土地利用轉(zhuǎn)移次數(shù)與地類的時(shí)空變化研究
——以湖南省長(zhǎng)沙市為例

任紅鴿, 全 斌,, 陳 潔， 劉沛林, 王 鵬, 胡 最

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 211100; 2.衡陽(yáng)師范學(xué)院 城市與旅游學(xué)院, 湖南 衡陽(yáng) 421000)

土地利用與土地覆被是地球表層系統(tǒng)中最突出的景觀標(biāo)志，是人類活動(dòng)和自然要素共同作用的結(jié)果，因此是研究自然與人文過(guò)程的理想切入點(diǎn)，成為全球變化研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。土地利用覆被變化的模式、過(guò)程及其效應(yīng)研究在區(qū)域乃至全球尺度都得到越來(lái)越多的重視[2]。其中土地利用覆被變化的模式是其他研究至關(guān)重要的前提，可以為制定有效的環(huán)境政策和管理策略提供基礎(chǔ)參考[3]。土地利用模型的選擇和應(yīng)用是探究土地變化模式得到土地利用變化規(guī)律的必要前提。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映各地類之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量和方向，在土地利用格局的動(dòng)態(tài)演變中得到廣泛應(yīng)用，但是大多數(shù)分析并沒(méi)有從中挖掘出土地利用格局中潛在的空間變化信息[4]。傳統(tǒng)的數(shù)量分析模型雖然簡(jiǎn)明扼要，且不需要較復(fù)雜的專業(yè)性分析技能，但忽略了土地利用空間區(qū)位的固定性與獨(dú)特性，沒(méi)有考慮土地利用動(dòng)態(tài)變化的空間過(guò)程及相關(guān)屬性[5]。動(dòng)態(tài)度模型雖然是一種基于空間分析技術(shù)的測(cè)算模型，但僅考慮了土地利用動(dòng)態(tài)變化的空間轉(zhuǎn)移過(guò)程，而忽略了其新增過(guò)程，從而嚴(yán)重地低估了那些轉(zhuǎn)移慢、但增長(zhǎng)快的土地利用類型[6]。加之，隨著遙感信息技術(shù)的發(fā)展，土地里變化數(shù)據(jù)更易獲取，對(duì)多期土地利用變化數(shù)據(jù)的信息進(jìn)行深層量化分析顯得尤為重要。在分析土地利用變化時(shí)，變化是穩(wěn)定的還是暫時(shí)的變化；是單向的變化還是反復(fù)的變化等，這些土地利用變化信息的深層挖掘研究目前幾乎沒(méi)有。如果研究者把短暫的變化和永久的改變等價(jià)，模型參數(shù)可能是錯(cuò)誤的，這會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確和不健全的模擬和預(yù)測(cè)。

長(zhǎng)沙市位于湖南省東部偏北，湘江下游，是全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教和商貿(mào)中心，亦是中國(guó)中部地區(qū)的核心城市之一。2015年4月8日，國(guó)務(wù)院正式批復(fù)同意設(shè)立湖南湘江新區(qū)，成為中國(guó)第12個(gè)、中部地區(qū)首個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)，是打造“一帶一路”核心增長(zhǎng)極的重大舉措，也是推動(dòng)長(zhǎng)沙在更高起點(diǎn)上融入“一帶一路”和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶等國(guó)家戰(zhàn)略的重要平臺(tái)。近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)長(zhǎng)沙市土地利用變化問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。Zhang等[7]運(yùn)用Muilt-Agent模型對(duì)長(zhǎng)沙市的城市擴(kuò)張進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)隨著未來(lái)城鎮(zhèn)化的發(fā)展長(zhǎng)沙市區(qū)土地供應(yīng)將更為緊張并且由于交通的相對(duì)便捷性城鎮(zhèn)化從郊區(qū)到偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)延伸。鄧楚雄等[8]對(duì)長(zhǎng)沙市耕地集約利用的時(shí)空變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明2001—2009年長(zhǎng)沙市耕地集約利用度時(shí)序變化各具特點(diǎn)，但整體上均呈現(xiàn)出以不同幅度上升的特征。張盧奔等[9]基于信息熵和分形維數(shù)分析了長(zhǎng)沙市土地利用結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明在空間上信息熵變化基本與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相耦合，由中心城區(qū)向外信息熵逐漸降低。羅開盛等[10]分析了長(zhǎng)沙土地利用變化過(guò)程信息并預(yù)測(cè)了未來(lái)10 a土地利用變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)表明人工表面、草地面積將擴(kuò)展，耕地、濕地、林地及未利用土地面積將縮減。陳永林等[11]分析了長(zhǎng)沙市土地利用變化及其城市化對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)論是快速城市化將導(dǎo)致農(nóng)用地的減少和建設(shè)用地的增加。這些文章運(yùn)用多種方法分析了土地、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)之間的相互作用。但是所有這些方法都需要土地利用數(shù)據(jù)來(lái)顯示準(zhǔn)確的土地變化模式。然而，建立多期時(shí)間序列的地圖并充分利用來(lái)顯示土地變化是非常具有挑戰(zhàn)性的。本文展示了如何利用多期時(shí)間序列土地利用數(shù)據(jù)來(lái)描述和解釋土地變化的模式和深入挖掘土地利用變化過(guò)程。

