基于GIS的土地利用變化分析及預測—以漳州市為例摘要土地利用情況調查分析的主要負責機構是國土資源部，是一項基本工作，同時又發揮重要的作用。它是各種有關數據的重要來源，另外也是高效應用與發展當地土地的有效基礎。作為這項關鍵工作的前沿課題，土地利用動態變革研究發揮越來越重要的作用。本文選擇福建省漳州市土地利用現狀作為研究對象，本著長久可持續發展的基礎，利用地理信息技術（GIS技術）和MAPGIS軟件作為數據工具，在此基礎上建設土地利用數據庫。通過查閱各種相關文獻和資料，最后選擇該地區在2009-2017年的土地利用數據當作研究工具，在此基礎上繪制每年度的土地分類區域圖表，并應用馬爾可夫模型等數學模型對土地進行多方位的研究和分析。利用漳州市的變化情況。預測未來幾年該市的土地利用趨勢。關鍵字：GIS；土地利用；動態變化；馬爾科夫；漳州市AnalysisandpredictionoflandusechangeasedonGIS-acasestudyofZhangzhouAbstractTheinvestigationoflandusestatusisthebasicworkinthemanagementofhomelandresources,itisnotonlythesourceoflandusedataalloverthecountry,butalsotheeffectivebasisfortherationalutilizationanddevelopmentoflocalland,andasthefrontiersubjectofthiskeywork,theimportanceoflandusedynamicchangeresearchisbecomingmoreandmoresignificant.Aimingatregionalsustainabledevelopmentandsustainablelanduse,thispaperselectsZhangzhouofFujianProvinceastheresearchobject,andwiththesupportofGeographicInformationtechnology(GISTechnology)platform,establishesZhangzhoulandusedatabase(includinglanduseProjectfrom2009to2017)withthehelpofMAPGISsoftware.Thispapergeneratesthechartoflandclassificationareaineachyear,takesthisasthecoredata,usestheMarkovmodelandothermathematicalmodels,carriesonthemulti-facetedresearchanalysistothelandusechangesituationofZhangzhou,andpredictsthelandusechangetrendofthecityinthenextfewyears.Keywords:GIS;Landuse;Dynamicchanges;Markov;Zhangzhou目錄TOC\o"1-3"\h\u1前言 前言1.1研究背景全球經濟化趨勢越來越明顯，對于中國來講，有很多機遇同時也有很多挑戰，前路漫漫，需要不斷完善。近20年以來，國內城市化建設速度變快，各國政府采取各種措施加快地方城鎮化和工業化進程，特別是在華東發達地區和沿海大城市。在這個過程中，經濟的快速發展，城市建設的快速發展，土地利用模式自然會導致土地利用的巨大變化,例如耕地的損失，園地、林地、草地轉為城市建設用地,以及自然景觀被商業、工業和住宅用地所侵占。在這樣一個動態變化的過程中，建設用的地需求與耕地保護之間的矛盾日益尖銳，如何有效化解二者之間的矛盾，成為科學協調城市化和可持續發展的關鍵。對土地利用變化過程和發展趨勢進行系統分析和研究，特別是在一個地區，不僅可以詳細解釋土地利用變化與生態環境之間的關系，而且可以科學地確定土地利用變化的規律和原因。