焦利民武汉大学资源与环境科学学院二 o 一四年六月

焦利民武汉大学资源与环境科学学院

二 O 一四年六月

快速城镇化背景下快速城镇化背景下

江汉平原耕地变化分析（江汉平原耕地变化分析（ 1994-20101994-2010

））

提纲提纲

1 引言

2 江汉平原土地利用遥感分类

3 土地利用时空变化总体特征

4 耕地数量变化与质量变化

5 耕地质量变化分析

6 耕地变化

引言 11 土地利用／覆盖变化（ LUCC ）

快速城镇化、耕地保护与粮食安全

土地利用／覆盖变化是全球环境变化的重要议题

引言

20 世纪 90 年代中期，提出“土地利用与土地覆盖变化（ land use and land coverage change ， LUCC ）”。主要在于探讨土地利用与土地覆盖变化的影响驱动机制以及区域、全球尺度的综合模型。

土地利用／覆盖变化（ LUCC ）土地利用／覆盖变化（ LUCC ）

“ 全球环境变化人文因素计划（ IHDP）”

“ 国际地圈 -生物圈计划（ IGBP）”

大气环境效应大气环境效应生态效应生态效应

土壤环境效应土壤环境效应水资源和水环境效应水资源和水环境效应

粮食安全……粮食安全……

“对地观测计划”

快速城镇化导致耕地的数量和质量变化，威胁粮食安全

引言

第二次全国土地调查：我国耕地面积为 20 亿亩东北、西北地区耕地： 8473.5 万亩 25 度以上陡坡的耕地： 6471 万亩

《 2013 年中国国土资源公报》： 2012 年全国因建设占用、灾毁、生态退耕等减少耕地面积 603 万亩通过土地整治、农业结构调整等增加耕地面积 482.7 万亩土地整治等增加耕地的速度小于耕地被占用等原因而减少的速度

《中国统计年鉴数据》： 1978 2013 年城镇常住人口： 1 .7 7.3 亿人城镇化率： 17.9 53.7% ，年均提高 1.02 个百分点城市数量： 193 658 个建制镇数量： 2173 20113 个

江汉平原是我国重要粮油产区和人口密集区，耕地监测与产能保护尤为重要

引言

江汉平原粮食产量占湖北省的 40%左右，农业生产总量约占湖北省的近 60%，占全国的 5%～ 12%。以江汉平原核心区开展研究。

江汉平原土地利用遥感分类 22 遥感影像预处理

影像分类与精度评定

影像预处理

江汉平原土地利用遥感分类

1994 年 TM 遥感影像数据

2010 年 ETM+ 遥感影像数据

研究区行政区划矢量图

1994 年、 2010 年研究区土地利用 / 覆盖变化分类图

几何校正影响裁剪影像镶嵌影像分类

传感器成像时间轨道号TM 1993 123/39TM 1994 123/40TM 1994 124/39

ETM+ 2010 123/39ETM+ 2010 123/40ETM+ 2011 124/39

研究区遥感影像数据表

遥感影像数据预处理过程

影像分类与精度评价


1994 年江汉平原土地利用 / 覆盖分类结果图

总体精度 85.53% ， kappa 系数 0.84

影像分类与精度评价


2010 年江汉平原土地利用 / 覆盖分类结果图

总体精度 85.42% ， kappa 系数 0.86

土地利用时空变化总体特征 33 土地利用变化的数量特征

土地利用变化的空间格局

土地利用变化转移分析

土地利用变化数量特征

土地利用时空变化总体特征

1994-2010 年江汉平原土地利用 / 覆盖类型面积变化

1994 年 2010 年

土地利用变化数量特征


1994-2010 年江汉平原土地利用 / 覆盖变化速度——土地利用动态度

土地利用 / 覆盖类型

1994-2010 年单一土地利用动态度（ % ）

1994-2010 年综合土地利用动态度（ % ）

建设用地 3.16

0.57林地 14.64

河流湖泊 -0.21坑塘水面 0.81

耕地 -0.37未利用地 -2.64

林地的年变化率最大，其次是建设用地，然后分别是未利用地、坑塘水面、耕地和河流湖泊。另外，年变化率为正值的表示该地类呈正增长，年变率为负值的说明该地类则呈负增长，其中林地、建设用地和坑塘水面呈正增长趋势，河流湖泊、耕地和未利用地呈负增长趋势。

