杭州市区LUCC与社会经济的关系研究

金平斌，朱鑫宇，王权（.浙江大学地球科学院，浙江杭州3007；.日本静冈大学理学部，日本静冈县）

杭州市区LUCC与社会经济的关系研究

金平斌1，朱鑫宇1，王权2
（1.浙江大学地球科学院，浙江杭州310027；2.日本静冈大学理学部，日本静冈县）

土地是人类绝大部分活动的空间载体。人类的活动与土地利用和土地覆盖变化（Land Use/Cover Change，简称LUCC）息息相关。改革开放后，杭州市区LUCC较显著，与人口、经济发展、生活水平、交通运输等因子有着密切的联系。本文在对杭州市区遥感影像分类基础上，运用转移矩阵对其进行土地类型分析。结果表明各个阶段杭州市区建筑面积增加，大量耕地转化为建筑用地，在2000年后转化速度较快。这是杭州城市化的必然结果。通过主成分分析发现交通运输因子在各个因子间更具有代表性，但对各个LUCC进行逐步回归分析发现林地、水体的面积和人口的相关性较高，建筑、耕地的面积分别与城镇人均居住面积成高度的正、负相关。人口和人均居住面积是市区LUCC的关键因素。

LUCC；遥感影像分类；社会经济；逐步回归分析；相关性

1　引言

土地利用和土地覆盖变化（Land Use/Cover Change），简称LUCC。土地利用是人为地根据土地的性质对其进行开发、改造与使用，具有人工属性。土地覆盖则侧重描述地表的覆盖物，建筑、植被、水体、耕地等多种要素的组合［1］。

城市是地球上人类活动最为活跃的聚集区，人地系统里复杂的一部分。城市建成区的土地覆盖一般以建筑物为主。在有限的土地资源且整体资源配置不均衡的条件下，城市盲目扩张引起了土地低效利用、城市土地空间布局不合理、资源浪费等问题，形势较为严峻。

城市LUCC是全球研究的核心主题之一。它不但对全球环境变化有着重大影响，与气候波动、生态系统演变、生物多样性变化等密切相关［2-4］，而且与社会经济因素都有关系［5-7］。

自然因子与社会经济因子对LUCC都有一定的影响，后者影响更加突出，因此研究社会经济因子与LUCC之间的关系十分必要。LUCC的社会因子驱动力研究是对人地关系内在联系的深入挖掘，也就成为LUCC机制研究的核心内容和难点。

本文选取杭州作为研究对象。杭州作为国家历史名城，重要的旅游城市，处于长江三角地区，第三产业产值比重较大，国内生产总值在全国排名前列，具有较高的城市化水平与城市综合实力。这类城市整体发展程度较高，LUCC复杂，具有代表性。国内研究大都着眼于城市总体LUCC驱动因子方面，但缺少对每一类LUCC与驱动因子相关性研究。再因各地区域资源、城市发展、土地政策等方面存在差异，同一社会经济因子有着不同的影响程度。本文选取1985-2013年为研究时段，总跨度较大，每5年为一个阶段，利于不同阶段比较。所以对杭州市区的LUCC机理研究就非常有价值。因此在对杭州市区的土地利用和土地覆盖的时空变化分析基础上，探究杭州市区的每一类的LUCC与社会经济因子的关系。

2　研究区域与数据

2.1研究区域介绍

杭州位于中国东南沿海，浙江省的北部，中心地理坐标为东经120°12′，北纬30°16′。杭州是长江三角洲南翼的经济、文化中心，国家历史文化名城和重要的风景旅游城市［8］。钱塘江穿流而过，市区的东面、南面以平原为主，河流密集，市区西面以丘陵为主，离市区较近，是少有的城市森林特征。气候为亚热带季风性气候，四季分明。

1996年4月政府决定将萧山、余杭的六个乡镇共253平方千米用地划入杭州市区。2001年2月，杭州市区行政区作了重大调整，将原萧山、余杭两市“撤市设区”，划入杭州市区的行政区范围，使原来的683km2扩展到3068km2。在最新的发展规划中确定了“一主三副六组团”的城市格局，明确了由“西湖时代”走向“钱塘江时代”的发展方向［9］。

