北京山區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)性和隨機性

魏顯虎，張增祥，胡順光，劉 芳

(1．中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101;2．中國科學(xué)院研究生院，北京 100039)

北京山區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)性和隨機性

魏顯虎1，2，張增祥1，胡順光1，2，劉 芳1，2

(1．中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101;2．中國科學(xué)院研究生院，北京 100039)

從統(tǒng)計學(xué)的角度出發(fā)，通過深入分析土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，將北京山區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移過程分為系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機轉(zhuǎn)移。從同時發(fā)生的系統(tǒng)性增加和系統(tǒng)性減少推斷出土地利用變化的優(yōu)勢信息有:高覆蓋度草地和其他林地轉(zhuǎn)換為耕地;耕地和疏林地轉(zhuǎn)換為其他林地;疏林地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地;耕地和高覆蓋度草地轉(zhuǎn)換為水域;耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。其中耕地向其他林地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的面積都很大，且系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢明顯;其他林地轉(zhuǎn)換為耕地、疏林地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地雖然不具有數(shù)量上的轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，但該轉(zhuǎn)換屬于很強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換。該方法能快速挖掘最具系統(tǒng)優(yōu)勢的土地利用轉(zhuǎn)移信息，有助于科研人員將土地利用格局和變化過程聯(lián)系起來，為土地資源管理提供有用信息。

土地利用變化;系統(tǒng)轉(zhuǎn)移;隨機轉(zhuǎn)移;北京山區(qū)

0 引言

土地利用/覆蓋變化(LUCC)研究已經(jīng)成為全球變化研究的核心和熱點問題之一［1，2］。LUCC 對氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)過程、生物地球化學(xué)循環(huán)以及生物多樣性等影響深刻，是全球變化的主要驅(qū)動力之一［3］。土地利用的空間格局是人類活動和自然因素共同作用結(jié)果的反映，各種影響LUCC的過程在不同層次上以不同動力學(xué)機制相互作用，產(chǎn)生更復(fù)雜的空間格局。因此，綜合研究空間格局和過程有助于深入理解土地利用變化機制，準(zhǔn)確預(yù)測土地利用變化速率及脆弱地區(qū)的演變，為相關(guān)土地利用政策制定提供依據(jù)［4，5］。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了土地利用轉(zhuǎn)移的數(shù)量信息，在分析土地利用變化和模擬中具有重要意義，并得到廣泛應(yīng)用。在以往的研究中，通常會用轉(zhuǎn)移矩陣來計算各地類的凈變化量、變化速率，或直接提取數(shù)量較大的類間轉(zhuǎn)移［6－8］。然而，這種傳統(tǒng)的分析方法只能對轉(zhuǎn)移矩陣做概括性的分析，往往不能深入挖掘LUCC的內(nèi)部轉(zhuǎn)移信息。比如凈變化為零不一定意味著缺少變化;類間轉(zhuǎn)移大不一定是最具系統(tǒng)性的轉(zhuǎn)移，因為較大地類之間的轉(zhuǎn)移量即使很大也有可能是隨機過程。因此，區(qū)別系統(tǒng)和隨機轉(zhuǎn)移應(yīng)該同時考慮轉(zhuǎn)移量和各地類本身的數(shù)量［10］。轉(zhuǎn)移矩陣中對角線上的值是各種地類未發(fā)生變化的面積，該不變量通常要遠大于轉(zhuǎn)移面積，即使在很多被認為變化劇烈的區(qū)域也是如此［9－11］。不變量能夠反映地類本身的信息，通常承載著重要的LUCC信息。因此，利用統(tǒng)計方法深入分析不變量對LUCC研究具有重要意義。新增量和流失量的計算以及凈變化量和交換變化量的計算都會使用該不變量。各地類的持續(xù)性特征的評判以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機轉(zhuǎn)移的區(qū)分都離不開不變量隱藏的信息。

