衰退型資源城市土地利用時空變化及驅(qū)動因素分析

郭 平, 周 偉,2, 袁 濤,2, 韓 瑾

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京100083; 2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100083)

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衰退型資源城市土地利用時空變化及驅(qū)動因素分析

郭 平1, 周 偉1,2, 袁 濤1,2, 韓 瑾1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京100083; 2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100083)

利用具有較好分類性能的隨機(jī)森林分類算法，對焦作市1988年、1993年、2001年、2004年、2010年和2014年的多季節(jié)TM，ETM+,OLI數(shù)據(jù)分類后檢測其土地利用時空變化，得出土地利用變化數(shù)據(jù)信息，分析促使其土地利用類型轉(zhuǎn)變的主要驅(qū)動因素。結(jié)果表明：(1) 在遙感影像分類中，DEM的重要性程度大于其他變量。(2) 農(nóng)用地面積在1993年達(dá)到最大；建設(shè)用地近26 a增長1倍多，近幾年增速放緩；林地面積近幾年有所增加。(3) 1993—2001年，裸地和農(nóng)用地相互轉(zhuǎn)變最為劇烈，8 a間土地利用轉(zhuǎn)移綜合總量最大。2010—2014年綜合年均變化量最大；2001—2004年農(nóng)用地和林地年均減少量最大，3 a間建設(shè)用地增長最為迅速。(4) 受自然因素的影響，建設(shè)用地和農(nóng)用地的空間變化主要分布在中東部地區(qū)。裸地與人口密度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，通過顯著性0.01水平檢驗(yàn)。焦作市地均GDP總量每增加1%，建設(shè)用地面積增加0.12%。城市要尋求產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，在保證未來新區(qū)發(fā)展建設(shè)的同時，也要保障糧食的供給。

土地利用類型; 衰退型資源城市; 驅(qū)動力; 隨機(jī)森林; 焦作市

資源型城市因資源開發(fā)利用而興起，我國資源型城市有262個，約占中國城市總量的1/3[1]。資源型城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大貢獻(xiàn)，引發(fā)愈多學(xué)者對資源城市的關(guān)注。近年來，很多資源城市的資源逐漸衰竭，導(dǎo)致城市發(fā)展后勁嚴(yán)重不足。在資源開采過程中，造成了土地破壞和浪費(fèi)。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型是城市可持續(xù)發(fā)展的路徑，而一個城市的產(chǎn)業(yè)布局和該城市的土地利用結(jié)構(gòu)息息相關(guān)?？陀^、準(zhǔn)確、現(xiàn)實(shí)的土地利用數(shù)據(jù)信息是城市規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)布局的基礎(chǔ)，獲取土地利用結(jié)構(gòu)的時空動態(tài)信息，是實(shí)現(xiàn)城市土地資源優(yōu)化配置和城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理調(diào)整的重要舉措。因此，開展資源型城市土地利用變化檢測研究，尤其是對衰退型資源城市土地利用變化檢測研究顯得尤為重要。

已有學(xué)者對資源城市的土地利用變化進(jìn)行研究，主要集中在指標(biāo)化評價(jià)、份額分析法、模型評價(jià)法等[2]方面，基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)靜態(tài)分析。有學(xué)者對土地利用動態(tài)變化檢測的研究，方法上采用傳統(tǒng)分類方法變化檢測[3-6]。本研究利用分類性能較好的隨機(jī)森林算法進(jìn)行分類后變化檢測，研究焦作市近26 a來土地利用時空動態(tài)變化。焦作市是67個衰退型資源城市之一[7]，曾是重要的煤炭資源城市，依靠煤炭發(fā)展起來的“煤城”同樣面臨著資源型城市所固有的危機(jī)。焦作市通過城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，改變城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，是城市轉(zhuǎn)型的典型案例，一度以“焦作現(xiàn)象”影響著周邊地區(qū)。本研究以焦作市為例，利用TM，ETM+，OLI數(shù)據(jù)對焦作市近26 a土地利用變化進(jìn)行檢測，獲取土地利用數(shù)據(jù)信息，分析其土地利用變化規(guī)律。結(jié)合該地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r分析促使其土地利用類型變化的主要驅(qū)動因素，為土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和城市產(chǎn)業(yè)布局提供現(xiàn)實(shí)的參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