為充分利用基于時(shí)間序列的多期土地利用數(shù)據(jù)來(lái)探究區(qū)域土地利用變化的模式和過(guò)程，本研究擬以長(zhǎng)沙市為例，利用1990—2010年每5 a一期共4期的時(shí)間序列土地利用數(shù)據(jù)，在IDRISI和ArcGIS 10.2軟件平臺(tái)上推演土地利用變化的轉(zhuǎn)移次數(shù)和地類，并分析兩者之間的關(guān)系，試圖解決以下科學(xué)問(wèn)題：如何采用轉(zhuǎn)移次數(shù)和轉(zhuǎn)移地類方法來(lái)探究顯著的土地利用變化？該問(wèn)題不僅能夠提供探究土地利用變化的新方法，而且有助于我們對(duì)土地變化過(guò)程的進(jìn)一步理解，同時(shí)也能將現(xiàn)有土地利用的大量數(shù)據(jù)得到充分應(yīng)用，在建模和預(yù)測(cè)人類和環(huán)境之間的復(fù)雜的相互作用時(shí)作為依據(jù)和參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究所使用的1990，1995，2000年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)是以TM/ETM+遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，運(yùn)用遙感和GIS軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類和人工目視解譯，最終形成的1∶10萬(wàn)的土地利用數(shù)據(jù)，解譯精度分別控制在92.92%，98.40%和97.45%[12]。這些數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系、投影和中央經(jīng)線和雙標(biāo)準(zhǔn)緯線：坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系，投影為ALBERS投影；中央經(jīng)線為105°E，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為25°和47°N；橢球體為KRASOVSKY橢球體。

長(zhǎng)沙市2005和2010年的遙感數(shù)據(jù)源為TM遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，原始格式為DAT格式，頭文件為Fast文件，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)了輻射校正和相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)處理，采集時(shí)間分別為2005年5,7月、2010年3,7月、2010年9,11月，分辨率均為30 m。采用前2期的目視解譯方法得到長(zhǎng)沙市2005和2010年土地利用圖，解譯精度均在85%以上，符合研究需要[13]。將至此得到的1990—2010年矢量格式的土地利用數(shù)據(jù)，在IDRISI軟件進(jìn)行處理，得到統(tǒng)一為100 m分辨率的土地利用圖，每5 a一期的全部土地利用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如附圖9—13所示。

