基于开封市城市扩展和农田增减的空间相关性分析.docx

1、基于开封市城市扩展和农田增减的空间相关性分析基于开封市城市扩展和农田增减的空间相关性分析尹航（河南大学环境与规划学院 河南 开封 475004）摘 要：随着城市面积不断扩展，周边耕地占用情况明显，土地资源的可持续利用面临着严峻的形势。本研究以开封市1990年和2005年土地利用/覆盖数据为主要数据源，基于ArcGIS10.1为空间信息处理工具，从空间上分析了15年来开封市城市和农业用地变化的关联性及城市扩展对农田的影响，为开封市土地利用提供基础数据，为以后分析农田增减各自对应的空间新旧田块肥力情况打下基础：开封市土地利用类型以耕地为主，超过总面积的81%，未利用地占总面积的比例极低，即没有可以

2、开发再利用的土地了，建设用地面积的量逐年增多，说明城市扩张波及的范围大；未利用地和草地的年变化率最大，分别是6.3499%和5.9999%，且均为负向变化，耕地几乎没有发生变化，说明城市扩张占用的耕地从其他类型的土地上得到了补充，开封市对耕地的保护较好；土地利用面积变化最大的是由耕地转移到建设用地，转移量是93191.13亩，其次是水域、草地、未利用地转移为耕地，建设用地转移到其他类型土地的量最少，转移到林地和耕地的量分别是36.92亩和1.91亩，这些值比起耕地转移到建设用地的量可以忽略不计；空间上的变化是耕地变化不明显，建设用地范围有明显的扩大，草地、水域和未利用地面积有明显的减少（东北方

3、向的兰考县变化突出），林地也有一定程度的变化。统计分析和空间分析都说明了：城市扩展不断占用耕地，减少的耕地需要从其他类型（水域、草地、未利用地、林地）的土地得到补充,且是一种占优补劣。关键词：城市扩展；农田增减；空间相关性；开封市1 引言土地利用/覆盖变化已成为地球表层科学研究的热点。土地利用是人类有目的地开发利用地球表层的土地资源，土地覆盖是地表自然形成或受人类活动影响引起的覆盖状况1。关于这方面国内进行了很多研究。原来关于土地利用类型转化的研究多是定性分析，随着GIS的不断发展，研究方法开始变成定量化、可视化2。城市土地具有不断演化的动态特征2。合理的城市土地利用演化过程是对城市功能发展变

4、化的适应性调整，能促进城市健康有序地发展,增强城市竞争力3。由于经济发展、人口增长、交通运输等多方面原因，原来的城市用地远远满足不了需求。城市不断向农田扩展，占用农用地。城市用地以建设用地为主，农用地以耕地为主，由于城市扩展的占用，耕地不得不由其他类型土地转移从而趋于占补平衡。但事实上，完全的平衡是不可能的。国际上土地利用/土地覆盖的有关研究主要围绕下面这三个方面，即土地利用的驱动力、土地覆盖的变化、土地利用/覆盖变化的全球与区域模型1，国内相关文献主要是关于土地利用/覆盖变化分析，通过GIS和RS手段结合统计分析方法进行数据处理、作图定量研究:陈启佑，杨鹏指出，遥感技术必须与社会经济方法相结

5、合1,但实际应用中这两个方法在空间和时间分辨率方面的结合仍有难度；李永春, 颜锦铭以泉州市为例，将研究区按区、县划分，通过相关公式定量研究了土地利用变化的区域差异4；李亚丽，秦耀辰ERDAS IMAGINE 8.6 和ArcGIS 10 对TM遥感影像数据进行解译处理5，获得了郑州市三年的土地利用分类图，进行土地利用转移流向和分布的分析；秦凌亚在总结了开封市的自然条件和土地资源的特点后，对土地利用现状图的分类、制图方法及土地面积量算和误差分析进行的详细阐述6。具体到本研究区-开封市而言，国内主要文献大多是关于土地利用的现状调查和策略7、城市土地利用的空间演化分析2、开封市土地利用时空变化的生态

