李鳳霞，石　輝，馮曉剛，劉明星，許五弟，李　萌

(1. 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2. 西安建筑科技大學(xué)建筑

學(xué)院，陜西 西安 710055)

Study of Land Use Dynamic Evolution and Driving Factors in Xi’an

LI Fengxia,SHI Hui,FENG Xiaogang,LIU Mingxing,XU Wudi,LI Meng

?

西安市土地利用格局動(dòng)態(tài)演變及其驅(qū)動(dòng)力研究

李鳳霞1,2，石輝1，馮曉剛2，劉明星2，許五弟2，李萌2

(1. 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2. 西安建筑科技大學(xué)建筑

學(xué)院，陜西 西安 710055)

Study of Land Use Dynamic Evolution and Driving Factors in Xi’an

LI Fengxia,SHI Hui,FENG Xiaogang,LIU Mingxing,XU Wudi,LI Meng

摘要：基于多時(shí)相TM/ETM+數(shù)據(jù),以RS和GIS技術(shù)為支撐，采用監(jiān)督分類(lèi)、非監(jiān)督分類(lèi)等方法，輔助土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用耗減度等定量指標(biāo)，分析了西安1995—2010年的土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明，15年間西安市城區(qū)土地利用空間格局發(fā)生了較大變化，土地利用時(shí)空演變以速度加快，強(qiáng)度顯著，建設(shè)用地急劇擴(kuò)張，占用大量耕地、林地為主要特征；景觀斑塊破碎化程度高，不穩(wěn)定斑塊呈現(xiàn)出先分散后集中的特點(diǎn)，土地利用類(lèi)型的空間穩(wěn)定性低；經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、城市化、人口增長(zhǎng)等因素是其主要驅(qū)動(dòng)力。

關(guān)鍵詞：土地利用；動(dòng)態(tài)演變；RS；GIS；西安市

一、引言

土地利用變化是目前土地利用方面的研究熱點(diǎn)之一，土地利用變化不僅表現(xiàn)在數(shù)量上，而且表現(xiàn)在空間布局上。土地利用/覆被變化(land use and cover change,LUCC)是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、資源、環(huán)境發(fā)展的重要影響因子，區(qū)域土地利用變化研究對(duì)環(huán)境保護(hù)和城市規(guī)劃具有十分重要的參考價(jià)值[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般應(yīng)用RS和GIS手段對(duì)土地利用的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段相比，遙感數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性、高效性。國(guó)外對(duì)城市土地利用景觀格局的研究起步較早，研究方法、體系比較成熟[2-4]，Turner[5]指出LUCC是引起全球氣候變化的重要因素等。國(guó)內(nèi)賈寶全、吳宏安、馮曉剛、解修平等基于TM影像數(shù)據(jù)，研究了城市土地利用變化及城市擴(kuò)張[6-9]。

西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,加快了西部地區(qū)城市化進(jìn)程的步伐,而城市化快速發(fā)展通常伴隨著城市土地利用的急劇變化[8]。西安市正處于城市化的快速發(fā)展期，城市環(huán)境污染、城市生態(tài)用地不足、城市熱島現(xiàn)象嚴(yán)重。本文以西安市土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變?yōu)檠芯繉?duì)象，利用RS和GIS技術(shù)，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理，對(duì)西安市1995—2000年間LUCC的空間結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行探討，計(jì)算城市土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用耗減度，并對(duì)西安城區(qū)的土地景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行剖析，研究結(jié)果對(duì)西安市土地資源優(yōu)化及區(qū)域土地可持續(xù)利用具有極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

二、研究區(qū)概況與研究方法

1. 研究區(qū)概況

西安地處我國(guó)西北東部關(guān)中平原中部，北瀕渭河，南依秦嶺，位于北緯33°42′—34°45′、東經(jīng)107°40′—109°49′,屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔424 m,年平均溫度約13.3℃，平均降水量604.2 mm,平均濕度69.6%。

