重慶山地都市區(qū)1985－2010年土地利用重心遷移研究

周啟剛，陳 丹，陳 倩

（重慶工商大學 旅游與國土資源學院，重慶400067）

土地利用是人類基于社會經(jīng)濟目的，對土地進行長期經(jīng)營的各類活動。我國地形起伏大，人地關系矛盾突出，土地資源的合理利用長期以來一直是學者們研究的熱點與焦點之一［1－3］。其中，土地利用重心的研究有助于發(fā)現(xiàn)人類改造和利用土地的軌跡，揭示一定區(qū)域內(nèi)土地、社會、經(jīng)濟空間差異規(guī)律與機理。國內(nèi)學者針對土地利用重心進行了大量相關研究，特別是土地利用類型在地形梯度上的分異特征、地形對土地利用程度的影響、土地利用變化與地形分布關系以及土地利用過程中各類重心的轉(zhuǎn)移等［4－7］。高志強等［8］在研究我國耕地面積重心時建立了耕地面積重心模型；萬軍等［9］在關嶺縣土地利用／土地覆被變化研究中對這方面做了有益的嘗試。大量的土地利用重心變化前期研究，多以單一的平面空間布局變化為主，或單獨分析垂直重心和坡度重心；并多以自然流域、區(qū)縣、省等為具體范圍的土地利用為研究對象；而對人地矛盾最為突出的城市區(qū)域研究相對較少，特別是典型山地城市研究相對比較缺乏。

重慶市都市區(qū)是典型的山地城市區(qū)，城市擴展受地形影響突出，人地矛盾劇烈。本研究以重慶市都市區(qū)1985—2010年土地利用為研究對象，利用垂直重心模型、坡度重心模型、平面空間重心模型，結合各類重心遷移的速率，從五維的時空觀分析近25 a來該區(qū)土地利用變化在地形上和空間上的分布差異。以期為城市規(guī)劃和土地利用政策制定提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

重慶是我國重要的中心城市，也是長江上游地區(qū)的經(jīng)濟中心，國家重要的現(xiàn)代制造業(yè)基地，西南地區(qū)綜合交通樞紐。根據(jù)1998年國務院批準實施的《重慶市城市總體規(guī)劃（1996－2020年）》，重慶都市區(qū)范圍包括渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、南岸區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)9個行政區(qū)，面積5 473 k m2，2011年常住人口772.31萬人。區(qū)內(nèi)平均海拔高差大，兩大山系穿越城區(qū)，即穿越城市東部的銅鑼山系（包括銅鑼山、明月山）和西部的中梁山系（包括中梁山、歌樂山），并在沙坪壩區(qū)、北碚區(qū)之間，璧山縣、九龍坡區(qū)之間，以及南岸區(qū)、巴南區(qū)之間形成峽谷，從而使得該區(qū)具有典型山地特征。

自重慶成為直轄市以來，重慶市都市區(qū)經(jīng)濟得到了長足發(fā)展，近年來，都市區(qū)內(nèi)大部分經(jīng)濟指標已超過部分沿海城市。由于經(jīng)濟飛速發(fā)展，城市人口迅猛增加，都市區(qū)建成區(qū)面積急劇擴展，加之區(qū)內(nèi)兩江穿越，兩山縱橫，人地矛盾非常劇烈。重慶都市區(qū)由于地形復雜、經(jīng)濟發(fā)展迅速，將其作為土地利用變化研究的典型區(qū)，能夠很好地揭示土地利用變化過程的規(guī)律性和存在的問題。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用美國陸地衛(wèi)星T M遙感數(shù)據(jù)，包括1985年，1988年 ，1993年 ，1996年，2000 年，2002 年，2007年和2010年8期影像，1，2，3，4，5，7波段空間分辨率為30 m，第6波段空間分辨率為120 m；重慶市1∶5萬DEM數(shù)據(jù)和相關社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 遙感數(shù)據(jù)處理 首先對多期不同時像遙感數(shù)據(jù)進行一系列預處理，包括影像輻射校正和幾何校正。經(jīng)幾何校正后，不同時像數(shù)據(jù)的空間位置偏差控制在0.5個像元以內(nèi)。所有影像統(tǒng)一采用Al bers投影，中央經(jīng)線105°，雙標準緯線采用25°和47°。