焦作市位于河南省西北部，是河南省18個地市之一。地理坐標(biāo)為北緯35°10′—35°21′，東經(jīng)113°04′—113°26′，北傍太行，南臨黃河，與鄭州市、洛陽市等為鄰。焦作市屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫12.8～14.8℃，年降水量從北到南大致為600～1 200 mm。全市無霜期大致為190～230 d，一般可滿足農(nóng)作物一年兩熟。全市總面積為4 071 km2，市域內(nèi)地貌類型有山地、丘崗、平原、灘涂等，全市主要開發(fā)利用的土地資源為耕地、林地、建筑用地等三大類。該地區(qū)旅游風(fēng)光秀美壯麗，有著豐富的自然資源、區(qū)位優(yōu)勢明顯，也是河南省主要糧食高產(chǎn)區(qū)之一。到2014年末，全市總?cè)丝谶_(dá)到了368.49萬人，其中常住人口352.25萬人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到53.21%。

近年來，焦作市發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目、提高科技創(chuàng)新，尤其是在協(xié)調(diào)推進(jìn)工業(yè)化、新型城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等方面積極探索，城市社會經(jīng)濟(jì)得到了較快發(fā)展。焦作也充分利用發(fā)展旅游業(yè)的有利條件，加大對旅游產(chǎn)業(yè)的扶持，積極實(shí)現(xiàn)從一個煤炭型城市向生態(tài)旅游城市的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)型成效明顯，成功從“黑色印象”轉(zhuǎn)向“綠色主題”。2014年焦作全市地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)1 846.32億元，人均生產(chǎn)總值達(dá)到52 477元。2014年地方財(cái)政收入為143.66億元，全年公共財(cái)政預(yù)算支出193.56億元，全年固定資產(chǎn)投資1 653.70億元。全市城鎮(zhèn)居民人均可支配收入達(dá)23 977.2元，農(nóng)村居民人均純收入12 517.6元。

2　方法體系

2.1數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

在辨別一個城市發(fā)展過程中的土地利用變化，應(yīng)該考慮到季節(jié)的變化，很難用一幅中分辨率的遙感影像來完全分離處于同一時間點(diǎn)的土地利用或土地覆蓋類型。很多地類難以分離，比如水體和山體陰影不容易區(qū)分，裸露地表、農(nóng)用地、收割后的農(nóng)用地和新建設(shè)用地也很容易混淆，植被有時也難以和周圍的土地區(qū)分開[8]。

焦作市主要農(nóng)作物有小麥、玉米、棉花等，考慮到當(dāng)?shù)氐募竟?jié)變化和農(nóng)作物生長周期條件，選取春季4—5月份和夏季7—8月份影像作為最佳研究數(shù)據(jù)。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的可獲取性和云量等對遙感影像的影響，分別選取1988年、1993年、2001年、2004年、2010年和2014年6個時間段的TM、ETM+、OLI影像。遙感影像均來源于USGS，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》。USGS影像數(shù)據(jù)包括地表反射率和NDVI，EVI，SAVI，MSAVI，NDMI，NBR，NBR2光譜指數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，前期并不需要做大氣校正、幾何校正、輻射定標(biāo)等預(yù)處理，只需對影像進(jìn)行裁剪、波段運(yùn)算和波段合成等處理。所選取遙感影像數(shù)據(jù)見表1。利用ArcGIS 10.2創(chuàng)建500個30 m×30 m的隨機(jī)格網(wǎng)作為訓(xùn)練樣本選取點(diǎn)，從Google Earth上截取研究區(qū)內(nèi)歷史影像進(jìn)行幾何校正后選取訓(xùn)練樣本。訓(xùn)練樣本采用分層隨機(jī)采樣的方法，按照80%為訓(xùn)練樣本，20%為驗(yàn)證樣本進(jìn)行分層采樣。