2. 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)處理

(1) 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用1995年、2006年和2010年3個(gè)時(shí)相的TM遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，將土地利用分為6個(gè)一級(jí)類(lèi)型，分別是建設(shè)用地、耕地、林地、草地、水域和未利用地(如圖1所示)。輔助數(shù)據(jù)包括西安市1∶5萬(wàn)地形圖、30 m分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、1989年1∶55萬(wàn)土地利用圖及相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料。

(2) 數(shù)據(jù)處理

圖1　土地利用分類(lèi)圖

本研究主要采用ENVI 4.8、eCognition 8.0、ArcGIS 10.0及ArcView 3.2等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先以1∶5萬(wàn)比例尺地形圖為基準(zhǔn)采用三次多項(xiàng)式模型對(duì)3期TM數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，校正誤差小于0.5個(gè)像元；然后根據(jù)具體研究范圍進(jìn)行圖像裁剪及圖像增強(qiáng)處理，采取監(jiān)督分類(lèi)的方法對(duì)3期遙感圖像進(jìn)行分類(lèi)，提取出主要的土地利用類(lèi)型，并結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行糾正；最后運(yùn)用聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)、過(guò)濾分析等方法進(jìn)行后處理。

3. 研究方法

(1) 研究采用的技術(shù)路線

本文以西安市城區(qū)為例，利用RS、GIS等相關(guān)軟件，分析研究區(qū)1995—2010年土地利用變化的總體特征，建立1995—2006年和2006—2010年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，探討土地利用變化的時(shí)空特征及動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，本文引入土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用耗減度等定量指標(biāo)，分析土地利用類(lèi)型的變化速度及年變化率，并對(duì)西安市土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行探索分析，確定影響土地利用類(lèi)型變動(dòng)的關(guān)鍵因子。研究技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　土地利用格局演變研究技術(shù)路線

(2) 土地利用動(dòng)態(tài)度[10]、土地利用耗減度單一土地利用動(dòng)態(tài)度反映一段時(shí)期內(nèi)各種土地利用類(lèi)型在研究期內(nèi)年際變化的速度和幅度，它對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)有積極的指導(dǎo)作用，其公式為

(1)

式中，LUDI代表單一土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究期初及研究期末區(qū)域某種土地利用類(lèi)型的面積；T表示研究時(shí)段長(zhǎng)度，以年為單位。

(2)

式中，Rz表示綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；LUi為第i類(lèi)土地類(lèi)型研究期初的面積；ΔLUi為研究期末第i類(lèi)土地類(lèi)型轉(zhuǎn)化為其他土地利用類(lèi)型的面積絕對(duì)值；T為研究時(shí)段長(zhǎng)度。土地利用耗減度[4]表示某種土地利用類(lèi)型在單位時(shí)間內(nèi)被實(shí)際消耗的程度

(3)

式中，LUC表示土地利用耗減度；Cab為由a時(shí)刻到b時(shí)刻某種土地類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙?lèi)型的面積總和；Ua為a時(shí)刻該土地類(lèi)型的面積；T為研究時(shí)段長(zhǎng)度。

三、結(jié)果與分析

1. 西安市土地利用變化的總體特征

根據(jù)西安市城區(qū)3期遙感影像數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果，借助GIS工具，計(jì)算出的西安1995—2010年土地利用的數(shù)量特征見(jiàn)表1。

表1　西安1995—2010年各時(shí)期土地利用的面積變化

由表1可以看出，總體而言，西安1995—2010年土地利用情況呈現(xiàn)出以耕地、建設(shè)用地和林地為主，以草地、水域及未利用地為輔，以耕地、林地、水域的減少，以及建設(shè)用地和草地的大幅度增加為主要特征。其中，1995—2006年間建設(shè)用地增加43.23 km2，年變化量為3.93 km2；而2006—2010年間建設(shè)用地的增加量為141.24 km2，幾乎是前一時(shí)段的4倍，年增加量達(dá)到35.31 km2，可見(jiàn)2006—2010時(shí)段是西安城市化高速發(fā)展的階段。草地面積在2006年以前是減少的，2006年之后草地面積逐步增加，2006—2010年草地增加119.43 km2，年增加面積29.86 km2。同時(shí)，在1995—2006年林地減少的面積不大，這說(shuō)明西安在城市化進(jìn)程中非常重視生態(tài)用地保護(hù)。