2.2.2 土地利用分類與解譯 利用T M影像4，3，2波段組合形成假彩色影像圖，作為土地利用分類工作底圖。采用計算機自動分類和目視判讀相結合的方法，對遙感影像進行分類解譯。土地利用分類采用中國科學院“八五”期間“國家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查、動態(tài)分析與遙感技術前沿的研究”項目中所制定的分類體系，將土地利用類型劃分為六個一級類，即耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地［10］。

2.2.3 坡度數(shù)據(jù)與高程數(shù)據(jù)的獲取 利用收集到的研究區(qū)1∶5萬數(shù)字DEM模型，在Arc GIS 10.0空間分析模塊下，生成網(wǎng)格大小為25 m的柵格坡度數(shù)據(jù)；利用區(qū)域統(tǒng)計功能，提取各土地利用圖斑坡度數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用垂直重心模型 土地利用垂直重心變化表達的是土地利用在高程上的變化，能夠揭示土地利用在海拔高度上的變化。本研究主要參考了萬軍等［11］對土地利用垂直重心模型的研究成果。采用的計算模型為：

式中：Hk——k類土地利用類型垂直重心高度；Aki——k類土地利用類型中圖斑i的面積；Eki——k類土地利用類型中圖斑i對應范圍內(nèi)的平均高程值；n——研究區(qū)域k類土地利用類型圖斑數(shù)；Ak——k類土地利用類型總面積。

2.3.2 土地利用坡度重心模型 土地利用坡度重心變化表達的是土地利用在坡度上的變化，能揭示土地利用在坡度上的變化和對自然坡度的改造能力。本研究采用的土地利用垂直重心模型如下：

式中：Tk——k類土地利用類型坡度重心；Aki——k類土地利用類型中圖斑i的面積；Ski——k類土地利用類型中圖斑i對應范圍內(nèi)的平均坡度值；n——研究區(qū)域k類土地利用類型圖斑數(shù)；Ak——k類土地利用類型總面積。

2.3.3 土地利用平面重心模型 平面重心遷移主要表達的是土地利用在平面空間位置的變化。利用平面重心模型計算各土地利用類型在平面坐標下不同時期重心位置，從而分析地理二維空間內(nèi)各時期重心位移，揭示土地利用的空間變化過程。土地利用平面重心計算模型為［11］：

式中：Xk——k類土地利用類型重心 X坐標值；Yk——k類土地利用類型重心 Y 坐標值；Aki——k類土地利用類型中圖斑i的面積；Xki——k類土地利用類型中圖斑i對應范圍內(nèi)X坐標的平均值；Yki——k類土地利用類型中圖斑i對應范圍內(nèi)Y坐標的平均值；Ak——k類土地利用類型總面積。

2.3.4 土地利用重心遷移速率 土地利用重心遷移速率能更直接揭示各土地利用類型空間變化速度。本研究采用的重心遷移速率計算模型如下［11］：

式中：Vk——k類土地利用垂直重心或坡度重心遷移速率；Bk（t2），Bk（t1）——k類土地利用類型在t2和t1兩個時間段的垂直重心或坡度重心值；t2，t1——截止時間和起始時間；Pk——k類土地利用平面重心遷移速率；xk，yk——t時間k類土地利用重心X，Y 坐標值。

3 結果與分析

3.1 重慶都市區(qū)1985－2010年垂直重心遷移

利用公式（1）和公式（4）進行計算，分別得到1985—2010年重慶都市區(qū)各土地利用類型垂直重心分布圖（圖1）和垂直重心遷移速率（表1）。

從圖1可以看出，重慶都市區(qū)各土地利用類型垂直重心分布范圍有明顯的差異，呈現(xiàn)出較為明顯的垂直地帶性。水域垂直重心最低，主要集中在180～230 m間；其次是建設用地，分布高程集中在280～300 m間；耕地重心主要其中在350～380 m間；林地、草地和未利用地垂直重心分布高程范圍最高，超過480 m，且三者間分布范圍交叉性較突出。