這對解決人口、資源和環境問題具有重要意義。因此，為了更好地研究土地利用的規律性和它在國內的發展趨勢，初步探討過程中把局部地區發展當作目標和研究對象。[1]1.2研究現狀及意義從上世紀90年代以來，國內外土地利用變化研究項目與日俱增。雖然很多學者在這方面有普遍性分析和案例研究,但更多的是基于土地驅動力的角度,深入分析區域土地,在這篇文章中,在先前的研究的基礎上,我將放棄驅動力方面的內容,重點關注綜合利用土地和全面深入研究情況的變化,與此同時選擇漳州這個社會經濟發展不活躍但又不貧困的地區作為研究對象，分析該地區的土地利用變化的規律和原因，并深入分析土地利用發展的相互作用和生態環境之間的關系。得出具體過程和制定補救措施，以更深入地了解人與自然的關系。在中國城市化進程加速的背景下，對研究成果進行詳細分析，針對土地高效利用與土地保護有重要的意義。REF_Ref1990\r\h[2]2研究區概況2.1概況漳州屬于福建省區的一個市區，在海峽西岸。而且該城市有中國“生態城市”之美譽，環境優美，空氣宜人，整體上競爭力強，位于福建省前排，而且還是的國家閩南文化生態保護區。[3]全市戶籍人口共541.14萬人，人口自然增長率為12.77％。在2017年，為國內生產總值提供3563.48億元，近幾年一直呈現出增長趨勢，接連4年位于福建省第一位，其中財政收入有318.08億元。[4]2.2地理位置漳州處在東經117°-118°，北緯23.8°-25°。南北長度達到187公里，東西寬度達到127公里，總面積有12607平方公里。該市區的海洋面積略多，零米以上的潮灘面積達到285.5平方公里，水產養殖面積達到117.2平方公里。[5]2.3地形地貌漳州市的地形特征是西北部多山脈和東南部多海域。地勢從西北向東南傾斜，其次是中山，低山，丘陵，梯田和平原。西北部的博平嶺山脈和北部的戴云山脈構成了西北部的山地。這些山峰海拔超過800米。總的來說，山區規模大，河流嚴重分裂，山勢陡峭，總面積占全市總面積的5％。低山部分位于中山與丘陵的過渡帶，范圍較為狹小，海拔基本處于500~800m之間,沿海地區多為古島嶼上升而成的孤山,山體規模不大，但由于受到流水的嚴重切割，地形較為破碎，山勢仍顯險峻，總面積約占全市的20%;2.4氣候特征漳州市是典型的亞熱帶海洋性季風氣候，整體上非常溫暖，空氣較濕潤，夏天沒有炎熱感少，冬天暖陽照耀，雨天也多。每年降雨量易變化，地理分布不均勻。受季風、旱澇災害影響，臺風、暴雨和低溫暴雨等災害的發生為更頻繁。[7]3數據來源收集漳州市各種年度統計數據，國民經濟與社會發展公告等相關的數據，同時參考2009年第二次土地資源調查結論等。在GIS軟件ARCGIS10.2數據工具的基礎上，進一步針對2009年至2017年漳州市土地利用情況進行分析，了解到發展變化規律，還有其中存在的主要問題，有針對性的提出相應的對策，推動土地長久的可持續發展。4研究方法4.1單項土地類型利用類型動態變化度參考區域變化有關數據，能夠利用單一土地類型動態變化程度的表達式（4-1），進而計算出相應的年變化率，具體過程如下：（4-1）在該公式中：——研究期間過程中某土地利用類型動態度——研究期初和期末某土地利用類型的數量——研究期初和期末某土地利用類型的數量——研究期間總時長4.2土地利用偏離度分析土地利用偏離度指的是人類在應用土地資源過程中產生的偏離自然景觀的程度。具體公式是:（4-2）4.3漳州市地利用變化的預測分析本文主要利用馬爾可夫模型進行探討研究，了解到漳州市土地面積改變現狀。具體來講，主要分成三個步驟進行：(1)利用馬爾可夫模型有關理論和知識建設概率轉移矩陣。(2)利用漳州不同類型土地利用面積原始情況，進而計算出向量值;(3)計算未來預期年份的土地面積值。（4-3）P——概率矩陣P（0）——初始向量矩陣。根據漳州市每種類型的土地初始面積值，進而能夠預測出未來年份的土地利用面積值，在這個數值基礎上可以得到轉化率值。