1.2 研究方法

參考Pontius和Zhang[14]提出基于事件和狀態(tài)來(lái)研究基于時(shí)間序列土地利用變化的方法，定義轉(zhuǎn)移次數(shù)為單個(gè)像元隨時(shí)間序列變化的次數(shù)，轉(zhuǎn)移0次的像元即為該時(shí)間段內(nèi)不變的像元，轉(zhuǎn)移次數(shù)≥1的像元即為變化部分；轉(zhuǎn)移次數(shù)分布圖是指所有像元轉(zhuǎn)移次數(shù)在空間上的可視化呈現(xiàn)結(jié)果；轉(zhuǎn)移次數(shù)圖譜是指隨著時(shí)間發(fā)展，增加時(shí)間序列上下一時(shí)間點(diǎn)的土地利用圖而得到的一系列轉(zhuǎn)移次數(shù)分布圖的總稱。轉(zhuǎn)移地類數(shù)是指單個(gè)像元隨時(shí)間序列改變時(shí)有多少種不同地類參與該變化；轉(zhuǎn)移地類數(shù)分布圖是指所有像元轉(zhuǎn)移地類數(shù)在空間上的可視化呈現(xiàn)結(jié)果；轉(zhuǎn)移地類數(shù)圖譜是指隨著時(shí)間發(fā)展，增加時(shí)間序列上下一時(shí)間點(diǎn)的土地利用圖而得到的一系列地類數(shù)分布圖的總稱。一個(gè)研究區(qū)有t個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土地利用圖，會(huì)有t-1個(gè)轉(zhuǎn)移次數(shù)分布圖和t-1個(gè)轉(zhuǎn)移地類數(shù)分布圖，第t個(gè)轉(zhuǎn)移次數(shù)分布圖和轉(zhuǎn)移地類數(shù)分布圖使用的是從1到t+1的土地利用圖創(chuàng)建。

轉(zhuǎn)移次數(shù)圖譜用來(lái)識(shí)別土地變化的一般空間格局。研究區(qū)域面積是固定的，隨著時(shí)間序列的延長(zhǎng)，t時(shí)轉(zhuǎn)移n次的像元只能由t-1時(shí)轉(zhuǎn)移n-1次的像元變化而得，即轉(zhuǎn)移0次的像元個(gè)數(shù)不會(huì)增加，只會(huì)不變或者減少，t時(shí)轉(zhuǎn)移1次的像元，只能從t-1時(shí)的轉(zhuǎn)移0次像元變化而來(lái)?；诖?，定義轉(zhuǎn)移1次的像元，叫做擴(kuò)張像元；變化2次及其以上的像元叫做轉(zhuǎn)變像元。隨著時(shí)間發(fā)展，擴(kuò)張像元的數(shù)量增加，研究區(qū)域?qū)⒈淮_定為擴(kuò)張模式。否則，如果擴(kuò)張像元的數(shù)量減少，則為轉(zhuǎn)變模式。

2個(gè)系列的地圖創(chuàng)建后，接下來(lái)討論轉(zhuǎn)換次數(shù)分布圖和地類數(shù)分布圖之間的關(guān)系，將第t-1個(gè)轉(zhuǎn)移次數(shù)分布圖和地類數(shù)分布圖進(jìn)行疊加制作交叉表。假設(shè)轉(zhuǎn)移在各地類間都是不可逆的，那么m個(gè)地類最多轉(zhuǎn)移m-1次。當(dāng)然也存在m個(gè)地類轉(zhuǎn)移超過(guò)m-1次的情況，此時(shí)說(shuō)明轉(zhuǎn)移在這些地類間反復(fù)發(fā)生。將m個(gè)地類轉(zhuǎn)移了n次的變化在地圖上顯示，以觀測(cè)轉(zhuǎn)移次數(shù)和地類之間在空間上的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)移次數(shù)分析

長(zhǎng)沙市土地利用在1990—1995年最多發(fā)生了1次變化，且變化主要發(fā)生在長(zhǎng)沙市中心城區(qū)和各級(jí)城市建成區(qū)外圍。在1990—2000年，在長(zhǎng)沙市中心城區(qū)附近出現(xiàn)了大量變化2次的土地利用方式，但變化1次的土地利用仍主要位于城市建成區(qū)外圍和村鎮(zhèn)附近。在1990—2005年，城市建成區(qū)附近土地向外圍擴(kuò)展表現(xiàn)為新增的1次變化，而長(zhǎng)沙市中心城區(qū)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移3次的變化。在1990—2010年，轉(zhuǎn)移2和3次的變化面積增多，長(zhǎng)沙市中心城區(qū)出現(xiàn)了少量轉(zhuǎn)移4次的變化，但面積最大仍是變化1次的土地。隨著時(shí)間序列的增加，新增變化在每個(gè)時(shí)期都占主導(dǎo)，但是中心城區(qū)附近的土地利用并不穩(wěn)定會(huì)發(fā)生多次轉(zhuǎn)移。1990—2000年，擴(kuò)張像元從約占總面積0.76%減少到約0.63%，土地利用為轉(zhuǎn)變模式，但是該變化并不劇烈。2000—2010年，擴(kuò)張像元在2000年的基礎(chǔ)上累計(jì)增加至6%，說(shuō)明該時(shí)期長(zhǎng)沙市的土地利用變化呈現(xiàn)出持續(xù)的擴(kuò)張模式。

