土地利用转移次数与地类的时空变化研究——以湖南省长沙市为例

任红鸽, 全 斌,, 陈 洁， 刘沛林, 王 鹏, 胡 最

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭 211100; 2.衡阳师范学院 城市与旅游学院, 湖南 衡阳 421000)

土地利用与土地覆被是地球表层系统中最突出的景观标志，是人类活动和自然要素共同作用的结果，因此是研究自然与人文过程的理想切入点，成为全球变化研究的热点领域[1]。土地利用覆被变化的模式、过程及其效应研究在区域乃至全球尺度都得到越来越多的重视[2]。其中土地利用覆被变化的模式是其他研究至关重要的前提，可以为制定有效的环境政策和管理策略提供基础参考[3]。土地利用模型的选择和应用是探究土地变化模式得到土地利用变化规律的必要前提。土地利用转移矩阵可以反映各地类之间的转移数量和方向，在土地利用格局的动态演变中得到广泛应用，但是大多数分析并没有从中挖掘出土地利用格局中潜在的空间变化信息[4]。传统的数量分析模型虽然简明扼要，且不需要较复杂的专业性分析技能，但忽略了土地利用空间区位的固定性与独特性，没有考虑土地利用动态变化的空间过程及相关属性[5]。动态度模型虽然是一种基于空间分析技术的测算模型，但仅考虑了土地利用动态变化的空间转移过程，而忽略了其新增过程，从而严重地低估了那些转移慢、但增长快的土地利用类型[6]。加之，随着遥感信息技术的发展，土地里变化数据更易获取，对多期土地利用变化数据的信息进行深层量化分析显得尤为重要。在分析土地利用变化时，变化是稳定的还是暂时的变化；是单向的变化还是反复的变化等，这些土地利用变化信息的深层挖掘研究目前几乎没有。如果研究者把短暂的变化和永久的改变等价，模型参数可能是错误的，这会导致不准确和不健全的模拟和预测。

长沙市位于湖南省东部偏北，湘江下游，是全省政治、经济、文化、科教和商贸中心，亦是中国中部地区的核心城市之一。2015年4月8日，国务院正式批复同意设立湖南湘江新区，成为中国第12个、中部地区首个国家级新区，是打造“一带一路”核心增长极的重大举措，也是推动长沙在更高起点上融入“一带一路”和长江经济带等国家战略的重要平台。近年来，一些学者对长沙市土地利用变化问题进行了大量研究。Zhang等[7]运用Muilt-Agent模型对长沙市的城市扩张进行了研究，他们发现随着未来城镇化的发展长沙市区土地供应将更为紧张并且由于交通的相对便捷性城镇化从郊区到偏远的乡镇延伸。邓楚雄等[8]对长沙市耕地集约利用的时空变化进行分析，结果表明2001—2009年长沙市耕地集约利用度时序变化各具特点，但整体上均呈现出以不同幅度上升的特征。张卢奔等[9]基于信息熵和分形维数分析了长沙市土地利用结构变化，结果表明在空间上信息熵变化基本与经济社会发展相耦合，由中心城区向外信息熵逐渐降低。罗开盛等[10]分析了长沙土地利用变化过程信息并预测了未来10 a土地利用变化趋势，预测表明人工表面、草地面积将扩展，耕地、湿地、林地及未利用土地面积将缩减。陈永林等[11]分析了长沙市土地利用变化及其城市化对产业结构演变的响应关系，结论是快速城市化将导致农用地的减少和建设用地的增加。这些文章运用多种方法分析了土地、社会、经济、生态之间的相互作用。但是所有这些方法都需要土地利用数据来显示准确的土地变化模式。然而，建立多期时间序列的地图并充分利用来显示土地变化是非常具有挑战性的。本文展示了如何利用多期时间序列土地利用数据来描述和解释土地变化的模式和深入挖掘土地利用变化过程。

为充分利用基于时间序列的多期土地利用数据来探究区域土地利用变化的模式和过程，本研究拟以长沙市为例，利用1990—2010年每5 a一期共4期的时间序列土地利用数据，在IDRISI和ArcGIS 10.2软件平台上推演土地利用变化的转移次数和地类，并分析两者之间的关系，试图解决以下科学问题：如何采用转移次数和转移地类方法来探究显著的土地利用变化？该问题不仅能够提供探究土地利用变化的新方法，而且有助于我们对土地变化过程的进一步理解，同时也能将现有土地利用的大量数据得到充分应用，在建模和预测人类和环境之间的复杂的相互作用时作为依据和参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与处理