土地利用变化的空间格局特征


景观指数的选择

类型水平选取斑块数（ NP ）描述景观格局的异质性及破碎度情况景观类型面积百分比（ PLAND）表示某景观类型的面积占整个景观面积的百分比

斑块密度（ PD ）表示每公顷面积的斑块数 ,用以景观的破碎化程度平均斑块形状指数（ MSI ）描述某一景观的形状趋势，气质越大，表明景观趋向于不规则形状

聚集度指数（ AI ）描述某一种景观类型的斑块间的相邻关系，取值余额趋于 100 ，表明景观类型在空间上越聚集

景观水平平均斑块分维数（ FRAC-AM ）描述景观中斑块形状的复杂性特征景观形状指数（ LSI ）描述景观类型的形状，取值越大，表明景观的形状就越来越不规则香农多样性指数（ SHDI ）描述景观类型的多样性景观优势度指数（ LDI ）描述景观由少数几个主要景观类型的控制程度景观破碎度指数（ LFI ）描述景观被分割的破碎化程度



景观类型水平



景观类型水平

年份 NP PD FRAC_MN LSI SHDI LDI LFI

1994 119252 5.7606 1.0449 112.6294 0.7355 1.5239 0.0576

2010 154141 7.4456 1.0459 149.9882 0.876 1.3212 0.0745

景观水平



1994-2010 年江汉平原土地利用 / 覆盖变化轨迹图 A

土地利用变化转移分析土地利用时空变化总体特征

1994-2010 年江汉平原土地利用 / 覆盖变化轨迹图 B注：图例中 1 表示建设用地； 2 表示林地， 3 表示河流湖泊； 4 表示坑塘水面； 5 表示耕地；6 为表示未利用地。则 11 表示建设用地转化为建设用地； 41 表示坑塘水面转化为建设用地；54 表示耕地转化为坑塘水面等，以此类推。



1994-2010 年江汉平原土地利用转移矩阵（ % ）

类型

2010total 19

94gross l

oss建设用地林地河流

湖泊坑塘水

面耕地未利用地

1994

建设用地 0.84 0.02 0.02 0.05 0.47 0.02 1.43 0.58林地 0.01 0.36 0.01 0.12 0.93 0.01 1.45 1.09

河流湖泊 0.02 0.05 5.09 0.65 0.45 0.07 6.34 1.24坑塘水面 0.10 0.61 0.48 4.94 3.25 0.07 9.44 4.51

耕地 1.14 3.66 0.38 4.81 70.20 0.30 80.48 10.29未利用地 0.03 0.13 0.14 0.10 0.42 0.04 0.86 0.83

total 2010 2.15 4.84 6.12 10.67 75.72 0.50 100.00 18.53

gross gain 1.30 4.48 1.03 5.73 5.53 0.46 18.53

耕地数量变化与质量变化 44 耕地数量变化

耕地变化的空间格局

耕地转移分析

耕地质量变化

耕地数量变化

耕地数量变化与质量变化

1994-2010 年江汉平原各市县区耕地面积变化图

1994 ，（ 2000 ）， 2010

耕地数量变化


1994-2010 年江汉平原各市县区耕地利用动态度



NP PD LSI MSI AI

1994 5416 0.2616 102.7281 1.2701 97.635

2010 13718 0.6626 133.5088 1.2763 96.5435

江汉平原耕地格局景观格局变化 (1994-2010 年 )

