基于GIS的重慶市主城區(qū)的LUCC時(shí)空特征研究

王媛媛

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

土地利用與土地覆被變化（Land use and land cover change，以下用其縮寫LUCC）指自然生態(tài)系統(tǒng)在不同時(shí)空的變化情況下，短時(shí)間內(nèi)人為或自然作用對(duì)外界自然環(huán)境施加影響，使之發(fā)生改變的顯著表現(xiàn)形式之一，LUCC集成多門自然和社會(huì)學(xué)科，是國(guó)內(nèi)外研究的常用方法，研究技術(shù)日益成熟，在越來越多的研究領(lǐng)域中使用，LUCC研究的核心內(nèi)容是自然實(shí)物的時(shí)空變化格局，運(yùn)用LUCC技術(shù)對(duì)預(yù)處理好的遙感影像進(jìn)行再處理，可以得出研究區(qū)近幾年的土地利用變化情況，再利用馬爾可夫模型研究可獲得未來的土地利用變化情況。本研究選擇的主城區(qū)是重慶市發(fā)展的中心區(qū)，研究其土地利用與變化具有非常重要的意義［1-3］。

1 研究區(qū)概述

重慶市主城區(qū)網(wǎng)羅江北區(qū)、渝中區(qū)、南岸區(qū)、九龍坡區(qū)、沙坪壩區(qū)、大渡口區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)和巴南區(qū)這9個(gè)區(qū)，官方稱“主城九區(qū)”（圖1）。重慶市主城區(qū)是明顯的“兩江四山”格局［4］。官方以“都市區(qū)”作為對(duì)這一地區(qū)規(guī)模的正式稱呼。占全市總面積的6.63%。

圖1 重慶市主城區(qū)區(qū)位空間分布

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

采取中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云1988、2000、2010年Landsat 4-5影像作為數(shù)據(jù)源，經(jīng)過系統(tǒng)地輻射校正和地面控制點(diǎn)的幾何校正，并經(jīng)由DEM分析和地形校正，同時(shí)搜集了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)發(fā)展資料。

2.2 處理過程

數(shù)據(jù)經(jīng)過MAP GIS平臺(tái)的影像預(yù)處理，遙感影像分類后處理得到，其中包括波段合成、柵格的鑲嵌和裁剪、輻射校正、圖像增強(qiáng)等，最后精度評(píng)價(jià)達(dá)90%左右，小區(qū)合并后同樣達(dá)90%方予以使用。期間進(jìn)行了柵格轉(zhuǎn)矢量、錯(cuò)分改正、按層分離圖元、相關(guān)指數(shù)計(jì)算等。接著進(jìn)行主建成區(qū)分析、主建成區(qū)相減運(yùn)算；對(duì)質(zhì)心的獲取進(jìn)行了質(zhì)心的生成、質(zhì)心坐標(biāo)的獲得、質(zhì)心移動(dòng)的測(cè)算等。

3 研究方法

3.1 馬爾可夫矩陣轉(zhuǎn)移

3.1.1 馬爾可夫過程轉(zhuǎn)移概率馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣是研究同一物質(zhì)不同時(shí)期間相互轉(zhuǎn)化數(shù)值和轉(zhuǎn)移方向特征定量的方法，在許多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，它可以具體地反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征以及各類型向量之間的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移量。矩陣轉(zhuǎn)移表達(dá)式如下：

式中，n表示土地利用類型的數(shù)量；i表示研究期初的土地利用類型；j表示研究期末的土地利用類型［5］；Pij表示測(cè)試時(shí)期內(nèi)第i類地類轉(zhuǎn)變?yōu)榈趈類地類占總地類面積的百分比。

3.1.2 馬爾可夫鏈（Markov chain model）的預(yù)測(cè)模型由馬爾可夫模型可知，在同一系統(tǒng)中某一類別物質(zhì)在t時(shí)間的狀態(tài)向量值P（n）可以用初始時(shí)間狀態(tài)的概率向量P（0）乘以已知轉(zhuǎn)移概率矩陣Pij來確定，即P(n)=P(0)Pij，其公式為：

式中，n為從初始狀態(tài)經(jīng)過n步到達(dá)待求狀態(tài)；X（0）表示初始狀態(tài)的所求量占比（或初始狀態(tài)量）。

將馬爾可夫模型應(yīng)用到土地轉(zhuǎn)移的狀況，假設(shè)第n步時(shí)有如下序號(hào)分別代表不同地類，序號(hào)1、2、3、4、5、6分別代表水域、草地、耕地、林地、建設(shè)用地，未利用地。則會(huì)有以下的展望模型：