6、系统服务价值评估8、开封市城乡结合部土地利用变化规律9等。但是有关开封市城市扩展与农田增减的空间相关性分析的研究极少。本文主要研究耕地面积增减在空间上的体现，最终得到城市扩展占用的耕地空间分布和其他类型土地转移给耕地的空间分布特征，为以后分析农田增减各自对应的空间新旧田块肥力情况（农作物生长适宜性）打下基础。2 研究数据与方法2.1 研究区概况本文选择开封市进行研究。开封市位于河南省东北部，黄河中下游冲积平原的南翼，是河南省东部地区重要的中心城市10。近些年来开封市进行了大规模的基础设施建设，产业结构优化升级，工农业经济有了较快的发展。但由于经济实力弱，目前仍处于欠发达发展阶段。目前土地利用存

7、在一些问题:随着人口的增长，住房用地紧张，城市里的建设用地无法满足需求，开发商向城乡交界处拓展地盘甚至占用农用地；随着经济的增长，人民生活水平也在提高，从事各种职业之间的人们开始竞争，出现占位矛盾，土地资源越来越匮乏；乡村的一些干部或群众保护土地资源的意识差，缺少相关知识的普及，还存在对树木乱砍滥伐的现象。2.2 研究数据及预处理根据资料情况，把开封市区域土地利用类型分为6个一级类型：耕地，林地，草地，水域，城乡、居民、工矿用地（以下简称建设用地），和未利用地。研究数据由1:10万比例尺TM影像解译后得到。数据图层是开封市1990年和2005年的土地利用现状图（shp格式）开封市90.shp和

8、开封市05.shp，每幅图的属性表都有一个字段，DM，表示土地利用类型（且是二级分类“11”、“12”等）。2.2.1 预处理分析之前先进行数据融合处理，方便计算不同土地利用类型的面积。在ArcMap里分别打开这两个不同年份的图层，打开ArcToolbox，选择Data Management Tools | Generalization | Dissolve工具，对两个年份的数据进行融合。这一步骤的目的是使相同的土地利用类型的部分（如DM 字段都是“11”或“12”等）融合为一个整体，方便计算某土地利用类型的总面积。可以看到融合后属性表的变化。根据土地类型字段进行第二次融合，方法类似。第二次融

9、合的目的是把土地类型二级分类中相对应的类型合并，表示为一级分类。2.2.2 土地利用类型动态度方法单一土地利用动态度表示一定时间内某种土地利用类型的数量变化情况。其表达式为： K的值就是研究区某种土地利用类型的年变化率。综合土地利用动态度表示所有土地类型的动态变化程度，它的计算表达式为： LC的值就是研究区土地利用年变化率。3 结果与分析3.1 开封市土地利用各类型的面积及所占比例属性表中Shape_Area字段是一级分类各土地类型的面积，并将最后结果转换成亩为单位。从图1、图2中得出6种土地利用类型中，耕地所占面积最大，为81%左右，其次是建设用地、水域、林地、草地，未利用地比例最少，这与开

10、封市实际情况相符。从表1中得出1990年到2005年这15年中建设用地增加了约95330亩，林地增加了约6952亩，耕地面积增加了约2730亩，草地减少了约42618亩，水域减少了约33836亩，未利用地减少了约28557亩，总面积几乎没有变化。图1 1990年开封市土地利用类型比例图2 2005年开封市土地利用类型比例 表1 开封市土地利用各类型的面积（单位：亩）面积耕地林地草地水域建设用地未利用地90年7282190.61 101694.50 47354.76 176053.75 1338224.30 29982.38 05年7284920.68 108646.86 4735.94 142

11、217.70 1433554.48 1424.64 综上所述：开封市土地利用类型以耕地为主，占总面积的81%以上；未利用地占总面积的比例极低且呈下降趋势，即可供开发利用的土地几乎没有了；建设用地面积所占比例由1990年的14.91%变为2005年的15.97%，说明城市扩张迅速且波及的范围大；草地所占比例由1990年的0.53%下降到2005年的0.05%，说明草地面积急剧减少；林地所占比例变化较小。3.2土地利用类型动态度和土地利用结构变化率根据面积数据和土地利用动态度公式在Excel里列表计算土地利用年变化率；根据土地利用年变化率制作柱状统计图表，显示1990-2005年开封市土地利用结构

12、变化率。从表2、图3中可以看出15年来草地和未利用地的土地利用年变化率分别为为-5.9999%和-6.3499%，变化最明显（绝对值），且均是负向变化。耕地的年变化率最小，仅为0.0025%，虽然数值上是最小的，但是耕地面积基数大，绝对数值上是2730.07亩；建设用地的总量基数也大，虽然年变化率不如未利用地大，但实际值是增加了95330.18亩，而未利用地减少了28557.74亩；草地的年变化率较大，15年内减少了42618.82亩；水域面积也有较大的变化，减少了33836.05亩；林地面积变化不大。表2 1990-2005开封市土地利用动态度土地利用类型1990年土地利用类型面积（亩）20

