基于復雜網絡模型的土地利用變化研究

周盼 唐凱 唐萍

摘要?基于GIS和ENVI技術，將常寧市2005、2010、2015年三期遙感影像進行解譯分類，運用復雜網絡概念模型對其土地利用變化情況進行分析，并探討了影響其變化的原因。結果表明，建設用地為主要的轉入型地類，林地和耕地為主要的轉出型地類，土地利用變化主要由林地主導，并且土地利用系統穩定性趨于下降;自然地理環境、經濟社會發展以及區域發展政策是其土地利用變化的主要原因。未來的土地利用過程中，常寧市應考慮合理定位各區域土地利用主導方向，科學引導各區域的土地利用空間變換，以促進區域土地利用空間的維系、過渡與融合，從而提高土地利用的可持續性。

關鍵詞?土地利用變化;復雜網絡模型;常寧市

中圖分類號?F301.2文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2018）33-0050-04

當前，因城鎮化的快速推進，受區域發展政策、城鄉融合、產業轉移等因素的綜合影響，區域的土地利用變換速率加快、土地利用動態度越來越激烈，區域間的空間沖突、用地失衡、局部性的環境污染等問題不斷加劇，如何提高土地資源的可持續利用重新成為世界各國探討的課題，與之同時，土地利用變化的研究也成為學術界關注的熱點之一。一方面，學者重視運用科技手段，如GIS和RS技術對土地利用變化進行研究，如國外Masek等[1] 、Lo等[2] 分別運用 Landsat MSS、TM影像、ETM+圖像研究了美國首都華盛頓和亞特蘭大都市區的城市化、城市擴展及影響其土地利用變化的驅動因子;國內早期進行土地利用研究的史培軍等[3] 、田光進等[4] 分別以3個時間點的遙感影像，利用最大似然法、概率松弛法、景觀生態學等方法，對深圳市、海口市的土地利用變化情況進行了分析，并揭示了影響其土地利用變化的深層次原因;此外，也有學者通過借助典型樣點或樣帶的方法，在GIS和遙感影像數據的支持下，對相關區域的土地利用變化進行了研究，比較有代表性的如王靜愛等[5] ?、劉彥隨等[6] ，他們都是通過相關技術與手段，定量與定向相結合的方法，對研究區域的土地利用變換過程及相關時空變化規律進行了探討和評價。另一方面，隨著研究的深入，學者們開始關注影響土地利用變化的驅動因子，比較常見的是學者們通過分析研究區域的自然地理環境、經濟社會發展、城市化、產業結構的變化等方面，探討研究區域的土地利用變化情況及其驅動因素或土地利用變化與產業結構、城市化、經濟社會發展的互動關系[7-22]。

縱觀以往研究，大部分學者的研究成果主要基于一定的數學方法，對區域內不同時期土地利用的類別、數量和結構進行分析，很少有將土地利用作為系統性進行研究。而土地利用系統作為復雜系統，可以運用復雜網絡理論和方法對其進行系統性的探討。復雜網絡研究理論和方法已經廣泛運用在互聯網、 交通網絡、傳播學等領域，并借助大數據取得很好的效果，將該方法用于土地利用研究中，能有效挖掘土地利用內在規律和演化機制，具有廣泛的應用前景[23]。

筆者以衡陽市縣級市——常寧市為研究對象，利用復雜網絡模型理論，系統分析常寧市土地利用變化特征，并探討影響其土地利用方式選擇及空間格局的因素，以期為區域土地利用規劃以及區域土地利用優化布局提供決策依據。

1?資料與方法

1.1?研究區概況

常寧市位于湖南省南部、衡陽市西南部、湘江中游南岸，屬于湖南省第二輪特色縣域經濟重點縣。地處環長株潭城市群的南緣，是湘南地區的“中心區”，也是承接珠三角地區產業梯次轉移的“前沿地”。東隔舂陵水與耒陽市為界，南與桂陽縣相連，西與祁陽縣接壤，北瀕湘江與祁東、衡南二縣相望（圖1）。地處112°07′～112°41′E、26°07′～26°36′N，市區中心位于112°23′E、26°24′N。土地總面積為2 047.90 km2，約占全省總面積的1%，列湖南省縣與縣級市中的第52位、衡陽市7縣（市）中的第5位。境內地勢南高北低，地勢類型分山地、丘陵、平原3種，分別占常寧市土地總面積的37.60%、26.00%和37.40%，在我國中部地區具有較強的代表性和典型性。