當(dāng)n=1時(shí)，A（2）=A（1）P=A（0）P2

當(dāng)n=i時(shí)，A（i+1）=A（i）P=A（0）Pi+1

式（3）稱為馬爾可夫鏈（Markov chain model）預(yù)測(cè)模型，它表示當(dāng)樣本符合馬爾可夫鏈應(yīng)用要求時(shí)，根據(jù)初始狀態(tài)A（0）和概率矩陣P，就可以預(yù)測(cè)未來時(shí)刻的狀態(tài)值［6，7］。

3.2 城市重心遷移

土地利用重心遷移模型，能在宏觀上清晰地展現(xiàn)單一或多個(gè)土地類型在時(shí)空上的演變過程。分析探究時(shí)間段內(nèi)的重心具體轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移方向，發(fā)現(xiàn)所研究的區(qū)域某一土地利用類型位置的時(shí)空變化狀態(tài)［8，9］。城市是一個(gè)地區(qū)發(fā)展最為迅速、變化最為明顯的地方，為了清楚地探究城市的土地利用變化，除研究面積變化外，時(shí)空變化的研究同樣重要。在國(guó)際人口地理學(xué)研究中，常把一個(gè)比較大的區(qū)域分為無窮多個(gè)極小的區(qū)域，在地圖中有已知的人口分布數(shù)量和區(qū)域，把它劃分成小區(qū)，確定小區(qū)重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)，乘以其面積，求和后除以全區(qū)面積，即可得大區(qū)域的重心地理位置，公式如下［10］：

式中，Ci表示t年內(nèi)該土地利用類型中一個(gè)小區(qū)i的面積；Xt表示t年土地利用類型i的重心緯度坐標(biāo)；Yt表示t年土地利用類型i重心的地理經(jīng)度坐標(biāo)；Xi表示該小區(qū)i重心的地理位置經(jīng)度坐標(biāo)；Yi表示該小區(qū)i重心的地理位置緯度坐標(biāo)［11，12］。

4 結(jié)果與分析

4.1 重慶市主城區(qū)LUCC特征

重慶市九區(qū)的土地利用類型以耕地為主，水域面積由于自然、人為因素的影響在不斷減少，如圖2所示。自重慶市成為直轄市以來，其城鄉(xiāng)建設(shè)日漸發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高速提升，不斷有未利用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；同時(shí)重慶市響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，近20年來積極實(shí)施退耕還林政策，林地面積有所增加，如表1、表2所示。

圖2 重慶市九區(qū)土地類型分布

建設(shè)用地面積從1988年的137.72 km2到2000年的325.62 km2，再到2010年的731.67 km2，1988—2010年增幅達(dá)431.27%，其面積增幅最大。其次就是林地面積，從1988年的967.32 km2到2000年的1 208.52 km2，再到2010年的1 229.33 km2，1988—2010年增幅達(dá)27.09%。1988—2010年未利用土地面積大幅減少，由130.62 km2減至28.69 km2，減幅達(dá)78.04%。草地面積從1988年的432.52 km2到2010年的273.31 km2，減幅達(dá)36.81%。1988—2010年水域面積呈減少趨勢(shì)，其狀態(tài)不容忽視。耕地面積在1988—2010年變化率較小。

1988—2010年政府退耕還林等一系列政策取得較為顯著的成效，同時(shí)主城區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，使得部分用地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地。1988—2010年，主城區(qū)耕地面積一直占比最大，最大時(shí)達(dá)64.58%，廣大的耕地面積促進(jìn)了重慶市主城區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。重慶市地處山地，山脈丘陵縱橫交錯(cuò)，如此復(fù)雜的地形條件塑造了廣袤的林地，其占比在2010年達(dá)22.47%，在各種土地利用類型中占比排第二。而占比最小是未利用土地，幾十年來，一直成為地質(zhì)學(xué)家研究的對(duì)象。

表1 1988—2010年重慶市主城區(qū)LUCC特征

表2 1988—2010年重慶市主城區(qū)面積變化

4.2 土地利用類型變化

由表3、表4、表5可以看出，1988—2000年和2000—2010年重慶市九區(qū)土地類型中耕地的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積都最多，相比而言，其轉(zhuǎn)出面積最多，作為總轉(zhuǎn)出面積最大來源，在前12年轉(zhuǎn)出面積為960.41 km2，所占總轉(zhuǎn)出面積的49.71%，轉(zhuǎn)入面積為771.24 km2，占總轉(zhuǎn)入面積的39.92%，其中，草地和林地是增加耕地面積的主要來源，尤其是在1988—2000年，草地轉(zhuǎn)化成耕地的面積達(dá)311.67 km2，林地轉(zhuǎn)化成耕地的面積有274.94 km2，在后10年（2000—2010年），耕地轉(zhuǎn)出823.42 km2，轉(zhuǎn)入586.08 km2。