圖1 重慶都市區(qū)各地類垂直重心分布

各地類垂直重心變化過程也具有一定的差異性。水域垂直重心在時間上總體變化不大，最為穩(wěn)定；區(qū)內(nèi)長江和嘉陵江水域面積巨大，是水域垂直重心穩(wěn)定的主要原因。耕地垂直重心變化總體較小，從1985至2010年具有向高海拔遷移的趨勢；主要由于區(qū)內(nèi)地形起伏較大，低海拔平坦耕地區(qū)域隨經(jīng)濟發(fā)展擴展為建設用地。建設用地垂直重心在2000年的遷移過程較為明顯，也具有向高海拔遷移的趨勢；表明在2000年前，城市擴展主要占用低海拔平地，2000年后，隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市空間繼續(xù)向較高海拔區(qū)域擴展。草地、林地和未利用地垂直重心變化具有階段性，以1996年和2000年為分界線；1985—1996年，由于城市的擴展，經(jīng)濟的發(fā)展，草地、林地和未利用地垂直重心向高海拔遷移；1996—2000年間，由于大范圍實施退耕還林還草工程，草地、林地和未利用地垂直重心經(jīng)歷迅猛下降過程；2000年后，由于耕地、建設用地等向較高海拔擴展，草地、林地和未利用地垂直重心再次向高海拔區(qū)域遷移（圖2）。

表1 重慶都市區(qū)各地類垂直重心遷移速率 m／a

1985—2010年間，重慶都市區(qū)各土地利用類型垂直重心遷移速率和方向有較大的差異。從總體上看，只有水域的垂直重心以平均每年0.3 m的速度下降，其它地類的垂直重心均以一定速度上升；其中平均上升速度最快的是未利用地，其次是建設用地，林地、草地和耕地上升速度較慢。

各地類在不同時期垂直重心遷移速度與方向也有較大的差異。耕地總體遷移速率最小，1996—2000年間，大范圍實施退耕還林還草工程，使得這一時期的耕地垂直重心以每年0.75 m的速度下降，而后幾年的發(fā)展中一直處于上升狀態(tài)；建設用地的垂直重心幾乎一直以一定速度保持逐年上升的趨勢；林地在1996—2000年間的垂直重心也在以一定的速度上升，且漲幅較為明顯；草地總體遷移速率較小，1985—1996年期間，草地的垂直重心一直以一定速率處于下降趨勢，在1996—2000年期間以平均每年0.47 m的速度上升；未利用地由于面積較小，垂直重心遷移速率呈現(xiàn)出較大的波動（表1）。

3.2 重慶都市區(qū)1985－2010年坡度重心遷移

利用公式（2）和公式（4）進行計算，分別得到1985—2010年各土地利用類型坡度重心分布圖（圖2）和遷移速率（表2）。

圖2 重慶都市區(qū)各地類坡度重心分布

從圖2可以看出，重慶都市區(qū)各土地利用類型坡度重心分布同樣呈現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性。水域、建設用地和未利用地在坡度重心分布趨勢上基本一致，主要受到政策、經(jīng)濟以及城市擴展的影響；水域坡度重心最低，主要集中在5°以下，且在2002年至2007年間出現(xiàn)了較為明顯的上升趨勢，主要是由于期間三峽庫區(qū)蓄水，水域沿海拔向上擴展所致；其次是建設用地，分布坡度集中在5°～10°之間，由于重慶地處山地，平坦土地無法滿足城市擴展的需要，直接導致1985—2010年間，建設用地坡度重心逐步上移，占用或改造較陡坡度的土地；耕地和未利用地主要集中在10°～15°之間，這兩種用地類型交叉性較突出，耕地坡度重心在1996年后有明顯的下降趨勢，其主要原因是＞25°陡坡耕地實施還林還草；草地和林地坡度重心主要分布在20°左右，草地、林地坡度重心在分布上也呈現(xiàn)出交叉性，2000年之后的林地和草地在垂直重心上向高海拔遷移，但坡度重心卻呈現(xiàn)下降趨勢，表明在退耕還林還草工程的驅(qū)使下，相對較緩坡度上分布的林地和草地增多。坡度重心遷移速率和方向存在較大的差異。從總體上看，只有水域坡度重心以平均每年0.01°的速度下降，草地坡度重心的平均變化速率幾乎為零，其它地類的坡度重心均以很小的速度上升；其中平均上升速度最快的是未利用地，其次是建設用地，林地、草地和耕地上升速度較慢（表2）。這與垂直重心速率的變化規(guī)律基本保持一致，體現(xiàn)了重慶地區(qū)高程與坡度的對應關系。

