基于遙感的土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力分析
——以重慶市渝中區(qū)為例

趙浣玎， 李 軍， 李瑩瑩， 鄧曉娟， 許佳慧， 張?jiān)婈?/p>

(重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 重慶 400047)

城市土地利用及覆被變化是人類活動(dòng)對城市用地結(jié)構(gòu)影響最直觀的表現(xiàn)形式之一，反映了人類利用土地進(jìn)行生產(chǎn)、生活活動(dòng)的發(fā)展趨勢，受自然、社會、經(jīng)濟(jì)技術(shù)及歷史等因素的制約，具有很強(qiáng)的綜合性和地域性[1-2]。土地利用方式和利用結(jié)構(gòu)對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、區(qū)域環(huán)境變化起著至關(guān)重要的作用，在城市規(guī)劃建設(shè)等方面具有重要意義。重慶市自直轄以來，人口和資本大量涌入，城市化進(jìn)程不斷加快，新城建設(shè)及舊城改造交替進(jìn)行。一方面，隨著城市化的日益推進(jìn)，對建設(shè)用地的需求也在不斷增長，城市可持續(xù)發(fā)展面臨著如何在有限的區(qū)域內(nèi)，對城市空間合理利用與開發(fā)、完善城市土地利用結(jié)構(gòu)的問題[3]；另一方面，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們對生活環(huán)境要求的提高，將一個(gè)區(qū)域如何在保障基本農(nóng)耕用地及經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展用地的同時(shí)，合理利用和保護(hù)當(dāng)?shù)赜邢薜馁Y源并且提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的問題提上日程[4]。因此，對城市的土地利用進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測對城市規(guī)劃建設(shè)與該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。目前，重慶市渝中區(qū)的土地利用變化研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足[5-6]。本研究在參照國內(nèi)外已利用3S技術(shù)對城市土地利用進(jìn)行遙感監(jiān)測研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，借助監(jiān)督分類和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的研究方法，對渝中區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多時(shí)相遙感監(jiān)測研究，并進(jìn)一步分析了2002—2018年老街區(qū)變遷過程中土地利用的空間格局及其動(dòng)態(tài)變化過程，希望所得分析結(jié)果能為重慶城區(qū)改造及城市規(guī)劃建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)與理論參考，進(jìn)而進(jìn)行城區(qū)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)調(diào)整，構(gòu)建適宜的人居環(huán)境。

一、研究區(qū)概況

重慶市渝中區(qū)位于東經(jīng)106°28′50″-106°35′10，北緯29°31′50″-29°34′20″，于長江、嘉陵江匯流處，土地總面積23.71km2，截至2018年11月30日，全區(qū)常住人口66萬人，戶籍人口204835戶，共504380人，年均降水量約1100mm。區(qū)內(nèi)以山地、丘陵為主，地貌屬四川盆地東部平行嶺谷區(qū)的低山丘陵地區(qū)(即川東平行嶺谷區(qū))。渝中區(qū)以第三產(chǎn)業(yè)為主，基本沒有第一、第二產(chǎn)業(yè)，是重慶市政治、經(jīng)濟(jì)、文化以及商貿(mào)流通中心。

二、研究數(shù)據(jù)與方法

(一)數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所涉及的數(shù)據(jù)包括數(shù)字影像數(shù)據(jù)、研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。其中，數(shù)字影像數(shù)據(jù)為重慶渝中區(qū)2002年4月12日、2010年12月8日、2018年4月17日的三期高空間分辨率影像，其中2002年影像為Quick Bird衛(wèi)星影像，波段數(shù)為5，比例尺約為1∶2000，拍攝幅寬為16.5km×16.5km，空間分辨率為0.61m，重訪周期為1～3.5天；2010年和2018年的影像為World View衛(wèi)星影像，波段數(shù)為3，比例尺為1：4513，空間分辨率為1.194329m，重訪周期為1.7天。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2002—2018年的統(tǒng)計(jì)年鑒。

本研究運(yùn)用ENVI 5.1對高分?jǐn)?shù)字遙感影像進(jìn)行幾何校正、圖像配準(zhǔn)、監(jiān)督分類等處理，后經(jīng)野外采樣點(diǎn)實(shí)地考察，再結(jié)合Google Earth，進(jìn)行一一舉證，最后得到2002年、2010年、2018年渝中區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖。在土地類型分類處理過程中以中國科學(xué)院制定的中國土地資源分類系統(tǒng)為主要依據(jù)，再結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況將研究區(qū)的土地利用類型分為交通用地、居住地、水域、綠化地帶、其他建設(shè)用地、未完成建設(shè)用地和河漫灘七種類型。