表1　Landsat遙感影像信息

2.2研究方法

土地利用/覆蓋變化檢測算法很多，如多時相合成影像變化檢測、影像代數(shù)變化檢測、分類后比較法、光譜變化矢量分析等[9]，本研究選取分類后比較法對影像分類圖進(jìn)行逐像元變化檢測。分類后比較法是一種定量的檢測方法，得到廣泛應(yīng)用，但分類變化檢測的缺點(diǎn)是精度依賴于單幅影像分類結(jié)果的精度。因此，基于分類后變化檢測的研究，必須要有較好的分類方法。對于分類算法的研究應(yīng)用，有厙向陽、馬利剛、王崇倡、鄭明國、Pal、Victor等對各種分類算法進(jìn)行過研究實(shí)證[10-15]。已有研究表明[16-17]，隨機(jī)森林(Random Forests，RF)算法在很多遙感影像分類中甚至優(yōu)于支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。因此，本研究分類算法采用隨機(jī)森林算法。

隨機(jī)森林是Breiman于2001年提出的一種基于單棵決策樹算法的集成學(xué)習(xí)算法[18]。它以單棵分類決策樹作為基本模型，用Bagging方法制造有差異的訓(xùn)練樣本集，并且在構(gòu)建單棵樹時，隨機(jī)地選擇特征對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行屬性分裂。Bagging方法和CART算法的結(jié)合，再加上隨機(jī)選擇特征進(jìn)行屬性分裂，使得RF能較好容忍噪聲，并具有較好的分類性能。

2.2.1變量重要性隨機(jī)森林能處理大量的輸入變量，通過有放回的boostrap采樣進(jìn)行隨機(jī)特征變量選取，在分類過程中能評估各個輸入變量對分類的重要性，無需進(jìn)行剪枝操作，而是最大深度地對變量進(jìn)行分枝[18]。隨機(jī)森林模型需要兩個人工控制的參數(shù)，一個是分類樹的個數(shù)n，另一個是在生長單棵樹過程中每個節(jié)點(diǎn)處的預(yù)測變量個數(shù)mtry。模型參數(shù)采用默認(rèn)的n=500，mtry=sqrt(m)(m為變量個數(shù)，本研究中m=39)，通過R語言的RandomForest包編程實(shí)現(xiàn)分類模型。原則上均統(tǒng)一選取TM影像進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)獲取原則和考慮到ETM+和OLI與TM影像的數(shù)據(jù)差異，選用ETM+和OLI中與TM影像對應(yīng)的可見光、近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段進(jìn)行遙感專題指數(shù)運(yùn)算。6期數(shù)據(jù)最后參與分類的波段變量個數(shù)為39個，如圖1所示。

圖1　平均減少精度和平均減少Gini值

圖1中PC，IC，MNF分別為主成分變換、獨(dú)立成分變換和最小噪音變換前三個分量，Brightness，Greenness，Third為纓帽變換的三個分量，SNDBI為仿歸一化建筑指數(shù)，NDⅡ?yàn)闅w一化紅外指數(shù)，NBR為歸一化燃燒率，GNDVI為綠度歸一化植被指數(shù)，RI為紅色植被指數(shù)，RRI為居民地比值指數(shù)，IBI為建筑指數(shù)，ARVI為大氣抗阻指數(shù)，VARI為抗大氣指數(shù)。

隨機(jī)森林能評估分類過程中各特征變量的重要性程度，這對于了解每個變量是如何影響分類模型很重要。對于數(shù)據(jù)變量較多的情況，隨機(jī)森林能達(dá)到降維的效果，能夠識別重要的變量，能夠選擇對分類精度有所提高的變量。通常為了評估既定變量的重要性，隨機(jī)森林模型不會去考慮既定變量，而繼續(xù)考慮剩余的變量，通過袋外誤差評估來測量平均減少精度(Mean Dcrease Accuracy)和平均減少基尼值(MeanDcrease Gini)。對于變量重要性的估測，是通過修改的OOB(Out-Of-Bag)子集和原有數(shù)據(jù)精度得到的平均差異來確定每個變量的重要性，Gini重要性估測每個變量在森林的所有樹中Gini不純度的減少量。為了減少特征維數(shù)和減少訓(xùn)練分類模型的時間，通過模型重要性估測、袋外誤差和Gini系數(shù)來選擇最重要的變量，圖1中的平均減少精度和平均減少基尼值表明了每個變量重要性的趨勢。

