资源枯竭型城市转型期间的土地利用变化研究本科论文.docx
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资源枯竭型城市转型期间的土地利用变化研究本科论文
资源枯竭型城市转型期间的土地利用变化研究
——以黄石市为例
摘要：
我国经济建设处于快速发展时期，城市对资源的开发利用尺度日益增强，因此在过去对土地利用的众多研究中，资源枯竭型城市的土地利用研究得到了众多研究者的关注。
黄石市矿产资源丰富，但由于过度开采，资源枯竭，其作为第一批资源枯竭型城市转型试点城市，转型以来城市土地利用是否有改善得到关注。
本文选用2000年、2013年的Landsat卫星遥感影像，将研究区的土地利用类型分为水体、林地、草地、耕地、建设用地和未利用地6类，通过Envi5.1和ArcGis10.1软件的使用，采用监督分类法获取2000年、2013年土地利用相关数据。
依据土地利用动态度模型及转移矩阵，分析土地利用的流动方向以及数量的变化程度，并通过土地利用合理度模型分析城市土地利用，为城市的持续发展提出建议。
结果证明：
第一，黄石市转型后，城市的林地、耕地面积增加，工业占用耕地现象得到控制；第二，城市不同类型土地利用较合理，也就是说，城市转型战略有成效。
依据这些结论，针对城市特点，为城市节约工业用地提供了战略措施。
关键词：
土地利用；黄石；遥感；合理度
一.引言
20世纪以来，随着人地“矛盾”的日益突出，土地利用变化研究（LandUseandLandCoverChanges，LUCC）成为当今地学的研究热点，引起了国内外众多学者的关注。
1922年，美国的Lee发表了论文《从空中看到的地球表面》，这是国外对土地利用/覆盖变化问题最早的研究。
当时规模最大的工作由金陵大学农学院美籍教授JL.Buck主持得而对中国农业区的调查，并于1937年出版了附有大量统计图的<<中国土地利用>>一书。
20世纪90年代以后，土地利用变化研究进去空前繁荣的阶段[1]。
随着全球化的发展，各国在面对经济极速增长的同时也面临着资源过度开发，生态环境严重破坏，群众大幅度失业等问题。
为了解决这些问题，国外多数国家开始对资源枯竭型城市进行转型发展。
其中最有影响力的就是德国的鲁尔区，20世纪60年代起，鲁尔区就进行对老工业基地的整治，推动产业转型。
规划采取“自上而下”和“自下而上”的运行模式，在最大程度上实现了土地的合理开发使用，并高度融合了各方利益及优势，使土地利用变化的项目顺利进行。
德国的大胆尝试使其他各国包括中国政府对本国资源枯竭型城市发展重视起来，各国开始逐步探索转型路上的土地利用变化。
在我看来，这对中国乃至世界都提出了一个城市多方面发展的点子，促进了全国平衡发展，解决了生态环境破坏问题，群众就业问题，政府和民众应当慎重对待。
我国自始至终就有土地利用开发，不过过去主要研究土地相关资源的调查、分类、规划等。
在我国，地理学家胡焕庸和农学家张心进行过比较系统的土地利用调查研究。
但是近年来，随着我国社会经济高速发展、人口的快速增长，土地在城市发展中的影响越来越深刻。
无论在深度还是广度以及速度上我国的土地利用变化都表现为剧烈复杂化趋势，这是我国开展科学系统的土地利用变化研究的现实需求基础。
20世纪80年代中期，资源枯竭型城市的转型研究是我国学者关注的重点和热点。
对此，国家采取相关措施对资源型城市整体发展进行调查研究，创新型城市将成为资源枯竭型城市转型的可行道路，其中最关键的就是土地利用变化研究。
目前影响力大的有葛琳，史科等同志以徐州市贾汪区为例对煤矿区土地利用变化研究，其实现了贾汪区的可持续发展，推动了城市的转型发展；管东生，董文福等以珠江三角洲为例的土地利用变化研究，探究了经济发展的趋势[7]；张小虎、郭增长等同志以焦作市为例研究的煤炭资源枯竭型城市的土地利用系统，揭示其将康状态的趋势[8]；当然也有很多其他学者的相关研究，这些研究成果使资源枯竭型城市的土地利用变化研究相关问题提上了国际舞台，得到越来越多人的关注。
随着经济的快速发展，我国资源丰富的城市无节制的开采资源，导致城市的可开采资源减少，进而支柱产业崩溃，生态环境破坏严重。