(二)研究方法

1.土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是用來表示各類型用地之間的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)化量的主要方法，這種方法能直觀反映出土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和轉(zhuǎn)移方向。具體計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：S表示研究區(qū)第i類用地向第j類轉(zhuǎn)化的面積；i表示前一時(shí)期用地類型；j表示后一時(shí)期用地類型；n為用地類型數(shù)量。

2.主成分分析

主成分分析是最為常用的特征提取方法，是將多個(gè)變量通過線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量來反映原變量信息的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。設(shè)F1表示原變量的第一線性組合所形成的主成分指標(biāo)，如式(2)：

F1=a1i*ZX1+a2i*ZX2+…+api*ZXp

A=(aij)p*m=(a1，a2，…，am)，Rai=λiai

(2)

式(2)中，F(xiàn)1的方差即Var(F1)越大，F(xiàn)1包含的信息越多。公式中a1i，a2i，…，api(i=1，…，m)為X的協(xié)方差陣∑的特征值所對應(yīng)的特征向量，ZX1，ZX2，…，ZXp是原始變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值。Rai為相關(guān)系數(shù)矩陣，λi，ai是相應(yīng)的特征值和單位特征向量，λ1≥λ2≥…≥λp≥0。

三、結(jié)果與分析

根據(jù)土地分類類型，用 ERDAS和ArcGIS對2002年、2010年、2018年高分遙感影像圖進(jìn)行監(jiān)督分類等一系列處理，得到下列三期土地利用遙感解譯現(xiàn)狀圖，如圖1至圖3所示。

圖1 2002年渝中區(qū)土地利用現(xiàn)狀

圖2 2010年渝中區(qū)土地利用現(xiàn)狀

(一)重慶市渝中區(qū)主要道路及建筑物的數(shù)量變化

表1、2數(shù)據(jù)顯示，渝中區(qū)主要道路和建筑物數(shù)量在2002—2018年均逐年遞增。2002—2010年(前期)與2010—2018年(后期)相比，主要道路后期較前期數(shù)量變化的速率加快，后期主要道路面積凈增加0.04km2，道路總面積在建設(shè)用地中占比逐漸加大，而建筑物數(shù)量變化速率后期較前期顯著下降，前期建筑物面積凈增加0.86km2，渝中區(qū)部分老街區(qū)的拆除重建規(guī)劃造成建筑物數(shù)量減少，導(dǎo)致總體建筑物的數(shù)量變化速率降低。

圖3 2018年渝中區(qū)土地利用現(xiàn)狀

表1 渝中區(qū)各期主要道路統(tǒng)計(jì)

表2 渝中區(qū)各期建筑物統(tǒng)計(jì)

(注：城市道路面積率=建成區(qū)內(nèi)道路總面積/建成區(qū)的總面積×100%)

(二)重慶市渝中區(qū)的土地利用數(shù)量變化

分析表3數(shù)據(jù)可知，2002—2018年，渝中區(qū)始終以建設(shè)用地為土地利用的主導(dǎo)類型，其次是水域，最后是交通地帶。2002年研究區(qū)域居住地占主導(dǎo)，占地6km2，占區(qū)域面積的25.97%；總建設(shè)用地只有2.18km2，占區(qū)域面積的9.44%，其中未完成的建設(shè)用地面積0.11km2；水域面積5.29km2，占區(qū)域面積的22.90%；綠化地帶面積4.79km2，占區(qū)域面積的20.74%。在2002—2010年，除了其他建設(shè)用地的面積大幅增加，未完成建設(shè)用地面積有所增加外，其他土地類型面積都在減少。在2010—2018年，河漫灘和未完成建設(shè)用地面積均大幅度增加，分別增加了1.36km2和1.65km2，其中未完成建設(shè)用地面積是2002年的16倍，其他建設(shè)用地面積減少2.85km2，但仍比2002年要多0.18km2。近年來，重慶市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，渝中區(qū)作為主城九區(qū)之一吸引了很多外地人口，使居住地和建設(shè)用地(其他建設(shè)用地和未完成建設(shè)用地)的面積增加。

表3 渝中區(qū)各期土地利用類型統(tǒng)計(jì)

(三)重慶市渝中區(qū)的用地轉(zhuǎn)換分析

由于社會的發(fā)展和自然環(huán)境的演變，渝中區(qū)的土地利用類型不斷轉(zhuǎn)換，為此，利用ArcGIS將2002—2010年和2010—2018年兩個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析得出重慶渝中區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(見表4)。