通常，從引起LUCC的原因角度考慮，隨機轉(zhuǎn)移是指那些偶爾發(fā)生的、獨特的變化過程［12，13］。隨機轉(zhuǎn)移通常是由突發(fā)性的驅(qū)動因素相互作用引起的，比如自發(fā)性移民、整體經(jīng)濟環(huán)境變化、地權(quán)丟失以及其他生產(chǎn)因素變化［13－15］。系統(tǒng)轉(zhuǎn)移是指經(jīng)常的、普遍的變化過程，特點是具有連貫性和漸進性。引發(fā)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移的因素主要有人口自然增長、商品化增加、邊緣地帶發(fā)展、公共環(huán)境教育缺乏或土地資源使用權(quán)制度的變化等［6］。就從統(tǒng)計學(xué)的角度區(qū)分隨機和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移而言，Robert等人提出一種方法，通過深入分析轉(zhuǎn)移矩陣的多種要素特別是不變量來確定隨機和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。隨機轉(zhuǎn)移是指某一地類從其他地類獲得的新增量與損失面積的相應(yīng)地類的可用性成比例，或者是一種地類轉(zhuǎn)移為其他地類的流失量與獲得面積的各相應(yīng)地類的大小成比例;如果與這個比例存在很大的偏差，那么就構(gòu)成系統(tǒng)轉(zhuǎn)移［16］。

建立土地利用空間格局和動態(tài)過程之間的聯(lián)系需要深入挖掘LUCC的主要信息［10］。通過檢測統(tǒng)計學(xué)意義上的土地利用隨機轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移可以幫助土地資源研究和管理人員獲知土地利用轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢信息，并借助其他定量或定性的輔助信息深入探究LUCC的原因，從而有針對性地制定出一系列措施，阻止或減小不合理利用對土地資源的沖擊［17］。

北京山區(qū)是市區(qū)的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地，近年來，隨著人口及產(chǎn)業(yè)的陸續(xù)外遷，北京市進入了離心分散的典型城郊化階段［18］。伴隨著建設(shè)用地的擴張，山區(qū)土地利用方式也發(fā)生巨大變化，經(jīng)濟建設(shè)用地和生態(tài)建設(shè)用地矛盾突出。為此，本文介紹了一種能深入挖掘土地利用變化優(yōu)勢信息的有效方法，探討了北京山區(qū)土地利用變化中的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換和隨機性轉(zhuǎn)換，以期為該區(qū)的土地資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市地處 39°28'～41°05'N、115°25'～117°30'E，位于華北平原的西北邊緣。全市土地總面積為1．68 萬 km2，以山地居多，約1．04 萬 km2，占總面積的62%。北京市西部、北部和東北部三面環(huán)山，東南部為平原，平原區(qū)是耕地和建設(shè)用地的集中地區(qū)。整個北京市的地勢走向為西北高、東南低。北京山區(qū)主要分布于房山、延慶、密云、懷柔、昌平、平谷、門頭溝等遠郊區(qū)縣以及海淀區(qū)個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本文所研究的山區(qū)是指海拔高于100 m的地區(qū)。山區(qū)處于北京市上風(fēng)、上水地區(qū)，是市區(qū)的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地，其擔(dān)負的城市生態(tài)補給功能是城市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，由于城市人口和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，北京山區(qū)土地利用方式發(fā)生了巨大變化。

2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

2．1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及處理

本研究所用到的LUCC數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所國土資源遙感研究室建立的多期全國1∶10萬土地利用矢量數(shù)據(jù)庫。具體制作過程和分類標(biāo)準(zhǔn)請參考劉紀(jì)遠等所著的文獻［2，19］，在此不再贅述。根據(jù)研究的需要，耕地、水域、建設(shè)用地和未利用地采用一級類型，林地和草地采用二級類型。林地的二級分類分為:有林地(指郁閉度＞30%的天然林和人工林)、灌木林(指郁閉度＞40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地)、疏林地(指郁閉度為10% ～30%的稀疏林地)、其他林地(指未成林造林地、跡地、苗圃及各類園地等)。草地的二級分類分為:高覆蓋度草地(指覆蓋度＞50%的天然草地、改良草地和割草地)、中覆蓋度草地(指覆蓋度在20%～50%的天然草地和改良草地)、低覆蓋度草地(指覆蓋度在5% ～20%的天然草地)。本研究從該數(shù)據(jù)庫中提取了北京市山區(qū)1985年和2005年兩期土地利用數(shù)據(jù)(圖1)。運用ArcGIS軟件將兩期數(shù)據(jù)進行疊加分析，獲得土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表1)。

