基于復雜網(wǎng)絡模型的土地利用變化研究

周盼 唐凱 唐萍

摘要?基于GIS和ENVI技術(shù)，將常寧市2005、2010、2015年三期遙感影像進行解譯分類，運用復雜網(wǎng)絡概念模型對其土地利用變化情況進行分析，并探討了影響其變化的原因。結(jié)果表明，建設用地為主要的轉(zhuǎn)入型地類，林地和耕地為主要的轉(zhuǎn)出型地類，土地利用變化主要由林地主導，并且土地利用系統(tǒng)穩(wěn)定性趨于下降;自然地理環(huán)境、經(jīng)濟社會發(fā)展以及區(qū)域發(fā)展政策是其土地利用變化的主要原因。未來的土地利用過程中，常寧市應考慮合理定位各區(qū)域土地利用主導方向，科學引導各區(qū)域的土地利用空間變換，以促進區(qū)域土地利用空間的維系、過渡與融合，從而提高土地利用的可持續(xù)性。

關(guān)鍵詞?土地利用變化;復雜網(wǎng)絡模型;常寧市

中圖分類號?F301.2文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2018）33-0050-04

當前，因城鎮(zhèn)化的快速推進，受區(qū)域發(fā)展政策、城鄉(xiāng)融合、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移等因素的綜合影響，區(qū)域的土地利用變換速率加快、土地利用動態(tài)度越來越激烈，區(qū)域間的空間沖突、用地失衡、局部性的環(huán)境污染等問題不斷加劇，如何提高土地資源的可持續(xù)利用重新成為世界各國探討的課題，與之同時，土地利用變化的研究也成為學術(shù)界關(guān)注的熱點之一。一方面，學者重視運用科技手段，如GIS和RS技術(shù)對土地利用變化進行研究，如國外Masek等[1] 、Lo等[2] 分別運用 Landsat MSS、TM影像、ETM+圖像研究了美國首都華盛頓和亞特蘭大都市區(qū)的城市化、城市擴展及影響其土地利用變化的驅(qū)動因子;國內(nèi)早期進行土地利用研究的史培軍等[3] 、田光進等[4] 分別以3個時間點的遙感影像，利用最大似然法、概率松弛法、景觀生態(tài)學等方法，對深圳市、?？谑械耐恋乩米兓闆r進行了分析，并揭示了影響其土地利用變化的深層次原因;此外，也有學者通過借助典型樣點或樣帶的方法，在GIS和遙感影像數(shù)據(jù)的支持下，對相關(guān)區(qū)域的土地利用變化進行了研究，比較有代表性的如王靜愛等[5] ?、劉彥隨等[6] ，他們都是通過相關(guān)技術(shù)與手段，定量與定向相結(jié)合的方法，對研究區(qū)域的土地利用變換過程及相關(guān)時空變化規(guī)律進行了探討和評價。另一方面，隨著研究的深入，學者們開始關(guān)注影響土地利用變化的驅(qū)動因子，比較常見的是學者們通過分析研究區(qū)域的自然地理環(huán)境、經(jīng)濟社會發(fā)展、城市化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化等方面，探討研究區(qū)域的土地利用變化情況及其驅(qū)動因素或土地利用變化與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市化、經(jīng)濟社會發(fā)展的互動關(guān)系[7-22]。

縱觀以往研究，大部分學者的研究成果主要基于一定的數(shù)學方法，對區(qū)域內(nèi)不同時期土地利用的類別、數(shù)量和結(jié)構(gòu)進行分析，很少有將土地利用作為系統(tǒng)性進行研究。而土地利用系統(tǒng)作為復雜系統(tǒng)，可以運用復雜網(wǎng)絡理論和方法對其進行系統(tǒng)性的探討。復雜網(wǎng)絡研究理論和方法已經(jīng)廣泛運用在互聯(lián)網(wǎng)、 交通網(wǎng)絡、傳播學等領域，并借助大數(shù)據(jù)取得很好的效果，將該方法用于土地利用研究中，能有效挖掘土地利用內(nèi)在規(guī)律和演化機制，具有廣泛的應用前景[23]。