從表4中可以看出，在2002—2010年(前期)和2010—2018年(后期)除了未完成建設(shè)用地的變化趨勢相似外，其余土地利用類型的變化趨勢相差很多。1.河漫灘轉(zhuǎn)換分析。總的來說，兩個(gè)時(shí)期河漫灘都主要來自水域。在前期，轉(zhuǎn)換量主要來自水域，其面積是0.41km2，占總轉(zhuǎn)換量的34.75%；在后期，河漫灘轉(zhuǎn)換成其他土地利用類型的面積變小，轉(zhuǎn)換量主要是本身，其面積是0.13km2，占總轉(zhuǎn)換量的54.17%。2.交通用地轉(zhuǎn)換分析。在前期，轉(zhuǎn)換量主要去向是居住地和其他建設(shè)用地，其面積是0.77km2和0.74km2，占總轉(zhuǎn)換量的25.25%和24.26%；在后期，交通用地和河漫灘類似，轉(zhuǎn)換量主要來自其本身，其面積是1.89km2，占總轉(zhuǎn)換量的64.95%。不難看出，交通設(shè)施的修建速度前期快于后期，后期道路的修建減少，因?yàn)橹饕妮p軌路線和道路已經(jīng)完成。3.居住地轉(zhuǎn)換分析。在前期，轉(zhuǎn)換量主要是本身和其他建設(shè)用地，其面積是1.56km2和1.53km2，占總轉(zhuǎn)換量的27.81%和27.27%；在后期，轉(zhuǎn)換量主要來自本身，其面積是3.68km2，占總轉(zhuǎn)換量的71.04%。可以看出，在2002—2010年城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市建筑大面積修建，而在2010—2018年建筑修建呈放緩趨勢。4.綠化地帶轉(zhuǎn)換分析。在前期，轉(zhuǎn)換量主要是居住地和其他建設(shè)用地，其面積是1.16km2和1.04km2，占總轉(zhuǎn)換量的26.73%和23.96%；在后期，轉(zhuǎn)換量主要是本身，其面積是1.75km2，占總轉(zhuǎn)換量的38.98%。前期城市化的推進(jìn)大量征用了城市的綠化地帶，而后期對綠化地帶進(jìn)行了一定的保護(hù)。5.其他建設(shè)用地轉(zhuǎn)換分析。在前期，轉(zhuǎn)換量主要是本身和居住地，其面積都是0.39km2，占總轉(zhuǎn)換量的22.41%；在后期，轉(zhuǎn)換量主要是綠化地帶和交通用地，其面積是1.16km2和0.89km2，分別占總轉(zhuǎn)換量的23.15%和17.76%。在2002—2010年，公園等休閑用地的建設(shè)導(dǎo)致居住地和綠化地帶較大面積地轉(zhuǎn)換成其他建設(shè)用地。6.水域轉(zhuǎn)換分析。渝中區(qū)的水域保護(hù)工作做得很充分，在兩個(gè)時(shí)期中，水域轉(zhuǎn)換量主要都是其本身，面積分別是0.68km2和3.41km2，分別占各自總轉(zhuǎn)換量的26.56%和66.34%。7.未完成建設(shè)用地轉(zhuǎn)換分析。前后期未完成建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)換成居住地，面積分別是0.02km2和0.08km2，分別占總轉(zhuǎn)換量的20.00%和53.33%。在后期，渝中區(qū)主要面臨老街區(qū)的重建問題，因此未完成建設(shè)用地大部分轉(zhuǎn)換成了居住地。

表4 不同時(shí)段渝中區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

(四)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

1.指標(biāo)選取

土地利用變化受人文因素和自然因素的雙重影響，而自然因素對土地利用變化的影響在短時(shí)間內(nèi)可忽略不計(jì)，因此人文因素是渝中區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。以《渝中區(qū)2000—2018年社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》作為基本數(shù)據(jù)來源，選取9個(gè)代表性指標(biāo)：X1表示常住人口(萬人)、X2表示GDP(萬元)、X3表示人均GDP(元)、X4表示第一產(chǎn)業(yè)(萬元)、X5表示第二產(chǎn)業(yè)(萬元)、X6表示第三產(chǎn)業(yè)(萬元)、X7表示固定資產(chǎn)投資(萬元)、X8表示地方財(cái)政收入(萬元)、X9表示城鎮(zhèn)居民最低生活保障人數(shù)(人)。