圖1 北京山區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖Fig．1 Land use maps of the mountainous area of Beijing

表1 北京山區(qū)1985～2005年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣Tab．1 Land use transition matrix in the mountainous area of Beijing during 1985 ～2005 (%)

2．2 研究方法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣一般都是采用表2的格式。表中，t表示時間，Cij表示由地類i轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓的面積，Cjj(即當(dāng)i=j時)表示地類i保持不變的面積。

表2 比較兩個時期土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣Tab．2 General transition matrix for comparing two maps from different points in time

2．2．1 土地利用變化概述

從流失量、新增量、凈變化量、交換變化量和總變化量等5個變量概述了 LUCC。其中流失量(Ci+－Cii)和新增量(C+j－Cjj)可以直接從矩陣中獲取。

凈變化量表示t1～t2期間各地類面積變化，其絕對值可用公式(1)計算，即

式中，Nj表示地類j的凈變化量。當(dāng)某一地類Nj=0時，并不一定說明無變化。因為該地類在某一位置流失土地同時在另一位置可能會獲得土地，這種變化信息可以用交換變化量來說明，即

式中，Sj表示地類j的交換變換量，可用來表示t1～t2期間各地類在位置上的變化。當(dāng)凈變化為零時，交換變化量等于流失量或新增量的兩倍。

凈變化量與交換變化量共同構(gòu)成土地利用的總變化量，即

式中，Cj表示地類j的總變化量。

2．2．2 土地利用類型的持續(xù)性

轉(zhuǎn)移矩陣中對角線上的未變量Cjj在各地類中都占有很大的比例，承載著重要信息。因此Braimo提出一種方法［17］，利用各地類的未變量并結(jié)合流失量、新增量以及凈變化量來闡述各地類的持續(xù)性。即用Lp=流失量/未變量、Gp=新增量/未變量以及Np=凈變化量/未變量3個比值來評價不同地類的持續(xù)特征。

2．2．3 隨機轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移

用統(tǒng)計方法來區(qū)分系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機轉(zhuǎn)移需要同時考慮類間轉(zhuǎn)移數(shù)量和各地類本身數(shù)量。該計算過程可分為 4 步［10］。

首先，計算各地類的期望新增頻數(shù)(用Gij表示)，即在隨機增加過程中，新增地類j來自地類i的期望頻數(shù)，即

式中假定t2各地類的新增量和所占面積百分比都是先驗的，然后依據(jù)t1其他地類的相對百分比將實測新增量分布在其他地類上，即得各地類的期望新增頻數(shù)。

第二步是計算隨機增加過程中實際轉(zhuǎn)換量和期望新增頻數(shù)的差值，即Cij－Gij。通過二者的對比來發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢信息，如果差值Cij－Gij等于或接近于零，表明該轉(zhuǎn)換為隨機轉(zhuǎn)換;若差值Cij－Gij偏離零值較遠，則表明該轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

然后，計算各地類的期望流失頻數(shù)(用Lij表示)，即在隨機減少過程中，地類i流失到地類j的期望頻數(shù)，即

式中假定各地類的流失量都是固定的，依據(jù)t2其他地類的相對百分比將實測流失量分布在其他地類上，即得各地類的期望流失頻數(shù)。

最后，計算隨機減少過程中實際轉(zhuǎn)換量和期望流失頻數(shù)的差值，即Cij－Lij。與第二步相似，若差值Cij－Lij等于或接近于零，表明該轉(zhuǎn)換為隨機轉(zhuǎn)換;若差值Cij－Lij偏離零值較遠則表明該轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果分析

3．1 土地利用變化概述

表3概括了各地類的面積百分比、新增、流失、凈變化、交換變化和總變化。

表3 北京山區(qū)1985～2005年土地利用變化Tab．3 Summary of Land －use changes in the mountainous area of Beijing during 1985～2005 (%)