图1　历年杭州市区的Landsat TM影像

本研究区位于浙江省杭州市市区，是由上城区、下城区、西湖区、拱墅区、江干区、滨江区、萧山区、余杭区组成的八区。

2.2数据源

2.2.1遥感影像

来自1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2013年的Landsat TM影像（见图1）。

2.2.2社会经济因子

1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2013年的社会经济等因子（见表1）。

3　分析方法

用ENVI软件中的支持向量机（SVM）分类方法对遥感影像进行监督分类，处理流程如图2所示，土地覆盖类型分类见表2。

3.1土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述［10］。土地利用转移矩阵中Pij是T1-T2期间土地类型Ai中的一部分转入到Aj中所占Aj比例。

P1J+P2J+P3J+P4=100％

Class Change代表初始土地类型的减少的量。Image Difference代表初始图像和后期图像每类土地的差别（见表3）。

图2　杭州市区遥感影像分类流程图

3.2统计分析

统计分析方法是研究LUCC和各种社会经济驱动力之间的关系的重要方法，有效模拟各种驱动力作用下的LUCC，具有复杂问题简单化特点，易于在复杂系统中抓住系统内部主要的驱动机制［11］。

主成分分析（Principal Component Analysis，简称PCA）是通过线性变换把多个复杂指标转化简单相互独立指标的降维处理技术，既没有使原来反映现象的主要信息丢失，又能简化指标，使之更具有代表性，易于观察各指标在总体中所起到的作用，避开了变量间的共线性问题，便于进一步分析。

多元逐步回归分析：在一组数据中，由于数据的复杂，可能有多个因子对观测值有影响，剔除相关性较低的因子，选出具有代表性因子，组合成最优的回归方程，具体形式如下：

系数的正负分别代表着正负相关性，绝对值趋于1的相关性越高，趋于0代表不相关。

4　结果分析

4.1各类型土地的时空变化

对遥感影像进行SVM分类，计算出每种土地覆盖类型的面积比例。结果见图3，图4及表4。

林地面积在1985-2000年增长缓慢，之后开始衰减，最后趋向平稳。2000-2005年是杭州市高速发展的阶段，面积有所下降，之后回升。

水体面积从1985年一直增长到1995年，到达顶峰，在2000年下跌之后又平稳逐步增长，呈现“N”变化方式，变化幅度很小。河流、湖泊和湿地占主要部分，还有灌水的水田和养殖区域。

表2　土地覆盖类型分类

表3　土地利用转移矩阵

建筑面积在1985-1995年缓慢增加，1995年后城市发展速度加快，尤其是2000年之后杭州市中心的面积快速扩张，建筑密度增加。萧山和余杭市区建筑密度增加明显，尤其是城郊地区的变化更为显著。建筑用地在2005年后增长放缓。

耕地耕地面积比例从1985年的68％下降到了38％。从改革开发以来，城市的扩张导致耕地都处于缩减的状态。整体上，耕地面积下降速度差不多，在1995-2005年速度稍快。可以预计耕地面积还会继续下降，但速度变缓。

总体上各类土地都趋于稳定的状态。

对土地覆盖进行转移矩阵分析，见表5，图5以及图6。

图3　历年杭州市区SVM分类结果

1985-2000年，各个阶段建筑面积变化平均值约为32％，在各类型中变化是最剧烈的。水体和林地的变化程度约为25％。水体和林地的自身不变量Pii较大，其他类型转入较少，所以都处在一个较小范围的波动。耕地面积变化平均值接近28％。耕地的ImageDifference都是负数，每一阶段都是在处于减少的状态，平均每个阶段减少了9.2％。建筑的Image Difference都是正数，每一阶段都在增加，平均增加值约为33.3％。2000-2005年土地改变量巨大。建筑面积增加了80％，林地和耕地分别减少约22％、16％。耕地的基础面积大，每阶段耕地转变为建筑的平均量高达26％，是转化为建筑用地中比例最大。