研究所使用的1990，1995，2000年土地利用数据来自中国资源环境数据库。该数据是以TM/ETM+遥感影像为基础数据源，运用遥感和GIS软件进行计算机自动分类和人工目视解译，最终形成的1∶10万的土地利用数据，解译精度分别控制在92.92%，98.40%和97.45%[12]。这些数据采用统一的坐标系、投影和中央经线和双标准纬线：坐标系为WGS-84坐标系，投影为ALBERS投影；中央经线为105°E，双标准纬线分别为25°和47°N；椭球体为KRASOVSKY椭球体。

长沙市2005和2010年的遥感数据源为TM遥感影像标准产品，原始格式为DAT格式，头文件为Fast文件，该数据产品已经过了辐射校正和相关数据预处理，采集时间分别为2005年5,7月、2010年3,7月、2010年9,11月，分辨率均为30 m。采用前2期的目视解译方法得到长沙市2005和2010年土地利用图，解译精度均在85%以上，符合研究需要[13]。将至此得到的1990—2010年矢量格式的土地利用数据，在IDRISI软件进行处理，得到统一为100 m分辨率的土地利用图，每5 a一期的全部土地利用数据作为基础数据如附图9—13所示。

1.2 研究方法

参考Pontius和Zhang[14]提出基于事件和状态来研究基于时间序列土地利用变化的方法，定义转移次数为单个像元随时间序列变化的次数，转移0次的像元即为该时间段内不变的像元，转移次数≥1的像元即为变化部分；转移次数分布图是指所有像元转移次数在空间上的可视化呈现结果；转移次数图谱是指随着时间发展，增加时间序列上下一时间点的土地利用图而得到的一系列转移次数分布图的总称。转移地类数是指单个像元随时间序列改变时有多少种不同地类参与该变化；转移地类数分布图是指所有像元转移地类数在空间上的可视化呈现结果；转移地类数图谱是指随着时间发展，增加时间序列上下一时间点的土地利用图而得到的一系列地类数分布图的总称。一个研究区有t个时间点的土地利用图，会有t-1个转移次数分布图和t-1个转移地类数分布图，第t个转移次数分布图和转移地类数分布图使用的是从1到t+1的土地利用图创建。

转移次数图谱用来识别土地变化的一般空间格局。研究区域面积是固定的，随着时间序列的延长，t时转移n次的像元只能由t-1时转移n-1次的像元变化而得，即转移0次的像元个数不会增加，只会不变或者减少，t时转移1次的像元，只能从t-1时的转移0次像元变化而来。基于此，定义转移1次的像元，叫做扩张像元；变化2次及其以上的像元叫做转变像元。随着时间发展，扩张像元的数量增加，研究区域将被确定为扩张模式。否则，如果扩张像元的数量减少，则为转变模式。

2个系列的地图创建后，接下来讨论转换次数分布图和地类数分布图之间的关系，将第t-1个转移次数分布图和地类数分布图进行叠加制作交叉表。假设转移在各地类间都是不可逆的，那么m个地类最多转移m-1次。当然也存在m个地类转移超过m-1次的情况，此时说明转移在这些地类间反复发生。将m个地类转移了n次的变化在地图上显示，以观测转移次数和地类之间在空间上的关系。

2 结果与分析

2.1 转移次数分析

长沙市土地利用在1990—1995年最多发生了1次变化，且变化主要发生在长沙市中心城区和各级城市建成区外围。在1990—2000年，在长沙市中心城区附近出现了大量变化2次的土地利用方式，但变化1次的土地利用仍主要位于城市建成区外围和村镇附近。在1990—2005年，城市建成区附近土地向外围扩展表现为新增的1次变化，而长沙市中心城区出现转移3次的变化。在1990—2010年，转移2和3次的变化面积增多，长沙市中心城区出现了少量转移4次的变化，但面积最大仍是变化1次的土地。随着时间序列的增加，新增变化在每个时期都占主导，但是中心城区附近的土地利用并不稳定会发生多次转移。1990—2000年，扩张像元从约占总面积0.76%减少到约0.63%，土地利用为转变模式，但是该变化并不剧烈。2000—2010年，扩张像元在2000年的基础上累计增加至6%，说明该时期长沙市的土地利用变化呈现出持续的扩张模式。

2.2 转移地类分析

长沙市1990—1995年土地利用，只涉及1个地类和2个地类的变化，且变化主要发生在城市建成区附近；1990—2000年，发生变化的位置与1990—1995年相似，出现了3个地类的变化；1990—2005年，发生变化的位置扩张到了整个湘江主流沿岸和一些城市或者村庄的集聚地，变化最多也是涉及3个地类。1990—2010年，变化沿湘江产业带和宁长浏产业发展带延伸，最多出现涉及4个地类的变化，其面积特别小，涉及2个地类的变化面积最大。保持不变的像元从占总面积的99.24%减少到68.04%，涉及2个地类的变化像元从0.76%增加到30.43%，涉及3个地类的变化像元从0～1.49%，涉及地类数越来越多，最多达到4个，占总面积的0.03%。

