基于空間分析的土地利用變化研究深圳市龍崗區(qū)土地利用時空變化特征研究

基于空間分析的土地利用變化研究深圳市龍崗區(qū)土地利用時空變化特征研究

土地使用變化（luc）反映了人類與自然相互影響和互動的動態(tài)過程。隨著人類活動不斷強化,人地相互作用越發(fā)深化關(guān)系日趨緊密,而土地利用變化正是這種變化的重要表征。自1995年國際地圈生物圈計劃(IGBP)和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計劃(IHDP)提出“土地利用和土地覆蓋變化”的研究計劃以來,已成為國內(nèi)外學術(shù)研究的熱點。研究土地利用變化對土地利用管理、社會經(jīng)濟發(fā)展調(diào)控均有顯著意義,而城鄉(xiāng)結(jié)合部多處于快速城市化階段,人類活動對土地利用格局影響最為顯著,具有突出的研究價值。相關(guān)研究的重點集中于土地利用時空變化、土地利用變化的動態(tài)模擬與預測、土地利用變化驅(qū)動因素等方面。隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展,相關(guān)研究方法手段日趨多樣化,3S技術(shù)、景觀生態(tài)學方法及一系列有關(guān)土地變化指標的選取已成為普遍。而對于土地利用變化的驅(qū)動機制,學術(shù)界則更加趨向于對人文因素的研究,包括定性探討和計量方法應用。土地利用變化的模擬預測方面,復雜模型應用廣泛,常見的有CA模型、Agent模型、馬爾科夫模型等。在新時期城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的基本思路下,系統(tǒng)探討快速城市化地區(qū)土地利用時空演化特征,對有效認知土地利用規(guī)律,加強相關(guān)保護、利用和管理具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文將以快速城市化地區(qū)的深圳市龍崗區(qū)為案例,應用ArcGIS和Geoda技術(shù)探討其土地利用演化的時空特征,同時應用馬爾科夫模型預測未來土地利用格局,并嘗試探討對土地利用格局變化的影響因素。1深圳邊緣地區(qū)龍崗區(qū)位于深圳市東北部,東臨大亞灣、大鵬灣,西連寶安區(qū),北靠惠州市、東莞市,南接深圳經(jīng)濟特區(qū),1993年建區(qū)(圖1)。全區(qū)陸地總面積844.07km2,下轄平湖、布吉、橫崗、龍崗、龍城、坪山、坪地、坑梓、葵涌、大鵬、南澳、南灣、坂田13個街道辦事處,是深圳市面積最大的行政區(qū)。龍崗區(qū)是深圳市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要承載區(qū)之一,土地資源與深圳市區(qū)相比相對較豐富。且隨著深圳市建設(shè)重心向特區(qū)外轉(zhuǎn)移,龍崗區(qū)土地供應占全市的比重逐年上升,2003年達到40%,已成為深圳高速城市化的主要承載區(qū)之一。龍崗區(qū)為典型的南方丘陵地形,山地比重較大,西部、南部鄰接特區(qū)的部分地勢平坦,而東中部包括沿海部分地勢陡峭,開發(fā)難度較高,主要為森林覆蓋。2不同時空土地利用類型用地格局的時間變化特征研究采用深圳市土地利用變更調(diào)查1996年、2000年、2006年歷年數(shù)據(jù),并根據(jù)中國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》及龍崗區(qū)土地利用特點、土地類型覆蓋特征等因素,將龍崗區(qū)土地利用類型分為水域及水利設(shè)施用地、耕地、園地、林地、居住用地、工礦倉儲用地和其它用地等七類。經(jīng)過處理可得3個截面的土地利用格局圖,如圖2—4所示。