變量重要性如圖1所示，平均減少精度衡量把一個變量的取值變?yōu)殡S機(jī)數(shù)，隨機(jī)森林預(yù)測準(zhǔn)確性的降低程度，該值越大，代表該變量的重要性越大。平均減少基尼值是通過Gini指數(shù)計(jì)算每個變量對分類樹每個節(jié)點(diǎn)上觀測值的異質(zhì)性的影響，從而比較變量的重要性。該值越大表示該變量的重要性越大[19]。圖中可以看出DEM和地表反射率的band5的平均減少精度是最大的，說明兩個波段對于分類的重要程度最大。但同時兩個波段的平均減少Gini值也是最大的，說明兩個波段在每顆分類樹的觀測值上異質(zhì)性，即節(jié)點(diǎn)不純度也是最大的?？傮w來說，DEM對于分類過程是重要的，因?yàn)榈乇泶嬖诟鞣N各樣的起伏，尤其是山地丘陵地區(qū)，各土地類型的三維空間面積(地表真實(shí)面積)并不能完全與二維遙感影像中獲取的面積等同[20]。因此在分類過程中考慮到DEM必然會對分類精度有所提高。

2.2.2隨機(jī)森林模型分類性能在RF模型訓(xùn)練中，有近1/3的樣本數(shù)據(jù)可能未被Bagging生成的訓(xùn)練集所選中，而這1/3的數(shù)據(jù)就作為袋外數(shù)據(jù)，被用來估計(jì)該分類器的泛化性能，這種方法被稱為袋外估計(jì)，所得到的數(shù)據(jù)值就是袋外誤差[21]。袋外誤差越小，代表生成模型的性能越好，分類結(jié)果越可靠，反之越差。對分類結(jié)果利用混淆矩陣定量驗(yàn)證，再通過目視對比的定性檢驗(yàn)。6期影像分類模型運(yùn)行的袋外誤差和分類精度如表2所示。

表2　袋外誤差、總體精度和Kappa系數(shù)值

3　結(jié)果與分析

3.1土地利用類型統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用隨機(jī)森林模型得到分類灰度影像，利用ENVI 4.8對分類結(jié)果進(jìn)行Density Slice，得到分類RGB圖像，并對各地類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)百分比，得到如圖2所示的結(jié)果。

圖2　土地利用類型面積占總面積比例

從圖2中可以看出，水域1988—2014年基本上保持不變，最小值為1.68%，最大值為2.38%。建設(shè)用地呈現(xiàn)逐期遞增的趨勢，其中1993—2001年的增幅最大，建設(shè)用地增幅分別為1.25%，3.19%，2.36%，0.15%和1.01%。建設(shè)用地的逐年遞增符合正常的增長趨勢，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，建設(shè)用地必然呈現(xiàn)增長的態(tài)勢。林地1988—2014年總體變化不是很大，但近幾年林地面積顯然有所增加，2010—2014年4 a期間，林地共增長0.94%。1988—2014年6期裸地變化幅度分別為-4.66%，-13.67%，0.95%，-1.73%和0.82%，從1988—2001年下降幅度最大，從占地面積比為39.7%下降到20.37%，整體下降了18.33%。其中，1993—2001年的8 a期間，下降趨勢最為明顯，之后就呈現(xiàn)小幅度波動。農(nóng)用地整體呈現(xiàn)一個先增后降的趨勢，變化幅度分別為4.05%，8.44%，-2.46%，0.59%和-2.78%。1993—2001年的增長幅度最大，從2010—2014年的下降幅度最大。