2.2 轉(zhuǎn)移地類分析

長(zhǎng)沙市1990—1995年土地利用，只涉及1個(gè)地類和2個(gè)地類的變化，且變化主要發(fā)生在城市建成區(qū)附近；1990—2000年，發(fā)生變化的位置與1990—1995年相似，出現(xiàn)了3個(gè)地類的變化；1990—2005年，發(fā)生變化的位置擴(kuò)張到了整個(gè)湘江主流沿岸和一些城市或者村莊的集聚地，變化最多也是涉及3個(gè)地類。1990—2010年，變化沿湘江產(chǎn)業(yè)帶和寧長(zhǎng)瀏產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶延伸，最多出現(xiàn)涉及4個(gè)地類的變化，其面積特別小，涉及2個(gè)地類的變化面積最大。保持不變的像元從占總面積的99.24%減少到68.04%，涉及2個(gè)地類的變化像元從0.76%增加到30.43%，涉及3個(gè)地類的變化像元從0～1.49%，涉及地類數(shù)越來(lái)越多，最多達(dá)到4個(gè)，占總面積的0.03%。

1990—2010年土地利用變化中涉及2個(gè)地類的變化最多。涉及2個(gè)地類的變化中，耕地和建設(shè)用地以及林地和建設(shè)用地的變化主要在城鎮(zhèn)外圍，且是主要的變化形式；耕地和林地的變化比較破碎但是其分布范圍卻很廣，1990—2010年涉及該地類變化的土地面積為174.34 km2，其中由耕地轉(zhuǎn)為林地的為81.63 km2，由林地轉(zhuǎn)為耕地的為90.89 km2，剩余的為耕地和林地之間進(jìn)行交替變化最終又變?yōu)槌跏紩r(shí)期地類的面積為1.82 km2。耕地和水域的變化位于河流沿岸，主要可能是由于季節(jié)變化等造成河灘地的出現(xiàn)。

2.3 轉(zhuǎn)移地類與轉(zhuǎn)移次數(shù)綜合分析

將1990—2010年的轉(zhuǎn)移次數(shù)分布圖和地類數(shù)分布圖進(jìn)行疊加，產(chǎn)生一個(gè)交叉矩陣(如表1所示)。轉(zhuǎn)移次數(shù)顯示在列，地類數(shù)顯示在行。在變化的像元中，2個(gè)地類且變化1次的像元有74 215個(gè)，占總變化的75%，2個(gè)地類變化次數(shù)依次增加最多達(dá)到了4次，且隨著變化次數(shù)的增加，像元數(shù)在減少。3個(gè)地類變化2次的像元有2 957個(gè)，3個(gè)地類最多變化了5次。變化最多涉及4個(gè)地類，其中變化3次的像元有303個(gè)，最多變化了5次且像元有20個(gè)。從列來(lái)看，變化1次的面積最大，且這些變化都涉及2個(gè)地類。當(dāng)變化2～4次時(shí)，2個(gè)地類的面積也最大。隨著轉(zhuǎn)移次數(shù)和地類數(shù)的增多，像元數(shù)都在減少，2個(gè)地類變化1次的新增變化比較突出。