由表3可知，林地是北京山區(qū)的優(yōu)勢類型，其中有林地和灌木林占絕對優(yōu)勢;耕地、疏林地和高覆蓋度草地占一定的比例;剩余所有地類共占10%左右，為該區(qū)的劣勢地類。全部地類中只有其他林地、建設(shè)用地和水域的新增量大于流失量，其他地類反之。耕地的流失量最大，主要流失為其他林地和建設(shè)用地，原因是種植果園、城鎮(zhèn)擴張及工礦用地增加;耕地的新增量小于流失量，新增地主要來自高覆蓋度草地和其他林地。高覆蓋度草地的流失量排第二位，主要轉(zhuǎn)化為耕地和水域，原因是開荒造田和水域的季節(jié)性及年際變化;高覆蓋草地的新增量小于流失量，新增用地主要來自耕地和疏林地。其他林地的新增量最大，新增地主要來自耕地，其次是灌木林、疏林地和有林地;而流失的其他林地主要轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地。建設(shè)用地的新增量居于第二位，新增量遠大于流失量，新增用地主要是占用耕地。水域的新增量較大，主要是由于降水的季節(jié)性和年際變化導(dǎo)致的。有林地、灌木林、疏林地和高覆蓋度草地的新增與流失都有一定數(shù)量，但是占相應(yīng)地類的比例很小。中、低覆蓋度草地的新增和流失量都很小。在所有變化中，灌木林和有林地是以交換變化為主，交換變化較大，在總變化中的比例分別為85．93%和82．27%，凈變化占總變化的比例很小，這些特點說明該地物類型在空間位置上轉(zhuǎn)移頻繁而凈數(shù)量上變化不大;高、中覆蓋度草地和未利用地的交換變化和凈變化所占比例接近，說明空間位置轉(zhuǎn)移量和凈數(shù)量變化相當(dāng);剩余其他地物類型的位置轉(zhuǎn)移量都很小。在總景觀變化中交換變化占總變化的32．98%，說明該區(qū)域土地利用動態(tài)是以凈數(shù)量變化為主，空間位置轉(zhuǎn)移次之。

3．2 土地利用類型的持續(xù)性

表1中對角線上的數(shù)值是研究期內(nèi)各地類靜止不變部分，所有未變量之和高達93．55%，占絕對優(yōu)勢。Gp＞1表明動態(tài)變化過程中該地類新增面積大于持續(xù)不變的面積［11］。該研究區(qū)中只有其他林地的Gp＞1，建設(shè)用地的比值也很大，說明該區(qū)域的其他林地和建設(shè)用地傾向于新增土地;而其余所有地類的Gp值都很小，說明剩余地類動態(tài)變化過程中更傾向于靜止不變，而不是新增(表4)。Lp用來評價一種地類轉(zhuǎn)移過程中的脆弱性，Lp＞1表明該地類更傾向于轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡惗皇莾A向于保持不變［11］。該區(qū)所有地類的Lp值都小于1，說明所有地類更傾向于保持不變，而不是流失。雖然其他林地在整個區(qū)域中只占4．64%(2005年)，但是其Np值最大且大于1，表明該地類的凈增面積大于持續(xù)不變量。建設(shè)用地占總面積的比例不大，但Np值很大，凈增量是其持續(xù)不變量的63%。水域的Np值為正且較大。耕地的Np值為負值且絕對值最大，表明耕地的流失程度最大。剩余其他地類的Np值或正或負，絕對值都比較小，說明凈變化量與持續(xù)不變量相比而言都非常小。

表4 1985～2005年各地類的G p、L p及N p值Tab．4 G p，L p and N p of land classes during 1985 ～2005

3．3 隨機轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移

表5中列出的是實際轉(zhuǎn)換量和期望新增頻數(shù)的差值。

表5 隨機增加過程中實際轉(zhuǎn)換量和期望新增頻數(shù)的差值Tab．5 Difference between the observed landscape transitions and the expected gains (%)

