長江上游土地利用變化信息挖掘
——以1980年與2000年為例

魏顯虎，張宗科

(中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

1 引 言

土地利用空間格局是自然和人為因素共同作用結(jié)果的反映，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(jī)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)[1-2]。

轉(zhuǎn)移矩陣能反映土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)量，已被廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)分析方法只對(duì)轉(zhuǎn)移矩陣做概括性分析，往往不能深入挖掘土地利用變化的內(nèi)部轉(zhuǎn)移信息。比如類間轉(zhuǎn)移多并不一定是最具系統(tǒng)性的轉(zhuǎn)移，因?yàn)槊娣e較大地類間的轉(zhuǎn)移即使較多，也可能是隨機(jī)轉(zhuǎn)移。因此，區(qū)別系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機(jī)轉(zhuǎn)移過程應(yīng)同時(shí)考慮地類本身和相互轉(zhuǎn)移面積。一般轉(zhuǎn)移矩陣中對(duì)角線上保持不變的面積要遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)移的面積[3-5]，該不變量能反映各地類本身的信息，承載著重要的土地利用變化信息。因此，利用統(tǒng)計(jì)方法深入分析不變量對(duì)土地利用變化研究具有重要意義。

從引起土地利用變化的原因角度考慮，隨機(jī)轉(zhuǎn)移是指那些偶爾發(fā)生的、獨(dú)特的變化過程，特點(diǎn)是發(fā)生突然、變化迅速[6-7]。比如自發(fā)性移民、整體經(jīng)濟(jì)環(huán)境變化、地權(quán)丟失以及其他生產(chǎn)因素變化等可導(dǎo)致隨機(jī)轉(zhuǎn)移[8-9]。系統(tǒng)轉(zhuǎn)移是指經(jīng)常的、普遍的變化過程，特點(diǎn)是具有連貫性和漸進(jìn)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[4]。然而，如何從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度區(qū)分隨機(jī)轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移？Pontius等人提出一種方法，是通過深入分析轉(zhuǎn)移矩陣的多種要素特別是不變量來確定，即隨機(jī)轉(zhuǎn)移是指某地類從其他不同地類獲得的面積分別與原相應(yīng)流失土地的地類面積呈比例，或者是一種地類流失為其他地類的面積分別與相應(yīng)獲得土地的地類面積呈比例；若比例偏差較大，就構(gòu)成系統(tǒng)轉(zhuǎn)移[10]。

通過檢測統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的土地利用隨機(jī)和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，可以幫助研究和管理人員獲知土地利用轉(zhuǎn)移的優(yōu)勢信息，并借助其他輔助信息深入探究土地利用變化的原因，從而有針對(duì)性地制定措施，阻止或減小不合理利用對(duì)土地資源的沖擊[11]。

長江上游是中下游發(fā)展的重要生態(tài)屏障，近年來，生態(tài)環(huán)境整體有所改善，但局部區(qū)域仍存在生態(tài)平衡失調(diào)。為此，本文介紹了一種能深入挖掘最具優(yōu)勢土地利用變化信息的有效方法，探討了長江上游地區(qū)土地利用變化中的隨機(jī)和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，以期為該區(qū)的土地資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

長江上游指長江干流從源頭至湖北省宜昌段，流域面積100×104km2，占全流域的58.9%，涉及青、藏、云、貴、川、渝、陜、甘、鄂等9省、市、自治區(qū)；人口1.63億，占全流域的40%左右。長江上游地跨中國大地形的第一、二級(jí)階梯，山地丘陵面積占90%以上。地表破碎、坡陡谷深是該地區(qū)的基本地貌特征。長江上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱。由于人類活動(dòng)的加劇，長江流域的生態(tài)環(huán)境負(fù)荷越來越重，流域性生態(tài)安全問題日益受到學(xué)者們的關(guān)注[13-15]。

3 數(shù)據(jù)處理及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所在1980年和2000年LandsatTM影像基礎(chǔ)上經(jīng)人機(jī)交互解譯建立的1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)庫。研究中采用6個(gè)一級(jí)類型：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地(圖1)。運(yùn)用ArcGIS將兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲得土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表1)。

圖1 長江上游的土地現(xiàn)狀圖

3.2 研究方法

表2是土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的一般格式。其中，行(用i表示)為t1時(shí)點(diǎn)土地利用類型，列(用j表示)為t2時(shí)點(diǎn)土地利用類型；Cij(其中i≠j)表示由地類i轉(zhuǎn)變?yōu)榈仡恓的面積百分比，Cjj(即當(dāng)i=j時(shí))表示t1～t2期間地類i保持不變的面積百分比。