首先應用GIS方法和土地轉(zhuǎn)移矩陣,觀察龍崗區(qū)1996—2000—2006年間土地利用格局的時間變化特征。通過GIS方法對各時間截面深圳市土地利用圖進行疊加分析,可得每個獨立地塊在不同時間截面的土地利用類型,可藉此判斷各類用地的變化趨勢。各類用地增量的來源與減少量的去向也是我們關(guān)心的重要問題,研究通過土地轉(zhuǎn)移矩陣觀察不同時間截面之間各類型用地之間相互轉(zhuǎn)換的趨勢與特征。再應用Geoda技術(shù)計算各時間截面不同類型用地的Moran’sI指數(shù),分析各類用地的空間布局特征及其演化趨勢。Moran’sI指數(shù)是地理學研究中應用廣泛的空間統(tǒng)計指標,代表單個類型用地的集聚程度。計算公式如下:式中:Xi和Xj是某一類土地利用類型在相鄰配對空間單元的取值,Wij是變量的平均值,n是相鄰權(quán)重,是空間單元總數(shù)。再應用馬爾科夫模型預測龍崗區(qū)未來的土地利用格局。馬爾科夫模型是一種具有“無后效性”的特殊隨機過程,用于模擬在未來若干年各類型土地利用總量,并能夠模擬出一個最終的“穩(wěn)定狀態(tài)”下土地利用的總體格局。計算公式如下:S(t+1)=Pij·S(t)式中:S(t)、S(t+1)分別是t,t+1時刻的系統(tǒng)狀態(tài);Pij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。最后結(jié)合龍崗區(qū)社會經(jīng)濟因素,探討土地利用格局變化的影響因素,分析在快速城市化影響下,土地利用格局的變化趨勢。3土地利用變化的總體態(tài)勢根據(jù)上述方法研究計算結(jié)果,分別從時間變化、空間格局變化、模擬預測三個方面分析龍崗區(qū)土地利用的時空變化特征,歸納土地利用變化的總體態(tài)勢。3.1不同類型用地的土地轉(zhuǎn)換龍崗區(qū)居住用地、工礦倉儲用地、園地有較快增長,而同時林地、耕地總量下降趨勢明顯。圖5顯示了1996年至2006年期間各類型用地總量的變化。林地始終是占比例最高的用地類型,但有明顯的下降趨勢,比重從1996年的52.57%迅速下降至2006年的44.17%。居住用地是2006年比重第二大的用地,也是10年期間增長最快且始終保持高速增加的用地類型,占全區(qū)用地比重從1996年的9.08%增加至2006年的19.23%,用地面積增長超過100%。此外,工礦倉儲用地經(jīng)歷了先降后升的過程,總體上也有較明顯的增加;園地也有較明顯增加,從1996年的7.03%增加至2006年的12.45%,增長率僅次于居住用地;耕地占龍崗區(qū)用地總量比重一直很小,多分布在大面積的林地和建設(shè)用地間的縫隙中,總體上逐漸減少;水域變化不明顯,其它用地總量逐漸下降。表1顯示了1996年至2000年期間各類型用地之間相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量。顯著減少的林地是各類用地增量的重要來源,轉(zhuǎn)換為園地的用地面積尤其突出,高達41.25km2,占減少量的58.05%,這反映了快速城市化地區(qū)園林農(nóng)業(yè)快速發(fā)展對林業(yè)資源的直接影響。其它用地也是各類新增用地,尤其是居住用地、工礦倉儲用地的重要來源,這可能是在技術(shù)進步影響下,眾多未利用土地得到開發(fā)而迅速轉(zhuǎn)換用地類型的結(jié)果。高速增長的居住用地大量來源于工礦倉儲用地,這是在政府規(guī)劃指引下進行工業(yè)企業(yè)搬遷更新舊城的重要結(jié)果。而對耕地的侵占方面,各類型用地基本相當,居住和工礦用地的直接影響有限。存在一定數(shù)量的居住用地轉(zhuǎn)為其它類型用地的情形,這可能源自鄉(xiāng)村居民點的撤并。表1顯示了2000年至2006年期間各類型用地之間相互轉(zhuǎn)換的狀況。