耕地景观破碎化、形状不规则化以物理连通性降低。



各区县耕地格局变化

斑块密度指数变化

景观形状指数变化



平均斑块形状指数变化

景观聚合度指数变化

各区县耕地格局变化

耕地转移分析


a 为耕地转出面积比例图， b为耕地转入面积比例图

a b

减少的耕地主要转移为建设用地、林地与坑塘水面；新增耕地的主要来源为坑塘水面、林地与建设用地。


1994-2010 年江汉平原耕地转为建设用地空间分布图

耕地转移分析

耕地数量变化与质量变化耕地转移分析

1994-2010 年江汉平原耕地转为坑塘水面空间分布图

耕地数量变化与质量变化耕地转移分析

1994-2010 年江汉平原其它用地转为耕地空间分布图注：图例中 1 表示建设用地； 2 表示林地， 3 表示河流湖泊； 4 表示坑塘水面

； 5 表示耕地； 6 为表示未利用地。则 15 表示建设用地转化为耕地； 25 表示林地转化为耕地，以此类推。


a 为 1994-2010 年江汉平原转入耕地等别， b为 1994-2010 年江汉平原转出耕地等别

耕地质量变化

在转入为耕地的等别中，一等地、二等地与三等地占耕地转入总比例的 31.952%；转出的耕地中，一等地、二等地与三等地占耕地转出总比例的 41.917% 。

耕地数量变化与质量变化耕地质量变化

1994-2010 年江汉平原转出耕地等别分布图

耕地数量变化与质量变化耕地质量变化

1994-2010 年江汉平原转入耕地等别分布图

耕地变化驱动力与预测分析 55

耕地变化的驱动力分析

耕地变化的区位影响因素

耕地变化预测分析


耕地变化驱动力与预测分析

驱动因子

变量名称描述

因变量组Y1 　建设用地增加量（ km2 ）　Y2 耕地减少量（ km2 ）

自变量组

X1 城镇人口增加量 (万人 )X2 农村人口减少量 (万人 )X3 GDP增加量（亿元）X4 第一产业产值增加量（亿元）X5 第二产业产值增加量（亿元）X6 第三产业产值增加量（亿元）X7 城镇化水平增加量（ % ）X8 人均 GDP增加量（元）



驱动力分析—典型相关分析所得典型载荷

变量名称典型载荷

第一个典型变量第二个典型变量因变量组　　Y1 建设用地增加量（ km2 ） -0.202 0.979 Y2 耕地减少量（ km2 ） 0.980 -0.200 自变量组　　X1 城镇人口增加量 (万人 ) 0.255 0.344 X2 农村人口减少量 (万人 ) -0.233 -0.496 X3 GDP增加量 -0.185 0.702 X4 第一产业产值增加量（亿元） -0.625 0.294 X5 第二产业产值增加量（亿元） -0.090 0.617 X6 第三产业产值增加量（亿元） -0.298 0.610 X7 城镇化水平增加量（ % ） 0.678 0.386 X8 人均 GDP增加量（元） -0.177 0.452



驱动力分析—典型相关分析

• 耕地减少量与城镇化水平等具有显著相关性。

• 建设用地增加量与 GDP 、第二三产业发展具有显著相关性。

耕地变化的区位影响因素


驱动因子

分析方法： logistic 回归模型

驱动因子因子描述到各区政府中心的距离（ X1）量算每个像元中心到区政府中心的距离 (m)

到国道的距离（ X2 ）量算每个像元中心到国道的距离 (m)到省道的距离（ X3 ）量算每个像元中心到省道的距离 (m)到县道的距离（ X4 ）量算每个像元中心到县道的距离 (m)到铁路的距离（ X5 ）量算每个像元中心到铁路的距离 (m)到高速公路的距离（ X6 ）量算每个像元中心到高速公路的距离 (m)到河流水面的距离（ X7 ）量算每个像元中心到河流中心的距离 (m)


耕地变化驱动力与预测分析区位影响因素分析

耕地转出的 logistic 回归结果

驱动因子 β S.E. Wald df Sig. Exp(β） ROC到各区政府中心的距离（ X1）

0.00001 0 14.58652

1 0.00013

1.00001

0.653

到国道的距离（ X2 ） -0.00003 0 35.12656

1 0 0.99997

到铁路的距离（ X5 ） -0.00002 0 44.36411

1 0 0.99998

常量 0.13535 0.03152 18.43525

1 0.00002

1.14493 转化为耕地的 logistic 回归结果

驱动因子 β S.E. Wald df Sig. Exp(β） ROC到国道的距离（ X2 ） 0.00002 0.00001 7.96992 1 0.00476 0.99998

0.635到县道的距离（ X4 ） -0.00004 0.00001 12.84539 1 0.00034 0.99996 到铁路的距离（ X5 ） 0.00001 0 4.31158 1 0.03785 1.00001 常量 0.09070 0.03480 6.79415 1 0.00915 1.09494

注：表中， β 为回归系数， S.E. 为回归系数的标准差， Wald 为回归系数的统计量， df 为自由度， Sig. 为拟合优度检验， Exp(β) 为事件的发生比率。



区位影响因素分析

• 耕地占用主要发生在城镇周边（跳跃式分布）。

• 耕地占用与主要道路（国道等）具有显著相关性。

预测分析


• 根据耕地变化的驱动力分析结果，可以对未来耕地占用的总量进行预测

• 根据耕地变化的区位影响因素分析结果，可以对未来耕地占用的空间分布进行预测

耕地保护有关问题讨论


1 、快速城镇化与集约城镇化

紧凑型城镇新增建设用地选址

3 、重大项目选址应考虑其效应

道路等基础设施重大工程

4 、耕地占补平衡

数量和质量并重耕作层资源保护

2 、城镇化与农村居民点整理

新型城镇化农业产业化控制人均用地

谢谢 !

焦利民 武汉大学 资源与环境科学学院 二 o 一四年六月

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