總的來(lái)看，1995—2010年間，建設(shè)用地的增加主要是以耕地、林地和水域的減少為代價(jià)的，這與國(guó)內(nèi)外其他相關(guān)研究的結(jié)論基本一致。從耕地的減少來(lái)看，1995—2006年間變化不大，2006—2010年間共減少63.46 km2，年均減少15.87 km2，差不多是前一時(shí)段的15倍。從水域的變化來(lái)看，水域面積有所減少，1995—2006年間減少12.82 km2，2006—2010年間水域變化量為-2.43 km2，年變化量為-0.61 km2，減少的幅度有所降低，這與西安盡力保護(hù)水資源及西安的水資源匱乏有一定的關(guān)系。

2. 西安市土地利用變化的時(shí)空分析

根據(jù)西安1995年、2006年和2010年的土地利用分類(lèi)圖，應(yīng)用GIS的空間疊置功能，對(duì)相鄰兩幅圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到1995—2006年和2006—2010年土地利用動(dòng)態(tài)變化圖(如圖3所示)，再利用ArcGIS的統(tǒng)計(jì)功能，建立的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2和表3。

表2　西安1995—2006年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表3　西安2006—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣　km2

圖3　土地利用動(dòng)態(tài)變化圖

從圖3中可以看出，土地利用空間格局發(fā)生了較大變化，1995—2006年間，不穩(wěn)定斑塊呈現(xiàn)出分散性的特點(diǎn)。建設(shè)用地面積在增加，表現(xiàn)出向四周擴(kuò)張的特征，特別是南邊的大片耕地轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地，這與西安市城市化進(jìn)程中南郊的快速發(fā)展是相吻合的，尤其是西安曲江新區(qū)的高速發(fā)展。同時(shí)，比較明顯的是位于東南角的大量草地轉(zhuǎn)為耕地，這意味著西安市在城市建設(shè)過(guò)程中注重耕地的保護(hù)。而在2006—2010年間，不穩(wěn)定斑塊的分布相對(duì)比較集中，呈現(xiàn)出聚集性的趨勢(shì)，尤其是西安市東郊和北郊最為典型。建設(shè)用地仍在快速擴(kuò)張，向北郊和東郊擴(kuò)展較明顯，這與北郊的西安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)及東郊的西安國(guó)際港務(wù)區(qū)快速發(fā)展相符。

由表2和表3的結(jié)果來(lái)看，15年間各種土地利用類(lèi)型發(fā)生了比較復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)化?？傮w來(lái)看，土地利用類(lèi)型的保持率不高，隨著時(shí)間的推移，各種土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)出量增加，其空間穩(wěn)定性有所降低，表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：

1) 1995—2006年間，建設(shè)用地的增加量主要從耕地、林地和水域轉(zhuǎn)化而來(lái)。其中耕地凈轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為34.03 km2，其他土地利用類(lèi)型凈轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地9.6 km2。耕地主要轉(zhuǎn)化為林地、建設(shè)用地及未利用地，分別為79.48 km2、51.52 km2、28.32 km2。草地的減少主要流向耕地，其中由草地凈轉(zhuǎn)為耕地的面積為19.12 km2。

2) 2006—2010年間，增加的建設(shè)用地和草地主要來(lái)源于耕地、林地和未利用地。以耕地來(lái)看，凈轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為99.06 km2，與前一時(shí)段相比較，共增加了65.03 km2，多了21.67 km2?？梢?jiàn)，城市化速度在不斷地加快，并且侵占了大量的耕地。減少的耕地、林地、未利用地，其變化的主要方向是建設(shè)用地和草地。其中耕地向草地轉(zhuǎn)化37.01 km2，同時(shí)，草地轉(zhuǎn)化為耕地的面積是13.05 km2，13.62 km2的建設(shè)用地又轉(zhuǎn)向耕地，這說(shuō)明了土地利用類(lèi)型間變化的多元化、多方向性?？傮w上看，減少最多的是林地，其主要轉(zhuǎn)化為草地、耕地和建設(shè)用地，對(duì)西安而言，林地是生態(tài)脆弱斑塊，而且是重點(diǎn)斑塊，因此，在未來(lái)城市建設(shè)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，盡量抑制房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)對(duì)綠地的影響。