林地的面積變化在1988—2010年位居第二，22年（1988—2010年）共轉(zhuǎn)入935.94 km2，轉(zhuǎn)出676.8 km2?？偯娣e有所增加，面積上升的主要原因是耕地的轉(zhuǎn)入，22年共有773.98 km2轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，轉(zhuǎn)入比占總林地轉(zhuǎn)入面積的82.70%。

22年未利用土地一直是總轉(zhuǎn)入面積最小的一部分，1988—2000年轉(zhuǎn)入24.89 km2，僅占總轉(zhuǎn)入面積的1.29%，后十年轉(zhuǎn)入28.15 km2，占總轉(zhuǎn)入面積的1.66%。

表3 1988—2000年土地利用面積變化情況（單位：km2）

表4 2000—2010年土地利用面積變化情況（單位：km2）

表5 面積轉(zhuǎn)移情況 （單位：km2）

1988—2010年城鄉(xiāng)建設(shè)用地增幅最大，其在1988—2000年轉(zhuǎn)入202.34 km2，后10年轉(zhuǎn)入483.06 km2，轉(zhuǎn)入面積首要來源于耕地，2000—2010年有349.88 km2的耕地轉(zhuǎn)化成為了城鄉(xiāng)建設(shè)用地，為了適應(yīng)人口高速增加的局勢(shì)，越來越多的耕地變成了城鄉(xiāng)建設(shè)用地。

水域和草地的轉(zhuǎn)變面積不是很明顯，水域的轉(zhuǎn)入面積從前12年（1988—2000年）的9.92 km2升到后10年的10.28 km2，同時(shí)轉(zhuǎn)出面積也從147.28 km2降低到38.4 km2。草地在前12年轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的面積相差不多，后10年（2000—2010年）轉(zhuǎn)出面積為轉(zhuǎn)入面積的1.73倍，在2000—2010年轉(zhuǎn)入面積明顯減少，應(yīng)當(dāng)引起充分重視。

4.3 城市重心遷移

1988—2010年土地利用轉(zhuǎn)變最為明顯的就是城鄉(xiāng)建設(shè)用地。有必要研究除城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積轉(zhuǎn)變之外的位置轉(zhuǎn)變。

從圖3可以看出，1988—2010年主城區(qū)面積越來越大，在南北向的擴(kuò)大更為顯著，期間主城區(qū)越來越多的跨江大橋使得城市空間逐漸向南北向延伸。長(zhǎng)江南面的南岸區(qū)、巴南區(qū)連接成片發(fā)展，長(zhǎng)江以北的江北區(qū)、渝北區(qū)的面積連年擴(kuò)張，發(fā)展比南方更加迅速，主城區(qū)的城鄉(xiāng)建設(shè)用地向北延伸的面積越來越大［13］。

1988—2010年的總體趨勢(shì)是向北偏移，1988—2000年主城區(qū)的城鄉(xiāng)建設(shè)用地質(zhì)心向西北偏移36.45°、2.57 km；2000—2010年主城區(qū)城市質(zhì)心向東北偏移58.11°、5.89 km；1988—2010年主城區(qū)的城市建設(shè)飛速加快，為了適應(yīng)城市人口的激增，大量的耕地和未利用土地被城鎮(zhèn)取代，導(dǎo)致城鄉(xiāng)建設(shè)用地的重心遷移明顯，向21世紀(jì)以前的耕地區(qū)域偏離（表6）。

圖3 主城區(qū)質(zhì)心變化

表6 主城區(qū)質(zhì)心位置

5 總結(jié)與預(yù)測(cè)

