深圳土地利用时空变化与地形因子的关系研究_毛蒋兴

第24卷 第2期2008年3月地理与地理信息科学Geog ra phy and Geo-Infor matio n Science V ol.24 N o.2M arch 2008收稿日期:2007-10-12; 修订日期:2007-11-13 基金项目:国家自然科学基金项目(40401019、40601033);广西科学基金项目(桂科青0728046);广西师范学院博士科研启动项目 作者简介:毛蒋兴(1976-),男,博士,副教授,从事城市地理与城市规划教学与科研。

*通讯作者E-mail:liz hig@公式中将高程级别和坡度级别分别加1后再取自然对数,可以有效避免地形综合指数出现负值。

深圳土地利用时空变化与地形因子的关系研究毛蒋兴1,2,李志刚2*,闫小培2,周素红2(1.广西师范学院资源与环境科学学院,广西南宁530001;2.中山大学城市与区域研究中心,广东广州510275)摘要:引入G IS 空间分析和数字地形模型(DEM )技术,利用土地利用数据和地形数据,定量分析土地利用时空变化与地形因子的关系,从土地利用空间分布、土地利用转移和土地利用变化速度3方面总结地形因子对深圳土地利用时空变化的影响特征及规律。

结果表明:在深圳土地利用时空变化过程中,地形因子对土地利用变化的影响作用明显,在不同地形级别上土地利用分布、土地利用转移和土地利用变化速度等均表现出不同的时空变化特征。

关键词:土地利用时空变化;地形因子;D EM ;深圳中图分类号:F301.24 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2008)02-0071-060 引言地形中的海拔、坡度和坡向等因素是土地利用的重要背景因子,因此,土地利用时空变化与地形因子关系的研究一直是LU CC 的重要内容之一。

西方学者研究表明,地形差异是土地利用结构和空间分布格局分异的重要影响因子,特别是在人为活动占优势的区域,地形特征通常成为大尺度人为干扰活动地域分布格局的基本骨架[1-4]。

国内学者从定性与定量角度探讨了海拔、坡度和坡向等地形因子对土地利用类型时空分布及其变化的影响,认为地形因子与其他自然、人文因素一起影响土地利用变化[5-9]。

概括起来,国内外学者从宏观角度揭示了地形因子与土地利用时空变化的普遍关系,但由于基于地形的土地利用变化数据较难获取,阻碍了该项研究的深入,地形因子对土地利用时空变化的影响机制揭示仍较模糊[9,10]。

随着GIS 空间分析和DEM 技术的发展,有效获取土地利用变化与地形数据的技术日趋成熟,有待于提出新的研究论题开展深入的定量研究。

深圳作为珠江三角洲地区中心城市之一,自1979年设立经济特区以来,从一个不足3万人的边陲小镇发展为2006年常住人口800多万的城市。

在其快速发展过程中,土地资源大规模开发,土地利用时空变化特征十分突出。

另外,深圳地形反差强烈,地势东南高、西北低,从东南到西北依次排列着半岛、海湾、海岸山脉、丘陵和河谷等多种地形[11]。

因此,选择深圳为案例开展土地利用时空变化与地形因子的关系研究,具有典型性和借鉴性,对促进土地利用变化机制研究及土地利用变化调控和管理均具有重要的理论和实践意义。

1 研究指标与方法1.1 地形综合指数高程、坡度和坡向是地形的三大基本要素,地形的影响作用是全部地形因子综合作用的结果,单一地形要素无法综合反映地形的影响作用[8]。

1990 2003年深圳土地利用变化以建设用地的快速增长为主要特征,由于坡向对于建设用地空间分布的影响作用不大,因此本文主要考察高程和坡度对土地利用变化的影响。

为综合反映高程和坡度两个地形要素,本文构建了地形综合指数:T =ln((E+1) (S+1))(1)式中:T 为地形综合指数;E 为高程级别;S 为坡度级别。

地形综合指数与高程和坡度的原尺度具有一致性,可完整地体现高程与坡度的原始信息,高程和坡度级别均较高的地区,其地形综合指数较高;高程和坡度级别均较低的地区,其地形综合指数较小;其余组合情况下,地形综合指数居于中间,较好地体现了高程和坡度的组合分布。

1.2 地形分布优势指数研究地形对土地利用空间分布变化的影响,实际就是探讨不同级别的地形区域的土地利用类型空间分布变化,其中各土地利用类型的数量和比例是常见的分析指标。

然而,由于不同土地利用类型所占面积和比例差异很大,并且地形级别划分时并不是对区域进行等面积划分,使得对于不同地形级别,其土地利用类型的面积和比例差异较大,致使无法进行统一对比分析。

为消除面积差异所带来的影响,便于对各地类进行地形综合指数下的统一对比分析,本文构建了地形分布优势指数:F ij =S ij S S i S j(2)式中:i 为第i 种土地利用类型;j 为第j 级地形;F ij 为第i 种土地类型在第j 级地形上的地形分布优势指数;S ij 为第i 种地类在第j 级地形上的面积;S i 为研究区域第i 种地类的总面积;S j 为研究区域第j 级地形上的土地总面积;S 为研究区域土地总面积。

某种土地利用类型的地形分布优势指数对于其在地形上的空间分布有着指示意义:如果F ij 值大于1,表示第i 种地类在第j 级地形上的分布水平高于该地类在区域中的平均分布水平,即其在第j 级地形上的分布属于优势分布,F ij 值越大,优势度越高,该级别地形适宜该类土地发育和分布的程度越大。