表1 1990-2010年土地利用轉(zhuǎn)移地類數(shù)交叉矩陣

將1990—2010年轉(zhuǎn)移地類數(shù)和轉(zhuǎn)移次數(shù)分布圖進(jìn)行疊加，可知2地類變化1次集中發(fā)生在城市建成區(qū)外圍，和河流湖泊附近。多次變化主要發(fā)生在湘江主流沿岸。將2地類變化1次的變化類型提取出來(lái)，可知在1990—2010年耕地和建設(shè)用地間以及林地和建設(shè)用地間轉(zhuǎn)移1次的變化主要位于城市建成區(qū)外圍，面積分別為202.86，169.96 km2，但其范圍受到城市用地規(guī)模的制約。此外，距長(zhǎng)沙市正東方向約10 km內(nèi)存在大量耕地在1995年轉(zhuǎn)到建設(shè)用地，在10～16 km間存在大量耕地在2005年轉(zhuǎn)移到建設(shè)用地。在東南方14～22 km主要是耕地在2010年轉(zhuǎn)到建設(shè)用地。望城縣和長(zhǎng)沙縣由于地理位置上距離長(zhǎng)沙市較近，其外圍變化與長(zhǎng)沙市存在很多重疊情況。在寧鄉(xiāng)縣2 km內(nèi)和瀏陽(yáng)市北方2 km內(nèi)存在耕地在1990和2005年轉(zhuǎn)到建設(shè)用地；在寧鄉(xiāng)縣西北方和瀏陽(yáng)市東北方2 km以外則是耕地在2010年轉(zhuǎn)到建設(shè)用地。同時(shí)在長(zhǎng)沙市西北18 km內(nèi)、長(zhǎng)沙市東南、寧鄉(xiāng)縣東北和瀏陽(yáng)市北方2～6 km也存在林地在2005，2010年轉(zhuǎn)到建設(shè)用地。在1990—2010年隨著時(shí)間推移城市建成區(qū)附近的耕地和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的變化距離城市中心越來(lái)越遠(yuǎn)，說(shuō)明1990—2010年長(zhǎng)沙市城市擴(kuò)張呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)且主要占用城市外圍的耕地或林地。而在鄉(xiāng)村地區(qū)存在很多破碎圖斑顯示建設(shè)用地在2010年轉(zhuǎn)為耕地和林地，面積分別為48.27，12.04 km2，說(shuō)明隨著城市擴(kuò)張不斷加強(qiáng)，耕地和糧食安全壓力增加，會(huì)通過(guò)將鄉(xiāng)村地區(qū)或廢棄建筑工礦用地等的建設(shè)用地通過(guò)土地整治和土地復(fù)墾等措施來(lái)增加耕地?cái)?shù)量。

3 討論與結(jié)論

(1) 隨著時(shí)間的發(fā)展，變化的次數(shù)增多而該種變化類型的面積越小。長(zhǎng)沙市的新增變化在南北方向上沿湘江延伸，在東西方向上沿寧長(zhǎng)瀏產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶伸展。1990—2000年長(zhǎng)沙市的土地利用/覆被變化呈轉(zhuǎn)變模式，2000—2010年呈擴(kuò)張模式，表明1990—2010年長(zhǎng)沙的城市擴(kuò)張是加速進(jìn)行的。

(2) 轉(zhuǎn)移次數(shù)和轉(zhuǎn)移地類數(shù)的空間分布具有相似性。隨著轉(zhuǎn)移次數(shù)和地類數(shù)的增多，對(duì)應(yīng)變化的像元數(shù)都在減少，2個(gè)地類變化1次的新增變化比較突出。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，雖然土地整治等能補(bǔ)給少量的耕地和林地，但城市擴(kuò)張占用外圍耕地和林地仍是當(dāng)?shù)赝恋乩弥兄饕淖兓绞健?/p>

(3) 其他城鎮(zhèn)和長(zhǎng)沙市中心城區(qū)變化模式相似但輻射能力較弱且發(fā)展方向不盡相同，土地利用變化和規(guī)模遵循一定的城市等級(jí)順序。

探尋基于多期時(shí)間序列土地利用數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移次數(shù)和地類及其時(shí)空關(guān)聯(lián)特征，一方面，可從新層面來(lái)探測(cè)土地利用變化的特征規(guī)律，為預(yù)測(cè)等提供基礎(chǔ)；另一方面，可將量化的變化信息在空間上可視化展示。同時(shí)該方法可以充分利用土地利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，探究變化過(guò)程展示區(qū)域動(dòng)態(tài)變化。本文中長(zhǎng)沙市呈現(xiàn)轉(zhuǎn)移次數(shù)和轉(zhuǎn)移地類在空間變化上的統(tǒng)一，且主要變化為外延性城市擴(kuò)張。但是某些城市的發(fā)展可能與此不同，也可用此方法進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比分析。對(duì)于城市擴(kuò)張的研究和區(qū)域差異研究也可應(yīng)用此方法，這將是未來(lái)深入研究的方向。

致謝：感謝美國(guó)克拉克大學(xué)地理學(xué)院Robert Gilmore Pontius Jr教授給予的指導(dǎo)和寶貴意見(jiàn)。

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