表2 重慶都市區(qū)各地類坡度重心遷移速率 （°）／a

從耕地、林地和草地三者之間坡度重心的遷移速率可以看出，實施退耕還林還草工程中，坡度級高的耕地主要還原成為草地，導致草地坡度重心上升速度加快；水域的坡度重心在2002年以前一直以一定的速率下降，庫區(qū)從蓄水實施以來水域的坡度重心才以較小的速率回升；建設用地的坡度重心總體上以一定的速率呈現(xiàn)上升趨勢。

3.3 重慶都市區(qū)1985－2010年平面空間重心的變化

利用公式（3）和公式（5）進行計算分別，得到1985—2010年各土地利用類型平面空間重心分布圖（圖3）和遷移速率（表3）。

圖3 重慶都市區(qū)各地類平面空間重心分布

從地類平面空間重心分布圖（圖3）中可以看出，重慶1985—2010年建設用地的平面空間重心變化幅度相對較小，表明近25 a重慶城市化發(fā)展在地理位置上表現(xiàn)為向四周平衡擴展，整體平面空間重心偏移較小，但近幾年有向西北方位大幅度增長的趨勢，主要是江北區(qū)、渝北區(qū)、北碚區(qū)以及沙坪壩區(qū)的城市化發(fā)展速度相對加快，這也是直接受到政策和經(jīng)濟投入的影響所致；其次是林地的平面空間重心變化幅度較小，近幾年平面空間重心逐步向北方大幅度轉(zhuǎn)移，主要是由于重慶東北方位地勢較高，生態(tài)環(huán)境也相對較好，在退耕還林工程的驅(qū)使下，生態(tài)恢復效果更好；耕地平面空間重心有顯著東移的趨勢，主要受北部地區(qū)的城市擴張以及地處重慶東部巴南區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響，近年來，未利用地平面空間重心向南部偏移，符合城市向北方發(fā)展的趨勢；草地平面重心向西南部偏移，而水域向東北方位偏移。

表3 重慶都市區(qū)各地類平面空間重心遷移速率 m／a

建設用地在平面空間重心遷移速率上表現(xiàn)出一定的時間序列規(guī)律，1985—1988年遷移速率相對較快，1988—1993年期間遷移速率減緩，1993—1996年期間遷移速率又相對升高，在之后的時間序列中又出現(xiàn)短期減緩和短期升高的交叉趨勢，這種現(xiàn)象主要受到城市發(fā)展方向和發(fā)展速度的影響，近期由于城市發(fā)展速度加快，城市發(fā)展的方向趨于單方位，直接導致2007—2010年的建設用地平面空間重心遷移速率上升。1996—2000年間退耕工程直接驅(qū)使耕地擴展速度減緩，使耕地在此期間的平面空間重心遷移速率明顯下降。近年來城市發(fā)展速率加快，直接影響林地、耕地和未利用地在平面空間的分布中出現(xiàn)較大變動，2007—2010年間的平面空間重心遷移速率皆呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢。

4 結論與討論

以遙感與GIS技術為支撐，通過對25 a來重慶山地都市區(qū)土地利用的平面、海拔、坡度的重心遷移變化過程進行系統(tǒng)分析，得到如下結論：

（1）重慶都市區(qū)25 a間各地類重心分布空間分異特征明顯。各地類垂直重心分布具有明顯的垂直分異特征；不同地類的坡度重心范圍有明顯的差異；各地類平面重心分布和遷移有明顯的地域特征。

（2）各地類重心空間遷移方向和速度差異明顯。所有地類中，水域總體相對較穩(wěn)定，其重心遷移方向與速度都不大；建設用地與耕地各重心遷移趨勢較為明顯；草地、林地、未利用地重心遷移波動性較大。

（3）建設用地與未利用地需要進一步關注。建設用地垂直重心一直表現(xiàn)為上升趨勢，坡度重心遷移不明顯，表明重慶都市區(qū)城市外延式擴展特征明顯，需要進一步合理規(guī)劃和利用土地；未利用地各重心變化幅度較大，其對社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的影響有待進一步研究。

（4）土地利用重心遷移內(nèi)部機理需結合土地利用結構、空間變化和其它土地利用變化特征與要素，進一步綜合研究重心遷移影響因素、影響過程、變化趨勢及其預測預警。

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