洪山區(qū)土地利用變化特征與驅(qū)動(dòng)因素分析

陳舒穎

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢430070）

1 引言

國(guó)外對(duì)于土地利用變化研究較早，對(duì)于土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力也有相對(duì)成熟的研究。日本、美國(guó)等地啟動(dòng)了各自的土地利用/土地覆被變化（Land-Use and Land-Cover Change；LUCC）研究項(xiàng)目，特別是當(dāng)“國(guó)際地圈、生物圈計(jì)劃（IGBP）”與“全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計(jì)劃（IHDP）”將LUCC列為核心項(xiàng)目后，在該領(lǐng)域的研究工作逐漸加強(qiáng)。國(guó)外學(xué)者側(cè)重于兩個(gè)方面：一是土地覆被主要的組成是地球表面的植被；二是自然過(guò)程和人類(lèi)活動(dòng)共同作用于地球表面的植被和其他特質(zhì)而引起土地利用/土地覆被變化[1]。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者也就土地利用時(shí)空分異特征及驅(qū)動(dòng)力開(kāi)展相關(guān)研究。覃鳳[2]等人基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分析2003—2010年呈貢區(qū)的土地利用均衡性和多樣性變化趨勢(shì)，并利用主成分分析得出影響土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因子；張秀鵬[3]通過(guò)引入土地利用程度綜合指數(shù)、耕地占補(bǔ)平衡指數(shù)、LUCC綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)儀征各鎮(zhèn)分析土地利用變化；孫夢(mèng)竹[4]根據(jù)昆明市轄區(qū)兩期土地利用類(lèi)型建立轉(zhuǎn)移矩陣，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用馬爾科夫預(yù)測(cè)法對(duì)未來(lái)若干年土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)；聶拼[5]等人對(duì)淮南市轄區(qū)土地利用的演示序列進(jìn)行時(shí)空距離度量并確定了該區(qū)域LUCC的時(shí)空演化類(lèi)型；石水源[6]等人通過(guò)城市擴(kuò)張指標(biāo)和景觀指數(shù)分析探究廣寧縣城市擴(kuò)張對(duì)土地需求的變化。

本研究以2010年、2015年、2020年武漢市洪山區(qū)遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，解譯計(jì)算各類(lèi)型土地的逐年面積變化，建立土地轉(zhuǎn)移矩陣探究近10年武漢洪山區(qū)土地利用變化特征，通過(guò)地理加權(quán)回歸分析找到地形、交通等因素與建筑用地?cái)U(kuò)張間的關(guān)系，從定性、定量?jī)蓚€(gè)角度做武漢洪山區(qū)LUCC變化驅(qū)動(dòng)因素分析，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用CLUE-S模型對(duì)2025年洪山區(qū)土地利用情景進(jìn)行模擬。

2 研究區(qū)概況

洪山區(qū)，隸屬湖北省武漢市，因境內(nèi)有洪山而得名，位于武漢市東南部，東抵鄂州市，南鄰江夏區(qū)，西北環(huán)抱青山區(qū)、武昌區(qū)，東北與新洲區(qū)隔江相望，介于東經(jīng)114°7′—114°38′之間，北緯30°28′—30°42′之間，下轄13個(gè)街道、1個(gè)鄉(xiāng)，版圖面積480 km2，剔除托管到東湖開(kāi)發(fā)區(qū)、風(fēng)景區(qū)、化工區(qū)的區(qū)域后，實(shí)際管轄面積為220.5 km2，2017年常住人口117.16萬(wàn)人。

洪山區(qū)有湖北省軍區(qū)等近20個(gè)駐軍單位、眾多的中央和省直在漢機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位，還有武漢東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、武漢市東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)和武漢化學(xué)工業(yè)區(qū)等3個(gè)副市級(jí)單位；水域約100 km2，林地近2萬(wàn)畝；森林覆蓋率達(dá)到16%，有高等院校38所。

3 數(shù)據(jù)處理及研究方法

3.1 遙感影像解譯

3.1.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本研究所用影像數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/search）的Landsat 8 OLI_TRIS數(shù)據(jù)集，矢量數(shù)據(jù)從全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https://www.webmap.cn/）中獲取。在下載好湖北省武漢市洪山區(qū)2010年、2015年、2020年三期的遙感影像后，完成影像配準(zhǔn)、大氣校正、波段融合、影像裁剪等預(yù)處理工作。

