肖玖军，邢　丹，谢元贵，廖小锋，周　焱

(1贵州省山地资源研究所，贵州　贵阳　550001；2贵州省辣椒研究所，贵州　贵阳　550009；3贵州大学　土地规划与信息技术研究所，贵州　贵阳　550025；4贵州大学 农学院，贵州　贵阳　550025)



喀斯特地区城市化进程中土地利用/覆盖时空变化研究
——以贵阳市为例*

肖玖军1，邢丹2，谢元贵1，廖小锋1，周焱3，4▲

(1贵州省山地资源研究所，贵州贵阳550001；2贵州省辣椒研究所，贵州贵阳550009；3贵州大学土地规划与信息技术研究所，贵州贵阳550025；4贵州大学 农学院，贵州贵阳550025)

摘要：喀斯特地区是我国生态脆弱区之一。近年来，随着西部大开发的不断深入，经济社会快速发展，城市化速度加快，研究其土地利用 / 覆盖时空变化，对该区域土地管理与城市规划具有重要意义。在RS和GIS技术的支持下，应用1986、1995和2000年三期TM影像以及2006年CBERS-01影像，得到贵阳市四期土地利用数据。从土地利用 / 覆盖变化速度和空间变化两方面对贵阳市城市化进程中的时空变化进行研究。结果表明：贵阳市土地利用 / 覆盖变化剧烈，主要有持续增加型，先增后减型，先减后增型。在整个研究期内，建设用地持续增加，各土地利用 / 覆盖类型重心变化呈现出此消彼长的态势。除主城区建设用地面积有较大增加外，各郊区城镇建设亦得到较大发展。城区与郊区间的土地利用 / 覆盖类型变化存在差异。

关键词：时空变化，土地利用 / 覆盖，城市化，喀斯特，贵阳市

进入20世纪90年代以来，全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用 / 覆盖变化的研究。“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)和“全球环境变化人文计划”(IHDP)于1995年共同发起了“土地利用 / 覆盖变化”(LUCC)研究计划，并于1995年、1999年发表了具有重要意义的纲领性文件：“土地利用 / 覆盖变化科学研究计划”和“土地利用 / 覆盖变化执行战略”[1-2]。时空结构是经济社会客体在空间中相互作用及所形成的空间聚集程度和聚集形态，是第二次世界大战以后古典区位论走向综合化的产物[3]。土地利用 / 覆盖时空结构是指各种土地利用 / 覆盖类型在空间的分布状况，也包括数量、等级、内部结构等属性的时空结构分异性。可通过模拟土地利用 / 覆盖变化历史，从而预测土地利用 / 覆盖时空结构在各种因子的制约下有规律地转化和迁移，即所谓土地利用 / 覆盖时空结构演变[4]。目前土地利用 / 覆盖研究的重点区域是“热点地区”、“脆弱区”、“典型地区”。“热点地区”如京津唐地区[5-6]、长江三角洲[7-8]、珠江三角洲[9]等区域。“脆弱区”如喀斯特地区[10]、青藏高原、黄土地区[11]、绿洲地区[12]、干旱地区以及农林 / 农牧交错区[13]等。“典型地区”如城市边缘地区、经济发达地区以及沿海地区[14]。贵州省位于西南喀斯特地区的腹地，是全国唯一没有平原支撑的省份，生态环境脆弱，生态承载力较小，同时，人口众多，人均耕地少，经济社会落后，是我国贫困问题最突出的省份之一[15]。本文以贵州省会贵阳市作为研究对象，从土地利用 / 覆盖变化速度、区域变化和空间变化等方面，研究其城市化进程中土地利用 / 覆盖时空变化特征，为进一步研究土地利用变化的调控机制奠定基础，对喀斯特地区城市发展中土地资源供需矛盾处理、政府决策等具有一定科学价值和指导意义。

1研究区概况

贵阳市地处106°07′～107°17′E，26°11′～26°55′N之间，东南与黔南州的瓮安、龙里、惠水、长顺4县接壤，西靠安顺市的平坝县和毕节市的织金县，北邻毕节市的黔西、金沙两县和遵义市的遵义县。总地势西南高、东北低，苗岭横延市境，岗阜起伏，剥蚀丘陵与盆地、谷地、洼地相间，中部层状地貌明显，峰丛与碟状洼地、漏斗、伏流、溶洞发育，属于以山地、丘陵为主的丘原盆地地区。地处黔中山原丘陵中部，长江与珠江分水岭地带。气候属于亚热带湿润温和型气候，冬无严寒、夏无酷暑，气候宜人。