由表5可知，在向耕地的轉(zhuǎn)換過程中，對于高覆蓋度草地→耕地、其他林地→耕地的轉(zhuǎn)換，實際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值分別為0．27%和0．10%，這表示在其他地類變?yōu)楦氐倪^程中，高覆蓋度草地和其他林地向耕地轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換，耕地系統(tǒng)性的從高覆蓋度草地和其他林地中獲得的面積分別占總景觀的0．35%和0．12%(表1);對于有林地→耕地、灌木林→耕地的轉(zhuǎn)換，實際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值分別為－0．26%和－0．11%，該差值為負但絕對值卻很大，這表明耕地增加時會系統(tǒng)性的防止從有林地和灌木林獲得土地。當(dāng)有林地增加時，所有實際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值中，只有灌木林向有林地轉(zhuǎn)換的差值(－0．06%)絕對值較大，這表示當(dāng)有林地增加時會系統(tǒng)性的防止從灌木林獲得土地。同理，當(dāng)灌木林增加時，會系統(tǒng)性的從高覆蓋度草地和疏林地獲得土地，而系統(tǒng)性的防止從有林地和耕地獲得面積。當(dāng)疏林地增加時，會系統(tǒng)性的從高覆蓋度草地獲得土地，而系統(tǒng)性的防止從有林地獲得面積。當(dāng)其他林地增加時，會系統(tǒng)性從耕地和疏林地獲得面積，而且從耕地→其他林地轉(zhuǎn)換的差值(1．13%)來看，耕地→其他林地的轉(zhuǎn)換具有極強的轉(zhuǎn)換優(yōu)勢;同時，其他林地增加時會系統(tǒng)性的防止從有林地、灌木林、高覆蓋度草地、水域和建設(shè)用地獲得土地。高覆蓋度草地增加時會系統(tǒng)性從疏林地和耕地獲得面積，而防止從有林地獲得土地。水域增加時會系統(tǒng)性的從耕地和高覆蓋度草地獲得面積，而防止從有林地和灌木林獲得土地。建設(shè)用地增加時會系統(tǒng)性的從耕地獲得土地，而且從實際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值(0．99%)來看，耕地→建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換具有很強的轉(zhuǎn)換優(yōu)勢;同時，建設(shè)用地增加時會系統(tǒng)性的防止從有林地、灌木林、疏林地和高覆蓋度草地獲得土地。表5中剩余的其他轉(zhuǎn)換，實際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值都接近于零，因此更傾向于隨機轉(zhuǎn)換。

表6中列出的是實際轉(zhuǎn)換量和期望流失頻數(shù)的差值，如果差值接近于零，表示該轉(zhuǎn)換為隨機轉(zhuǎn)換;如果差值偏離零值較遠，表明該轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)耕地減少時，對于耕地→其他林地、耕地→建設(shè)用地和耕地→水域的轉(zhuǎn)換，實際轉(zhuǎn)換量與期望流失頻數(shù)的差值分別為1．35%、1．09%和0．19%，這表明耕地系統(tǒng)性的流失為其他林地、建設(shè)用地和水域;同理耕地會系統(tǒng)性的防止流失為有林地、灌木林、疏林地和高覆蓋度草地;有林地會系統(tǒng)性的流失為其他林地，而系統(tǒng)性的防止流失為灌木林和高覆蓋度草地;灌木林會系統(tǒng)性的流失為其他林地，而系統(tǒng)性的防止流失為有林地;疏林地會系統(tǒng)性的流失為其他林地和高覆蓋度草地，而系統(tǒng)性的防止流失為有林地和耕地;其他林地會系統(tǒng)性的流失為耕地和建設(shè)用地，而系統(tǒng)性的防止流失為有林地;高覆蓋度草地會系統(tǒng)性的流失為水域、耕地和其他林地，而系統(tǒng)性的防止流失為有林地和灌木林。對于表6中的其他轉(zhuǎn)換實際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值都接近于零，因此更傾向于隨機轉(zhuǎn)換。

表6 隨機減少過程中實際轉(zhuǎn)換量和期望流失頻數(shù)的差值Tab．6 Differences between observed landscape transitions and the expected losses (%)

從同時發(fā)生的系統(tǒng)性增加和系統(tǒng)性減少(表5和表6)推斷出土地利用變化的優(yōu)勢信息有:高覆蓋度草地和其他林地轉(zhuǎn)換為耕地(分別占總景觀面積的0．35%和0．12%);耕地和疏林地轉(zhuǎn)換為其他林地(分別占總景觀面積的1．53%和0．27%);疏林地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地(占總景觀面積的0．12%);耕地和高覆蓋度草地轉(zhuǎn)換為水域(分別占總景觀面積的0．28%和0．24%);耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地(占總景觀面積的1．24%)。