筆者以衡陽市縣級市——常寧市為研究對象，利用復雜網(wǎng)絡模型理論，系統(tǒng)分析常寧市土地利用變化特征，并探討影響其土地利用方式選擇及空間格局的因素，以期為區(qū)域土地利用規(guī)劃以及區(qū)域土地利用優(yōu)化布局提供決策依據(jù)。

1?資料與方法

1.1?研究區(qū)概況

常寧市位于湖南省南部、衡陽市西南部、湘江中游南岸，屬于湖南省第二輪特色縣域經(jīng)濟重點縣。地處環(huán)長株潭城市群的南緣，是湘南地區(qū)的“中心區(qū)”，也是承接珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)梯次轉(zhuǎn)移的“前沿地”。東隔舂陵水與耒陽市為界，南與桂陽縣相連，西與祁陽縣接壤，北瀕湘江與祁東、衡南二縣相望（圖1）。地處112°07′～112°41′E、26°07′～26°36′N，市區(qū)中心位于112°23′E、26°24′N。土地總面積為2 047.90 km2，約占全省總面積的1%，列湖南省縣與縣級市中的第52位、衡陽市7縣（市）中的第5位。境內(nèi)地勢南高北低，地勢類型分山地、丘陵、平原3種，分別占常寧市土地總面積的37.60%、26.00%和37.40%，在我國中部地區(qū)具有較強的代表性和典型性。

2015年，全市地區(qū)生產(chǎn)總值達269.90億元，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值為47.26億元，第二產(chǎn)業(yè)增加值為108.88億元，第三產(chǎn)業(yè)增加值為113.46億元。至2015年末，常寧市常住人口83.446萬人，全市城鎮(zhèn)人口迅速增長，2015年全市城鎮(zhèn)人口數(shù)量為39.61萬人，城鎮(zhèn)化水平為47.50%。

1.2?數(shù)據(jù)來源及基礎

數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）。從中選取3個時間點的遙感影像數(shù)據(jù)（分辨率均為30 m），包括2005、2010 年的Land-sat4-5TM影像、2015年的Landsat8 OLI 影像。

將上述影像數(shù)據(jù)下載之后，通過坐標轉(zhuǎn)換、幾何校正、大氣校正、裁剪拼接等數(shù)據(jù)預處理后，在ENVI4.8軟件支持下，根據(jù)不同土地類型的光譜特征不一樣，將常寧市遙感影像中的土地利用類型分為耕地、林地、水域、建設用地及未利用地五大類。之后，將土地利用分類圖轉(zhuǎn)成shpfile文件后，在GIS中得到不同時間階段的各土地類型情況。

1.3?研究方法——復雜網(wǎng)絡模型

1.3.1?復雜網(wǎng)絡測算指標。

1.3.1.1?度。網(wǎng)絡中度指的是節(jié)點與系統(tǒng)中其他有關(guān)系的節(jié)點數(shù)目，土地利用系統(tǒng)內(nèi)部變化認定為地類發(fā)生變化，為有向有權(quán)網(wǎng)絡，分為出度和入度，轉(zhuǎn)化的權(quán)重為地類轉(zhuǎn)化的面積。度表征的是系統(tǒng)中節(jié)點與其他節(jié)點之間密切聯(lián)系的強度和在整個網(wǎng)絡的該節(jié)點的活躍程度，可以測算地類在轉(zhuǎn)化成其他地類的強度和活躍程度。