贵阳市是贵州省的经济、政治和文化中心，自国家实施西部大开发以来，贵阳市经济社会快速发展，全市生产总值由1999年的237.59亿元增长到2014年的2 497.27亿元，15年年均增长达16.98 %，略高于贵州省平均水平(16.75 %)和全国平均水平(14.63 %)；城市化水平和工业化程度不断提高，土地利用 / 覆盖发生着剧烈变化。

2研究方法

2.1数据来源与处理

按照国家土地利用类型标准结合土地资源的覆被特征、经营特点、利用方式和研究区土地利用实际情况，将贵阳市的土地利用类型划分为耕地(细分为水田和旱地)、林地(细分为针叶林和阔叶林)、草地、建设用地和水域5大类。采用1986年、1995年和2000年的Landsat TM影像(来源于地球系统科学数据共享网西南山地分中心，轨道号为127 / 041和127 / 042)；2006年的CBERS-01影像(来源于中国资源卫星应用中心，轨道号为007 / 070和007 / 071)作为数据源，以贵阳市1∶5万的地形图为基准，利用Erdas Imagine软件对影像进行影像镶嵌、几何精度校正、影像配准、边界裁剪、遥感解译(Kappa系数分别为0.88、0.85、0.89和0.91)、分类后处理(聚类统计→去除分析→分类重编码→栅矢转换)。并利用ARC / INFO 提取土地利用 / 覆盖数据，结果见表1。

2.2土地利用 / 覆盖时空分析模型

2.2.1土地利用 / 覆盖变化速度

土地资源数量变化可用土地利用动态度来表示，包括单一动态度和综合动态度。

单一动态度是指某一地区在某一时段内某种土地利用 / 覆盖类型的数量变化情况，其表达式为：

(1)

式中：K为T时段内某种土地利用 / 覆盖类型单一动态度；Ua和Ub分别为研究期初和期末某种土地利用 / 覆盖类型的数量；T为研究时段长度，当T设为年时，K为某种土地利用 / 覆盖类型的年变化率。

综合动态度是指某一地区在某一时段内综合的土地利用 / 覆盖类型的数量变化情况，其表达式为：

(2)

式中：LC为T时段内某种土地利用 / 覆盖类型综合动态度；LUi为监测起始时刻第i类土地利用 / 覆盖类型的面积；△LUi-j为监测时段第i类土地利用 / 覆盖类型转为第j类土地利用 / 覆盖类型面积的绝对值；T为监测时段长度[16]。

动态度表示研究期间各类型的变化(增加或减少)幅度或快慢，是一个相对值，可以表示该类型相对稳定程度，动态度越小，表明该类越稳定。

2.2.2土地利用 / 覆盖空间变化

(1)土地利用 / 覆盖区域变化

土地利用 / 覆盖变化存在显著的地区差异，可以用各区域某种土地利用 / 覆盖类型相对变化率来反映区域之间的差异，即：

(3)

式中：Rj1为第j1区域相对全研究区的某种土地利用 /覆盖类型的相对变化率；Ca和Cb分别为全区在研究期初和期末的某种土地利用 / 覆盖类型的总面积；如果Rj1>1，表示第j1区域相对于全区的某种土地利用 / 覆盖类型变化大。

(2)土地利用 / 覆盖空间变化

土地利用 / 覆盖类型的空间变化，可以通过土地利用 / 覆盖类型分布重心的变化来反映。通过比较一个地区研究期末和期初的各种土地利用 / 覆盖类型的分布重心，可以得到研究时段内土地利用 / 覆盖空间变化的信息。土地利用 / 覆盖类型的分布重心可以根据一般的中心公式求得，第t时刻某种土地利用 / 覆盖类型分布重心的坐标计算公式为：