基于此，本文采用最大似然监督分类法[18]来对获得的遥感影像进行分类，然后根据所得的土地利用类型图,提取单色波段，并栅格矢量化数据，计算几何面积面积,可分别采得2000年、2013年黄石市土地利用类型面积。
在这基础上，通过土地利用动态度以及土地利用转移矩阵模型的使用，分析土地的使用流向，最后基于土地利用很力度模型计算分析城市转型是否成功。
和已有的研究成果相比，本文的研究有以下两点特点和创新：
第一，过去大尺度或中尺度是主要的研究尺度，其中小尺度的研究稍显薄弱，大城市或特大城市的土地利用变化研究是主要的小尺度微观土地利用变化研究，而本文以小尺度城市为主，全面分析城的土地利用现状。
第二，从图形特征角度进行土地利用变化研究的案例还不多，有关土地覆被的分类、动态监测和土地变化时空特征分析以及土地利用变化驱动机制的分析[14]是土地利用变化的研究项目的侧重点。
本文则主要用软件对图像处理得出数据，通过计算讨论城市转型情况。
由此所得的结论以及政策启示对黄石市在后期城市转型的发展有着重要的借鉴作用。
2.政策背景
随着经济的快速发展，我国资源丰富的城市无节制的开采资源，导致城市的可开采资源减少，进而支柱产业崩溃，生态环境破坏严重。
对此，国家采取相关措施对资源型城市整体发展进行调查研究，创新型城市将成为资源枯竭型城市转型的可行道路，其中最关键的就是土地利用变化研究。
黄石市是湖北省重要的原材料工业基地，在资源毫无节制的开采使用后，城市的环境和资源也付出了一定的代价：
生态环境受到破坏，矿产资源的不可再生性使得数量急剧下降，黄石市由资源型城市变成资源枯竭型城市。
在面对城市的资源告急、产业结构发展不平衡、城市发展空间不充分，民众就业困难、生态环境严重破坏等严峻问题时，为实现城市的发展，黄石走上创新型城市转型道路。
在探索黄石市转型之路过程中，关于土地利用变化的研究是基础和重点。
3.实证模型
（一）单一土地利用动态分析
为了更准确的把握土地利用变化情况，更好的研究各地区的区域土地利用差异及预测未来变化趋势，在定性的基础之上需要定量研究某一区域的土地利用变化速度，即土地利用动态度。
单一土地利用类型动态变化度指在某一特定时间特定区域内，研究区域中某一类型土地利用的数量变化情况[20]，具体表达式如下:
土地利用动态度模型：
（1）
其中，S表示研究时段内某土地利用类型动态度；
分别表示研究期始末某土地利用类型的数量
为由监测开始至结束时段内第i类土地利用类型转换为其它类土地利用类型面积总和；t代表研究期的时长；设定上式中t的单位为年，S为该研究区域某种土地利用类型的年变化率，当S﹤0时，表明该土地利用类型的数量是减少的；当S﹥0时，表明该土地利用类型的数量是增加的；S的绝对值越大则代表该类型的土地年变化率越大。
（二）综合土地利用类型动态度
为了描述区域土地利用的变化率，可以使用综合土地利用类型动态度。
公式可表示为：
（2）
式中：
表示检测时间内，第
类土地转换为非
类土地的面积的绝对值；
表示起始时间内第
类土地的利用面积；
为检测时间，单位为年。
（三）土地利用转移矩阵模型
为了更全面、更直观地反映土地利用变化的结构特征以及各种土地利用类型变化的方向，通常采用转移矩阵（ConversionMatrix）进行土地利用类型内部转移分析
。
其计算公式如下：
（3）
该公式适用范围为土地利用类型小于10中。
式中：
为
时期到
时期的土地利用变化图，
为
时期土地利用类型图，
为
时期土地利用类型图，
和
分别表示不同的土地利用类型。
（4）
式中：
A为转移矩阵，
为K时期的i种土地利用类型转变为K+1时期j种土地利用类型的面积。
（四）土地利用合理度模型
从上世纪七八十年代开始，黄石市每年的可用耕地都逐年减少，部分土地遭到严重破坏，废弃闲置，这对于资源是一种浪费。
从资源型城市到资源枯竭型城市，城市的经济发展，产业结构都受到诸多影响，为了实现城市的可持续发展，必须要转型。
在转型的过程中，对于土地的合理规划将是转型能否成功的前提。
根据杨子生等人的定义，土地利用变化合理度是指研究区域某一时限内地类之间相互转化的合理与否及其合理性的程度[23]。
其计算公式为：
（5）