1.3.1.2?介數(shù)。介數(shù)是指經(jīng)過節(jié)點的最短路徑占全部最短路徑的比重，反映的是特定節(jié)點在網(wǎng)絡系統(tǒng)的主導作用的指標，介數(shù)越大，在系統(tǒng)起的作用越大，可以視作主動作用的節(jié)點，可以對整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生重要的影響，介數(shù)越大的地類，在整個區(qū)域系統(tǒng)具有重要的主導影響力，主要通過介數(shù)較大的地類進行土地利用的演化。

1.3.1.3?平均路徑長度。平均路徑長度是指整個系統(tǒng)網(wǎng)絡中所有一組有向節(jié)點之間的最短路徑長度的平均值，表征的是在發(fā)展關(guān)系過程中節(jié)點的離散程度，該指標的測算主要反映系統(tǒng)的地類轉(zhuǎn)化成其他地類的難易程度。網(wǎng)絡的平均路徑長度難度越大，地類相互間發(fā)展轉(zhuǎn)化關(guān)系的可能減少，系統(tǒng)就越趨于穩(wěn)定。指標的計算方式為：

1.3.2?模型構(gòu)建。

土地利用地類之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以分別看作土地利用系統(tǒng)基本組成要素，該系統(tǒng)為有向轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡，分為土地利用的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出2種，有向轉(zhuǎn)移具有權(quán)重，即轉(zhuǎn)移地類的面積。將土地利用現(xiàn)狀地類產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移矩陣，轉(zhuǎn)換成復雜網(wǎng)絡的有向網(wǎng)絡格式，之后進行復雜網(wǎng)絡的指標測算。具體的概念模型見圖2。

2?結(jié)果與分析

2.1?土地利用變化情況

通過遙感解譯，得到2005—2015年常寧市土地利用分類圖（圖3），從分類圖大致可以看出，建設用地持續(xù)增加，水域和未利用地大致保持不變，耕地和林地數(shù)量持續(xù)減少。從空間分布來看，城市邊緣區(qū)等人口集聚地區(qū)周邊的農(nóng)用地轉(zhuǎn)換為非農(nóng)用地較為顯著，表明中心城區(qū)的城市化區(qū)域和土地利用類型轉(zhuǎn)換速度較其他地區(qū)快。下面通過復雜網(wǎng)絡模型對常寧市土地利用變化情況進行詳細分析。

2.1.1?地類度值。

節(jié)點度值的高低表示的是2種地類進行轉(zhuǎn)變的有向關(guān)系及發(fā)生轉(zhuǎn)變的面積。其中有向網(wǎng)絡中，出度和入度的比值大于1表示該地類為轉(zhuǎn)出型，比值小于1表示轉(zhuǎn)入型。從表1可以看出，2005—2015年耕地、林地和水域是主要的轉(zhuǎn)出型地類，總面積不斷減少，重要原因是耕地和林地是常寧市面積最大的地類;區(qū)域內(nèi)的建設用地是主要的轉(zhuǎn)入型地類，2005—2015年建設用地出度與入度的比值為0.04，區(qū)域內(nèi)的建設行為主要占用林地和耕地進行擴張。2011—2015年耕地的入度有大幅度的增加，主要是由于常寧市陸續(xù)開展實施土地開發(fā)整理補充耕地項目。隨著城鎮(zhèn)化的快速推進，城市的擴張客觀上需要提供大量建設用地以帶動經(jīng)濟社會發(fā)展。

2.1.2?地類介數(shù)值。

節(jié)點介數(shù)的高低反映的是特定地類在系統(tǒng)中的重要程度，值越大反映其在系統(tǒng)中的作用越大，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和變化能起到較重作用，從各個時間周期不同地類（表2）可以看出，在2005—2010、2011—2015 年林地介數(shù)為各個時間周期中地類介數(shù)的最大值，其次為建設用地，林地作為常寧市面積比例最大地類，為整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的主導地類，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化都是圍繞林地進行，林地轉(zhuǎn)化成建設用地占建設用地轉(zhuǎn)入面積的35.7%，轉(zhuǎn)入到林地的地類主要為未利用地和耕地，可見林地在系統(tǒng)中起著重要作用，對系統(tǒng)一定程度上有主導控制作用。

