基于GIS的重慶市主城區的LUCC時空特征研究

王媛媛

（太原理工大學水利科學與工程學院，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）指自然生態系統在不同時空的變化情況下，短時間內人為或自然作用對外界自然環境施加影響，使之發生改變的顯著表現形式之一，LUCC集成多門自然和社會學科，是國內外研究的常用方法，研究技術日益成熟，在越來越多的研究領域中使用，LUCC研究的核心內容是自然實物的時空變化格局，運用LUCC技術對預處理好的遙感影像進行再處理，可以得出研究區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是重慶市發展的中心區，研究其土地利用與變化具有非常重要的意義［1-3］。

1 研究區概述

重慶市主城區網羅江北區、渝中區、南岸區、九龍坡區、沙坪壩區、大渡口區、北碚區、渝北區和巴南區這9個區，官方稱“主城九區”（圖1）。重慶市主城區是明顯的“兩江四山”格局［4］。官方以“都市區”作為對這一地區規模的正式稱呼。占全市總面積的6.63%。

圖1 重慶市主城區區位空間分布

2 數據來源與處理

2.1 數據來源

采取中國科學院地理空間數據云1988、2000、2010年Landsat 4-5影像作為數據源，經過系統地輻射校正和地面控制點的幾何校正，并經由DEM分析和地形校正，同時搜集了當地的經濟社會和生態發展資料。

2.2 處理過程

數據經過MAP GIS平臺的影像預處理，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、圖像增強等，最后精度評價達90%左右，小區合并后同樣達90%方予以使用。期間進行了柵格轉矢量、錯分改正、按層分離圖元、相關指數計算等。接著進行主建成區分析、主建成區相減運算；對質心的獲取進行了質心的生成、質心坐標的獲得、質心移動的測算等。

3 研究方法

3.1 馬爾可夫矩陣轉移

3.1.1 馬爾可夫過程轉移概率馬爾可夫轉移矩陣是研究同一物質不同時期間相互轉化數值和轉移方向特征定量的方法，在許多領域中都有應用，它可以具體地反映土地利用變化的結構特征以及各類型向量之間的轉移方向和轉移量。矩陣轉移表達式如下：

式中，n表示土地利用類型的數量；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表示測試時期內第i類地類轉變為第j類地類占總地類面積的百分比。

3.1.2 馬爾可夫鏈（Markov chain model）的預測模型由馬爾可夫模型可知，在同一系統中某一類別物質在t時間的狀態向量值P（n）可以用初始時間狀態的概率向量P（0）乘以已知轉移概率矩陣Pij來確定，即P(n)=P(0)Pij，其公式為：

式中，n為從初始狀態經過n步到達待求狀態；X（0）表示初始狀態的所求量占比（或初始狀態量）。

將馬爾可夫模型應用到土地轉移的狀況，假設第n步時有如下序號分別代表不同地類，序號1、2、3、4、5、6分別代表水域、草地、耕地、林地、建設用地，未利用地。則會有以下的展望模型：

當n=1時，A（2）=A（1）P=A（0）P2

當n=i時，A（i+1）=A（i）P=A（0）Pi+1

式（3）稱為馬爾可夫鏈（Markov chain model）預測模型，它表示當樣本符合馬爾可夫鏈應用要求時，根據初始狀態A（0）和概率矩陣P，就可以預測未來時刻的狀態值［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單一或多個土地類型在時空上的演變過程。分析探究時間段內的重心具體轉移量和轉移方向，發現所研究的區域某一土地利用類型位置的時空變化狀態［8，9］。城市是一個地區發展最為迅速、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，時空變化的研究同樣重要。在國際人口地理學研究中，常把一個比較大的區域分為無窮多個極小的區域，在地圖中有已知的人口分布數量和區域，把它劃分成小區，確定小區重心的經緯度坐標，乘以其面積，求和后除以全區面積，即可得大區域的重心地理位置，公式如下［10］：

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

4 結果與分析

4.1 重慶市主城區LUCC特征

重慶市九區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，其城鄉建設日漸發達，經濟發展水平高速提升，不斷有未利用地轉化為建設用地；同時重慶市響應國家號召，近20年來積極實施退耕還林政策，林地面積有所增加，如表1、表2所示。

圖2 重慶市九區土地類型分布

建設用地面積從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78.04%。草地面積從1988年的432.52 km2到2010年的273.31 km2，減幅達36.81%。1988—2010年水域面積呈減少趨勢，其狀態不容忽視。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，同時主城區經濟發展迅速，使得部分用地轉為城鄉建設用地。1988—2010年，主城區耕地面積一直占比最大，最大時達64.58%，廣大的耕地面積促進了重慶市主城區的農業發展。重慶市地處山地，山脈丘陵縱橫交錯，如此復雜的地形條件塑造了廣袤的林地，其占比在2010年達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，一直成為地質學家研究的對象。