2.渝中區(qū)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子

主成分分析(PCA)也稱主分量分析，即將多個(gè)變量通過線性變換以選出較少個(gè)數(shù)的重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。該研究根據(jù)選取的9個(gè)指標(biāo)因子，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值和因子貢獻(xiàn)率。首先，進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和巴特萊特球試驗(yàn)對變量進(jìn)行檢驗(yàn)，得到了KMO取樣適切性量數(shù)為0.676，巴特利特球形度檢驗(yàn)近似卡方為429.056(自由度為36)，得到顯著性水平小于0.05，則該組數(shù)據(jù)通過顯著性檢驗(yàn)，適用于因子分析。其次，進(jìn)行下一步分析得到主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率(見表5)。

表5 主因子的特征值、貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率

主成分分析(PCA)是提取特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率大于或等于80%的主成分。從表5中可以看出，計(jì)算出9個(gè)主成分中的前兩個(gè)滿足要求，能夠代表重慶市渝中區(qū)土地利用變化的總體情況。因此，提取前2個(gè)主成分，得到主分量載荷距離矩陣，如表6所示。

表6 土地利用變化載荷矩陣

主成分內(nèi)容是否能被代表主要取決于載荷絕對值的大小，載荷絕對值與能否代表主成分內(nèi)容的程度成正比。從表6可以看出，在第一主成分上，X2、X3、X6、X7、X8、X9載荷絕對值相對其他主成分的載荷絕對值偏高，這說明第一主成分基本表達(dá)了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平和人民生活水平等相關(guān)信息。而在第二主成分上，X1即常住人口(萬人)的載荷絕對值明顯偏高，說明常住人口對土地利用變化的影響在第二成分上基本上表達(dá)了。

3.主要驅(qū)動(dòng)力分析

其一，城市人口快速增長。2002—2018年重慶市渝中區(qū)常駐人口數(shù)量由58.63萬人增長到65.90萬人。人口的增長導(dǎo)致了人口密度的增加，從而對渝中區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了較大的壓力。此外，城市化進(jìn)程的逐漸推進(jìn)導(dǎo)致建設(shè)用地和耕地兩者的矛盾日益凸顯，因此研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，人地矛盾進(jìn)一步加深。

其二，經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)中有升。2002—2018年，重慶市渝中區(qū)地區(qū)GDP、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、固定資產(chǎn)投資等均呈現(xiàn)上升趨勢。其中，GDP由2002年的1246107萬元到2018年的11037729萬元，人均GDP由21330元上漲到167816元。近年來，重慶市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，渝中區(qū)作為主城九區(qū)之一吸引了很多外地人口，導(dǎo)致居住地和建設(shè)用地(其他建設(shè)用地和未完成建設(shè)用地)所占面積增加。

其三，人民生活水平提高。2002—2018年，重慶市渝中區(qū)城鎮(zhèn)居民最低生活保障人數(shù)雖在數(shù)字上有所上升，但在比例上出現(xiàn)了相對下降的趨勢。人民生活水平的提高，會增加對于土地的開發(fā)和利用，對耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的需求日益顯著，同時(shí)也會導(dǎo)致消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級等一系列的改變和對土地利用程度的加深。

綜上所述，重慶市渝中區(qū)土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素的作用途徑與模式如圖4所示。

圖4 重慶市渝中區(qū)土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素的作用途徑與模式

四、結(jié)論

利用 RS 和 GIS 對研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行分析，在一段時(shí)間內(nèi)對土地利用變化的情況進(jìn)行監(jiān)測和分析， 能夠及時(shí)反映土地類型的變化狀況。本文主要從研究區(qū)土地利用類型的時(shí)空變化進(jìn)行定量分析，深入反映城市土地利用的演變過程，從而為研究區(qū)土地資源的合理利用和規(guī)劃調(diào)整提供一定的科學(xué)依據(jù)和借鑒。研究區(qū)土地的主要轉(zhuǎn)化方向是綠化地帶向城市建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。利用主成分分析法得出，土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力是研究區(qū)的人口不斷增長、經(jīng)濟(jì)水平增長以及人民生活水平提高。其中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化進(jìn)程不斷加快，導(dǎo)致政策體系的變化，從而影響到土地利用的變化。人口不斷增長，所需的居住面積迅速增加，導(dǎo)致建設(shè)用地面積越來越大，未完成建設(shè)用地急劇膨脹。因此，適當(dāng)控制人口增長，提高人口素質(zhì)，加強(qiáng)對建設(shè)用地的管理，合理的土地利用布局在一定程度上可以避免破壞生態(tài)環(huán)境、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)格管理土地利用，發(fā)揮土地利用的宏觀和微觀調(diào)控作用以實(shí)現(xiàn)土地利用與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，重慶市渝中區(qū)今后幾年土地利用的演變速度也會加快，因此遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在監(jiān)測和研究分析土地利用動(dòng)態(tài)變化方面將發(fā)揮出更大的作用。