2.1.3?地類轉(zhuǎn)化平均路徑長度。

分析2005—2015年常寧市地類轉(zhuǎn)化平均路徑長度值情況發(fā)現(xiàn)，2005—2010、2010—2015年平均路徑長度分別為1.52和1.48，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。主要是由于該時期區(qū)域內(nèi)在經(jīng)濟社會快速發(fā)展背景下，建設活動未受到有效管理和約束，城市建設行為蔓延使得區(qū)域內(nèi)林地和耕地受到侵占，人類的建設行為對土地利用影響加強，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降?？梢灶A期，今后一段時期內(nèi)，隨著快速城市化進程的繼續(xù)推進，常寧市的建設用地擴張將進一步加劇，人類活動的增加，勢必影響到整個土地利用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而影響土地利用的基本格局。

2.2?土地利用變化影響因素分析

2.2.1?自然地理環(huán)境。

地形地貌、氣候條件、河流水系等自然地理要素都是影響土地利用的基礎性因子。常寧市主要以林地和耕地為主，全市耕地面積和林地面積分別占土地總面積的24.73%和51.05%，決定了建設用地轉(zhuǎn)入類型的重要地類來自于耕地與林地。

2.2.2?經(jīng)濟社會發(fā)展。

一般來說，經(jīng)濟社會發(fā)展無疑是影響土地利用變化的關(guān)鍵性因子。比如人口在區(qū)域之間的相互流動、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化升級等是影響土地利用空間格局和變化的重要因素。經(jīng)濟社會發(fā)展的變化在土地上的直接表現(xiàn)就是土地利用變化的情況。因此，此處選取人口、城鎮(zhèn)化水平與建設用地、GDP與耕地等指標來分析常寧市的主要經(jīng)濟社會指標與土地利用相關(guān)指標的相關(guān)情況。結(jié)果表明（表3），常寧市人口集聚與建設用地呈正相關(guān)、GDP與耕地呈負相關(guān)、城鎮(zhèn)化水平與建設用地呈正相關(guān)，由此可以得知，常寧市人口集聚和經(jīng)濟增長伴隨著建設用地增加和農(nóng)用地減少，兩者之間是緊密相關(guān)的。

2.2.3?區(qū)域發(fā)展政策。

土地利用變化最直接的影響因素為土地管理政策，一個地區(qū)的土地利用政策很大程度上決定了該區(qū)土地利用變化的本質(zhì)。2011年，湘南地區(qū)正式獲國家發(fā)改委批復，成為第4個國家級承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)，常寧作為示范區(qū)“三級四帶”中“京港澳沿線產(chǎn)業(yè)集聚帶”的重要節(jié)點，重點承接珠三角、長三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，加強與長株潭地區(qū)聯(lián)動發(fā)展，具有良好的發(fā)展前景，常寧市要做強工業(yè)走廊，重點保障工業(yè)走廊建設用地需求，將其打造成為常寧市中心城區(qū)承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移基地。這無疑促動了常寧市2010—2015年土地利用變化。

2.2.4?影響機制。

總體來看，土地利用格局變化受3種因子影響，包括基礎性因子、關(guān)鍵性因子和促動性因子（圖4）。3個影響因子彼此影響與制約，共同影響相關(guān)區(qū)域的土地覆被與景觀形態(tài)、土地利用與結(jié)構(gòu)變化。基礎性因子主要是自然地理環(huán)境的影響，這類因子由于具有穩(wěn)定性特征，本身變化較弱，因此對區(qū)域的土地利用變化的影響也相對較小，一般起著基礎性的格局作用;關(guān)鍵性因子和促動性因子主要包括經(jīng)濟發(fā)展、人類活動、區(qū)域政策環(huán)境等，這兩類因子相對而言在區(qū)域土地利用空間格局及變化的過程中起著重要作用，并且因強度、方法及頻率的變化對土地利用變化的影響程度也不一樣，強度越大，土地利用變化速度也相對越快。

