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    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

    2018-03-29 03:15:03任紅鴿劉沛林
    水土保持通報(bào) 2018年1期
    關(guān)鍵詞:分布圖長(zhǎng)沙市土地利用

    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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