根據(jù)圖2趨勢分析，水域和林地面積波動較小，建設(shè)用地逐年遞增，主要變化是在農(nóng)用地和裸地相互轉(zhuǎn)化。各地類的相互轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移的空間分布情況，通過土地利用變化檢測得出。

圖3中畫出了1988—2014年建設(shè)用地每期占比，通過模擬得出建設(shè)用地線性增長趨勢線，R2=0.928，擬合度較好，1988—2014年建設(shè)用地呈現(xiàn)線性趨勢增長，符合預(yù)期中的建設(shè)用地變化。如果當(dāng)前趨勢繼續(xù)發(fā)展，建設(shè)用地將繼續(xù)擴(kuò)張。從1988年的7.32%增長到2014年的15.28%，近26 a來建設(shè)用地面積增長1倍多。建設(shè)用地將繼續(xù)穩(wěn)定增長，但增長趨勢放緩。

圖3　建設(shè)用地變化趨勢

3.2土地利用類型時空變化分析

圖4中給出了1988—2014年焦作市土地利用空間分布狀況，焦作市北部為太行山脈，南部為黃河和沿河灘涂。受到地形因素的影響，建設(shè)用地的擴(kuò)張主要為中部地區(qū)和南部地區(qū)，主要占用周圍的農(nóng)用地。農(nóng)用地向南有所擴(kuò)張，不斷占用沿河灘涂。林地和水域空間分布變化不大，裸地整體面積不斷減少。

為了更精確地對比土地利用變化結(jié)果，通過ENVI 4.8算出地類間土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，所得結(jié)果如圖5所示。

圖4　土地利用類型空間分布

圖5　土地利用增減量和變化趨勢圖

圖5A為近26 a來6期影像數(shù)據(jù)土地利用類型的增加和減少的變化情況，圖5B為土地利用總體變化趨勢。圖5A中正數(shù)表示當(dāng)前地類的增加量，即其他用地類型轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前地類，負(fù)數(shù)表示當(dāng)前地類減少量，即當(dāng)前地類轉(zhuǎn)化為其他用地類型。圖中可以看出，裸地和農(nóng)用地是變化最大的兩種地類。1988—1993年和1993—2001年兩期數(shù)據(jù)中可以看出，農(nóng)用地的變化是呈現(xiàn)正增長的，即農(nóng)用地轉(zhuǎn)變成其他地類的量小于其他地類轉(zhuǎn)為農(nóng)用地的量，兩期數(shù)據(jù)農(nóng)用地的增長量分別為9 239.74，10 495.6 hm2，土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表明，農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕氐牧孔畲?，? 426.52 hm2，而裸地轉(zhuǎn)為農(nóng)用地的量也是最大的，為17 864.81 hm2。因此，1988—2001年13 a期間，主要是農(nóng)用地和裸地的相互轉(zhuǎn)化最大，農(nóng)用地總體表現(xiàn)為增加的趨勢。2004—2010年6 a期間，農(nóng)用地的整體變化基本平穩(wěn)，2001—2004年和2010—2014年兩期數(shù)據(jù)說明，農(nóng)用地的總體變化是呈現(xiàn)負(fù)增長的，農(nóng)用地的減少量分別為5 828.66 hm2，7 067.37 hm2。在2001年以后，隨著城市的發(fā)展，其他用地類型開始占用農(nóng)用地，農(nóng)用地總量開始下降。