表4　历年各土地类型占地比例

图4　历年各土地类型占地比例折线图

图5　土地转移矩阵Class Changes

图6　土地转移矩阵Image Difference

4.2各个LUCC的驱动力分析

4.2.1主成分分析结果

驱动力分析就是探究引起LUCC主要因素，包括自然驱动力因子和社会经济驱动力因子。自然因子包括气温、地形、土壤、水文等，这决定了土地利用和土地覆盖的大体格局。社会因子有总人口数目、农业人口数、国民收入/支出、交通运输等等。相比较自然因子，短期内社会经济因子起决定性作用，是LUCC主要驱动因子。通过对22个因子做成分分析得：

F主要由2个主成分代表，其总和占全部因子的98.341％。其系数绝对值最大的是货运量和非农业人口数。这两个因子最具代表性，可反应出整体状况。人口与交通运输等因子在一定程度上起代表作用。

4.2.2逐步回归分析

分别对各个LUCC与各个因子进行逐步回归分析见表6。

水体变化分析。历年水体面积占总面积的5.5％ -7.6％之间，处于稳定波动状态。水体面积的变化与人口密度变化成正相关，与农村人均居住面积成负相关。发展过程中人口的密度变化速度大于水体变化速度。虽然杭州市注重水域的保护治理，但杭州市变化的水体一般都在农村，而且农村的人均居住面积变大，所以成负相关。人口密度在1985-1990年增加速度加快，之后比较稳定增加。2000-2005年经济发展最快的时期，农村人均居住面积增加速度也最快。

相关系数前5位分别是总人口总数0.846、人口密度0.846、客运量0.698、货运量0.69、农村人均居住面积0.649。与农业人口相关性最低只有0.219。总体上与人口、交通运输、生活水平因子的相关性最大。

建筑变化分析。城市发展是社会发展的产物。城市化最明显变化表现为建筑面积的增长。城市建筑面积与城镇人均居住面积变化成正相关，相关系数达到0.992。

建筑面积与社会经济等因子相关性较高的前5名：城镇人均居住面积0.992、农村人均居住面积0.978、市区固定资产投资房屋建筑面积0.975、非农业人口0.971、货运量0.966。建筑面积的变化与生活水平的关系更为密切，尤其是住房面积上有着明显的相关性，市区固定资产投资房屋建筑面积由219.79万平方米增加到了2637.83万平方米。建筑面积与农业人口呈负相关，相关系数为-0.532。

表5　杭州市区各阶段土地转移矩阵

表6　各LUCC与社会经济等指标多元逐步回归分析

农业人口总数在缓慢增多。一部分非农业人口涌入城市，这部分有较大可能转化为非农业人口。杭州市区非农业人口数量从1985年114.56万增长到了2013 年334.38万。外来人口进入城市，对住房的需求极大。城市整体外扩，耕地面积也会随之减少。耕地的减少与建筑面积的增长成负相关。经济发展影响了交通周边地区用地结构的变化，很多耕地转化为建设用地。

从城市空间结构演化的角度看，现在的城市化时期对于城市的整体格局和特色培育至关重要。因此，这一时期杭州城市空间架构的演化状况，不仅直接关系着杭州城市发展品质，而且对未来的发展也将产生重大且持续的影响。

产业结构的调整和变化也会引起土地资源在产业上的重新分配，从而导致土地利用的变化和调整，2013年第三产业产值是第二产业产值的1.4倍，第二产业产值从1985年到2013年增加了约92倍。工业化和城市化发展带动着土地的再次开发和利用，城市化发展不断向近郊和远郊区扩展。

林地变化分析。杭州是著名的风景旅游城市。林地为城市提供了有机物和优美的生活环境。林地在城市生态中起到关键的作用。主城区附近的林地是杭州旅游生态的基础构成。

林地面积呈现一个先上升后下降的趋势。林地的变化与农业人口成正相关，但只有0.639，农业人口的活动会影响着林地的变化。人口因子占主要地位，但总体影响不大。近几年整体的森林覆盖率略有上升，但已处于高位运行状态，增长空间有限。

人们对良好的良好城市生态环境需求越来大，2000年以来建成区的绿化面积与建筑面积的相关系数达到0.970。整体的林地面积与建筑面积的相关系数却为-0.984。建成市区绿化面积逐年增加，但郊区林地的减少较多，总林地面积没有增加。

