積的27.30%，其多發(fā)生于進賢縣的南部。

3.3.5 建設用地轉移空間變化 1995—2015年建設用地共向其余用地類型轉移了3 214.71 hm2，其轉出的主要用地類型是耕地和水域，分別轉移了1 778.48 hm2和1 334.95 hm2，占所有建設用地轉出面積的55.32%和41.52%，主要發(fā)生在新建區(qū)中北部和南昌縣北部。由于耕地、水域、林地和其他用地向建設用地轉換存在一定程度上的不可逆性，在城鎮(zhèn)中建設用地向耕地、水域、林地和其他用地轉換的現(xiàn)象幾乎未出現(xiàn)。

3.4 驅動因素分析

影響土地利用空間格局變化的驅動因素包括自然環(huán)境和社會活動，其中自然環(huán)境主要包括地形、地貌、氣候、水文等方面因素，對土地利用類型的變化起著制約的作用；而社會活動則是土地利用類型變化的主要誘因。本研究根據(jù)1995—2015年南昌市社會與經(jīng)濟發(fā)展的數(shù)據(jù)，結合社會條件，選取了人口總數(shù)，全市GDP，非農人口人數(shù)，農業(yè)人口人數(shù)，第一、第二、第三產業(yè)所占比重，地方財政收入與支出，固定資產投資額，住房投資額，工業(yè)總產值，房屋竣工面積等13個指標，運用SPSS軟件實現(xiàn)主成分分析法，發(fā)現(xiàn)第一主成分的累積方差貢獻率超過90%，其與人口總數(shù)、非農業(yè)人口數(shù)、全市GDP，三大產業(yè)結構比重以及地方財政收入與支出等人口、經(jīng)濟要素密切相關，第二主成分與南昌市行政政策有關。

3.4.1 社會經(jīng)濟的發(fā)展 20 a來，南昌市GDP從1995年的245.41億元上升到2015年的4 000.01億元，增加了3 754.60億元，年均增長率為14.97%；固定資產投資額從1995年的83.14億元上升到4 021.47億元，年均增長21.27%；地方財政收入與支出分別增加了379.2億元和532.97億元。在此期間，建設用地面積增加了31 563.39 hm2，年均增長3.61%。所以，社會經(jīng)濟的發(fā)展會影響土地利用方式發(fā)生轉變，促使土地利用變化，使得南昌市建設用地顯現(xiàn)出擴張的趨勢。

3.4.2 人口增長 人類與土地之間是相互作用、相互影響的關系，即土地給人類提供生活所必需的物質資源，而土地利用的方式也被人類自身活動所影響。所以，人類活動是土地利用變化的重要影響因素之一。而人口增長是人類活動的重要表現(xiàn)，土地利用類型的需求會隨著人口的增長而改變。據(jù)統(tǒng)計，1995—2015年年末南昌市總人口數(shù)從395.16萬上升到520.38萬，非農人口由153.29萬上升到268.54萬，比例分別為38.8% 和51.60%，年均增長率為2.84%?？芍丝谠鲩L是土地利用發(fā)生變化的主要驅動因素之一。而隨著城市化的進程，非農人口在逐步增加，導致大量的耕地、林地向建設用地轉移。

3.4.3 產業(yè)結構的調整 1995—2015年，南昌市政府堅持第二、第三產業(yè)并舉，新興工業(yè)與傳統(tǒng)農業(yè)協(xié)調發(fā)展，產業(yè)結構得到了合理的調整，實現(xiàn)了經(jīng)濟的快速發(fā)展以及經(jīng)濟結構的優(yōu)化。15年間，南昌市三大產業(yè)結構的比重由16.0：46.0：38.0調整到4.3：54.5：41.2，第一產業(yè)比重明顯降低，第二、第三產業(yè)比重顯著提高。 由于第一產業(yè)以耕地和林地的利用為主，第二產業(yè)和第三產業(yè)以建設用地的利用為主，所以產業(yè)結構的調整對土地利用方式以及土地利用類型的變化產生了較為顯著的影響。