5.1 整體土地面積轉(zhuǎn)化情況

從馬爾可夫過程分析（表7）來看，重慶市主城區(qū)1988—2010年林地的增長(zhǎng)主要來自耕地，共有11.276%的耕地轉(zhuǎn)化為林地；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的增加主要來自耕地，共有7.344%的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，共計(jì)504.09 km2；水域的削減首要轉(zhuǎn)出為耕地，占比為24.225%，共計(jì)97.2 km2轉(zhuǎn)出為耕地，除此之外，水域的13.239%和6.328%分別轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地和林地，共有53.12 km2轉(zhuǎn)出為城鄉(xiāng)建設(shè)用地；草地面積的削減首要轉(zhuǎn)出為耕地，占比為64.274%，共轉(zhuǎn)出了556.00 km2；未利用土地的削減主要轉(zhuǎn)出為耕地，占比達(dá)60.742%，共轉(zhuǎn)出95.34 km2；耕地的減少主要是轉(zhuǎn)出為林地，而很少一部分（0.117%）轉(zhuǎn)化為水域，22年僅有8.05 km2的耕地轉(zhuǎn)化為水域面積。

5.2 未來發(fā)展預(yù)測(cè)

由馬氏方法可預(yù)測(cè)重慶市主城區(qū)之后幾年各類土地面積的變化情況，由表8可知，在之后的30年，水域面積呈增大趨勢(shì)，草地面積平穩(wěn)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地先增大后平穩(wěn)，林地和耕地面積保持平穩(wěn)，未利用土地仍然為最少，且基本無變化。從預(yù)測(cè)重慶市主城區(qū)土地利用變化結(jié)果來看，其土地利用格局正在并在未來一定時(shí)間段內(nèi)處于一種變化的狀態(tài)。隨著全球人口的迅速增加，人們生活水平的提高和生產(chǎn)生活方式的改善，宏觀上世界生態(tài)環(huán)境的日漸變差，越來越多的區(qū)域發(fā)生水質(zhì)惡化，更多的土地不能被再利用，可利用的水資源越來越少，勢(shì)必會(huì)激發(fā)當(dāng)局重視，進(jìn)而提高可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。從而使未利用土地、林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地逐年增多，而草地和耕地逐年削減，最終達(dá)到穩(wěn)定狀況，這也預(yù)示著重慶市主城區(qū)終究構(gòu)成城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)一體化的新土地操縱形勢(shì)。

表7 主城區(qū)1988—2010年土地面積占比轉(zhuǎn)移情況（單位：%）

由已知的土地利用類型面積的轉(zhuǎn)化面積確定轉(zhuǎn)化概率，最后確定轉(zhuǎn)移矩陣概率，所得數(shù)據(jù)用馬氏過程模擬的重慶市主城區(qū)土地利用變化結(jié)果與當(dāng)前官方數(shù)據(jù)有很大程度的一致性，從一定程度上說明了馬爾可夫過程在研究土地利用變化上的合理性。由馬爾可夫過程對(duì)重慶市主城區(qū)土地利用形勢(shì)的動(dòng)態(tài)研究，可展望土地利用的轉(zhuǎn)變，采取措施調(diào)劑各種土地利用面積，改善當(dāng)前情況下所發(fā)展的形勢(shì)，以期實(shí)現(xiàn)土地利用的可持續(xù)發(fā)展［14，15］。

表8 馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)

6 小結(jié)與討論

本研究在MAPGIS軟件上對(duì)重慶市主城區(qū)1988、2000、2010年3年的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理研究，分析其土地利用變化情況，并進(jìn)行了馬爾科可夫預(yù)測(cè)分析，得出如下結(jié)論。

1）1988—2010年重慶市主城區(qū)耕地面積最大，2010年達(dá)3 104.65 km2，占總面積的56.75%；未利用土地占比最小，且最近幾年保持不變、林地面積常年位居第二、城鄉(xiāng)建設(shè)用地在22年間增速最大；草地面積穩(wěn)定、水域面積逐年下降。

2）水域、草地、耕地轉(zhuǎn)出部分轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的占比高，而后10年（2000—2010年）建設(shè)用地也有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)向耕地、林地。說明重慶市主城區(qū)近年來一直以擴(kuò)張建設(shè)用地為主，也重視退耕還林還草。

3）在城市重心轉(zhuǎn)移分析中，得出重慶市主城區(qū)質(zhì)心逐漸向北偏移，城區(qū)逐漸沿水域向外擴(kuò)散。為了給將來的土地變遷提供參考，可繼續(xù)將建設(shè)用地沿河道擴(kuò)張，使土地分布更適宜人類生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4）馬爾科夫預(yù)測(cè)以1988年的初始數(shù)據(jù)和1988—2010年的變化情況為依據(jù)，通過轉(zhuǎn)移矩陣逐年分析預(yù)測(cè)，可為政府和相關(guān)部門規(guī)劃提供依據(jù)。當(dāng)局未來可繼續(xù)推廣退耕還林還草，促使建設(shè)用地趨于健康穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢(shì)。