3.1.2 監(jiān)督分類(lèi)

使用ENVI軟件進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，加載影像后，對(duì)照谷歌高清影像圖進(jìn)行樣本點(diǎn)的選取，利用選好的樣本點(diǎn)，使用監(jiān)督分類(lèi)中的最大似然方法，對(duì)洪山區(qū)影像進(jìn)行分類(lèi)。其中，波段選擇為762，土地利用分類(lèi)參考了GB/T 2010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》和《中國(guó)資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分為建設(shè)用地、林地、水域、耕地、草地、其他共6類(lèi)。結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 武漢洪山區(qū)2010年土地利用情況圖

圖2 武漢洪山區(qū)2015年土地利用情況圖

圖3 武漢洪山區(qū)2020年土地利用情況圖

通過(guò)武漢洪山區(qū)三期土地利用情況圖，可以粗略看出各地類(lèi)在洪山區(qū)的空間分布特征和變化特點(diǎn)。洪山區(qū)中大部分大面積林地均在水域附近，10年前建設(shè)用地主要集中在洪山區(qū)西北部，近10年洪山區(qū)建設(shè)用地逐漸有向四周擴(kuò)張，并將部分西南部的耕地、草地改為了建設(shè)用地。

3.1.3 精度驗(yàn)證

本文通過(guò)混淆矩陣中的Kappa系數(shù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。Kappa系數(shù)指分類(lèi)與隨機(jī)分類(lèi)產(chǎn)生錯(cuò)誤減少的比例系數(shù)[7]，其計(jì)算過(guò)程可用如下公式表示：

式（1）中：N為總像元個(gè)數(shù)；xii為混淆矩陣對(duì)角線上像元數(shù)量之和；xi+和x+i為混淆矩陣各行各列像元數(shù)量之和。

2010年、2015年、2020年分類(lèi)Kappa系數(shù)分別為0.930 9、0.936 7、0.929 5，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求的0.85分類(lèi)識(shí)別精度標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.4 面積計(jì)算

利用Class Statistics計(jì)算每種地類(lèi)的柵格數(shù)，每個(gè)柵格的面積為900 m2。

據(jù)此來(lái)計(jì)算每種地類(lèi)的面積，得到各地類(lèi)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，各地類(lèi)面積變化趨勢(shì)如圖4所示。

表1 武漢洪山區(qū)三期各類(lèi)型土地面積統(tǒng)計(jì)表

圖4 武漢洪山區(qū)2010—2020年各地類(lèi)面積變化趨勢(shì)

由圖表可知，2010—2015年期間洪山區(qū)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，建設(shè)用地面積占比增加了10個(gè)百分點(diǎn)，2015年后建設(shè)用地面積基本趨于穩(wěn)定，約為59 km2。水域面積近10年來(lái)幾乎不變。與建設(shè)用地變化相反的是，洪山區(qū)耕地面積在2010—2015年急劇下降，從94.362 2 km2下降到35.175 6 km2，2015—2020年間又回升到了48.460 8 km2。而林地面積占比在研究時(shí)段的前5年基本不變，2015年后有一定增加。

3.1.5 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應(yīng)用。馬爾科夫模型不僅可以定量地表明不同土地利用類(lèi)型間的轉(zhuǎn)化情況，還能夠揭示不同土地利用類(lèi)型間的轉(zhuǎn)移速率。本研究運(yùn)用ENVI的change detection功能，比較相鄰兩時(shí)相土地分類(lèi)結(jié)果，建立土地轉(zhuǎn)移概率矩陣，探究土地類(lèi)型變化的具體情況。2010—2015年土地轉(zhuǎn)移概率矩陣如表2所示，2015—2020年土地轉(zhuǎn)移概率矩陣如表3所示。

表2 2010—2015年土地轉(zhuǎn)移概率矩陣

表3 2015—2020年土地轉(zhuǎn)移概率矩陣

與一般土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不同的是，表中ij（i為行，j為列）表示第j種土地類(lèi)型轉(zhuǎn)為第i種土地類(lèi)型的面積占初始年份第j種土地類(lèi)型總面積的百分比。特別地，0.000 0代表兩種土地類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換面積數(shù)小于原面積的0.01%，忽略不計(jì)。