(4)式中：Xt和Yt分别表示第t年某种土地资源分布重心的坐标；Ct，i表示第i个小区该种土地资源的面积；Xi和Yi分别表示第i个小区的几何中心的坐标。

3结果与分析

3.11986—1995年

1986年，贵阳市的优势土地利用 / 覆盖类型是耕地和林地，合占研究区的91.782 1 %，草地、建设用地、水域分别占研究区总面积的4.864 5 %、2.376 3 %、0.977 1 %(表1)。9年间，发生增加的类型有旱地、针叶林、建设用地和水域，其中，增幅最大的是建设用地，减幅最大的是草地。土地利用 / 覆盖综合动态度为6.506 3 %(表2)。各地类的变化过程和速率有所不同(表3和图1)，具体为：1)水田由16.428 2 %降为14.611 1 %，重心向东南方向移动3.039 9km，花溪区、南明区和云岩区的水田变化较大，城区>郊区。2)旱地由33.618 1 %增为35.593 8 %，重心向西北方向移动3.548 4km，白云区、乌当区和小河区的旱地变化较大，郊区>城区。3)针叶林由17.662 3 %增为22.904 2 %，重心向西南方向移动2.109 8 km，白云区、花溪区、乌当区和小河区的针叶林变化高于全贵阳市的针叶林变化，郊区>城区。4)阔叶林由24.073 5 %降为19.897 3 %，重心向东南方向移动4.215 9 km，花溪区的阔叶林变化较大，郊区>城区。5)草地由4.864 5 %降为2.637 0 %，重心向西北方向移动3.033 7 km，白云区、南明区、乌当区和云岩区的草地变化较大，城区>郊区。6)建设用地由2.376 3 %增为3.246 5 %，重心向北方移动0.857 0 km，白云区、花溪区和乌当区的建设用地变化较大，郊区>城区。7)水域由0.977 1 %增为1.110 2 %，重心向西南方向移动1.090 0 km，乌当区、小河区和云岩区的水域变化较大，郊区>城区。

表2　贵阳市1986—2006年土地利用 / 覆盖动态度

3.21995—2000年

1995年，贵阳市的优势土地利用 / 覆盖类型是耕地和林地，合占研究区的93.006 3 %，草地、建设用地、水域分别占研究区总面积的2.637 0 %、3.246 5 %、1.110 2 %。5年间，发生增加的类型有水田、旱地、草地和建设用地，其中增幅最大的是草地，减幅最大的是针叶林；土地利用 / 覆盖综合动态度为6.574 5 %，各地类情况具体为：1)水田结构由14.611 1 %增为17.200 5 %，重心向西方移动0.998 7 km，南明区、乌当区和小河区的水田变化较大，城区>郊区。2)旱地由35.593 8 %增为36.127 0 %，重心向西南方向移动7.996 0 km，花溪区、南明区、小河区和云岩区的旱地变化较大，城区>郊区。3)针叶林结构由17.662 3 %降为22.904 2 %，重心向东北方向移动9.021 3 km，白云区和乌当区的针叶林变化较大，郊区>城区。4)阔叶林结构由19.897 3 %降为15.685 5 %，重心向东北方向移动10.456 8 km，白云区、乌当区和云岩区的阔叶林变化较大，郊区>城区。5)草地由2.637 0 %增为7.456 4 %，重心向东北方向移动4.289 1 km，白云区和花溪区的草地变化较大，郊区>城区。6)建设用地由3.246 5 %增为5.701 0 %，重心向东南方向移动1.685 7 km，花溪区和乌当区的建设用地变化较大，郊区>城区。7)水域由1.110 2 %降为0.925 7 %，重心向北方移动2.518 2 km，白云区、乌当区和小河区的水域变化较大，郊区>城区。

表3　贵阳市1986—2006年土地利用 / 覆盖区域变化

注：图中坐标系为北京54坐标，投影带类型为6°带，投影带序号为18。

图1贵阳市各土地利用 / 覆盖类型重心变化图(单位：m)

Fig.1The center of gravity change of each land use and cover type of Guiyang(Unit：m)

3.32000—2006年

2000年，贵阳市的优势土地利用 / 覆盖类型是耕地和林地，合占研究区的85.182 7 %，草地、建设用地、水域分别占研究区总面积的5.465 3 %、8.335 2 %、1.016 7 %。5年间，发生增加的类型有旱地、针叶林、建设用地和水域，其中增幅最大的是针叶林，减幅最大的是水田。土地利用 / 覆盖综合动态度为6.354 9 %，各地类情况具体为：1)水田由17.200 5降为8.036 9 %，重心向西北方向移动4.401 5 km，白云区和乌当区的水田变化较大，郊区>城区。2)旱地由36.127 0 %增为41.292 3 %，重心向东北方向移动3.727 4 km，白云区和乌当区的旱地变化较大，郊区>城区。3)针叶林由16.903 9 %增为24.461 5 %，重心向西南方向移动5.655 2 km，花溪区、南明区、小河区和云岩区的针叶林变化较大，城区>郊区。4)阔叶林由15.685 5 %降为11.392 0 %，重心向西南方向移动5.757 7 km，花溪区、南明区、小河区和云岩区的阔叶林变化较大，城区>郊区。5)草地由7.456 4 %降为5.465 3 %，重心向东南方向移动1.848 8 km，乌当区和小河区的草地变化较大，郊区>城区。6)建设用地由5.701 0 %增为8.335 2 %，重心向西北方向移动2.062 8 km，白云区和乌当区的建设用地变化较大，郊区>城区。7)水域由0.925 7 %增为1.016 7 %，重心向东南方向移动3.637 6 km，白云区、花溪区、南明区和云岩区的建设用地变化较大，城区>郊区。