13、05年土地利用类型面积（亩）15年土地利用面积的变化（亩）土地利用年变化率耕地7282190.61 7284920.68 2730.07 0.0025%林地101694.50 108646.86 6952.36 0.4558%草地47354.76 4735.94 -42618.82 -5.9999%水域176053.75 142217.70 -33836.05 -1.2813%建设用地1338224.30 1433554.48 95330.18 0.4749%未利用地29982.38 1424.64 -28557.74 -6.3499% 总面积8975500.30 8975500.30 0.0

14、780%图3 90-05开封市土地利用结构变化率综上所述：未利用地和草地的年变化率最大，耕地几乎没有发生变化。说明开封市对耕地的保护较好，与此同时，补偿耕地而占用的其他类型（尤其是草地和未利用地）的土地逐年扩大。3.3 土地利用类型转移矩阵3.3.1 叠置分析在ArcMap中打开经过融合预处理后的1990和2005年的图层，在ArcToolbox中选择 Intersect工具。观察叠置分析后的属性表可以发现有两个土地利用类型字段，还有面积字段Shape_Area，最后导出dbf格式的文件。3.3.2 制作转移矩阵在Excel中打开上一步保存的dbf文件，选中制作转移矩阵的有效数据，将Shape

15、_Area字段修改为数值保留两位小数，创建数据透视表。在打开的数据透视表中将字段拖入相应区域。在Excel里计算矩阵到表3。矩阵中r(i, j)就表示i类型向j类型转移的土地面积，空值表示i类型向j类型没有转移。列出表4，将转移量降序排列，便于分析。从表3，表4中可以看出1990-2005年期间，土地面积总体上没有发生变化，土地利用面积变化最大的是由耕地转移到建设用地，转移量是93191.13亩。其次是水域、草地、未利用地转移为耕地，分别是44447.19亩、42480.12亩、23153.02亩。建设用地转移的量最少，转移到林地和耕地转移量分别是36.92亩和1.91亩，比起耕地转移到建设用

16、地可以忽略不计。表3 土地利用类型转移矩阵（单位：亩）面积土地类型90土地类型05耕地林地草地水域建设用地未利用地总计耕地7166469.60 8368.84 42480.12 44447.19 1.91 23153.02 7284920.68 林地12697.93 92662.61 2412.78 36.92 836.61 108646.86 草地2761.75 1974.19 4735.94 水域9831.95 2112.89 126952.81 0.00 3320.05 142217.70 建设用地93191.13 663.04 1514.85 1338185.46 1433554.48

17、 未利用地726.12 698.52 1424.64 总计7282190.61 101694.50 47354.76 176053.75 1338224.29 29982.38 8975500.30 表4 土地利用类型转移方式及面积（单位：亩）转移方式1990-2005转移面积转移方式1990-2005转移面积耕地建设用地93191.13草地水域2112.89水域耕地44447.19未利用地草地1974.19草地耕地42480.12水域建设用地1514.85未利用地耕地23153.02未利用地林地836.61耕地林地12697.93水域未利用地726.12耕地水域9831.95林地建设用地66

18、3.04林地耕地8368.84建设用地林地36.92未利用地水域3320.05建设用地耕地1.91水域草地2412.78综上所述：城市扩展不断占用耕地，减少的耕地需要从其他类型（水域、草地、未利用地）的土地得到补充，以实现耕地的占补平衡。3.4 城市扩展及农田增减的空间相关性研究在Arcmap中调整Lay Properties，给这六种土地类型赋予合适的颜色来表示，颜色要求明显且易于区分。在Insert中添加图名、图例、比例尺和指北针。选择File|Export map选项，设置导出的格式（如jpg），输出地图。本文做的三幅地图，分别是开封市90年、05年土地利用类型分布图还有90-05年土地