2010—2015年，建筑用地絕大多數(shù)保留為建筑用地，有23.42%轉(zhuǎn)為了草地；林地大多數(shù)仍為林地，28.68%轉(zhuǎn)為了草地；水域類(lèi)型基本沒(méi)有轉(zhuǎn)移；2010年耕地的28.56%轉(zhuǎn)換為了建筑用地，40.74%轉(zhuǎn)為了草地；草地也有少部分轉(zhuǎn)為了建筑用地和耕地。

2015—2020年，建筑用地絕大多數(shù)保留為建筑用地，有21.82%和14.99%分別轉(zhuǎn)為了耕地和草地；林地有少部分向草地轉(zhuǎn)移；水域類(lèi)型基本沒(méi)有轉(zhuǎn)移；2015年耕地的15.15%和34.44%分別轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地和草地；而草地分別有20.74%和28.33%向建設(shè)用地和耕地轉(zhuǎn)移。

3.2 土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素分析

宏觀角度上，土地利用結(jié)構(gòu)的改變與近年人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策導(dǎo)向等原因息息相關(guān)，而同一個(gè)行政區(qū)內(nèi)各地類(lèi)的面積和空間分布變化更多的是受政策、交通、地形等因素主導(dǎo)影響。

3.2.1 政策因素

“十二五”期間（2011—2015年），洪山區(qū)始終圍繞建設(shè)“一核、兩翼、三區(qū)”城市空間布局，以街道口和南湖地區(qū)為核心，依托路網(wǎng)打造“三橫三縱”（三橫為珞喻路、雄楚大道、南湖大道；三縱為珞獅南北路、卓刀泉路、魯磨路）城市核心區(qū)，以和平、梨園和青菱地區(qū)為兩翼，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)[8]。武漢洪山區(qū)規(guī)劃空間布局示意如圖5所示。從2010年與2015年兩期土地利用情況圖也可以看出，洪山區(qū)優(yōu)先發(fā)展了城市核心區(qū)與兩翼地區(qū)的建設(shè)用地，并呈擴(kuò)散式逐步向四周開(kāi)發(fā)。

圖5 武漢洪山區(qū)規(guī)劃空間布局示意圖

“十三五”期間（2016—2020年），洪山區(qū)以“大學(xué)之城”“高鐵之心”“生態(tài)之洲”建設(shè)為核心任務(wù)，堅(jiān)持長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展“共抓大保護(hù)，不搞大開(kāi)發(fā)”的工作導(dǎo)向[9]。2020年相較2015年，林地面積占比提高了將近5%，且主要由耕地和草地轉(zhuǎn)換而來(lái)，體現(xiàn)區(qū)域積極行動(dòng)，加強(qiáng)了生態(tài)環(huán)境修護(hù)和林地保護(hù)。同時(shí)，洪山區(qū)把握東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)在獲批全國(guó)第二個(gè)自主創(chuàng)新示范區(qū)之后的政策優(yōu)勢(shì)，加大東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的建設(shè)力度。

3.2.2 交通因素

建筑用地的選址受交通可達(dá)性的影響，與到高速公路的距離、道路（包括城市主干道、環(huán)路、城鎮(zhèn)街道、鄉(xiāng)村道路等）路網(wǎng)密度、到最近地鐵站的距離等變量相關(guān)。本研究基于上述評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)各個(gè)位置的出行機(jī)動(dòng)能力，各方向的道路等級(jí)越高，交通設(shè)施越好，出行機(jī)動(dòng)能力越強(qiáng)，生活或工作越便利。其中，本文所用路網(wǎng)數(shù)據(jù)全部來(lái)自BIGEMAP地圖下載器，地鐵站坐標(biāo)數(shù)據(jù)從百度地圖開(kāi)放平臺(tái)中爬取。

3.2.3 地形因素

地形因素影響著建設(shè)建筑用地的適宜性，在選擇建筑用地時(shí)，一般考慮坡度因素，若一塊地很陡峭，則不適合作為建筑用地。本文利用地理空間數(shù)據(jù)云提供的SRTMDEM 90M分辨率原始高程數(shù)據(jù)計(jì)算得出洪山區(qū)各位置坡度，進(jìn)而分析其作為建設(shè)用地的適宜性和可行性。驅(qū)動(dòng)因子分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)因子分析結(jié)果