耕地变化分析。耕地是农业生产基础资源，耕地质量直接影响到农业生产的价值。耕地数量与人口的矛盾日益突出，耕地面积变化对人类活动有着重要的影响［13］。当前中国城市化率不高，城市化的进程必然导致耕地减少，大部分消失的耕地转化为建筑。

分析表明，耕地与农村人均居住面积、城镇人均居住面积、货运量、客运量、非农业人口成负相关，相关系数分别为-0.981、-0.981、-0.974、-0.968、-0.968。在22个指标中，只有与农业人口成正相关，相关系数为0. 399，但相关程度较低。耕地一直处于持续减少状态，所以大部分指标都是负相关。耕地面积与人类的居住面积，交通运输度有关。交通运输越发达，对耕地的影响越大。遥感图中耕地被城市交通线逐渐分割，斑块数增多，空间表现为由连成片的大斑块碎化成小斑块，整体破碎度加大。很多耕地被转化成建筑用地，交通的发展导致交通线附近的建筑用地聚集。交通线对土地分割的破碎化，进一步导致小斑块消失。离市中心和交通枢纽越近的地方，耕地转化成建筑用地转化率越大。

虽然耕地被转为建筑，其价值远高于农作物收入。稍远一些没有被开发的耕地，随着农耕技术提高，农民选择附加值更高的经济作物代替。一些废弃的土地利用复垦，被整合为耕地，重新开发，高效利用。这些措施都提高了居民的经济收入。

5　结论

杭州市区的发展可以分为两个阶段，1985-2000年和2000-2013年。2000年是个时间节点。前一个阶段是发展的初期，各方面的指标缓慢提升。后一个阶段是高速发展时期，制度改善，产业的转型升级，第三产业大力发展。

1996年4月滨江区的纳入和2001年萧山和余杭“撤市设区”为杭州提供了发展空间。从影像中看出，郊区新增建设用地分散的碎片化更明显，从中心城区至郊区呈现点状连续分布。土地转换速度加快，用地类型变化较为复杂。郊区耕地和原建筑附近的耕地大多向建筑转变。建筑每5年的变化平均值约为32％，耕地次之。2000-2005年建筑面积增幅最大。建筑面积不断扩大，呈上升趋势，建筑密度提高，耕地面积持续减少，建筑和耕地占地比例分别向35％趋近。水体和林地面积成小波动变化，趋向平稳。总体来说杭州建成区出现规模扩张、内涵挖潜、各LUCC较平稳的特点。

22个因子中，人口和交通运输是最具代表性的。虽然交通运输和农村/城镇居住面积在相关系数处于较大权重，但这两个因素都是社会经济发展的外在表现。影响城市各用地类型变化较大的因子为人口和人均居住面积。建筑的变化与居住面积正相关性。耕地与居住面积和交通运输成负相关，耕地是与22个因子的相关系数成负相关的个数最多。社会经济的发展对建筑和耕地面积变化影响最大。

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（2015-12-23收稿刘晓佳编辑）

A Study On The Relation Between LUCC And Social Economy in Hangzhou City

JIN Ping-bin et al
（Earth Science Department，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Land is the space carrier for most human activities and LUCC can reflect human activities in a particular way.The LUCC of Hangzhou turned remarkable after the period of the Reform and Opening，which is closely related to population，economic development，living standards，transportation and other factors.In this article，we analysis the Land use patterns with a Transfer Matrix based on classifying the remote sensing image of the urban area in Hangzhou.The result shows that the building area in Hangzhou increased dramatically especially after the year of 2000.This is the inevitable result of urbanization.It is showed that transportation is the more representative factor through the Principal Component Analysis.However，the Stepwise Regression Analysis turns out that area of forestland and water area has a close correlation with the population，Construction area has a positive correlation with the urban per capita living space while the relationship between farmland area is negative.Population and per capita living area are the key factors to urban LUCC.

LUCC；Classification of remote sensing image；Social economy；Stepwise Regression Analysis；Relevance

F293

A

1003-7853（2016）01-0001-06

教育部人文社会科学研究规划基金项目（项目批准号：12YJAZH042）

金平斌，男，浙江大学，教授，主要研究方向：旅游规划与城镇研究。第一作者或通讯作者发表SCI、EI论文6篇，其他论文10多篇；出版专著及编著300多万字。