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(shí)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(shí)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(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。隨著人類活動(dòng)不斷強(qiáng)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(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計(jì)劃(IHDP)提出“土地利用和土地覆蓋變化”的研究計(jì)劃以來,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。研究土地利用變化對(duì)土地利用管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(dòng)對(duì)土地利用格局影響最為顯著,具有突出的研究?jī)r(jià)值。相關(guān)研究的重點(diǎn)集中于土地利用時(shí)空變化、土地利用變化的動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)測(cè)、土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素等方面。隨著計(jì)算機(jī)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(xué)方法及一系列有關(guān)土地變化指標(biāo)的選取已成為普遍。而對(duì)于土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,學(xué)術(shù)界則更加趨向于對(duì)人文因素的研究,包括定性探討和計(jì)量方法應(yīng)用。土地利用變化的模擬預(yù)測(cè)方面,復(fù)雜模型應(yīng)用廣泛,常見的有CA模型、Agent模型、馬爾科夫模型等。在新時(shí)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(shí)空演化特征,對(duì)有效認(rèn)知土地利用規(guī)律,加強(qiáng)相關(guān)保護(hù)、利用和管理具有十分重要的現(xiàn)實(shí)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(yīng)用ArcGIS和Geoda技術(shù)探討其土地利用演化的時(shí)空特征,同時(shí)應(yīng)用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)未來土地利用格局,并嘗試探討對(duì)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(jì)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(gè)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(duì)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(yīng)占全市的比重逐年上升,2003年達(dá)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(shì)平坦,而東中部包括沿海部分地勢(shì)陡峭,開發(fā)難度較高,主要為森林覆蓋。2不同時(shí)空土地利用類型用地格局的時(shí)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(guó)《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(diǎn)、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(cāng)儲(chǔ)用地和其它用地等七類。經(jīng)過處理可得3個(gè)截面的土地利用格局圖,如圖2—4所示。首先應(yīng)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(shí)間變化特征。通過GIS方法對(duì)各時(shí)間截面深圳市土地利用圖進(jìn)行疊加分析,可得每個(gè)獨(dú)立地塊在不同時(shí)間截面的土地利用類型,可藉此判斷各類用地的變化趨勢(shì)。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(shí)間截面之間各類型用地之間相互轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)與特征。再應(yīng)用Geoda技術(shù)計(jì)算各時(shí)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(shì)。Moran’sI指數(shù)是地理學(xué)研究中應(yīng)用廣泛的空間統(tǒng)計(jì)指標(biāo),代表單個(gè)類型用地的集聚程度。計(jì)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(duì)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(yīng)用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)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(jī)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(gè)最終的“穩(wěn)定狀態(tài)”下土地利用的總體格局。計(jì)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(shí)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(shì)。3土地利用變化的總體態(tài)勢(shì)根據(jù)上述方法研究計(jì)算結(jié)果,分別從時(shí)間變化、空間格局變化、模擬預(yù)測(cè)三個(gè)方面分析龍崗區(qū)土地利用的時(shí)空變化特征,歸納土地利用變化的總體態(tài)勢(shì)。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(cāng)儲(chǔ)用地、園地有較快增長(zhǎng),而同時(shí)林地、耕地總量下降趨勢(shì)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(shì),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(zhǎng)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(zhǎng)超過100%。此外,工礦倉(cāng)儲(chǔ)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(zhǎng)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(dá)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(duì)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(cāng)儲(chǔ)用地的重要來源,這可能是在技術(shù)進(jìn)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(zhǎng)的居住用地大量來源于工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地,這是在政府規(guī)劃指引下進(jìn)行工業(yè)企業(yè)搬遷更新舊城的重要結(jié)果。