以上結(jié)果表明，耕地增加的土地主要是從高覆蓋度草地和其他林地獲得，而且這種轉(zhuǎn)換具有較強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢;有林地、灌木林和疏林地等林地也有一定的面積流失為耕地，但是這種流失方向是系統(tǒng)性的防止，也就是說耕地不會將林地作為獲得土地的靶區(qū)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民更傾向于將高覆蓋度草地和果園(其他林地在北京山區(qū)主要是果園)開墾為耕地。其原因可能是通常情況下草地要比林地易于開墾，而果園和耕地之間的轉(zhuǎn)換比較頻繁。其他林地的增加主要是以占用耕地為主，且這種占用具有很強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，這主要是城市居民生活水平的提高和飲食習(xí)慣的改善，對果品的需求增大以及對商品生產(chǎn)和經(jīng)濟活動欠發(fā)展的地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展有一定貢獻所致［20］。有林地、灌木林和疏林地等轉(zhuǎn)換為其他林地的面積相差不大，但是只有疏林地向其他林地的轉(zhuǎn)換具有很強的轉(zhuǎn)換優(yōu)勢。從表5、表6實際轉(zhuǎn)換量與期望轉(zhuǎn)換頻數(shù)的差值可以得出其他林地系統(tǒng)性的防止從有林地和灌木林獲得土地，而有林地和灌木林會系統(tǒng)性的流失為其他林地。這說明有林地和灌木林向其他林地的轉(zhuǎn)換不具有很強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，雖然前兩者很適合種植其他林地，但當(dāng)?shù)剞r(nóng)民更傾向于在坡度平緩、距離居民點近的疏林地上種植。雖然耕地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地(0．14%)的面積大于疏林地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地(0．12%)的面積，但后者具有很強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，這一方面反映林草交錯帶的景觀穩(wěn)定性較差;另一方面是由于人為破壞，開發(fā)利用過程中造成林地質(zhì)量下降，退化為草地，因此應(yīng)該加大北京山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護力度。而耕地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地時，實際轉(zhuǎn)換量與期望轉(zhuǎn)換頻數(shù)的差值正負相反且差值較大(見表5、表6)，表5說明高覆蓋草地系統(tǒng)性的從耕地獲得土地，表6說明耕地系統(tǒng)性的防止流失為高覆蓋度草地，這一方面說明耕地→高覆蓋度草地轉(zhuǎn)換不具有很強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢;另一方面說明當(dāng)?shù)剞r(nóng)民極力阻止耕地淪為草地。耕地和高覆蓋度草地向水域的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在水庫周邊，一方面是由于降水的季節(jié)性及年際變化，另一方面是由于兩期影像時相不一致。耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的面積很大(1．24%)，且其實際轉(zhuǎn)換量與期望轉(zhuǎn)換頻數(shù)的差值表明該轉(zhuǎn)換具有很強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢。表5表明建設(shè)用地會系統(tǒng)性從耕地獲得土地，而系統(tǒng)性的防止從有林地、灌木林、疏林地和高覆蓋度草地獲得土地;表6表明耕地和其他林地會系統(tǒng)性的流失為建設(shè)用地，灌木林、疏林地和高覆蓋度草地流失為建設(shè)用地不具有很強的轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，但也表現(xiàn)出一定的傾向性。這反映了建設(shè)用地邊緣區(qū)的耕地是其擴展的首選地，同時，工礦用地、旅游休閑用地和有產(chǎn)階級首選的“第二住宅”購買地等占用山區(qū)林地的現(xiàn)象也相當(dāng)普遍［21，22］。

4 結(jié)論

(1)本文首先利用傳統(tǒng)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析方法，獲得研究區(qū)各土地類型的凈變化量及各地類之間相互轉(zhuǎn)移的面積。據(jù)此可知北京山區(qū)各土地類型的凈變化量都很小，即在時間上變化量都不大。由類間轉(zhuǎn)移面積推斷出土地利用類型轉(zhuǎn)移的主要方向是:耕地轉(zhuǎn)化為其他林地、建設(shè)用地和水域，有林地、灌木林和疏林地轉(zhuǎn)換為其他林地，高覆蓋度草地轉(zhuǎn)換為耕地、灌木林、其他林地和水域。然而，只對轉(zhuǎn)移矩陣做概括性的分析，不能充分挖掘出土地利用變化的內(nèi)部轉(zhuǎn)移信息。