表1 1988—2010年重慶市主城區LUCC特征

表2 1988—2010年重慶市主城區面積變化

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年重慶市九區土地類型中耕地的轉入和轉出面積都最多，相比而言，其轉出面積最多，作為總轉出面積最大來源，在前12年轉出面積為960.41 km2，所占總轉出面積的49.71%，轉入面積為771.24 km2，占總轉入面積的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，草地轉化成耕地的面積達311.67 km2，林地轉化成耕地的面積有274.94 km2，在后10年（2000—2010年），耕地轉出823.42 km2，轉入586.08 km2。

林地的面積變化在1988—2010年位居第二，22年（1988—2010年）共轉入935.94 km2，轉出676.8 km2。總面積有所增加，面積上升的主要原因是耕地的轉入，22年共有773.98 km2轉變為林地，轉入比占總林地轉入面積的82.70%。

22年未利用土地一直是總轉入面積最小的一部分，1988—2000年轉入24.89 km2，僅占總轉入面積的1.29%，后十年轉入28.15 km2，占總轉入面積的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 面積轉移情況 （單位：km2）

1988—2010年城鄉建設用地增幅最大，其在1988—2000年轉入202.34 km2，后10年轉入483.06 km2，轉入面積首要來源于耕地，2000—2010年有349.88 km2的耕地轉化成為了城鄉建設用地，為了適應人口高速增加的局勢，越來越多的耕地變成了城鄉建設用地。

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

4.3 城市重心遷移

1988—2010年土地利用轉變最為明顯的就是城鄉建設用地。有必要研究除城鄉建設用地面積轉變之外的位置轉變。

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

1988—2010年的總體趨勢是向北偏移，1988—2000年主城區的城鄉建設用地質心向西北偏移36.45°、2.57 km；2000—2010年主城區城市質心向東北偏移58.11°、5.89 km；1988—2010年主城區的城市建設飛速加快，為了適應城市人口的激增，大量的耕地和未利用土地被城鎮取代，導致城鄉建設用地的重心遷移明顯，向21世紀以前的耕地區域偏離（表6）。

圖3 主城區質心變化

表6 主城區質心位置

5 總結與預測

5.1 整體土地面積轉化情況

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

5.2 未來發展預測

由馬氏方法可預測重慶市主城區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，草地面積平穩，城鄉建設用地先增大后平穩，林地和耕地面積保持平穩，未利用土地仍然為最少，且基本無變化。從預測重慶市主城區土地利用變化結果來看，其土地利用格局正在并在未來一定時間段內處于一種變化的狀態。隨著全球人口的迅速增加，人們生活水平的提高和生產生活方式的改善，宏觀上世界生態環境的日漸變差，越來越多的區域發生水質惡化，更多的土地不能被再利用，可利用的水資源越來越少，勢必會激發當局重視，進而提高可持續發展意識。從而使未利用土地、林地、城鄉建設用地逐年增多，而草地和耕地逐年削減，最終達到穩定狀況，這也預示著重慶市主城區終究構成城鄉經濟一體化的新土地操縱形勢。

表7 主城區1988—2010年土地面積占比轉移情況（單位：%）

由已知的土地利用類型面積的轉化面積確定轉化概率，最后確定轉移矩陣概率，所得數據用馬氏過程模擬的重慶市主城區土地利用變化結果與當前官方數據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。由馬爾可夫過程對重慶市主城區土地利用形勢的動態研究，可展望土地利用的轉變，采取措施調劑各種土地利用面積，改善當前情況下所發展的形勢，以期實現土地利用的可持續發展［14，15］。

表8 馬爾可夫鏈預測

6 小結與討論

本研究在MAPGIS軟件上對重慶市主城區1988、2000、2010年3年的遙感數據進行處理研究，分析其土地利用變化情況，并進行了馬爾科可夫預測分析，得出如下結論。

1）1988—2010年重慶市主城區耕地面積最大，2010年達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、城鄉建設用地在22年間增速最大；草地面積穩定、水域面積逐年下降。

2）水域、草地、耕地轉出部分轉為建設用地的占比高，而后10年（2000—2010年）建設用地也有相當一部分轉向耕地、林地。說明重慶市主城區近年來一直以擴張建設用地為主，也重視退耕還林還草。

3）在城市重心轉移分析中，得出重慶市主城區質心逐漸向北偏移，城區逐漸沿水域向外擴散。為了給將來的土地變遷提供參考，可繼續將建設用地沿河道擴張，使土地分布更適宜人類生存和經濟發展。

4）馬爾科夫預測以1988年的初始數據和1988—2010年的變化情況為依據，通過轉移矩陣逐年分析預測，可為政府和相關部門規劃提供依據。當局未來可繼續推廣退耕還林還草，促使建設用地趨于健康穩定發展態勢。