式中：
RD——土地利用变化合理度；TA——地类转化总面积；RA——转化合理的地类面积；IA——转化不合理的地类面积。
RD的值在0到100之间，其值越小表示地类转化越不合理，反之其值越大表示地类转化越合理。
三.实证分析
（一）数据来源
（1）遥感影像数据：
黄石市2000年Landsat5影像和2013年Landsat7影像。
黄石市行政区域边界数据，用于研究区域的裁剪。
（2）统计数据：
湖北省黄石市土地利用总体规划（2006—2020年），黄石市国民经济和社会发展统计公报（2005-2011年），黄石市统计年鉴[16]。
本文根据研究区域的特点，采用六级分类标准：
耕地、林地、草地、建设用地、水体和未利用土地，如表1。
根据对黄石市的遥感影像进行影像拼接、辐射纠正、几何校正等操作可以得到黄石市土地类型图（如图4），依据得到的黄石市土地利用类型图提取单色波段，并栅格矢量化数据，计算几何面积面积,可分别采得2000年、2013年黄石市土地利用类型面积。
接着使用地利用动态变化研究模型及土地利用转换矩阵模型对城市近14年间的土地利用情况分析了变化的方向和规模[19]，最后依据土地利用合理度模型参照合理度分类标准测算分析黄石转型选择的必然性和正确性。
ID地类说明
1耕地
2林地
3草地
4水体
5建设用地
6未利用土地
包括基本农田、水田、旱地
包括林地、灌木林地、未成林、造林地和疏林地
包括高中低覆被
包括河流、水库、湖泊和水塘
包括居民点、道路、桥梁、工矿区
裸地、滩涂及砾石地
表1黄石市的土地利用/土地覆被分类体系
结合上述土地利用动态度模型计算公式
（1）、
（2），可以分别计算出黄石市每一种类型土地单一土地利用动态度和整个区域的综合土地利用动态度。
表32000-2013年黄石市土地利用动态度表（单位：
%）
土地类型
单一土地利用动态度
综合土地利用动态度
林地
耕地
建设用地
水体
草地
未利用地
2000—2013
1.21
0.432
3.94
0.9
-2.36
-5.86
7.91
（1）刘纪远[21]等按土地利用动态值把中国土地利用的动态特征划分为四种类型：
0-5：
土地利用极缓慢变化型；5-15：
土地利用慢速变化型；15-25：
土地利用快速变化型；25-61土地利用急剧变化型。
由计算得知黄石市2000年-2013年的综合土地利用动态度为7.91，对照分类可知黄石市土地利用慢速变化。
（2）由上表可大体看出黄石市2000—2013年的13年中土地利用类型变化过程，即：
水体、林地、建设用地等土地利用类型的面积在增加，未利用地和草地等土地利用类型的面积在减少；其中建设用地增加幅度最大，水体的增加幅度最小。
（二）土地利用变化总体分析
黄石市总共有国土面积4583平方公里，土地利用类型多样，各种利用类型相间分布，结构复杂。
2000年-2013年，随着政府政策的调整、经济的发展，土地利用状况发生了明显的改变。
根据黄石市土地利用类型图（如图4）,从黄石市土地利用类型图中提取单色波段，并栅格矢量化数据，计算几何面积面积,可分别采得2000年、2013年黄石市土地利用类型面积。
（如表2）
图4黄石市2000年、2013年土地利用类型图
表2黄石市2000年、2013年土地利用面积变化表（单位：
公顷）
项目
未利用地
耕地
林地
草地
建设用地
水体
总和
2000年
59911.87
112470.4
126269.5
42135.43
46533.2
70964.9
458285.3
2013年
10782.95
119278.38
147643.42
28234.66
72179.14
80166.75
458285.3
2000年占比
13.2
26.0
27.6
9.1
10.1
15.5
0.00
2013年占比
2.4
26.0
32.2
6.2
15.7
17.5
0.00
13年变化面积
-49128.92
6807.98
21373.92
-13900.77
25645.94
9201.85
0.00
13年变化幅度
-82%
6.1%
16.9%
-34%
55.1%
12.96%
0.00