4结果与讨论

利用3S技术获得贵阳市20年来3个时间段(1986—1995年，1995—2000年，2000—2006年)土地利用 / 覆盖类型面积，从变化的幅度、速度、程度、重心变化及空间分布等进行时空演变分析，结果表明：

1)研究期间贵阳市土地利用 / 覆盖发生了剧烈波动，不同时段变化情况各不相同，主要有持续增加型，先增后减型，先减后增型。旱地、针叶林、建设用地和水域在1986—1995年间发生了增加，增幅最大的是建设用地，其次是针叶林，旱地最小。而在1995—2000年的5年间一些类型发生了不同程度的增加，增加的类型有水田、旱地、草地和建设用地。在2000—2006年间增加的地类为旱地、针叶林、建设用地和水域。3个时段中建设用地持续增加，从1986年的5 742.319 6 hm2增加到2006年的20 142.164 7 hm2，净增14 399.845 1 hm2。

2)3个时段的土地利用 / 覆盖变化强度差异较大，这种差异表现在单一动态度、综合动态度、重心变化等指标。1986—1995年，研究区的综合动态度为6.506 3 %，其中建设用地单一动态度最大，为4.068 9 %，草地单一动态度最小，为-5.087 9 %；阔叶林的重心转移最大，达4.215 9 km，建设用地的重心转移最小，仅0.857 0 km。1995—2000年，研究区的综合动态度为6.574 5 %，草地单一动态度最大，为36.552 6 %，其次建设用地，为15.121 3 %，针叶林单一动态度最小，为-5.239 5 %；阔叶林的重心转移最大，达10.456 8 km，其次针叶林，为9.021 3 km，水田的重心转移最小，仅0.998 7 km；2000—2006年，研究区的综合动态度为6.354 9 %，建设用地单一动态度最大，为7.700 9 %，水田单一动态度最小，为-8.879 1 %；阔叶林的重心转移最大，达5.757 7 km，其次针叶林，为5.655 2 km，草地的重心转移最小，仅1.848 8 km。

3)各土地利用 / 覆盖类型重心变化呈现出此消彼长的态势，突出表现在耕地、林地和建设用地3个类型变化上，耕地和建设用地的重心变化为北—南—北，而林地的重心变化则与之相反，为南—北—南。

4)不同土地利用 / 覆盖类型变化在区域间存在差异，按照城区和郊区分，水田变化趋势为快-快-慢型，即1986—1995年，城区水田变化速度高于郊区水田变化速度；1995—2000年，城区水田变化高于郊区水田变化；2000—2006年，城区水田变化低于于郊区水田变化。而针叶林、阔叶林和水域变化则与水田变化相反，为慢-慢-快型；旱地变化趋势为慢-快-慢型；草地变化为快-慢-慢型；建设用地变化为慢-慢-慢型。

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收稿日期：2016-01-09；修回日期：2016-02-29

*基金项目：贵州省国土资源厅2014年财政专项资金项目；贵州省科学技术基金(黔科合J字[2007]2154号)。

作者简介：肖玖军(1983-)，男，硕士，助理研究员。研究方向：土地资源与水土保持。

通讯作者：▲周焱(1963-)，女，博士，教授。研究方向：土地资源及利用。

中图分类号：F301.24

文献标识码：A

文章编号：1003-6563(2016)03-0046-07

Temporal and spatial variation of land use and cover in the course of urbanization in karst area*——with example of Guiyang City

XIAO Jiujun1，XING Dan2，XIE Yuangui1，LIAO Xiaofeng1，ZHOU Yan3，4▲

(1InstituteofMountainResourcesofGuizhouprovince，Guiyang550001，China；2InstituteofPepperofGuizhouprovince，Guiyang550009，China；3InstituteofLandPlanandInformationTechnology，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China；4AgriculturalCollege，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

Abstract：Karst area is one of ecological fragile regions，in which economy and society are relatively backward.In recent years，with the deepening of the western China development，rapid economic and social development，and accelerating the pace of urbanization，studying the temporal and spatial variation of land use and cover is of great significance to the land management and urban planning in Karst area.Based on RS & GIS，the land use data of Guiyang were obtained from TM images of 1986，1995 and 2000 years，as well as CBERS-01 of 2006 year.Temporal and spatial variation in the course of urbanization in Guiyang was studied from two aspects，which were changing speed and spatial variation of land use and cover.The results showed that land use and cover change violently in study ar-ea with continuous increasing.Construction land was increased continuously during the whole study period.The gravity center shift of land use and cover type showed the trade-off trend.The urban construction developed rapidly in main urban area.LUCC are different between urban area and suburb.

Keywords：temporal and spatial variation，land use and cover，urbanization，karst，Guiyang