1990—2010年土地利用变化中涉及2个地类的变化最多。涉及2个地类的变化中，耕地和建设用地以及林地和建设用地的变化主要在城镇外围，且是主要的变化形式；耕地和林地的变化比较破碎但是其分布范围却很广，1990—2010年涉及该地类变化的土地面积为174.34 km2，其中由耕地转为林地的为81.63 km2，由林地转为耕地的为90.89 km2，剩余的为耕地和林地之间进行交替变化最终又变为初始时期地类的面积为1.82 km2。耕地和水域的变化位于河流沿岸，主要可能是由于季节变化等造成河滩地的出现。

2.3 转移地类与转移次数综合分析

将1990—2010年的转移次数分布图和地类数分布图进行叠加，产生一个交叉矩阵(如表1所示)。转移次数显示在列，地类数显示在行。在变化的像元中，2个地类且变化1次的像元有74 215个，占总变化的75%，2个地类变化次数依次增加最多达到了4次，且随着变化次数的增加，像元数在减少。3个地类变化2次的像元有2 957个，3个地类最多变化了5次。变化最多涉及4个地类，其中变化3次的像元有303个，最多变化了5次且像元有20个。从列来看，变化1次的面积最大，且这些变化都涉及2个地类。当变化2～4次时，2个地类的面积也最大。随着转移次数和地类数的增多，像元数都在减少，2个地类变化1次的新增变化比较突出。

表1 1990-2010年土地利用转移地类数交叉矩阵

将1990—2010年转移地类数和转移次数分布图进行叠加，可知2地类变化1次集中发生在城市建成区外围，和河流湖泊附近。多次变化主要发生在湘江主流沿岸。将2地类变化1次的变化类型提取出来，可知在1990—2010年耕地和建设用地间以及林地和建设用地间转移1次的变化主要位于城市建成区外围，面积分别为202.86，169.96 km2，但其范围受到城市用地规模的制约。此外，距长沙市正东方向约10 km内存在大量耕地在1995年转到建设用地，在10～16 km间存在大量耕地在2005年转移到建设用地。在东南方14～22 km主要是耕地在2010年转到建设用地。望城县和长沙县由于地理位置上距离长沙市较近，其外围变化与长沙市存在很多重叠情况。在宁乡县2 km内和浏阳市北方2 km内存在耕地在1990和2005年转到建设用地；在宁乡县西北方和浏阳市东北方2 km以外则是耕地在2010年转到建设用地。同时在长沙市西北18 km内、长沙市东南、宁乡县东北和浏阳市北方2～6 km也存在林地在2005，2010年转到建设用地。在1990—2010年随着时间推移城市建成区附近的耕地和林地转为建设用地的变化距离城市中心越来越远，说明1990—2010年长沙市城市扩张呈增长态势且主要占用城市外围的耕地或林地。而在乡村地区存在很多破碎图斑显示建设用地在2010年转为耕地和林地，面积分别为48.27，12.04 km2，说明随着城市扩张不断加强，耕地和粮食安全压力增加，会通过将乡村地区或废弃建筑工矿用地等的建设用地通过土地整治和土地复垦等措施来增加耕地数量。

3 讨论与结论

(1) 随着时间的发展，变化的次数增多而该种变化类型的面积越小。长沙市的新增变化在南北方向上沿湘江延伸，在东西方向上沿宁长浏产业发展带伸展。1990—2000年长沙市的土地利用/覆被变化呈转变模式，2000—2010年呈扩张模式，表明1990—2010年长沙的城市扩张是加速进行的。

(2) 转移次数和转移地类数的空间分布具有相似性。随着转移次数和地类数的增多，对应变化的像元数都在减少，2个地类变化1次的新增变化比较突出。随着时间延长，虽然土地整治等能补给少量的耕地和林地，但城市扩张占用外围耕地和林地仍是当地土地利用中主要的变化方式。

(3) 其他城镇和长沙市中心城区变化模式相似但辐射能力较弱且发展方向不尽相同，土地利用变化和规模遵循一定的城市等级顺序。

探寻基于多期时间序列土地利用数据的转移次数和地类及其时空关联特征，一方面，可从新层面来探测土地利用变化的特征规律，为预测等提供基础；另一方面，可将量化的变化信息在空间上可视化展示。同时该方法可以充分利用土地利用现有数据，探究变化过程展示区域动态变化。本文中长沙市呈现转移次数和转移地类在空间变化上的统一，且主要变化为外延性城市扩张。但是某些城市的发展可能与此不同，也可用此方法进行进一步的对比分析。对于城市扩张的研究和区域差异研究也可应用此方法，这将是未来深入研究的方向。

致谢：感谢美国克拉克大学地理学院Robert Gilmore Pontius Jr教授给予的指导和宝贵意见。

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