長沙市1990～2010年土地覆被變化及其預測

任紅鴿 ，全 斌,，王道平，王 鵬，胡 最

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411100；2.衡陽師范學院 城市與旅游學院，湖南 衡陽 421000)

長沙市1990～2010年土地覆被變化及其預測

任紅鴿1，全 斌1,2，王道平1，王 鵬2，胡 最2

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411100；2.衡陽師范學院 城市與旅游學院，湖南 衡陽 421000)

以長沙市作為研究對象，利用1990、1995、2000、2005、2010年長沙市5期的Landsat TM/ETM遙感影像數據，計算出了1990～2010年土地利用的數量結構和各地類實際面積的轉移矩陣以及2010～2030年每10年間隔的各地類預測面積的轉移矩陣，分析了長沙市1990～2010的土地利用數量結構特征，并對長沙市土地利用變化趨勢進行了預測和土地利用/覆被轉移變化的驅動力分析。結果表明：(1)長沙市1990～2010年建設用地保持持續高速增加，而耕地面積和林地面積則逐年下降，并且絕大部分轉化為建設用地；(2)在2010～2020年，建設用地面積將會保持大致為6658.7 hm2/年的增速繼續增加，增速大約為2000～2010年的兩倍，此期間的主要變化表現為林地面積的減少；(3)到2020年左右，長沙市各個地類的土地利用趨于一個穩定的狀態；(4)耕地減少和建設用地增加的主要社會因素為人口增長以及經濟快速發展。

土地利用/覆被變化；CA-Markov預測；長沙市

Abstract： This paper took Changsha city as the research object, used the Landsat TM/ETM remote-sensing image data of Changsha in the years of 1990, 1995, 2000, 2005 and 2010, calculated and analyzed the quantitative structure of land use and the transfer matrix of actual area of various land use types during 1990～2010, and the transfer matrix of predicted area of various land use types during 2010～2030, predicted the change trend of land use in Changsha, and analyzed the driving force for land use/cover transformation and change. The results showed that: (1) In Changsha city from 1990 to 2010, the construction land area kept a sustainable and high-speed increase, while the cultivated land and forest land area dropped year by year, and most of them were converted to construction land; (2) During 2010～2020, the construction land area will continuously increase at the speed of about 6658.7 hm2/a, being about 2 times increasing speed during 2000～2010; in this period, the major change will be the decrease in forest land area; (3) Around the year 2020, the area of various land use types in Changsha city will tend to a stable state; (4) The main social factors causing the cultivated land reduction and the construction land increase were population growth and rapid economic development.

Keywords： Land use/cover change; CA-Markov prediction; Changsha city

0 引言

土地利用反映的是人類利用土地的功能和特性來滿足自身需求的活動方式和過程，屬于土地社會經濟屬性的一種現象，而土地覆蓋則體現的是土地的自然屬性[1]。由于全球環境問題的涌現，使得土地利用/覆被變化(LUCC)已經成為全球變化研究的前沿和熱點之一，因為土地利用及其變化承載著自然與人文過程，是探討人地關系地域系統的重要切入點。國外最早對于LUCC的研究開始于19世紀前期，以杜能對德國南部地區的土地利用模式進行的研究為標志[2]。20世紀70年代后，關于全球變化的研究逐步在世界范圍內開展，LUCC因其受到自然環境、人文地理、社會活動等諸多方面的影響，引起學者們的廣泛關注。1990年以來，諸多與全球變化相關的國際組織和研究機構將LUCC作為研究的重點之一，如聯合國環境規劃署(UNEP)亞太地區環境評價計劃于1994年啟動了“土地覆被評價和模擬(LCAM)”項目，分析了東南亞地區的土地覆被現狀與變化情況。自20世紀90年代以來，全球環境變化研究領域逐漸加強了對土地利用/覆被變化的研究。“國際地圈與生物圈計劃”(IGBP)和“全球環境變化人文計劃”(IHDP)于1995年共同發起了“土地利用/覆被變化”(LUCC)研究計劃[3]。我國的LUCC研究已開展了幾十年，專家學者跟隨著國際上研究學者的研究動態，開展了一系列如土地利用變化監測、驅動力以及變化趨勢預測等方面的研究。從研究尺度來看， 目前的研究主要集中在以全國為研究對象的大尺度[4]、以流域[5]和地貌單元[6]為研究對象的中尺度以及以具體城市為研究對象的小尺度[7]。從研究方法來看，采用單一土地利用動態度、綜合土地利用動態度、土地利用程度、土地利用轉移矩陣、重心模型等方法[8]。總的來看，土地利用變化研究主要是理解土地利用變化的原因和結果，同時模擬土地轉換的時空類型。