林地的總體變化波動性不大，主要是2001—2004年略微有所減少，但2004年以后，林地面積總量開始增長，約為5 652.53 hm2。建設(shè)用地表現(xiàn)為逐期增長的趨勢，但是增幅有所不同，主要以1993—2001年的增幅最大，建設(shè)用地增長量為8 673.34 hm2，主要原因也是這期數(shù)據(jù)的時間間隔較長，所以建設(shè)用地總增長量最大。但這8 a期間城市擴(kuò)張速度是否最大，還得通過年均建設(shè)用地變化量得出。2004—2010年增幅最小，增長量為1 468.54 hm2。水域的變化趨勢最為穩(wěn)定，變化量不是很大，每期變化均呈現(xiàn)小幅度的波動。裸地的總體變化幅度是最大的，主要是裸地和農(nóng)用地的相互轉(zhuǎn)移。其中1988—2001年裸地急劇減少，大多數(shù)轉(zhuǎn)變成了農(nóng)用地，兩期數(shù)據(jù)裸地減少量分別為10 076.74，20 313.19 hm2，其中以1993—2001年的減少幅度最大。之后的13 a內(nèi)，裸地均有不同幅度的變化，但變化量沒有前兩期數(shù)據(jù)那么大，后面三期數(shù)據(jù)中裸地的變化量分別為2 088.74，-6 460.48，-4 565.44 hm2。

圖6A為1988—2014年土地利用類型年際平均增減變化情況，從圖中可以看出，2010—2014年的土地類型年均增減總量是最大的，這4 a中，土地類型相互轉(zhuǎn)移最為明顯，以農(nóng)用地和裸地的變化最大，水域變化幅度較小。1993—2001年8 a間年均增減總量最小。從圖6B中可以看出，1988—2001年和2004—2010年，農(nóng)用地的年均變化均是增加的，1988—1993年年均農(nóng)用地增長量最大。其余兩期數(shù)據(jù)的農(nóng)用地年均變化都是負(fù)增長，年均減少量基本持平。林地的變化以2004年以后逐年增加，2001—2004年林地年均變化呈負(fù)增長，3 a間林地有所減少。建設(shè)用地的年均變化均處于X軸以上，表明建設(shè)用地從1988年以來每年都有增加，其中以2001—2004年和2010—2014年的年均增加量最大，分別為1 661.9，1 427.0 hm2，表明城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)谶@幾年里最為明顯，城市發(fā)展較快。其余幾期年均增幅較小，城市發(fā)展增速有所放緩。水域年均變化以2001—2004年3 a間最為突出，且表現(xiàn)為正增長狀態(tài)，其他幾期水域面積基本平穩(wěn)，年均整體面積變化不大。裸地除了2001—2004年期間年均變化呈正增長之外，其他年份均表現(xiàn)為負(fù)增長，裸地正在逐年減少，以1988—2001年裸地的年均減少面積最大。

圖6　土地利用類型年均增減量和年均變化趨勢

3.3驅(qū)動因素分析

3.3.1自然和政策因素對土地利用的影響焦作市南臨黃河，灘涂裸地主要分布在南部沿河區(qū)域，受到氣候變化和地球自轉(zhuǎn)偏向力的影響，黃河流量季節(jié)性變化，河流整體向南不斷偏移，河流水體和灘涂裸地相互轉(zhuǎn)移，且變化量較大。林地主要分布在北部山丘地區(qū)和西部少數(shù)地區(qū)，以及居名點(diǎn)周圍和農(nóng)用地周圍兼有零星林地，林地總體變化率不大。但近幾年，除了焦作市旅游業(yè)的不斷發(fā)展，政府部門也不斷重視生態(tài)環(huán)境問題，出臺很多相關(guān)政策，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)建設(shè)和加大林業(yè)建設(shè)，從而林地面積近幾年有所增加。國家1986年頒布的《土地管理法》，重視土地的合理利用和保護(hù)耕地，焦作市自1988年以后，農(nóng)用地面積整體水平持續(xù)增加。自1999年基本農(nóng)田保護(hù)條例實(shí)施以后，作為河南省糧食主產(chǎn)區(qū)，進(jìn)一步加強(qiáng)了基本農(nóng)田的有效保護(hù)。2011年9月，國務(wù)院出臺《國務(wù)院關(guān)于支持河南省加快建設(shè)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的指導(dǎo)意見》，有效地推進(jìn)了焦作市工業(yè)化、城鎮(zhèn)化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