3. 西安市土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

從表4可以看出，首先，在動(dòng)態(tài)度方面，建設(shè)用地持續(xù)增長(zhǎng)，1995—2010年間，動(dòng)態(tài)度達(dá)到30.95%，2006—2010年的動(dòng)態(tài)度是1995—2006年的6倍多。草地面積先減少后增加，未利用地先增加后減少，皆呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的特征。從草地類(lèi)型來(lái)看，2006—2010年的動(dòng)態(tài)度幾乎是前一時(shí)間段的24倍，這體現(xiàn)了城市發(fā)展的過(guò)程。另外，耕地、林地和水域持續(xù)減少，隨著時(shí)間的推移，耕地和林地的動(dòng)態(tài)度增大，水域的動(dòng)態(tài)變化比較平穩(wěn)?？偟膩?lái)說(shuō)，1995—2010年間，建設(shè)用地和草地的年變化率較大，這與未來(lái)城市發(fā)展的趨勢(shì)基本一致，也可初步預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化的趨勢(shì)。其次，在耗減度方面，總體來(lái)看，耕地、林地、草地、水域和未利用地的變化都比較大，其耗減度分別為14.94%、18.63%、13.91%和13.48%，其被實(shí)際消耗的程度高，而建設(shè)用地的耗減度較小?？傊?006年之后各地類(lèi)動(dòng)態(tài)變化整體加快，反映了城市發(fā)展的速度在提升。

表4　西安1995—2010年土地利用動(dòng)態(tài)變化　(%)

根據(jù)式(2)計(jì)算出的西安1995—2006年間綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為2.74%，而2006—2010年間綜合土地利用動(dòng)態(tài)度上升為7.42%，幾乎是前一時(shí)間段的3倍?？梢?jiàn)，西安各種土地利用類(lèi)型變化的速度很快，綜合年變化率很大，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特征。

四、西安市土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

隨著城市化進(jìn)程的加快，西安市已進(jìn)入高速發(fā)展的階段。土地利用變化受社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口變化、政府政策、自然條件、氣候變化、地形地貌等諸多因素的影響，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文歸納總結(jié)出影響西安市土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力，并對(duì)其進(jìn)行剖析。

1. 社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，西安市1995—2010 15年間的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)由410.43億元增長(zhǎng)到3 241.69億元，增長(zhǎng)幅度是689.8%。至2006年，人均生產(chǎn)總值增長(zhǎng)至17 794元，第一、二、三產(chǎn)業(yè)的增加值分別為70.73億元、615.26億元、764.03億元，第二、三產(chǎn)業(yè)的比重逐年增加。15年來(lái)，西安的總投資額增長(zhǎng)率迅猛增長(zhǎng)，位于西安城東南的曲江新區(qū)是中外客商投資的熱點(diǎn)。其次，位于西安主城南邊的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)西高新)和位于主城北邊的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)經(jīng)開(kāi)區(qū))的發(fā)展也對(duì)西安市的經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)作了很大的貢獻(xiàn)。

2. 人口驅(qū)動(dòng)力

西安市宜居的環(huán)境使得人口逐年增加，市區(qū)人口由1995年的303.31萬(wàn)人增長(zhǎng)至2010年的562.65萬(wàn)人(數(shù)據(jù)來(lái)源：2011西安統(tǒng)計(jì)年鑒)，1995—2010年間，非農(nóng)人口增加了113.36萬(wàn)人，年增長(zhǎng)率達(dá)到10.3%。其中，位于西安南郊的碑林區(qū)一直是城區(qū)人口密度最高的區(qū)，這與南郊的土地利用動(dòng)態(tài)變化大是相吻合的。人口快速增長(zhǎng)使得用于人們居住、辦公、休閑娛樂(lè)的土地增加，導(dǎo)致耕地減少、建設(shè)用地增多，西安市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。