國外研究土地利用變化的趨勢一般運用模型來進行模擬，如Laney以過程為主導模擬了馬達加斯加農業景觀的利用變化狀況[9]；我國的學者也對土地利用的變化趨勢進行了大量的模擬預測，如魏永坤等[10]以2000、2005和2010年3期土地利用數據，采用馬爾科夫模型對上海市2010～2020年的土地利用情景進行了模擬；李亞麗等[11]基于CA的鄭州市土地利用演化研究對鄭州市2002～2016的土地利用變化進行了模擬。由于CA模型在模擬的空間上具有優勢，而馬爾科夫模型具有數量表達的優勢，將兩者優點結合的CA-Markov模型成為了目前研究者廣泛用來模擬預測未來土地利用狀況的一種預測模型。

長沙市作為長株潭“中部經濟區”的核心城市，近年來，由于受到人口迅速增長、土地等資源相對不足和環境承載能力較弱等問題的影響，長沙市人-地矛盾日漸突出，制約了“中部經濟區”的發展，土地利用問題引人注目[12]。例如陳永林等對長沙市2003～2013年土地利用變化與城市化關系進行了分析，認為長沙市城市化水平的高低與土地利用變化量的大小在數量上存在著明顯的線性相關[13]。歷華等研究了基于遙感的長沙市熱島與土地利用/覆被變化之間的關系，研究表明城市用地和裸地是城市熱島強度的主要貢獻因素[14]。金勇章等對長沙市2002～2006年的土地利用結構時空變化進行了研究，結果表明空間上居民點及工礦用地變化最大[15]。目前，雖然關于長沙市土地利用變化的研究頗多，一般是就一定的時間點或時間段探討土地利用變化，但結合驅動力對長沙市未來的土地利用的預測研究較少。此外，以往研究傾向于數量分析與計算，很少對預測進行空間上的地理要素顯示。本研究通過已有土地利用數據，深入探索研究了長沙市近年來的土地利用變化規律，并對其驅動力進行了分析；在此基礎上，基于CA-Markov模型合理預測了未來長沙市的土地利用變化/覆蓋狀況并將其進行地圖表達。這將為如何規劃好、利用好、節約好有限的土地資源，實現土地利用的可持續提供理論依據。

1 研究區域概況

長沙市位于湖南省東部偏北、湘江下游，南接株洲市和湘潭市。地理位置為東經111°53′～114°5′，北緯 27°51′～28°40′。長沙市轄天心區、芙蓉區、岳麓區、雨花區、開福區、望城區及瀏陽市、長沙縣、寧鄉縣，總共6區1 市2縣，面積約為1.18萬km2。在氣候上，長沙市屬于典型的亞熱帶季風氣候，全年無霜期、降水充沛、雨熱同季、四季分明。土壤屬南方紅壤地帶，植被屬亞熱帶常綠闊葉林區域。地形以山地丘陵為主，土地利用類型多樣。2007年11月16日，長株潭城市群被批準為“兩型社會”試驗區，長沙市為核心城市。現如今，伴隨著“中部經濟區崛起”政策的逐步實施，以及《長江中游城市群發展規劃》得到國務院批復，長沙市已然成為我國中西部地區最具競爭力的城市之一。

2 數據來源與研究方法

2.1數據來源及處理

本研究所使用的長沙市土地利用數據來自中國資源環境數據庫的 TM遙感影像標準產品，時期為1989/1990、1994/1995、1999/2000年，分別簡記為1990、1995、2000年的3期數據。該數據是以TM/ETM+遙感影像為基礎數據源，通過計算機自動分類和人工目視解譯形成的1∶10萬的土地利用矢量數據，這3期數據的解譯定性精度誤差被分別控制在92.92%、98.40%和97.45%水平上；2005和2010年的遙感數據原始格式為DAT，頭文件為Fast，并已經過輻射校正和相關數據預處理的TM遙感影像標準產品。數據的分辨率均為30 m。其他數據主要包括長沙市行政區劃矢量數據和湖南省1991～2010年的統計年鑒數據。