此模型的可行性相對來說比較高，根據2012年預計數據值和實際值相對比，了解到波動范圍與實際值有一定的差異，大約是1％。5結果與分析5.1漳州市土地利用結構分析把漳州市2009年第二次土地調查得到的結論和2017年土地利用變化調查結果相結合，在ARCGIS10.2軟件上進行處理，整合。通過對二次土地類型整合的土地利用類型面積和比例的統計匯總，得出了2009-2017年漳州二級土地利用結構圖表，通過研究此圖表中各種數據，推動相關工作的開展。表5-1漳州市2009-2017年土地利用變化表（%，公頃）年份耕地園地林地居民點及交通運輸水域及水利未利用地草地工礦用地用地設施用地2009面積201670.58247090.81597566.178447.1125084.1382848.9126373.4528889.02百分比15.6619.1846.46.091.956.432.052.242010面積200967.39244523.41595901.4681243.1825897.3282515.2726491.4530422.05百分比15.618.9846.276.312.016.412.062.362011面積201045.47242508.86595099.683339.526917.7782280.9626405.6330363.74百分比15.6118.8346.26.472.096.392.052.362012面積200793.36240472.31594745.885475.0527931.2881962.4226235.230346.11百分比15.5918.6746.186.632.176.362.042.362013面積200668.07238503.74594316.7788066.4528580.4581550.5726169.6530105.83百分比15.5818.5246.146.842.226.332.032.342014面積200198.8237547.7594121.3189695.5229341.7681278.8926065.4329712.12百分比15.5418.4446.136.972.286.312.022.312015面積200125.73236380.29593973.6391561.3629711.1381155.5425995.3129850.39百分比15.5318.3446.097.12.36.32.022.322016面積199678.74234777.72593641.3293121.0930699.0180891.2725879.1730065.06百分比15.4918.2246.067.232.386.282.012.332017面積199591.41233887.96593133.2994013.3431985.8680714.2125818.3229613.88百分比15.4918.1546.027.32.486.2622.3由表5-1可知，截至2017年，漳州市土地總面積達到1288758公頃，大多都是林地，從面積大小來看，林地、園地、耕地和交通用地等是從大逐漸變小的。表5-2漳州市單一土地利用類型年變化率 （%）耕地園地林地居民點及交通運輸水域及水利未利用地草地工礦用地用地設施用地土地利用-0.115-0.594-0.0822.2053.057-0.286-0.2340.279動態變化度負數表示土地利用類型減少，正數表示土地利用類型增加。從表中可以看出，在研究期間，漳州市耕地、園地、林地、水域及水利設施用地、未利用地這幾種類型逐漸變少，但是別的類型逐漸遞增。下面結合表5-2中數據，針對每種類型詳細探究。5.2土地面積變化分析1、耕地的變化:耕地面積這幾年呈現出下降態勢圖2-1漳州市面積變化趨勢圖2009年和2017年漳州市耕地面積分別是201670.58公頃和199591.41公頃。相比較這兩個數據，到2017年，漳州市耕地面積減少2,759.17公頃。整體上該地區耕地面積變化趨勢如圖所示。本文進行研究分析的過程中，耕地動態變化率之間存在顯著的差異。