3. 政策、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)施驅(qū)動(dòng)力

城市土地利用類(lèi)型變化的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力是宏觀政策的導(dǎo)引,自1999年國(guó)家實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略以來(lái)，西安的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主要轉(zhuǎn)向第三產(chǎn)業(yè)，如旅游業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)等，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整引起了土地利用結(jié)構(gòu)的變化。高新區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)、草灘生態(tài)產(chǎn)業(yè)園及西安國(guó)際港務(wù)區(qū)的發(fā)展帶動(dòng)了其周邊的餐飲、娛樂(lè)、房地產(chǎn)等服務(wù)業(yè)的迅速發(fā)展。此外，西安市建成的繞城高速、三環(huán)路、機(jī)場(chǎng)高速等為過(guò)往車(chē)輛提供了便捷的通道，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)占用了大量的土地，尤其是耕地。

五、結(jié)論

本文基于1995年、2006年、2010年3期TM/ETM+數(shù)據(jù),借助RS和GIS軟件，采用監(jiān)督分類(lèi)、非監(jiān)督分類(lèi)，輔助轉(zhuǎn)移矩陣、單一土地利用動(dòng)態(tài)度、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用耗減度等定量指標(biāo)，對(duì)西安1995—2010 15年間的土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了詳細(xì)論述，并剖析了影響西安土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其驅(qū)動(dòng)力，得出以下結(jié)論：

1) 1995—2010年的15年間西安市城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了大幅度的變化，耕地面積減少67.04 km2，建設(shè)用地持續(xù)增加184.47 km2，究其原因是城市化快速發(fā)展引起的。土地利用時(shí)空演變以速度加快、強(qiáng)度顯著、建設(shè)用地急劇擴(kuò)張、林地減少及大量耕地被占用為西安土地利用變化的主要特征。

2) 應(yīng)用GIS的空間疊置，發(fā)現(xiàn)西安15年間土地利用空間格局發(fā)生了較大變化，隨著時(shí)間的推移，景觀斑塊破碎化程度不斷提高，不穩(wěn)定斑塊呈現(xiàn)出先分散后集中的特點(diǎn)，建設(shè)用地向北郊和東郊擴(kuò)張比較明顯，這與北郊的西安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)及東郊的西安國(guó)際港務(wù)區(qū)快速發(fā)展相符。

3) 15年間各種土地利用類(lèi)型發(fā)生了比較復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)化，土地利用類(lèi)型的保持率不高，各種土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)出量增加，其空間穩(wěn)定性有所降低，尤其是2006—2010年間各地類(lèi)動(dòng)態(tài)變化整體加快，綜合年變化率很大，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特征。

4) 綜合分析影響西安土地利用類(lèi)型變化的各個(gè)因素，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致城市土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力是在政策導(dǎo)向下的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、城市化、人口增長(zhǎng)等主要因素，西部大開(kāi)發(fā)、各開(kāi)發(fā)區(qū)的快速發(fā)展及社會(huì)投資額的增加為西安城市發(fā)展帶來(lái)了盎然生機(jī)。

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作者簡(jiǎn)介：李鳳霞(1982—)，女，博士生，講師，主要從事環(huán)境遙感及3S方面的教學(xué)和研究。 E-mail: lifengxiasky@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51178371/E080201)；陜西省自然科學(xué)基金(2014JZ011)；西安建筑科技大學(xué)校青年基金(QN13009)；陜西省自然科學(xué)基金青年人才基金(2013J95011)

收稿日期：2014-11-04

中圖分類(lèi)號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)12-0041-05

引文格式： 李鳳霞，石輝，馮曉剛,等. 西安市土地利用格局動(dòng)態(tài)演變及其驅(qū)動(dòng)力研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(12)：41-45.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.374