2.2研究方法

通過應用IDRISI軟件的CA-Markov模塊，可以高效快速地實現對土地利用/覆被未來趨勢的預測模擬。具體的操作為：(1)數據格式的轉換。在IDRISI中將ArcGIS可識別的土地利用數據格式進行轉換，得到IDRISI可識別的文件；(2)進行Markov預測。使用IDRISI軟件提供的Markov模塊，得到兩個年度區間的轉移面積矩陣與狀態轉移概率矩陣；(3)制作轉換適宜性圖集。采用進行Markov預測時產生的rgf格式的狀態轉移圖集作為適宜性圖集；(4)進行CA-Markov模擬預測。本文采用標準格式的5×5的CA鄰近濾波器為鄰域定義，5 a為步長，進行模擬預測。

3 結果與分析

3.1土地利用的數量結構特征

表1為在IDRISI中統計的研究區各期土地利用面積情況，由表1可知1990～2010年長沙市土地利用/覆被主要表現如下幾個特征：

(1)長沙市的土地利用/覆被以耕地和林地以及建設用地為主，耕地與林地呈現逐年減少的趨勢，而建設用地則逐年增加。耕地和林地方面：1990～2010年研究區耕地和林地兩者面積均在減少，但其面積之和占總面積的比例仍均大于90%，從1990年的94.45%減少到2010年的91.47%。建設用地方面：建設用地逐年增加。1990年研究區建設用地面積為26141 hm2，占該年土地利用總面積的2.23%；2010年則增加為61513 hm2，占比5.24%。

(2)草地、水體以及未利用地占比較小。草地在1990～2010年期間的變化幅度比較小，基本上保持一個穩定的狀態，總體上略有增加；水體的總面積變化也較小，但從2000年開始呈現略微減少的趨勢。

表1 1990～2010年長沙市土地利用數量結構

3.2土地利用/覆被轉換分析

3.2.1 1990～2010年長沙市各地類轉換速率分析 利用IDRISI軟件中的GIS Analysis功能，以5年為時間間隔，分別統計1990～1995、1995～2000、2000～2005和2005～2010年這4個時間段耕地、林地、建設用地和其他(包括水體、草地和未利用地)各地類的轉入轉出面積。以各地類的轉入轉出面積為基礎分別制作長沙市1990～2010年各地類增加的速率圖和減少的速率圖，并將兩圖像進行對比。由圖1可知：(1)在1990～2010年這20年期間，長沙市耕地與林地減少的速率一直大于其增加的速率，說明在此期間耕地和林地的總面積持續減少；后10年耕地與林地減少的速率明顯大于前10年減少的速率，說明后10年長沙市耕地和林地轉換程度遠比前10年劇烈。(2)在1990～2010年這20年期間，長沙市建設用地基本上只有增加的速率而無減少的速率，說明在此期間建設用地面積持續增長而基本上無轉出；后10年建設用地的增加速率明顯高于前10年增加的速率，說明后10年長沙市城鎮化程度遠比前10年劇烈。

3.2.2 1990～2010年長沙市土地利用/覆被轉換分析 以10年為時間間隔，在IDRISI中分別操作得到長沙市1990～2000年以及2000～2010年的土地利用面積轉移矩陣，結果如表2、表3所示。再在ArcGIS軟件中將1990、2000、2010年的土地利用/覆被分布圖制圖(圖2)輸出。

圖1 長沙市1990-2010年各地類增加速率與減少速率

表2、表3分別反映了1990～2000和2000～2010年長沙市土地利用類型轉換特征，耕地和林地有大量轉出，兩者大量轉換為建設用地，導致后者的面積迅速增加。從各地類轉出去向看：耕地面積轉出的最多，轉出面積總分別計為3691 hm2和14477 hm2，主要轉換為建設用地、林地、水體，轉出量分別為2210、1317、404 hm2和23、349、20458 hm2；林地面積轉出次之，轉出面積總計為2956 hm2和27620 hm2，轉出部分主要流向建設用地，其次為草地、耕地和水體。1990～2000年，草地主要轉換為林地，為121 hm2；水體主要轉換成建設用地，為312 hm2，另有一部分轉換成耕地；建設用地轉出部分主要變成林地和耕地；未利用地則主要轉換為林地和建設用地。2000～2010年，草地主要轉換為林地，為896 hm2；水域主要轉出為林地和建設用地，轉出量分別為1992、1443 hm2，另有3630 hm2轉換成耕地；建設用地轉出部分主要變成耕地和林地，分別轉出5461 hm2和1839 hm2；未利用地主要轉出為草地和水體。