3.3.2人口因素對土地利用的影響人口和經(jīng)濟(jì)是人類社會發(fā)展最明顯的驅(qū)動力，是最不容忽略的重要因素。通過SPSS 17分析用地類型與人口和經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)性，求出Pearson相關(guān)系數(shù)，檢驗(yàn)其相關(guān)性。人口因素包括人口密度、城鎮(zhèn)化率，經(jīng)濟(jì)因素包括地均GDP、地均第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、地均第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、地均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。SPSS相關(guān)性分析數(shù)據(jù)見表3。

建設(shè)用地與人口密度和城鎮(zhèn)化率呈現(xiàn)極顯著線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.973，0.947，通過信度水平為0.01檢驗(yàn)。很顯然，人口增長和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，必然需要大量建設(shè)用地為支撐。農(nóng)用地與人口密度呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.874，通過信度水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)。人口的增長必然導(dǎo)致對糧食需求的增加，糧食的增長要么依靠單位面積產(chǎn)量的提高，要么就增加種植面積。在當(dāng)前條件下，焦作市要想增加糧食產(chǎn)量，只有通過增加種植面積。裸地與人口密度呈現(xiàn)極顯著線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.976，通過信度0.01檢驗(yàn)。人口增加必然加大土地利用強(qiáng)度，因此裸地面積必然會不斷減少。

表3　SPSS相關(guān)性分析

注:表中*表示顯著性水平<0.05，兩者顯著相關(guān)；**表示顯著性水平<0.01，兩者極顯著相關(guān)。

3.3.3經(jīng)濟(jì)因素對土地利用的影響通過相關(guān)分析可知，建設(shè)用地與地均GDP和地均第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.821，0.826，一致通過信度水平為0.05檢驗(yàn)。一個城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、GDP提高，工業(yè)是重要的支撐和重要產(chǎn)值來源。根據(jù)我國建設(shè)數(shù)量變化與GDP回歸關(guān)系[22]，建立焦作市建設(shè)用地面積變化和地均GDP的回歸關(guān)系式為Y=0.0269X0.1246(Y為建設(shè)用地面積，X為地均GDP)，R2=0.8951，擬合度較好，即焦作市地均GDP總量每增加1%，建設(shè)用地面積增加0.12%。建設(shè)占用其他用地是支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一種代價(jià)性損失，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢。農(nóng)用地與地均第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.874，通過信度水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)。增加種植面積，糧食產(chǎn)量就會增加，必然導(dǎo)致第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值增加，因此農(nóng)用地和地均第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值表現(xiàn)為正相關(guān)符合實(shí)際情況。林地與地均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.821，通過信度為0.05檢驗(yàn)。近年來，焦作市大力發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)。結(jié)合焦作市實(shí)地情況可知，當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)主要以自然風(fēng)景區(qū)為主，因此地均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加，林地面積也有所增加。

4　結(jié)論與討論

4.1結(jié) 論

(1) 隨機(jī)森林分類算法的應(yīng)用，在減小特征維數(shù)約束的情況下提高分類精度和減少程序運(yùn)算時間，增強(qiáng)模型泛化和解釋的能力。分類結(jié)果表明，DEM在遙感分類中重要性程度相比最大，DEM對分類精度有所提升。土地利用變化數(shù)據(jù)表明，裸地和農(nóng)用地是變化最大的兩種地類。2001—2004年間，平均每年農(nóng)用地和林地減少量最大，而焦作市城市擴(kuò)張?jiān)谶@3 a里表現(xiàn)最為明顯；2004年以后，焦作市建設(shè)用地增速有所放緩。

(2) 驅(qū)動因素分析表明，受自然因素影響，焦作市林地和水域變化主要分布在北部和南部。人口密度和城鎮(zhèn)化率均與建設(shè)用地呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，人口增長迫使建設(shè)占用其他用地，裸地和農(nóng)用地面積明顯減少。裸地與人口密度表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)；建設(shè)用地與地均GDP和地均第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈正相關(guān)，并且建設(shè)用地與地均GDP回歸關(guān)系式表明，焦作市地均GDP總量每增加1%，建設(shè)用地面積增加0.12%。