3.2.1 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(gè)變量概述了土地利用變化。其中流失量(Ci+-Cii)和新增量(C+j-Cjj)分別表示t1～t2期間各地類減少和增加的量，可以直接從轉(zhuǎn)移矩陣中獲取。

表1 長江上游1980年～2000年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(%)

表2 土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(%)

凈變化量表示t1～t2期間各地類面積上的變化，其絕對(duì)值可用公式(1)計(jì)算，其中Nj表示地類j的凈變化量。

Nj=max(Cj+-Cjj，C+j-Cjj)-min(Cj+-Cjj，C+j-Cjj)=︱C+j-Cj+︱

(1)

當(dāng)凈變化量為零時(shí)，并不一定沒變化。因?yàn)榭赡茉摰仡愒谝坏亓魇恋?，同時(shí)在另一地又獲得土地，該變化信息用交換變化量來說明，可用公式(2)計(jì)算，式中Sj表示地類j的交換變化量。交換變化量可用來表示t1～t2期間各地類在位置上的變化。從公式中可以看出，當(dāng)凈變化為零時(shí)，交換變化量等于流失量或新增量的兩倍。

Sj=2min(Cj+-Cjj，C+j-Cjj)

(2)

新增量與流失量或凈變化量與交換變化量共同構(gòu)成土地利用的總變化量，其計(jì)算如公式(3)所示，式中Cj表示地類j的總變化量。

Cj=Nj+Sj=max(Cj+-Cjj，C+j-Cjj)+min(Cj+-Cjj，C+j-Cjj)

(3)

3.2.2 土地利用類型的持續(xù)性

矩陣對(duì)角線上的Cjj表示未發(fā)生變化的量，未變量在各地類中占有很大比例，承載著重要信息。因此Braimoh提出一種方法，利用未變量并結(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/未變量等3個(gè)比值來評(píng)價(jià)地類的持續(xù)特征。

3.2.3 隨機(jī)轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移

用統(tǒng)計(jì)方法區(qū)分系統(tǒng)和隨機(jī)轉(zhuǎn)移需要同時(shí)考慮類間轉(zhuǎn)移數(shù)量和各地類本身數(shù)量。該計(jì)算過程可分為4步。第1步計(jì)算各地類的期望新增頻數(shù)(用Gij表示)，即在隨機(jī)增加過程中，新增地類j來自地類i的期望頻數(shù)，其計(jì)算如公式(4)所示。

(4)

其中，假定t2時(shí)各地類的新增量和所占面積百分比都是先驗(yàn)的，然后依據(jù)t1時(shí)其他地類的相對(duì)百分比將實(shí)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2步是計(jì)算隨機(jī)增加過程中實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望新增頻數(shù)的差值，即Cij-Gij。通過實(shí)際發(fā)生的變化量與相應(yīng)期望頻數(shù)之間的對(duì)比來發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢信息是統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中常用的方法，例如聯(lián)列表分析中的卡方檢驗(yàn)和邏輯蒂克分析中的ROC檢驗(yàn)。如果差值Cij-Gij等于或接近于零，表明該轉(zhuǎn)換為隨機(jī)轉(zhuǎn)換；若差值Cij-Gij偏離零值較遠(yuǎn)則表明該轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。第3步計(jì)算各地類的期望流失頻數(shù)(用Lij表示)，即在隨機(jī)減少過程中，地類i流失到地類j的期望頻數(shù)，其計(jì)算如公式(5)所示。

(5)

其中，假定各地類的流失量都是固定的，然后依據(jù)t2時(shí)其他地類的相對(duì)百分比將實(shí)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)。第4步是計(jì)算隨機(jī)減少過程中實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望流失頻數(shù)的差值，即Cij-Lij。與第2步相似，若差值Cij-Lij等于或接近于零，表明該轉(zhuǎn)換為隨機(jī)轉(zhuǎn)換；若差值Cij-Lij偏離零值較遠(yuǎn)則表明該轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)果與分析