图5黄石市2000-2013年土地利用面积变化图
（1）根据图表统计数据，2000年黄石市内以林地、耕地、未利用为主要土地利用类型。
其中林地占比为27.6%，耕地占比26%，未利用地占比13.2%，占全市总面积的66.8%。
2013年黄石市内，虽然仍然以林地、耕地、建设用地为主，但面积、比重变化明显，其中林地面积、农用地面积分别增加16.9%、6.1%，草地的面积减少34%。
（2）由表知建设用地、水体、林地和农用地的面积都在增长。
2000—2013年间，建设用地的面积增长幅度最大，增长的原因可能是2000—2013年黄石的经济发展速度较快，GDP总量翻了一番，随着经济的快速发展，对土地需求不断增加，使建设用地面积增加。
同时人口的增加及经济的发展，促使耕地的面积增大，增长幅度为6.1%。
草地的面积以及未利用地的面积都在大面积的减少。
耕地面积减少有增加的趋势,主要原因是在2000年以后,招商引资政策的出台,大量的耕地被工业用地占用,另外城镇化进程的加快也占用了大量耕地。
未利用地的面积减少了49128.92公顷，减少幅度达到82%。
减少的原因可能是由于开矿和汉江河水上涨淹没部分河岸土地。
而部分未利用地由于长期无人耕种管理导致荒芜，转化为草地、林地。
总的来说,在近十四年间,建设用地无论是从总量上还是从增长速度上均呈现了较快的增长态势,这主要与黄石社会经济的快速发展对新增建设用地的需求和道路等基础设施的增加有关；与此同时,必然导致耕地、林地、水体和未利用土地的减少；值得关注的是在这十三年间,黄石市林地面积也呈现较快的增长态势,这可能与农村产业结构的调整密切相关。
利用ENVI5.1变化检测统计功能，将2013年土地分类图叠加于2000年土地分类图上，进行土地利用类型动态转移计算，得出，2000年至2013年黄石市土地利用类型动态转移矩阵（表4）。
注：
表中行表示流入土地面积，列表示流出土地面积。
表4黄石市2000-2013年13年来土地利用转移矩阵（单位：
%）
2000年
2013年
水体
草地
耕地
林地
未利用地
建设用地
水体
73.51
3.25
1.15
0.93
18.4
2.76
林地
1.17
1.19
48.6
36.69
6.2
6.15
草地
13.59
38.43
7.99
22.76
0.39
16.84
耕地
1.72
6.4
81.47
2.04
0.85
7.52
建设用地
0.6
32.13
1.06
0.56
0.17
65.48
未利用地
56.57
3.72
12.16
10.02
12.25
5.28
通过对表中数据分析，可得出以下信息：
（1）未利用地是6类土地利用类型中面积减少量最大的，减少面积49128.92k㎡，未利用土地的主要流向依次为建设用地、水体用地和林地，在2000至2013年间依次有5.28%、56.57%、10.02%；的未利用土地流向了建设用地、水体用地和林地。
（2）耕地的面积变化较小，13年间稍有增加。
耕地的主要流向依次为建设用地、水体用地和林地，在2000至2013年间依次有7.52%、2.04%、1.72%的耕地流向了建设用地、林地、水体用地；同时，主要有未利用地、水体、草地等转化为耕地。
（3）林地面积的增加幅度相对较大，为16.9%，林地的主要流向依次为草地、建设用地、林地和水体用地，在2000至2013年间依次有1.19%、6.15%和1.17%的林地流向了草地、建设用地和水体用地，基本上没有其他地类流入林地。
（4）草地的主要流向依次为建设用地、林地和水体用地。
在2000-2013年间依次有16.84%、22.76%、13.59%的草地流向了建设用地、林地和水体用地；此外耕地也是草地流向地类之一。
2000至2013年间，有7.99%的草地流向为耕地。
同时，主要有耕地、林地和未利用土地等转化为草地。
（5）建设用地的主要流向依次为林地、水体用地和农用地。
在2000-2013年间依次有0.56%的建设用地流向了林地，0.6%的建设用地流向了水体，1.06%的建设用地流向了耕地；同时，也耕地、林地、水体和草地等转化为建设用地，建设用地的面积增加率为6.74%。