(3) 焦作市隨著資源枯竭和經(jīng)濟(jì)增長放緩，城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中，替代產(chǎn)業(yè)對土地的需求量增加，規(guī)劃期內(nèi)所持有的存量土地受到破壞和污染，必須要有新的增量土地及時供應(yīng)，才能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。由此看出，焦作市要想得到轉(zhuǎn)型發(fā)展，對土地的依賴性仍然很大。為此，得優(yōu)化土地利用計(jì)劃，實(shí)施更靈活的供地政策以保障焦作市城市轉(zhuǎn)型發(fā)展中對土地的訴求，適當(dāng)調(diào)整土地供應(yīng)計(jì)劃，以切實(shí)保證糧食產(chǎn)量和未來新區(qū)發(fā)展建設(shè)的需要。

4.2討 論

高質(zhì)量的訓(xùn)練樣本能增加影像分類的準(zhǔn)確度，使得變化檢測的研究結(jié)果更可靠[8]。對于選用中分辨率影像來說，則難以獲取考慮到研究區(qū)影響因素(如季節(jié)、土壤、氣候等)所對應(yīng)時間點(diǎn)相近的高分影像作為參考數(shù)據(jù)。因此，對于監(jiān)督分類來說，如何選取高質(zhì)量的樣本和提高分類精度和準(zhǔn)確性，依然大有前景。

本研究從焦作市作為衰退型資源城市的視角，探討城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型背景下，其土地利用和變化表現(xiàn)趨勢。下一步需對全國262個資源型城市或67個衰退型資源城市的土地利用變化進(jìn)行全面研究，深入對比分析資源型城市或衰退型資源城市土地利用所表現(xiàn)出的特點(diǎn)，從而挖掘出焦作市的特有特點(diǎn)，同時這也將作為下一步的研究繼續(xù)深入。

致謝：本文特別感謝來自印第安納州立大學(xué)的謝燕華博士師兄的悉心指導(dǎo)和幫助，也感謝我們團(tuán)隊(duì)各位同門的幫助和修改。

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Analysis on the Temporal and Spatial Change of Land Use and Its Driving Factors of Declining Resources-Based City

GUO Ping1, ZHOU Wei1,2, YUAN Tao1,2, HAN Jin1

(1.SchoolofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofLandRegulationMinistryofLandResources,Beijing100083,China)

Multi-seasonal TM, ETM+ and OLI remote sensing images data of Jaozuo City in 1988, 1993, 2001, 2004, 2010 and 2014 were classified by using Random Forests algorithm. The dynamic of land use/cover was then obtained and related to the main driving factors. The results showed that: (1) DEM was more important than other variables during the process of classification, especially for forest; (2) the area of agricultural land reached the maximum in 1993, construction area increased doubled in the past 26 years, but the growth rate slowed the slowdown trend in recent years, while forest area only increased in recent years; (3) the bare land and farmland experienced the most dramatic change during the period from 1993 to 2001, the annual decrement of agricultural land and forest land was the largest during the period from 2001 to 2004, and the construction land increased the most rapid in 3 years, the annual change was the largest during the period from 2010 to 2014 in terms of all the land uses/covers; (4) the contruction land and agricultural land were mainly located in the middle and eastern regions due to the constraint of topography. The bare land and population density showed the significantly negative correlation (p<0.01). The 1% increase of GDP resulted from 0.12% increase of oconstruction land area in Jiaozuo City. This study indicates that farmland should be protected to meet food demand during the process of industrial transformation.

land use type; declining resources-based city; driving factors; Random Forests; Jiaozuo City

2015-12-15

2016-01-07

郭平(1990—),男,貴州畢節(jié)市人,碩士生,主要研究方向?yàn)?S技術(shù)及應(yīng)用。E-mail:yrguoping@163.com

周偉(1972—),男,甘肅會寧人,教授,博士,主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理。E-mail:zhouw@cugb.edu.cn

F301.24

A

1005-3409(2016)04-0191-08