其中，2009-2010年耕地面積下降最快，但是2010-2011年稍有提升，2011-2017年又一次減少，不過此次減少幅度小一些。總的來說，這是一個陡降、平升、慢降的過程。從耕地類型上看，漳州市的耕地主要以水田為主,水澆地及旱地較少。在變化過程中，雖然耕地總面積呈單向連續下降的趨勢，但三種類型的耕地卻呈現出二減一增的變化趨勢。2009年稻田面積為145036.11公頃，占全市總面積的11.26％，2017年達到142219.23公頃，占全市總面積的11.04％。2009年和2017年，水澆地面積分別是0.9347.98公頃和11604.45公頃，經過這幾年的發展，總共減少了743.53公頃。2009年和2017年，旱地面積分別是23030.17公頃和25296.23公頃，分別占據總面積的1.79%和1.96％，經過這幾年的發展，總共增加2,266.06公頃，增長0.17％。從上述數據可以看出，該市水田水澆地面積減少量和旱地的增長量做對比，前者減少更多，所以整體上看，耕地面積值是下降的。另外，該地區越來越多人口進入，經濟發展迅速，而且人們的生活水平提升，住宅建設用地需求激增，大量的可耕地在南部地區是易開發的，因此建設占用的面積導致減少;第二，有一部分耕地用于交通運輸用地。隨著經濟的發展和貿易的擴大，交通變得尤為重要，這導致了耕地的相對減少。2、園地的變化：園地面積一直呈迅速下降趨勢圖2-2漳州市園地面積變化趨勢圖2009年和2017年，漳州市園地面積分別是247090.81公頃和233887.96公頃，經過這幾年的發展，總共減少了13202.85公頃。該市有三種類型的園地，果園，茶園和其他園地。2009年和2017年該市的果園面積分別是230585.9公頃和218025.89公頃，占據總面積比例分別是17.90%和16.91％，減少了0.99％。2009年和2017年，茶園面積分別是10627.63公頃和10444.55公頃，占據總面積的比例分別是0.83%和0.81％，減少了0.02％。另外，2009年和2017年，其他園地面積分別是5776.28公頃和5541.52公頃，占據總面積的比例分別是0.46%和0.42％，減少了0.04％。綜上所述，整體上看這幾種園地有不同程度的減少，其中果園面積減少最多，故該市園地面積一直呈一個下降趨勢。園地面積減少的原因與耕地類似，基本轉為了居民點及工礦用地或是交通運輸用地。3、林地的變化：林地面積先急劇下降后緩慢下降圖2-3漳州市林地面積變化趨勢圖2009年和2017年，該地區的林地面積分別是59756.61公頃和593133.29公頃，占據總面積的比例分別是46.40%和46.02％，經過這幾年的發展，面積減少了432.81公頃。詳細來看，該地區的林地種類主要包括有林地、灌木林和其他種類，例如長勢茂密和荒涼的林地等。林地面積占據較大的比重。通過了解有關統計數據結果，了解到在2017年有林地面積占據總面積的比例38.48％，比重最大，然后是其他林地，比例是6.60％，最后是灌木林，比例只有0.94％。從圖中曲線趨勢我們能夠了解到，漳州市的森林面積普遍下降，下降的原因是該市許多村莊都有嚴重的采石事件。采礦活動破壞了山地森林地區，造成林地面積不斷減少。4、居民點及工礦用地的變化：整體上看呈現出平穩增加的態勢圖2-4漳州市居民點及工礦用地面積變化趨勢圖因為該地區人口增多、開放程度擴大、經濟增長等因素，導致住宅、工業和礦業用地大幅增長。城市化速度非常快，建筑工地面積廣闊，整體上呈現持續增長的態勢。2009年和2017年，全市居民點和工礦用地面積分別是78447.11公頃和94013.34公頃，占據總面積的比例分別是6.09%和7.29％，經過幾年的發展，增加了1.20%。具體趨勢如圖所示，出現這種情況的主要原因在于漳州正處于高速發展時期,大量的耕地、園地林地征用為建設用地、行政村數量大大增加,建制鎮,農村居民區和采礦用地面積因此大大增加,并且部分村莊被征收為國有土地，用于建造房屋,城市土地面積也增加;此外,漳州棚戶區改造、舊村莊改造,城市鄉村建設等重點工作進行了一個接一個,舊城被拆除,建造新建筑,城鄉結合部許多村落被房地產開發商建造大型住宅社區,城市土地范圍繼續擴大,面積不斷變大，而且居民點和工礦用地面積不斷增加。