3.4.4 政策因素 《南昌市城市規(guī)劃(2003—2020年)》 提出做強和做大中心城，適度拓展中心城用地，發(fā)揮次中心城鎮(zhèn)各自特色職能，促進小城鎮(zhèn)發(fā)揮。形成以中心城為核心，次中心城為主體，重點建制鎮(zhèn)為基礎，并輻射到廣大農村居民點的多層次、網(wǎng)絡狀的城鎮(zhèn)體系?！赌喜型恋乩每傮w規(guī)劃(2006—2020年)》從宏觀上對土地利用進行調控，堅持協(xié)調土地利用與生態(tài)建設，全面拓展生態(tài)空間，協(xié)調用地之間的矛盾，提高土地利用效率。同時《南昌市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年計劃》和《南昌市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年計劃》強調生態(tài)文明的戰(zhàn)略研究以及“田園城市”的布局結構，加強了建設用地和其他用地之間的相互轉換，在2005—2015年內建設用地擴張的速率逐漸減小，斑塊逐漸趨于破碎化，同時一系列的耕地保護政策使得耕地的轉移受到了制約，一定程度上保護了耕地。

4 結論

本研究對南昌市1995年、2005年、2015年3期遙感影像進行目視解譯和監(jiān)督分類，獲得了各期土地利用類型圖，通過運用土地利用轉移矩陣和土地利用動態(tài)度的方法分析了1995—2015年南昌市土地利用類型的演變規(guī)律以及特征，并分析其空間位置的變化，得到以下結論：

1)1995—2015年南昌市土地利用結構主要以耕地、林地和水域為主，其中耕地分布最廣泛。20 a來南昌市土地利用類型變化較大，期間建設用地和水域呈現(xiàn)出上升的趨勢，其中上升幅度最大類型是建設用地，20 a間增加了31 563.39 hm2；而其他類型用地面積均呈現(xiàn)下降的趨勢，降幅最大的用地類型為耕地，20 a間減少了31 054.60 hm2。

2)通過2個階段的土地利用轉移矩陣分析可知，1995—2015年南昌市變化最劇烈的土地利用類型是建設用地，其次為耕地。建設用地在2個階段的單一動態(tài)度值均為最大，說明1995—2015年間南昌市以建設用地的擴張為主。通過雙向動態(tài)度可知，在1995—2005年以建設用地和耕地間的相互轉換為主；而在2005—2015年以建設用地和其他用地之間的相互轉換為主，建設用地的擴張和耕地被侵蝕的速率明顯小于上一階段?？梢娔喜性诔鞘袛U張中，以建設用地侵蝕其余用地類型為主，城市擴張的速率在減慢。

3)通過1995—2015年南昌市土地利用空間變化分析可知，研究區(qū)內土地變化整體呈“中部變化大四周變化小，耕地轉出量大其余用地轉出量小”的態(tài)勢。耕地主要轉移為建設用地，主要發(fā)生在主城區(qū)和南昌縣、新建縣的交界處，空間變化分布規(guī)律為“以主城區(qū)為中心，逐漸向四周擴散”；林地主要轉移為耕地和建設用地，主要發(fā)生在主城區(qū)和新建區(qū)的交界處、進賢縣南部以及安義縣北部，呈破碎狀變化；水域主要轉移為耕地和其他用地，主要發(fā)生在新建區(qū)、進賢縣和主城區(qū)內；其他用地主要轉移為水域，主要發(fā)生在新建區(qū)北部與南昌縣內；建設用地在20 a內發(fā)生的轉移較少。從變化斑塊的空間分布來看，研究區(qū)內各地類變化較為破碎，發(fā)生大面積轉移斑塊的較少。

4)運用主成分分析法對南昌市土地利用變化因素進行分析，發(fā)現(xiàn)引起1995—2015年南昌市土地利用變化的主要驅動因素有社會經(jīng)濟的發(fā)展、人口增長和產業(yè)結構的調整；此外，國家政策和區(qū)域政策與規(guī)劃也對南昌市土地利用變化起著重要的作用。