綜上所述，1990～2010年期間，在長沙市土地利用/覆被轉換中，各個地類之間基本上有相互的轉換，最為突出表現是耕地和林地銳減，建設用地面積持續增加；2000～2010年期間的地類轉換相對1990～2000年期間尤為劇烈，體現了該時期社會經濟的發展使得土地利用變化加劇演變的現象。

表2 1990～2000年長沙市土地利用/覆被面積轉移矩陣 hm2

表3 2000～2010年長沙市土地利用/覆被面積轉移矩陣 hm2

圖2 1990、2000、2010年長沙市地類分布圖

3.3基于CA-Markov的土地利用變化趨勢預測

使用Kappa系數對預測數據進行精度評價。因為以1995年為起始年的這3期預測數據與實際數據具有高度的一致性，故繼續以1995年為起始年，使用CA-Markov模型對長沙市2015、2020、2025、2030年這4期的土地利用/覆被進行預測，得到土地利用/覆被數據，如圖3所示。由圖3可知，建設用地主要在已有的城市外圍進行擴張，尤其是在長沙市中心城市之外的城鎮地區。為了更加直觀地了解各地類之間轉移變化的數量，計算長沙市2010～2020年以及2020～2030年的土地利用面積轉移矩陣，如表4、表5。

由表4和表5可以得出：(1)2010～2030年，長沙市土地利用各地類中，建設用地的變化幅度相對較大，林地、耕地和草地次之，水域變化幅度最小；(2)建設用地的面積在此期間擴展了一倍多，占總面積的比重由5.24%增大為10.90%；(3)林地的面積轉移較多，其減少的面積主要轉化為建設用地，用來滿足未來10年左右持續增加的經濟建設用地需求。從2010年至2020年左右，建設用地面積將會以6658.7 hm2/a左右的增速進行增加，增速大約為2000年至2010年的兩倍，土地被持續開發利用。因此，如何協調好經濟建設與生態和林地保護之間的關系，最重要的是使有限的土地資源發揮其最大的作用。

總體來看，未來15年，長沙市土地利用結構穩定，以耕地和林地為主，建設用地面積不斷增加，且大致在2020年左右，長沙市的土地利用/覆被將達到一個穩定的狀態，不再隨著時間的推移發生較大的變化轉移。

表4 2010～2020年長沙市土地利用/覆被面積轉移矩陣 hm2

表5 2020～2030年長沙市土地利用/覆被面積轉移矩陣 hm2

3.4長沙市土地利用/覆被變化驅動力分析

區域地形地貌特征、人口規模變動、社會經濟發展及相關政策、規劃制訂都會對土地利用變化產生很大影響[16]。本文主要從自然因素、社會因素兩個方面來分析長沙市在研究期內土地利用變化的成因。

3.4.1 自然因素 自然因素中的氣溫、降水和光照強度決定著土地生產潛力，而災害性氣候限制著土地的開發與利用[17]。自然條件對農業生產的影響尤為嚴重，因此誘導著土地利用和覆被分布的變化。長沙市屬亞熱帶大陸性季風氣候，深受東亞季風環流的影響。長沙市1995～2010年氣候變化主要分兩個時間段：(1)2005年以前，長沙市年平均氣溫在17 ℃左右，其中7月份氣溫最高，1月份氣溫最低；年均降水量1300～1500 mm；年平均日照1400～1600 h。(2)2005年以后，由于溫室效應加劇，導致全球氣溫升高，長沙市平均氣溫升高了2.7 ℃，光照強度不斷增強，而降水量卻逐漸降低。因此，全球環境間接影響了區域土地利用/覆被變化狀況。

3.4.2 社會因素 現在普遍認為，社會經濟因子是目前全球、國家和地區等不同尺度內土地利用與土地覆被變化的主要驅動力，并且在不同尺度上的作用機理也不同。社會經濟因子包括很多因素，本文主要討論人口、經濟等主要因子的驅動作用[18]。

人口既是生產者，又是消費者，它是影響土地利用/覆被變化的社會經濟因素中最具活力、最為重要的因素之一。從表6可以看出，1995～2010年長沙市人口呈現高速增加的態勢，市區人口增長迅速，且農業人口和非農業人口的構成變化明顯；隨社會經濟發展，非農業人口數量和比例不斷增大，農業人口數量和比例則持續減小，城鎮化水平不斷提高。1995年全市總人口562.82萬人，其中市區人口145.45萬人，占全市總人口25.84%，非農業人口占了全市總人口28.46%，農業人口占了71.54%；到2010年，全區人口數量為650.12萬人，增加了87.3萬人，其中市區人口占總人口的比例升至36.84%，而農業人口減少至63.43%。