5、交通運輸用地的變化：主要以緩慢速度穩步持續增加的趨勢圖2-5漳州市交通運輸用地面積變化趨勢圖2009年和2017年，漳州市交通運輸用地面積分別是25084.13公頃和31985.86公頃，占據總面積的比例分別是1.95%和2.48％，經過幾年的發展，增加了0.53%。另外，漳州的交通種類主要有鐵路，高速公路和農村道路的三種二級土地。根據2017年的數據，農村道路占該市總面積的1.15％，其次是公路，占1.07%，鐵路占0.11%。值得一提的是，9年來，全市公路用地面積增加6784.46公頃，鐵路用地增加185.09公頃，農村道路用地減少244.91公頃。交通運輸用地的分布與當地資源，地理環境和社會經濟發展密切相關。漳州市地處平原，道路土地與郊區主干道相融合，少量鐵路分布，西部和北部山區主要是鄉村道路。雖然農村道路為農民的生產生活提供了便利，但漳州市交通用地所占比重最大，也說明該市的西北交通欠發達。然而，近年來，這個城市的農村道路面積一直呈下降趨勢。這是因為郊區幾個集中的村莊被開發商統一征用，建設了大規模的住宅小區。土地的性質已經轉變為國有土地，原有村莊的大量農村道路已經轉變為城市土地，這在一定程度上增加了公路用地面積。6、水域及水利設施用地的變化:整體上看呈現出不斷下降的態勢圖2-6漳州市水利及水利設施用地面積變化趨勢圖2009年和2017年，全市水域及水利設施用地總面積分別是82848.91公頃和80714.21公頃，經過這幾年的發展，有一定的下降，整體上還是較豐富的，減少的主要原因是一些河段一年四季都干燥，如果水位偏低，那么可能沒有負責人進行管控，村民便會應用這些土地種一些植物等。漳州水域及水利設施用地通常情況下，能夠劃分成6個大的種類，包括河流水平面、水庫水平面、內陸灘涂、沿海灘涂、溝渠和水工建筑用地。7、未利用地的變化：整體上看表現出不斷下降的態勢圖2-7漳州市未利用地面積變化趨勢圖通過分析該圖我們能夠了解到，在研究階段中，未利用土地面積在2009-2010年有所增加，但在接下來的幾年有所減少。漳州未利用土地主要由沙地和裸地組成。到2017年，沙地和裸地面積分別擁有460.76公頃和25357.56公頃，占據總面積比例分別是0.04%和1.97%，整體上還是比較少的。沙地和裸地主要分布在城市的西南部和東南部的低山丘陵區和溝壑區。它們資源豐富，能為土地利用規劃、耕地占用補償平衡和農業生產發展提供廣闊的空間。經過2010年至2017年的開發利用，其中一部分未利用土地被改造為人造林、果園等農業用地，另一部分被改造為住宅區和工礦用地。8、草地的變化：草地面積變化波動較大，近年有下降趨勢圖2-8漳州市草地面積變化趨勢圖漳州市草地主要由人工牧草地與其他草地兩種類型組成，2009年人工牧草地總共1.92公頃，到2017年已經變為了31.75公頃，共增加了29.98公頃，增長幅度較大。2009年和2017年其他草地面積分別是28887.1公頃和29582.13公頃，經過這幾年的發展，增加695.03公頃。由圖可知，漳州市草地面積變化共經歷了5個階段，2009年至2010年這一年草地面積激增，2010年至2012年草地面積趨于穩定，變化不大，2012年至2014年草地面積有所減少，然而到2014年間又呈現出增加的態勢，2016至2017年又一次減少。草地面積出現減少現象的主要原因是社會經濟的發展，導致部分草地轉為了建設用地。圖2-9漳州市土地利用偏離度趨勢圖結合本文，綜合上文的研究探討結果，了解到：不同類型的建設用地包括居民點及工礦用地、交通運輸用地，人工水域包括水庫水面、坑塘水面、溝渠;耕地分為水田、水澆地及旱地;園林包括果園、茶園及其他園地;人工林地分為未開發林地和苗圃林地。人工草地是八大類草地中的人工牧草地。