而對(duì)耕地的侵占方面,各類型用地基本相當(dāng),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(diǎn)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(shì)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(cāng)儲(chǔ)用地;大量工礦倉(cāng)儲(chǔ)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(shí)存在部分與1996年至2000年間土地轉(zhuǎn)換趨勢(shì)差異明顯的重要特征:居住用地同時(shí)是工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地的重要來源,這可能是工業(yè)化不斷推進(jìn)對(duì)原有鄉(xiāng)村居民點(diǎn)大量占據(jù)的結(jié)果;居住用地和工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地對(duì)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(kuò)張過程;在園地總量增長(zhǎng)的同時(shí),大量原園地轉(zhuǎn)換為居住用地與工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地。3.2moran’si指數(shù)下降表2顯示了1996年、2000年、2006年三個(gè)時(shí)間截面上各類型用地的Moran’sI指數(shù)計(jì)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(shì)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致了各類用地空間上分散趨勢(shì)。耕地、園地、水域及水利設(shè)施用地到2006年指數(shù)下降為負(fù),呈現(xiàn)分散布局的特征,且通過檢驗(yàn),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(kuò)張發(fā)展的同時(shí),新增的鄉(xiāng)村用地較為凌亂交錯(cuò),形成大小斑塊無序混雜的局面,從而造成空間自相關(guān)計(jì)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(dǎo)致林地趨于分散而園地顯著集聚的趨勢(shì),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(cāng)儲(chǔ)用地的擴(kuò)張是導(dǎo)致區(qū)域土地利用變化的核心動(dòng)力,在此動(dòng)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(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,進(jìn)而引起區(qū)域用地格局的整體變化?？焖俟I(yè)化導(dǎo)致工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地快速、粗放增長(zhǎng)。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(shí)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(jì)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(dá)0.2∶65.9∶33.9,工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地隨工業(yè)發(fā)展增長(zhǎng)迅速。但這種“自下而上”的工業(yè)化進(jìn)程存在著明顯的用地粗放特點(diǎn),往往具有用地面積大、地塊零碎等特點(diǎn),與集聚指數(shù)持續(xù)下降的計(jì)算結(jié)果相一致。城市化加速人口集聚,推動(dòng)居住用地?cái)U(kuò)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(dòng)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(guó)際低端制造業(yè),勞動(dòng)密集型企業(yè)較多,導(dǎo)致外來人口大量涌入,由建區(qū)時(shí)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(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)人口離鄉(xiāng)進(jìn)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(jìn)入導(dǎo)致的外來移民型城市化。人口的大量增加必然導(dǎo)致促進(jìn)居住用地增加。城市規(guī)劃影響建設(shè)用地?cái)U(kuò)張與布局。土地利用格局及其轉(zhuǎn)換在特定的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與規(guī)劃約束下形成,城市規(guī)劃對(duì)土地利用格局具有直接的引導(dǎo)作用。首先直接推動(dòng)新增用地的布局,最顯著的是1996至2006年間居住用地與獨(dú)立工礦用地之間的轉(zhuǎn)換,包括產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)致的工業(yè)企業(yè)搬遷、新增大規(guī)模工業(yè)區(qū)對(duì)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(dǎo)城市空間擴(kuò)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(dá)性,而農(nóng)村路網(wǎng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)民生的基建目標(biāo)。龍崗交通建設(shè)的影響包括:工礦倉(cāng)儲(chǔ)與居住用地沿交通線蔓延、偏遠(yuǎn)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(gè)周期,通過馬爾科夫模型預(yù)測(cè)龍崗區(qū)未來土地利用的基本格局,計(jì)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(shì)的假設(shè)下,各類用地在不同時(shí)間截面的總量。耕地、林地、水域及水利設(shè)施用地將會(huì)繼續(xù)減少,而居住用地和工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地的面積將持續(xù)增加。到穩(wěn)定時(shí)期,居住用地和工礦倉(cāng)儲(chǔ)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(shí)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(kuò)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(zhǎng)的趨勢(shì),而在2012年后逐步下降,這是由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)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(zhǎng),在遠(yuǎn)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(shí)空格局的時(shí)空變化,進(jìn)而對(duì)特征、趨勢(shì)和影響因素進(jìn)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(shì),其中多數(shù)轉(zhuǎn)換為園地,園地面積則保持持續(xù)增長(zhǎng)。耕地所占比重較小且減少趨勢(shì)明顯。(2)建設(shè)用地方面:建設(shè)用地(工礦倉(cāng)儲(chǔ)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(duì)未利用土地進(jìn)行開發(fā)是建設(shè)用地?cái)U(kuò)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(shí)工礦倉(cāng)儲(chǔ)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(shì),同時(shí)預(yù)測(cè)表明建設(shè)用地比重將持續(xù)上升,并最終占據(jù)主導(dǎo)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?cái)U(kuò)張是區(qū)域土地利用變化最重要的