造成这种流动的原因是黄石地处中纬度，远离海洋，太阳辐射季节性差别大，陆面多为矿山群。
（6）水体用地的主要流向了耕地、林地和建设用地。
在2000至2013年间依次有2.76%水体用地流向了建设用地，1.15%水体用地流向了耕地，0.93%的水体用地流向了林地；从转化为水体用地的地类来看，主要有未利用土地、耕地、草地、林地等。
根据表一对土地利用变化合理性的界定，通过对黄石市2000年到2013年各种土地利用类型的分析，确定研究区域转化合理的地类面积和转化不合理的地类面积，在应用上式即可得出这段时间黄石市各个地类和区域总面积的RD值。
在调查分析的基础上，进一步将RD值分为6个等级：
0至15之间为高度不合理，15至30之间为中度不合理，30至50之间为低度不合理，50至70之间为低度合理，70至85之间为中度合理，85至100之间为高度合理。
根据（5）式及2000年—2013年黄石市土地利用情况得到表6。
表6黄石市土地利用变化合理性分析评价（面积单位：
公顷）
时段
变化的地类
变化总面积
合理的面积
不合理的面积
合理度%
合理性等级
2000—2013
耕地
6807.98
6412.53
395.45
94
高度合理
林地
21373.92
17897.34
3476.58
83.7
中度合理
草地
-13900.77
-11310.34
2590.43
81.3
中度合理
水体
9201.85
6902.34
2299.51
75
中度合理
建设用地
25645.94
22345.67
3300.27
87
高度合理
未利用土地
-49128.92
-40873.17
8255.25
83
中度合理
由表6得，自2000年起至2013年，土地利用类型的转变也在合理范围之内，耕地、建设用地为高度合理，合理度分别为94%和87%，而草地、水体、林地、未利用土地则为中度合理，合理度分别为81.3%、75%、83.7%和83%。
造成这样的原因是由于2005年到2011年黄石市经济发展较快，占用了其他土地，从而建设用地增加；总的趋势是，近十年以来，黄石市的土地利用较为合理。
5.结论与建议
城市实施转型策略是否能够改善土地利用情况，解决环境问题？
本文利用RS、GIS技术，借助土地利用动态度模型以及土地合理度模型，对2009年到2013年城市土地利用变化情况进行比较研究，本文发现：
2000年的土地利用主要类型为水体、耕地、未利用地和林地，其中耕地占地面积为26%，林地占总面积的27.6%，总比重为52.09%。
2013年的土地主要利用类型是未利用地、林地、水体和耕地，但耕地和林地所占比重上升为58.24%，未利用地的面积减少82%，水体面积和建设用地面积小幅度增加。
影响城市的土地利用类型变化的因素主要有自然因素、人口因素、经济发展因素和政策因素。
自然因素特别是地形因素限制了黄石市交通等建设用地面积的扩张，人口、经济、政策因素使得建设用地、耕地、水体面积增加，草地和未利用地面积大幅度减少。
基于土地利用合理度的划分标准，近十年来黄石市的土地利用较合理，其中耕地、建设用地为高度合理，而草地、水体、林地、未利用土地则为中度合理。
最终可以得出城市的转型战略选择的是正确的。
因此转型能在一定程度上缓解城市现阶段用地不均衡问题，是促进城市发展的重要途径。
然而，要想进一步推进城市的创新建设，黄石市要确定未来土地利用战略目标以及措施：
第一，严格保护耕地，推进城市农业的产业化。
首要是基本农田的保护，坚持占补平衡，确保土地复垦，整理开发的补充耕地数量不少于建设用地占用的耕地数量，提高农业整体生产能力和耕地的出产率。
第二，土地的集约、节约利用。
依据循环经济的理念，优化城镇内的土地利用结构，坚持城镇用地增加和农村用地的减少相挂钩从而提高土地利用率。
第三，统筹经济、社会和生态发展用地。
加快推进城市的资源转型，加强矿山环境的治理恢复和矿业废弃地的复垦，改善和保护生态环境，实现城市的全面可持续发展。
第四，优化城乡土地利用结构和布局。
推进经营性集体建设用地使用权流转和促进城乡统筹发展。
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