4.1 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。耕地、林地、草地是該區(qū)優(yōu)勢地類，三者共占總面積的92%以上，無論是新增量、流失量還是總變化量、交換變化量都比其他地類大。水域、建設(shè)用地和未利用地是本區(qū)的劣勢地類，面積小，上述4個(gè)變量也都相對(duì)較小。所有地類中只有草地和建設(shè)用地的新增用地大于流失用地，其他四類用地的新增量小于流失量。林地流失量最大，主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地，原因是林地退化和陡坡開荒；林地新增量小于流失量，新增林地主要來自于草地和耕地。草地新增量居第一位，主要來自于林地退化、休耕地和棄耕地；而流失的草地主要轉(zhuǎn)換為林地和耕地。耕地流失量大于新增量，流失的耕地主要轉(zhuǎn)化為林地和草地，說明部分陡坡實(shí)施的“退耕還林還草”土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整政策取得一定成效；在耕地轉(zhuǎn)化為林地和草地的同時(shí)，又有大量的林地和草地轉(zhuǎn)化為耕地，說明人口增長導(dǎo)致的盲目開墾依然存在。建設(shè)用地增加明顯，主要以占用耕地為主。水域、未利用地和草地相互轉(zhuǎn)換，這主要是由降水的季節(jié)性變化和年際變化導(dǎo)致的，降水多的季節(jié)或年份，這些地區(qū)可能就為湖泊或沼澤，降水少或干旱的季節(jié)或年份，這些地區(qū)就為草地或沙地、鹽堿地等。6種地類的主導(dǎo)變化基本一致，都是以交換變化為主，交換變化在總變化中的比例分別為97.45%(耕地)、96.74%(林地)、95.87%(草地)、86.17%(水域)、59.06%(建設(shè)用地)和98.92%(未利用地)，而凈變化除建設(shè)用地外所占比例都很小。在長江上游土地利用變化中交換變化占總變化的95.69%。這種交換變化大而凈變化小的特點(diǎn)說明該地區(qū)各種地物類型在空間位置上轉(zhuǎn)移頻繁而絕對(duì)數(shù)量上變化不大。

表3 長江上游1980年～2000年土地利用變化概括(%)

4.2 土地利用類型的持續(xù)性

由表1可知所有未變量之和高達(dá)93.73%，占絕對(duì)優(yōu)勢。比值Gp大于1表明動(dòng)態(tài)變化過程中該地類新增面積大于持續(xù)不變的面積。該區(qū)所有地類的Gp值都小于1，說明各地類動(dòng)態(tài)變化過程中更傾向于靜止不變，而不是新增(表4)。比值Lp用來評(píng)價(jià)地類轉(zhuǎn)移過程中的脆弱性，比值Lp大于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。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。雖然建設(shè)用地在整個(gè)區(qū)域中只占0.51%(2000年)，但是其Np值最大，凈增量是其持續(xù)不變量的27.6%。草地的Np值也是正值，其凈增量是持續(xù)不變量的0.5%。其余地類的Np值都為負(fù)，且絕對(duì)值都比較小，說明凈流失量與持續(xù)不變量相比而言都非常小。

表4 1980年～2000年各地類的Gp、Lp和Np值

4.3 隨機(jī)轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移

表5是實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望新增頻數(shù)的差值。對(duì)于林地-耕地和耕地-林地的轉(zhuǎn)換，實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值分別為0.21%和0.11%，這表示耕地和林地之間的轉(zhuǎn)換存在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，耕地系統(tǒng)性的從林地中獲得的土地占總面積的0.82%，林地系統(tǒng)性的從耕地中獲得的土地占總面積的0.81%(表2)。該信息說明耕地的擴(kuò)大主要是以占用林地為主，陡坡開荒還很嚴(yán)重；毀林開荒和退耕還林并存。對(duì)于林地-草地和草地-林地的轉(zhuǎn)換，實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值分別為0.17%和0.09%，這表示林地和草地之間的轉(zhuǎn)換存在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。林地系統(tǒng)性的從草地中獲得的土地占總面積的1.22%，草地系統(tǒng)性的從林地中獲得的土地占總面積的1.34%。當(dāng)耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值為0.11%，這表明建設(shè)用地?cái)U(kuò)張時(shí)，會(huì)系統(tǒng)性的從耕地中獲得土地。草地轉(zhuǎn)換為未利用地時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差值為0.13%，表明當(dāng)未利用地?cái)U(kuò)大時(shí)，會(huì)系統(tǒng)性的占用草地。

表5中有些實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望新增頻數(shù)的差為負(fù)，但其絕對(duì)值卻很大。比如耕地-草地的轉(zhuǎn)換，其差值為-0.3%。這表明草地面積增加時(shí)，會(huì)系統(tǒng)性的避免從耕地獲得土地。同理，耕地會(huì)系統(tǒng)性的防止從草地和未利用地獲得土地，林地會(huì)系統(tǒng)性的防止從未利用地獲得土地。未利用地會(huì)系統(tǒng)性的防止叢林地和耕地獲得土地。