部分趨勢與1996至2000年間一致:林地是各類用地增量的重要來源,減少的林地主要轉(zhuǎn)換為園地;其它用地同樣是各類用地增量的重要來源,主要轉(zhuǎn)換為居住用地和工礦倉儲用地;大量工礦倉儲用地轉(zhuǎn)為居住用地,存在一定的居住用地轉(zhuǎn)為其它類型用地。同時存在部分與1996年至2000年間土地轉(zhuǎn)換趨勢差異明顯的重要特征:居住用地同時是工礦倉儲用地的重要來源,這可能是工業(yè)化不斷推進對原有鄉(xiāng)村居民點大量占據(jù)的結(jié)果;居住用地和工礦倉儲用地對耕地的侵占十分明顯,約有一半的耕地、耕地減少量的絕大多數(shù)直接轉(zhuǎn)換為此二類用地,表明在城市化和工業(yè)化過程中,開發(fā)未利用土地難以支撐快速的城市擴張過程;在園地總量增長的同時,大量原園地轉(zhuǎn)換為居住用地與工礦倉儲用地。3.2moran’si指數(shù)下降表2顯示了1996年、2000年、2006年三個時間截面上各類型用地的Moran’sI指數(shù)計算結(jié)果,反映用地的空間集聚程度。在1996年和2000年,所有用地類型的Moran’sI指數(shù)均為正,說明各類用地基本處于較集聚的狀況。就變化趨勢而言,1996年至2006年期間,所有類型用地Moran’sI指數(shù)均有下降,表明隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,所有類型用地的分散力量均超過了集聚力量,并導致了各類用地空間上分散趨勢。耕地、園地、水域及水利設(shè)施用地到2006年指數(shù)下降為負,呈現(xiàn)分散布局的特征,且通過檢驗,而林地和居住用地雖然保持指數(shù)為正,但集聚程度較低。居住用地Moran’sI指數(shù)下降最為明顯,可能由于在城市擴張發(fā)展的同時,新增的鄉(xiāng)村用地較為凌亂交錯,形成大小斑塊無序混雜的局面,從而造成空間自相關(guān)計算中的分散特征。此外,園地經(jīng)歷了先集聚后分散的變化而林地相反,這可能由于園地增量迅速而林地是新增園地的主要來源,1996年至2000年的新增園地空間上較為鄰近,因而導致林地趨于分散而園地顯著集聚的趨勢,2000年后的情形則相反。3.3土地利用格局與城市規(guī)劃的關(guān)系居住用地與工業(yè)倉儲用地的擴張是導致區(qū)域土地利用變化的核心動力,在此動力的驅(qū)使下逐步侵占其它類型用地的空間,而各類型用地根據(jù)自身布局需求也進行相應調(diào)整,進而引起區(qū)域用地格局的整體變化?？焖俟I(yè)化導致工礦倉儲用地快速、粗放增長。龍崗區(qū)具有優(yōu)越的工業(yè)發(fā)展條件,包括充沛的水土資源、鄰近特區(qū)的地理位置、便捷的交通通信等,同時招商政策、《深圳市寶安龍崗兩區(qū)城市化土地管理辦法》和戶籍管理制度為經(jīng)濟發(fā)展提供了保障。龍崗區(qū)自九五以來工業(yè)取得了高速發(fā)展,2006年三次產(chǎn)業(yè)比重達0.2∶65.9∶33.9,工礦倉儲用地隨工業(yè)發(fā)展增長迅速。但這種“自下而上”的工業(yè)化進程存在著明顯的用地粗放特點,往往具有用地面積大、地塊零碎等特點,與集聚指數(shù)持續(xù)下降的計算結(jié)果相一致。城市化加速人口集聚,推動居住用地擴張。人口因素是最具活力的土地利用/土地覆蓋變化的驅(qū)動力之一。龍崗區(qū)自建區(qū)以來,常住戶籍人口數(shù)平緩上升,增幅雖不很大,但由于龍崗區(qū)主要是承接國際低端制造業(yè),勞動密集型企業(yè)較多,導致外來人口大量涌入,由建區(qū)時的70萬人迅速增加到2004年108萬人,占總?cè)丝诘?9.64%,這也表明龍崗區(qū)的城市化與一般地區(qū)城市化過程中以當?shù)剞r(nóng)業(yè)人口離鄉(xiāng)進城或者就地轉(zhuǎn)換為主的模式不同,是外來非農(nóng)就業(yè)人口大量進入導致的外來移民型城市化。