3.2.4 地理加權(quán)回歸分析

為了保留洪山區(qū)各區(qū)域的異質(zhì)性，更好地模擬城市復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部影響機(jī)制，得到更加可靠的區(qū)域規(guī)劃建議，進(jìn)行地理加權(quán)回歸分析。地理加權(quán)回歸（GWR）模型如下：

式（2）中：βk為連續(xù)函數(shù)βk（u，v）在i點(diǎn)的值，如果βk（u，v）在空間保持不變，則GWR模型就變?yōu)槿帜Ｐ?；（ui，vi）為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

在ArcGIS10.2中提取2020年土地利用情況數(shù)據(jù)中的建筑用地，以2 km×2 km柵格單元內(nèi)建設(shè)用地面積作為因變量，解釋變量為地鐵站、高速公路、其他道路路網(wǎng)、坡度，運(yùn)算地理加權(quán)回歸結(jié)果。

各個(gè)回歸點(diǎn)LocalR2字段（用于表示局部回歸模型與實(shí)際值的擬合程度，介于0和1之間）數(shù)值均大于0.5，說(shuō)明在地理加權(quán)回歸分析中，大部分區(qū)域預(yù)測(cè)值與實(shí)際情況擬合程度較高，可以采信模型得到的各類(lèi)系數(shù)。武漢洪山區(qū)路網(wǎng)及周邊設(shè)施現(xiàn)狀如圖7所示。

對(duì)道路路網(wǎng)密度C1、坡度C2、距高速公路距離C3、距地鐵站距離C4，4個(gè)自變量的系數(shù)進(jìn)行符號(hào)化顯示，結(jié)果如圖8所示，從中可以得到回歸模型的區(qū)域差異，分析各個(gè)自變量在不同區(qū)域?qū)ㄔO(shè)用地的影響程度。

路密度對(duì)建設(shè)用地影響分析：路密度系數(shù)符號(hào)化結(jié)果如圖8（a）所示，對(duì)照洪山區(qū)路網(wǎng)現(xiàn)狀圖（圖7）可知，中部路網(wǎng)密度較大，且各種條件都很優(yōu)越，路網(wǎng)的作用就相對(duì)其他區(qū)域來(lái)說(shuō)更弱一些，而東、北部路網(wǎng)密度較稀，道路密度的潛在影響就很大。若完善東、北部道路系統(tǒng)建設(shè)，跟進(jìn)道路設(shè)施，便能提高其作為建設(shè)用地的可行性以及土地價(jià)值。

圖7 武漢洪山區(qū)路網(wǎng)及周邊設(shè)施現(xiàn)狀圖

坡度對(duì)建設(shè)用地影響分析：坡度系數(shù)符號(hào)化結(jié)果如圖8（b）所示，其中，北部地勢(shì)最為平坦，坡度系數(shù)也相對(duì)較大，是近10年北部地區(qū)耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的重要原因之一。

到高速公路距離對(duì)建設(shè)用地影響分析：到高速公路距離系數(shù)符號(hào)化結(jié)果如圖8（c）所示，東北區(qū)域距離系數(shù)較大，表明經(jīng)過(guò)洪山區(qū)東北位置的武鄂高速公路以及武漢繞城高速極大推動(dòng)了高速公路周邊區(qū)域建設(shè)用地的建立。

到最近地鐵站距離對(duì)建設(shè)用地影響分析：到最近地鐵站距離系數(shù)符號(hào)化結(jié)果如圖8（d）所示，對(duì)照地鐵站分布位置可知，地鐵區(qū)（周?chē)? km范圍內(nèi)有地鐵站的區(qū)域）地鐵系數(shù)大多數(shù)較大，為第四等級(jí)，說(shuō)明地鐵的通車(chē)推動(dòng)了當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)和發(fā)展，而地鐵系數(shù)第五等級(jí)（地鐵系數(shù)最大）區(qū)域基本為非地鐵區(qū)，說(shuō)明地鐵在此有較大的潛在影響作用，在今后的規(guī)劃開(kāi)發(fā)中應(yīng)重點(diǎn)考慮該區(qū)域地鐵等交通要素的挖掘。