(2)通過深入分析土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，獲得了更深層次的土地利用變化信息:首先，由交換變量可知北京山區(qū)各土地利用動態(tài)是以凈數(shù)量變化為主，空間位置轉(zhuǎn)移次之;其次，由土地利用類型的持續(xù)性可知該區(qū)域除其他林地和建設(shè)用地外，各土地類型更傾向于靜止不變，但這并不說明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，該值只能反映該土地利用分類系統(tǒng)下各地類數(shù)量上的穩(wěn)定性，而不能反映各地類內(nèi)部質(zhì)量上的穩(wěn)定性，因此還需要各相關(guān)學(xué)科從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上作進一步研究。

(3)采用統(tǒng)計學(xué)方法將土地利用轉(zhuǎn)移過程中的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機轉(zhuǎn)移進行區(qū)分，該方法充分利用了各地類間的轉(zhuǎn)移量和持續(xù)不變量所承載的信息。最終獲得該區(qū)域的優(yōu)勢轉(zhuǎn)換信息為:高覆蓋度草地和其他林地轉(zhuǎn)換為耕地，耕地和疏林地轉(zhuǎn)換為其他林地，疏林地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地，耕地和高覆蓋度草地轉(zhuǎn)換為水域，耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。傳統(tǒng)方法中獲得主要轉(zhuǎn)移方向中耕地轉(zhuǎn)換為水域、有林地和灌木林轉(zhuǎn)換為其他林地、高覆蓋度草地轉(zhuǎn)換為灌木林、其他林地不具有系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢。其他林地轉(zhuǎn)換為耕地、疏林地轉(zhuǎn)換為高覆蓋度草地雖然不具有數(shù)量上的轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，但該轉(zhuǎn)換屬于很強的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換。

從統(tǒng)計學(xué)的角度，快速挖掘區(qū)域土地利用變化中的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機轉(zhuǎn)移，提取最具系統(tǒng)優(yōu)勢的土地利用轉(zhuǎn)移信息，方法簡單有效，可幫助科研人員將土地利用格局和變化過程聯(lián)系起來，深入探究土地利用變化的驅(qū)動因素和機制，從而有針對性地制定出一系列措施，優(yōu)化土地利用模式。

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(責(zé)任編輯:李 瑜)

Random and Systematic Land－use Transitions in Mountainous Area of Beijing

WEI Xian － hu1，2，ZHANG Zeng － xiang1，HU Shun － guang1，2，LIU Fang1，2
(1．Remote Sensing Application Institute，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;2．Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China)

As an important part of Beijing’s suburbs，the mountainous area of Beijing has both the characteristics of metropolitan suburbs and the features of mountains，and so its land use pattern is different from other areas．Based on statistics，the authors separated land－use transformations of the mountainous area of Beijing to random and systematic transitions through an in－depth analysis of land use transition matrix．A land－use transition is random if a land－use category gains from other categories in proportion to the availability of those other losing categories，or if a category loses to other categories in proportion to the size of those other gaining categories．Any large deviation from those proportions is referred to as a systematic transition．From the concurrent incidence of systematic gains and losses，it is concluded that the most dominant signals of change find expression in the following aspects:the conversion of higher coverage grassland and other woodland to cropland，the conversion of cropland and sparse woodland to other woodland，the conversion of sparse woodland to higher coverage grassland，the conversion of cropland and higher coverage grassland to water areas and the conversion of cropland to built－up areas．The transition areas from cropland to other woodland and built－ up areas are relatively large and have obvious advantages for systematic transitions．While the areas of transitions from other woodland to cropland and from sparse woodland to higher coverage grassland are relatively small，the transitions are still attributed to dominant signals of change．This method is simple and practical and enables scientists to focus their research on the most important land transitions，which will help in linking patterns to processes and in management of land resources．

Land use change;Systematic transitions;Random transitions;Mountainous area of Beijing

魏顯虎(1978－)，男，博士研究生，主要從事遙感圖像處理、國土資源與生態(tài)環(huán)境遙感研究。

TP 79;P 271

A

1001－070X(2010)04－0077－08

2009－11－27;

2010－01－05

國家科技支撐計劃課題“水土保持調(diào)節(jié)功能時空數(shù)據(jù)集成與分析”(編號:2006BAC08B0405)。