以研究區(qū)域常寧市來看，2005年常寧市的城鎮(zhèn)化水平為31.50%，2015年增長至47.39%，城鎮(zhèn)化的快速推進，無疑需要更多的建設用地空間以滿足不斷增加的城鎮(zhèn)人口，也迫使常寧市的農(nóng)業(yè)用地逐漸減少，使得這期間常寧市的土地利用結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化，建設用地比重由2005年的5.70%增加至2015年的9.18%;農(nóng)業(yè)用地比重由2005年的86.67%減少為2015年的83.47%，第一產(chǎn)業(yè)比重由2005年的26.6%減少為2015年的17.5%，第二、三產(chǎn)業(yè)比重由2005年的73.4%增加為2015年的82.5%。

3?結(jié)論與討論

（1）以常寧市這一中部地區(qū)典型城市為研究區(qū)域，基于復雜網(wǎng)絡模型，分析了常寧市土地利用變化的特征及影響機制，研究成果能為研究區(qū)域及其他類似區(qū)域的可持續(xù)土地規(guī)劃與管理提供科學參考。

（2）基于復雜網(wǎng)絡模型，常寧市在2005—2015 年區(qū)域轉(zhuǎn)入型地類為建設用地，轉(zhuǎn)出型地類主要為林地和耕地，表明該區(qū)土地利用變化基本趨勢為建設用地大幅增加、耕地和林地減少較多，其他地類變化相對較小。主要的土地利用轉(zhuǎn)換類型包括耕地轉(zhuǎn)為建設用地、林地和耕地間的相互轉(zhuǎn)換及水體轉(zhuǎn)為耕地。主要原因是在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進過程中，需要更多的建設用地空間來承載人口的快速增加。2005—2015 年常寧市地區(qū)生產(chǎn)總值由62.22億元增長至244.88億元，年均增長率高達12.71%，如此快速的增長需要相應數(shù)量的建設用地來承載。

（3）從結(jié)果來看，常寧市各個時期內(nèi)網(wǎng)絡節(jié)點的介數(shù)最大值為林地，林地在整個土地利用系統(tǒng)中起主導作用，也主要是建設用地轉(zhuǎn)入的主要來源，并且2005—2015年網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地類平均路徑長度呈下降的趨勢，系統(tǒng)穩(wěn)定性減低。因此，維護常寧市土地利用系統(tǒng)需要有效防止城市無序蔓延，保障城市生態(tài)安全，并加快城市開發(fā)邊界、生態(tài)保護紅線和永久性基本農(nóng)田的劃定，并作為一個空間政策工具嚴格執(zhí)行。

（4）總體上看，常寧市的土地利用格局變化受3種因子影響，包括基礎性因子、關(guān)鍵性因子和促動性因子?；A性因子是指自然地理環(huán)境的影響，關(guān)鍵性因子和促動性因子主要包括經(jīng)濟發(fā)展、人類活動、區(qū)域政策環(huán)境等。3個影響因子彼此影響與制約，共同影響相關(guān)區(qū)域的土地覆被與景觀形態(tài)、土地利用與結(jié)構(gòu)變化。

（5）今后的土地利用管理中，常寧市應以“科學整合，合理引導”為原則，合理定位區(qū)域的土地利用發(fā)展方向，加強城鄉(xiāng)融合、促進區(qū)域土地利用空間的維系、過渡與融合，科學引導各區(qū)域的土地利用空間變換，以促進區(qū)域土地利用空間的維系、過渡與融合，從而提高土地利用的可持續(xù)性。

參考文獻

[1] MASEK J G，LINDSAY F E，GOWARD S N.Dynamics of urban growth in the Washington DC metroplitan area，1973-1996，from Landsat observations[J].International journal of remote sensing，2000，21（18）：3473-3486.