圖8 GWR模型各解釋變量系數(shù)符號(hào)化結(jié)果

3.3 土地利用變化走向模擬

CLUE-S（The Conversion of Land Use and Its Effects at Small Region Extent）模型由荷蘭Wageningen大學(xué)學(xué)者開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于區(qū)域土地利用變化的模擬，經(jīng)改進(jìn)后的模型比較適合中小尺度的LUCC模擬分析[10]。

3.3.1 驅(qū)動(dòng)因子選取

根據(jù)CLUE-S驅(qū)動(dòng)因子需求以及洪山區(qū)實(shí)際情況，選取了4個(gè)洪山區(qū)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子，如表4所示。

表4 CLUE-S模型驅(qū)動(dòng)因子

3.3.2 土地利用需求確定

以2010年、2015年、2020年洪山區(qū)土地利用變化情況為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)趨勢(shì)外推法得出2025年各地類(lèi)土地利用需求量：耕地（39 km2），林地（23 km2），草地（54 km2），建設(shè)用地（60.5 km2），水域（43 km2），其他（1 km2）。

3.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣與ELAS參數(shù)

本研究采用轉(zhuǎn)移矩陣合成方法設(shè)置土地利用轉(zhuǎn)換彈性參數(shù)，通過(guò)土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)出率得到初始ELAS值，參考洪山區(qū)發(fā)展特點(diǎn)、土地利用現(xiàn)狀對(duì)ELAS參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到如表5所示的ELAS參數(shù)。研究設(shè)定情景既能滿(mǎn)足人口增長(zhǎng)帶來(lái)的大量建設(shè)用地需要，也符合“綠水青山”社會(huì)發(fā)展模式，保證林地、草地和水域不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模轉(zhuǎn)出。

表5 洪山區(qū)各地類(lèi)ELAS系數(shù)

3.3.4 模型模擬與精度驗(yàn)證

模型在2020年土地利用情況、各驅(qū)動(dòng)因子以及土地利用需求的約束下，模擬得出2025年洪山區(qū)地利用情況模擬結(jié)果，如圖9所示。

圖9 2025年洪山區(qū)土地利用情況模擬結(jié)果

6種地類(lèi)的ROC（受試者工作特征）曲線值均大于0.7，土地概率分布格局基本與實(shí)際相符，Kappa系數(shù)大于0.8，模擬效果很好，預(yù)測(cè)結(jié)果具有實(shí)際參考價(jià)值。

4 小結(jié)

2010—2020年洪山區(qū)土地利用時(shí)空特征：空間上，洪山區(qū)中大部分大面積林地均在水域附近，10年前建設(shè)用地主要集中在洪山區(qū)西北部，近10年洪山區(qū)建設(shè)用地逐漸有向四周擴(kuò)張，并將部分西南部的耕地、草地改為了建設(shè)用地；時(shí)間上，2010—2015年期間洪山區(qū)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，建設(shè)用地面積占比增加了10個(gè)百分點(diǎn)，主要由耕地、草地轉(zhuǎn)化而來(lái)，2015年后建設(shè)用地面積基本趨于穩(wěn)定，約為59 km2。

洪山區(qū)土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素：在同一行政區(qū)內(nèi)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素主要有政策因素、地形因素和交通因素3類(lèi)，運(yùn)用地理加權(quán)回歸模型了解各解釋變量的作用強(qiáng)度和影響區(qū)域，挖掘未來(lái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以提升的要素。如地鐵是洪山區(qū)東部和西南部建設(shè)的重要潛在影響因子之一，武鄂高速公路以及武漢繞城高速極大地推動(dòng)了高速公路周邊區(qū)域的建設(shè)發(fā)展，北部區(qū)域道路不發(fā)達(dá)是其發(fā)展的制約因素。

土地利用情景模擬：運(yùn)用CLUE-S模型模擬2025年洪山區(qū)土地利用情況，預(yù)測(cè)結(jié)果與當(dāng)前洪山區(qū)總體規(guī)劃布局、土地利用結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)等具有高度一致性，可以為研究區(qū)規(guī)劃工作提供一定程度的參考。