反之,如果F ij 值小于1,则说明第i 种地类在第j 级地形上的分布低于区域平均分布水平,属于劣势分布,说明该地形级别不适宜该地类分布或者发育。

1.3 土地利用转移分布指数1990 2003年深圳各类用地相互转换频繁,大量耕地、园地、林地等发生转移,导致土地利用的迅速变化。

本文构建土地利用转移分布指数来探讨地形因子对土地利用转移变化的影响。

C ij =Q ij QQ i Q j(3)式中:C ij 为第i 种地类在第j 级地形的转移分布指数;Q ij 为第i 种地类在第j 级地形区域发生转移的土地面积;Q i 为研究期第i 种地类发生转移的土地面积总和;Q j 为研究期第j 级地形区域发生转移的土地面积总和;Q 为研究期整个区域发生转移的土地面积总和。

土地利用转移分布指数表征了土地利用转移的相对水平,对各地类在各级别地形区域的转移相对程度具有指示意义。

若C ij 值大于1,表明第i 类土地在第j 级地形区域的土地转移水平大于区域平均转移水平,在第j 级地形区域的转移具有优势地位,C ij 值越大,表明其转移程度越高。

在同一地形级别区域内,地类转移分布指数的差异反映了该地形区域内地形因子对地类转移过程影响作用的大小,转移分布指数越大,表明在同一地形区域内该地类转移相对容易。

1.4 土地利用变化速度地形对土地利用变化速度也有重要影响,本文构建各地形级别区域的土地利用变化速度指标来探讨地形因子对土地利用变化速度的影响作用。

L C k =4i=1,j=1Lu (k)ij Lu k1T100%(4)式中:i 、j 分别为第i 、j 种土地利用类型;k 为第k 级地形;LC k 为第k 级地形区域的土地利用变化速度; Lu (k)ij 为第k 级地形区域第i 类土地转换为第j 类用地的土地面积;Lu k 为第k 级地形区域的土地总面积;T 为研究时段。

2 土地利用空间分布与地形因子的关系根据公式(2),利用GIS 空间分析技术[12]提取数据,计算1990 2003年4种地类的地形分布优势指数(图1)。

由图1可知,地形因子对深圳土地利用时空分布的约束作用十分突出,各土地利用类型在地形梯度上的分布格局呈显著变化。

图1 1990 2003年深圳各土地利用类型地形分布优势指数Fig.1 T he dominant distribution ind ex of top ographic gradient ofdifferent land use type of S henzhen from 1990to 20032.1 农业用地优势分布地形范围调整一般在土地利用原始分布状态下,农业用地多集中分布于高程低、坡度缓的低级别地形区域。

然而,深圳农业用地优势分布地形范围发生较大调整,页72第地理与地理信息科学 第24卷并呈现如下特征:1)农业用地低地形优势分布范围不断被挤占,优势分布最低地形级别向外推移6个级别,表明低地形区域的农业用地发生了大量损失。

2)农业用地优势分布范围不断扩大,从1990年的16个级别扩大为2000年的21个级别和2003年的19个级别,同时优势范围逐渐由低地形区域向中、高地形区域拓展,优势分布最高地形级别从第16级上升到26级,向外拓展10个级别。

3)农业用地优势分布范围外移前期快,后期慢。

1990 1995年向外推移5个级别,1995 2000年向外推移4个级别, 2000 2003年仅推移1个级别。

表明随着优势分布地形级别的不断外移,地形对农业用地分布的限制作用越来越大,已经接近农业用地优势分布的最高地形区域。

2.2 建设用地优势分布地形范围调整建设用地对地形条件要求较高,在没有其他用地限制条件下,建设用地一般位于高程较低和坡度较缓地区。

然而,从图1可知,深圳建设用地优势分布范围不断拓展,逐步从狭适性分布向广适性分布转变。

1)建设用地在低地形区域优势分布范围得以保持,并继续向外扩展,从1990年的1~8级扩展为1~14级,侵占了区域内大量其他土地类型。

2)建设用地优势分布范围向外扩展速度前期比后期快。

1990 1995年优势分布范围扩展4个级别,1995 2000年及2000 2003年仅扩展1个级别。

表明地形因子对建设用地有着巨大的约束作用,当其优势地形分布范围达到一定限度后(12级左右),高于此级别地形区域的土地作为建设用地的适宜性急剧降低,使得1995 2003年建设用地的优势分布范围并未明显外移。

3)建设用地低地形区域优势分布范围保持稳定,且最优分布地形级别一直保持在第1级地形区域,表明建设用地的优势分布偏向于低地形区域。

然而在其快速发展过程中,低地形区域可用于建设的土地资源逐渐枯竭,新增建设用地不得不转向较高地形级别区域,使得建设用地优势分布范围持续向外扩展。

可以预见,未来深圳建设用地扩展将面临更为严重的地形条件约束。

2.3 林地优势分布地形范围调整林地优势分布地形范围发生较大调整,具有如下特征:1)林地低地形区域优势分布范围不断萎缩,逐渐向高地形区域迁移。

1990年林地优势分布地形范围为11~50级,1995年11~15级被挤占,优势分布范围缩为16~50级,2000年、2003年优势分布范围继续向高地形区域迁移,缩为18~50级,共有7个低地形级别的优势分布区域被挤占。

2)林地地形分布优势指数发生较大变化,低地形区域优势指数不断下降,高地形区域优势指数上升,导致林地地形分布优势指数曲线日益陡峭,其中11~17级地形范围内的林地损失最大,优势分布地形区域趋于高地形区域。