表5 隨機(jī)增加過程中實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望新增頻數(shù)的差值(%)

表6是實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望流失頻數(shù)的差值。對(duì)于耕地-林地、林地-耕地、草地-林地和林地-草地的轉(zhuǎn)換，實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望流失頻數(shù)的差值分別為0.17%、0.08%、0.15%和0.13%。表明耕地系統(tǒng)性的流失為林地，林地系統(tǒng)性的流失為耕地，草地系統(tǒng)性的流失為林地，林地系統(tǒng)性的流失為草地。類似的，耕地系統(tǒng)性的流失為建設(shè)用地，未利用地系統(tǒng)性的流失為草地。對(duì)于草地-耕地和耕地-草地的轉(zhuǎn)換，實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望流失頻數(shù)的差值分別是-0.23% 和-0.22%，其差值都是負(fù)數(shù)且偏離零值較大，這表示草地和耕地都系統(tǒng)性的防止流向?qū)Ψ降仡?。同理，林地和耕地?huì)系統(tǒng)性的防止流失為未利用地，未利用地會(huì)系統(tǒng)性的防止流失為林地和耕地。

表6 隨機(jī)減少過程中實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望流失頻數(shù)的差值(%)

從同時(shí)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：耕地轉(zhuǎn)換為林地(占總面積的0.81%)；林地轉(zhuǎn)換為耕地(占總面積的0.82%)；林地轉(zhuǎn)換為草地(占總面積的1.34 %)；草地轉(zhuǎn)換為林地(占總面積的1.22%)；耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地(占總面積的0.14%)。

以上結(jié)果表明，雖然有大量的草地流失為耕地(0.47%)，但是這種流失方向是系統(tǒng)性的防止，也就是說耕地不會(huì)將草地作為獲得土地的靶區(qū)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民更傾向于將林地開墾為耕地。耕地的流失方向主要是林(0.81%)地和草地(0.46%)，但耕地流失為林地具有很強(qiáng)的傾向性，而耕地向草地的轉(zhuǎn)換不具備傾向性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢，而是系統(tǒng)性的防止。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)剞r(nóng)民在執(zhí)行退耕還林還草政策時(shí)更愿意種植收益高的經(jīng)濟(jì)林，部分退耕還林還草試點(diǎn)地區(qū)出現(xiàn)了種植“經(jīng)濟(jì)林熱”。林地和草地之間的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換一方面反映某些地區(qū)森林遭砍伐后未得到及時(shí)更新，另一方面反映某些地區(qū)荒山荒地造林、封山育林政策的實(shí)施取得成效，促使草地向林地的轉(zhuǎn)換。耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的面積相對(duì)較小，屬于小比例變化，但其轉(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(qiáng)的傾向性轉(zhuǎn)換優(yōu)勢。表5表明建設(shè)用地會(huì)系統(tǒng)性地從耕地獲得土地，并且系統(tǒng)性地防止從林地、草地和未利用地獲得土地；表6表明耕地會(huì)系統(tǒng)性地流失為建設(shè)用地，林地、草地會(huì)系統(tǒng)性地防止流失為建設(shè)用地。這反映了建設(shè)用地邊緣區(qū)的耕地是其擴(kuò)展的首選地。究其原因，是因?yàn)樵诔鞘羞吘墔^(qū)，市場將把土地配置給能帶來最大回報(bào)的土地競買者，而土地資源長遠(yuǎn)的生產(chǎn)潛力、生態(tài)效益和社會(huì)效益將會(huì)被視而不見。

5 結(jié)束語

本文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：

(1)由交換變量可知長江上游各地類在空間上的變化要明顯大于時(shí)間上的變化。

(2)由地類的持續(xù)性可知，除建設(shè)用地外，各地類更傾向于靜止不變，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(jìn)一步研究。

(3)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法區(qū)分系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機(jī)轉(zhuǎn)移，獲得該區(qū)域的優(yōu)勢轉(zhuǎn)換信息為：耕地和林地間的相互轉(zhuǎn)換，林地和草地間的相互轉(zhuǎn)換，耕地流失為建設(shè)用地。

該方法簡單有效，能快速挖掘某一區(qū)域土地利用變化中的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機(jī)轉(zhuǎn)移，提取最具優(yōu)勢的土地利用轉(zhuǎn)移信息，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(dòng)因素和機(jī)制，從而有針對(duì)性地制定出一系列措施，阻止或減小不合理利用對(duì)土地資源的沖擊。

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