[2] LO C P，YANG X.Drivers of landuse/landcover changes and dynamic modeling for the Atlanta，Georgia metropolitan area[J].Photogrammetric engineering and remote sensing，2002，68（10）：1073-1082.

[3] 史培軍，陳晉，潘耀忠.深圳市土地利用變化機制分析[J].地理學報，2000，55（2）：151-160.

[4] 田光進，張增祥，王長有，等.基于遙感與 GIS 的?？谑型恋乩媒Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化研究[J].自然資源學報，2001，16（6）：543-546.

[5] 王靜愛，何春陽，董艷春，等.北京城鄉(xiāng)過渡區(qū)土地利用變化驅(qū)動力分析[J].地球科學進展，2002，17（2）：201-208.

[6] 劉彥隨，JAO GAO.陜北長城沿線地區(qū)土地退化態(tài)勢分析[J].地理學報，2002，57（4）：443-550.

[7] 潘竟虎，蘇有才，黃永生，等.近30年玉門市土地利用與景觀格局變化及其驅(qū)動力[J].地理研究，2012，31（9）：1631-1639.

[8] 肖思思，吳春篤，儲金宇.1980—2005年太湖地區(qū)土地利用變化及驅(qū)動因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（23）：1-11.

[9] 毛蔣興，李志剛，閆小培，等.快速城市化背景下深圳土地利用時空變化的人文因素分析[J].資源科學，2008，30（6）：939-948.

[11] 李培祥.城市土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變關(guān)系分析：以廣東城市為例[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2010，12（2）：140-144.

[12] 鄭樹峰，張柏，臧淑英，等.黑龍江省大慶市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對土地利用/土地覆被變化的影響[J].資源科學，2007，29（6）：128-132.

[13] 孔祥斌，張鳳榮，李玉蘭，等.區(qū)域土地利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化互動關(guān)系研究[J].資源科學，2005，27（2）：59-64.

[14] 渠愛雪，仇方道.徐州城市建設用地擴展過程與格局研究[J].地理科學，2013，33（1）：61-68.

[15] 楊依天，鄭度，張雪芹，等.1980—2010 年和田綠洲土地利用變化空間耦合及其環(huán)境效應[J].地理學報，2013，68（6）：813-824.

[16] 魯春陽，文楓，楊慶媛.城市土地利用結(jié)構(gòu)影響因素的通徑分析：以重慶市為例[J].地理科學，2012，32（8）：936-943.

[17] 臧淑英，王凌云，那曉東.基于經(jīng)濟驅(qū)動因子的土地利用結(jié)構(gòu)變化區(qū)域差異分析：以哈大齊工業(yè)走廊為例[J].地理研究，2011，30（2）：224-232.

[18] 魯春陽，文楓，楊慶媛，等.地級以上城市土地利用結(jié)構(gòu)特征及影響因素差異分析[J].地理科學，2011，31（5）：600-607.

[19] 賀振，趙文亮，賀俊平.鄭州市城市擴張遙感動態(tài)監(jiān)測及驅(qū)動力分析[J].地理研究，2011，30（12）：2272-2280.

[20] 陳菁，謝曉玲.海峽西岸快速城市化中土地利用變化的影響因素[J].經(jīng)濟地理，2010，30（11）：1885-1889.

[21] 陳永林，謝炳庚，李曉青，等.2003—2013 年長沙市土地利用變化與城市化的關(guān)系[J].經(jīng)濟地理，2015，35（1）：149-154.

[22] 賀艷華，周國華，唐凱.湖南益陽市土地利用空間梯度及影響因素分析[J].地理研究，2011，30（10）：1795-1804.

[23] 武鵬飛，宮輝力，周德民.基于復雜網(wǎng)絡的官廳水庫流域的土地利用/覆被變化[J].地理學報，2012，67（1）：113-121.