[11]如上圖所示，漳州市土地利用偏離度從2009年到2017年有所增加，說明研究期間該地區土地利用情況和自然風景之間關聯大，干預現象明顯，尤其是2010年至2011年，和2016年至2017年期間，這兩年的增長率急劇上升，表明這兩年漳州的土地利用活動對自然景觀的影響非常明顯。表5-3漳州市土地面積轉移概率矩陣表耕地園地林地居民點及交通運輸水域及水利未利用地草地工礦用地用地設施用地耕地0.9989000.00070.0004000園地00.993700.00420.0021000林地000.99950.00030.0002000居民點及00010000工礦用地交通運輸0000.00090.9991000用地水域及水利設施用0000.002900.997100地未利用地000.00340.01610.006400.97410草地0000.02130.0034000.9753表5-4漳州市2022年各類土地面積預測表耕地園地林地居民點及交通運輸水域及水利未利用地草地工礦用地用地設施用地2022年198496.07226612.74592068.27106740.7036513.4379550.6222643.6126132.83預測值5.3預測結果分析根據上文的預測，在一定程度上，我們已經了解到在之后幾年時間中，漳州市地區的土地利用狀況，主要表現在以下幾點：1.耕地面積不斷減少。預計漳州市耕地面積會從2017年的199191.41公頃繼續下降，一直到2022年，變成198496.07公頃，總減少面積為1095.34公頃，年平均減少面積為219.07公頃。結合多年來耕地的下降趨勢,可以看出,耕地減少最重要的原因在于被建設用地的占用,這使得大量的耕地被轉換為居民點及工礦用地或是交通運輸用地，剩下的一小部分是由于農業結構的調整變成了園地。建設用地占用耕地的主要因素是區域經濟的快速發展,對建設用地的需求增加,工業化和城市化進程的影響,使大量的住宅用地,工業、商業服務業都歸為集體土地,土地征用行為日益嚴重,耕地的保有面臨危機。2.土地利用的多樣性仍然相對簡單。根據預測結果，未來幾年漳州市的土地利用類型與幾年前差異不大。林地仍然是該地區主要用地類型,比例超過百分之四十的全市的總面積。未利用地的總面積略有減少，但并不顯著。城鎮村，工業用地和礦區面積繼續增加，耕地和園地面積繼續減少。未來幾年可能會出現農業生產率下降,農村經濟發展滯后,由于農業結構不合理，造成生態環境的破壞。3.土地利用程度需要加強。據預測，到2022年，漳州仍有226443.61公頃未利用地，占全市總面積的1.76％。漳州市未使用的土地主要是草原和裸地。未使用的土地靠近山脈和海灘的邊緣，在開發和利用方面存在一定的困難。然而，在平原和丘陵地區，許多較不困難的未使用區域仍然具有很高的開發價值和實用價值。這部分潛在資源應在不破壞生態環境的情況下重點開發和利用。同時，合理有效地開發未利用地也是避免建設用地占用大量耕地的有效途徑。這不僅保證了在整個地區耕地的數量,也提高了土地利用的多樣性和土地利用的結構。在今后的發展和建設中，應在這方面作出更多的努力。[12]5.4合理利用土地的建議及措施在上述分析和預測的基礎上，在漳州市地區土地利用情況的基礎上，有針對性的給出相應的解決對策：1、完善建設用地體制，設定好面積標準，嚴格執行。要把保護環境和耕地當作是基本要求，然后科學合理的設計耕地和用地結構。為了更加科學的長期發展，鄭州市政府，尤其是土資源機構等，要盡快完善相關的法律體制，盡快行動起來，落實各部門責任，共同繁榮發展，促進城鄉，經濟社會，人與自然共同繁榮發展。2、保護耕地和基本農田，土地的審批環節要嚴格執行，并做好相關的監督管理工作，充分發揮示范區應有的風采，落實土地圍墾工作，加強耕地保護、補充工作。3、合理開發和利用未使用的土地。首先，需要管理現有的土地。通過預評估等措施，制定規章制度，加強土地利用項目審批，審查土地面積和成本，嚴格審查用于各種項目的土地，以防止更多占地和投機現象。在保護和改善生態環境的基礎上，防止水土流失，保護環境和土地的前提下，合理開發未利用地，進一步提升利用率，保持土地能夠長久的可持續發展。6結論本文通過查閱各種有關文獻資料等，了解到國內外有