人口增長和結構變化對土地利用/覆被變化的影響主要表現在：(1)人口快速增長對糧食的需求量增加，在土地資源有限的條件下，促使人類對土地的作用程度加強。(2)人口增加和結構變化使土地利用結構發生變化，導致農業用地和生態用地被占用，荒蕪的土地被開發，而城鄉工礦居民用地急劇增加，加劇了人地矛盾。1995～2010年間，長沙市耕地總體減少了16522 hm2，林地減少了16809 hm2，建設用地增加了31217 hm2。

表6 1995～2010年期間長沙市人口變化

土地利用/覆被變化是一個與經濟發展階段不斷適應的過程。由表7看出：(1)1995～2010年長沙市經濟發展迅速，經濟總量急劇膨脹。1995年，生產總值332.75億元，到2010年，增長至4547.06億元，經濟膨脹了將近14倍。(2)區域經濟結構不斷優化，三次產業分配更加合理。農業總產值比例下降，第二產業得到蓬勃發展，比例由42.18%增加為53.60%。

表7 1995～2010年期間長沙市經濟發展狀況

耕地總量與GDP呈負相關，相關系數為-0.91；建設用地總量與GDP呈正相關，相關系數為0.96。研究表明，經濟發展必然促進對土地的投入力度，增加建設用地的需求，必然會影響農業用地和生態用地，最終導致土地利用結構的變化，最直接的表現為建設用地擠占其他用地，導致其面積大量增加(圖4)。

4 結論

土地利用/覆被變化作為全球環境變化的重要研究方向，與我國社會、經濟發展以及生態環境息息相關。本研究以長沙市作為研究對象，以1990、1995、2000、2005、2010年5期遙感影像制作而成的1∶10萬土地利用數據為主要數據源，利用ArcGIS和IDRISI，對長沙市的土地利用變化進行了研究、預測和分析。主要得出以下結論：

(1)長沙市土地利用結構在1990～2010年這20年期間發生了很大的變化，其總體特征是耕地和林地持續減少，建設用地持續增加，但后10年的土地利用結構變化比前10年的要劇烈。

圖4 長沙市生產總值與耕地和建設用地數量變化情況的相關性

(2)1990～2010年，長沙市的土地利用/覆被類型以耕地和林地為主，兩者占總面積的比重在此期間一直超過90%，但面積不斷減少；建設用地的面積增長迅速，在這20年中，長沙市的建設用地面積增加了35372 hm2，年均增加1768.6 hm2；耕地面積減少了18168 hm2，年均減少908.4 hm2；林地減少了16933 hm2，年均減少846.65 hm2；草地增加了444 hm2，年均增加22.2 hm2；水域面積減少了464 hm2，年均減少23.2 hm2。

(3)根據CA-Markov預測結果，長沙市的林地在2010～2020年期間將會出現較大幅度減少，主要轉出為建設用地和耕地；建設用地將依然保持高速的增長，向外擴展較快；在2020年左右，長沙市的土地利用/覆被將達到一個穩定的狀態，不再隨著時間的推移發生較大的變化轉移。

(4)通過定性和定量分析知，氣溫、降水、日照等自然環境要素對長沙市土地利用/覆被變化有一定影響，而人口、經濟等則是主要的社會人文因素；通過統計數據可以看出，長沙市耕地和建設用地變化與人口、經濟等社會因素具有一定的相關性。

致謝：感謝美國克拉克大學地理系教授Robert Gilmore Pontius Jr在論文寫作過程中給予的幫助和指導！

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(責任編輯：許晶晶)

LandCoverChangeduring1990～2010inChangshaandItsPrediction

REN Hong-ge1, QUAN Bin1,2*, WANG Dao-ping1， WANG Peng2， HU Zui2

(1. School of Resource, Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411100, China; 2. College of City and Tourism, Hengyang Normal University, Hengyang 421000, China)

F293.2

A

1001-8581(2017)10-0093-07

2017-06-20

湖南省教育廳重點項目(17A067);中國國家高端外國專家項目(GDW20154300243);國家自然科學基金項目(41171076、 41771188)。

任紅鴿(1993─)，女，河南平頂山人，碩士研究生，主要研究土地利用變化。*通訊作者：全斌。