人口的大量增加必然導致促進居住用地增加。城市規(guī)劃影響建設(shè)用地擴張與布局。土地利用格局及其轉(zhuǎn)換在特定的經(jīng)濟系統(tǒng)與規(guī)劃約束下形成,城市規(guī)劃對土地利用格局具有直接的引導作用。首先直接推動新增用地的布局,最顯著的是1996至2006年間居住用地與獨立工礦用地之間的轉(zhuǎn)換,包括產(chǎn)業(yè)政策導致的工業(yè)企業(yè)搬遷、新增大規(guī)模工業(yè)區(qū)對原有用地的侵占、工業(yè)舊址的重新開發(fā)建設(shè)等。其次以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尤其是交通線的布局引導城市空間擴張,在龍崗區(qū)政府的努力下,清平高速公路、錦龍大道、布瀾路等道路提升了區(qū)域通達性,而農(nóng)村路網(wǎng)的建設(shè)實現(xiàn)了改進民生的基建目標。龍崗交通建設(shè)的影響包括:工礦倉儲與居住用地沿交通線蔓延、偏遠地區(qū)未利用土地得以有效開發(fā)、近郊鄉(xiāng)村密布與城鎮(zhèn)空間形成混雜布局。4不同類型用地的影響根據(jù)2000年與2006年間龍崗區(qū)土地利用數(shù)據(jù),以2000年為初始年、6年為一個周期,通過馬爾科夫模型預測龍崗區(qū)未來土地利用的基本格局,計算結(jié)果如表3所示,表明在保持2000年至2006年間土地利用變化的趨勢的假設(shè)下,各類用地在不同時間截面的總量。耕地、林地、水域及水利設(shè)施用地將會繼續(xù)減少,而居住用地和工礦倉儲用地的面積將持續(xù)增加。到穩(wěn)定時期,居住用地和工礦倉儲用地均將超越林地,成為本地區(qū)面積最大、第二大的用地類型,此時其它所有類型用地均在此城市化工業(yè)化的過程中明顯減少,顯示了隨著城市化和工業(yè)化不斷發(fā)展,建設(shè)用地持續(xù)擴張并占據(jù)區(qū)域用地主要地位的過程。在2006年至2012年期間,園地將保持逐漸增長的趨勢,而在2012年后逐步下降,這是由于建設(shè)用地擴張使得園地發(fā)展的空間有限,而新增園地的主要來源林地面積持續(xù)下降,即使在初期因林地比重大獲得短期增長,在遠期也必然下降。5不同類型用地的分散布局模型分析基于龍崗區(qū)1996年、2000年、2006年土地利用數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)透視表、Moran’sI指數(shù)、馬爾科夫模型分析龍崗區(qū)土地利用格局的時空格局的時空變化,進而對特征、趨勢和影響因素進行分析,主要的結(jié)論如下:(1)農(nóng)用地方面:作為山地為主的龍崗區(qū)林地面積突出,為全區(qū)規(guī)模最大的用地類型。而林地面積在1996年至2006年期間保持持續(xù)快速的下降趨勢,其中多數(shù)轉(zhuǎn)換為園地,園地面積則保持持續(xù)增長。耕地所占比重較小且減少趨勢明顯。(2)建設(shè)用地方面:建設(shè)用地(工礦倉儲用地和居住用地)持續(xù)增加,除林地外,其它用地是重要的用地來源,表明對未利用土地進行開發(fā)是建設(shè)用地擴張的重要途徑,而在2000年后,侵占耕地和園地空間也成為其用地的重要來源。同時工礦倉儲用地和居住用地之間存在著較大數(shù)量的相互轉(zhuǎn)換。(3)模型分析結(jié)果:各類用地均呈現(xiàn)一定的分散布局趨勢,同時預測表明建設(shè)用地比重將持續(xù)上升,并最終占據(jù)主導地位,而其它所有類型用地均將大大減少(含園地)。建設(shè)用地擴張是區(qū)域土地利用變化最重要的