19、利用类型转移分布图。从图中可以形象直观的看出某类土地类型的分布、所占面积的相对大小以及1990年到2005年这15年的变化。这是空间上分析的过程。3.4.1 土地利用类型的空间分布观察图4可以得出：橘黄色部分为耕地，说明开封市土地利用类型主要以耕地为主，占区域总面积的80%左右；建设用地为灰白色，零星地分布于橘黄色之间，西北部有一片比较集中，从空间位置上可以看出这部分应该是开封市市区；蓝色区域是水域的分布范围，开封市龙亭区、开封县及兰考县北部边缘和尉氏县方向（西南部区域）分别有几片分布相对集中，另外成现状分布于区域中部的是河流，对耕地有较大影响；成绿色鲜亮显示的是草地，多集中于兰考县（东北角区

20、域），占的面积较小；林地显示为黄色，零星分布在尉氏县（西南部分），开封县、杞县、通许县（中部和北部）也有少量，总体来看面积较小；未利用地用黑色网纹表示，但图中很难发现其分布，说明未利用地面积极少，几乎找不出。图5土地类型的颜色表示与图4类似，但明显可以看出绿色部分消失了很多，蓝色表示的水域也有所减少，灰白色表示的建设用地明显地增加，尤其是一些零星分布的斑状区域集中并扩大了。对比图4和图5，可以看出：建设用地范围有明显的扩大，草地、水域和未利用地面积明显的减少（兰考县部分变化突出），林地也有一定程度的变化。图4 90年土地利用类型分布图图5 05年土地利用类型分布图3.4.2 1990-2005

21、土地利用类型转移的空间分布由图6可以看出：由图例通过色系、深浅、明暗、底纹不同的颜色块可以在图中找出1990年相比2005年各类型土地之间相互转化的面积变化和分布情况。但本文的研究对象主要是建设用地占用耕地的量和其他类型土地转移为耕地的量。灰白色周围的紫色区域是耕地转化为建设用地的面积，明亮不同的一系列绿色表示的是其他类型的土地转化为耕地的面积。可以看到灰白色部分不断向外扩展，即建设用地不断占用耕地，一系列绿色是耕地为平衡被占用的量从其他类型土地得到的转移。图6 开封市1990-2005年土地利用类型转移分布由以上三幅图可以看出研究区空间上的变化与统计数据显示的结果相同。4 工作总结和研究展望

22、开封市土地利用类型以耕地为主，超过总面积的81%，未利用地占总面积的比例极低，即没有可以开发再利用的土地了，建设用地面积的量逐年增多，说明城市扩张波及的范围大；未利用地和草地的年变化率最大，分别是6.3499%，5.9999%，且均为负向变化，耕地几乎没有发生变化，说明开封市对耕地的保护较好；土地利用面积变化最大的是由耕地转移到建设用地，建设用地转移到其他用地的量最少，水域、草地、未利用地有不少转移到耕地以补充被建设用地占用的耕地；从图中清楚地看出空间上的变化是耕地面积略有增加，建设用地范围有很明显的扩大，草地、水域和未利用地面积都在减少，林地也有一些的变化。 本文分析了开封市15年来城市扩展

23、与农田增减的空间相关性，但关于城市扩展的原因（即驱动力研究）没有深入讨论。需要找到影响这一变化的各种因素，在以后相关的分析后才能得出结论。参考文献：1 陈启佑，杨鹏.国际上土地利用/土地覆盖变化研究的新进展J.经济地理,2001,21(1):95-100.2 管相荣,秦耀辰.开封市城市土地利用时空演化分析J.许昌学院学报,2005,24(2):133-137.3 曾磊,宗勇,鲁奇.保定市城市用地扩展的时空演变分析J.资源环境,2004,26(4):96-103.4 李永春, 颜锦铭.泉州市土地利用/土地覆盖变化的时空特征研究J.国土与自然资源研究,2008,(12):24-26.5 李亚丽，秦

24、耀辰.基于遥感和GIS的郑州市区土地利用时空变化研究J.山西建筑,2013,39（12）:194-196.6 秦凌亚等.开封市土地利用现状调查与制图J.河南师大学报,1983,(1):77-82.7 戈统.开封市土地利用现状调查及对策研究J.产业经济.8 孙茜,宋轩,张学雷等.开封市土地利用变化对生态服务价值的影响J.郑州大学学报,2008,40(2):120-124.9 张明亮,张文信.近15年来开封城乡结合部土地利用变化规律J.临沂师范学院学,2006,28(6):80-83.10赵威,苏朝阳,程金龙.基于生态系统服务价值的开封市土地利用评估J.河南大学学报（自然科学版）2009,39 (2): 158-162.