2015年，全市地區生產總值達269.90億元，其中第一產業增加值為47.26億元，第二產業增加值為108.88億元，第三產業增加值為113.46億元。至2015年末，常寧市常住人口83.446萬人，全市城鎮人口迅速增長，2015年全市城鎮人口數量為39.61萬人，城鎮化水平為47.50%。

1.2?數據來源及基礎

數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn）。從中選取3個時間點的遙感影像數據（分辨率均為30 m），包括2005、2010 年的Land-sat4-5TM影像、2015年的Landsat8 OLI 影像。

將上述影像數據下載之后，通過坐標轉換、幾何校正、大氣校正、裁剪拼接等數據預處理后，在ENVI4.8軟件支持下，根據不同土地類型的光譜特征不一樣，將常寧市遙感影像中的土地利用類型分為耕地、林地、水域、建設用地及未利用地五大類。之后，將土地利用分類圖轉成shpfile文件后，在GIS中得到不同時間階段的各土地類型情況。

1.3?研究方法——復雜網絡模型

1.3.1?復雜網絡測算指標。

1.3.1.1?度。網絡中度指的是節點與系統中其他有關系的節點數目，土地利用系統內部變化認定為地類發生變化，為有向有權網絡，分為出度和入度，轉化的權重為地類轉化的面積。度表征的是系統中節點與其他節點之間密切聯系的強度和在整個網絡的該節點的活躍程度，可以測算地類在轉化成其他地類的強度和活躍程度。

1.3.1.2?介數。介數是指經過節點的最短路徑占全部最短路徑的比重，反映的是特定節點在網絡系統的主導作用的指標，介數越大，在系統起的作用越大，可以視作主動作用的節點，可以對整個系統的結構變化產生重要的影響，介數越大的地類，在整個區域系統具有重要的主導影響力，主要通過介數較大的地類進行土地利用的演化。

1.3.1.3?平均路徑長度。平均路徑長度是指整個系統網絡中所有一組有向節點之間的最短路徑長度的平均值，表征的是在發展關系過程中節點的離散程度，該指標的測算主要反映系統的地類轉化成其他地類的難易程度。網絡的平均路徑長度難度越大，地類相互間發展轉化關系的可能減少，系統就越趨于穩定。指標的計算方式為：

1.3.2?模型構建。

土地利用地類之間的轉換關系可以分別看作土地利用系統基本組成要素，該系統為有向轉移網絡，分為土地利用的轉入和轉出2種，有向轉移具有權重，即轉移地類的面積。將土地利用現狀地類產生的轉移矩陣，轉換成復雜網絡的有向網絡格式，之后進行復雜網絡的指標測算。具體的概念模型見圖2。

2?結果與分析

2.1?土地利用變化情況

通過遙感解譯，得到2005—2015年常寧市土地利用分類圖（圖3），從分類圖大致可以看出，建設用地持續增加，水域和未利用地大致保持不變，耕地和林地數量持續減少。從空間分布來看，城市邊緣區等人口集聚地區周邊的農用地轉換為非農用地較為顯著，表明中心城區的城市化區域和土地利用類型轉換速度較其他地區快。下面通過復雜網絡模型對常寧市土地利用變化情況進行詳細分析。

2.1.1?地類度值。

節點度值的高低表示的是2種地類進行轉變的有向關系及發生轉變的面積。其中有向網絡中，出度和入度的比值大于1表示該地類為轉出型，比值小于1表示轉入型。從表1可以看出，2005—2015年耕地、林地和水域是主要的轉出型地類，總面積不斷減少，重要原因是耕地和林地是常寧市面積最大的地類;區域內的建設用地是主要的轉入型地類，2005—2015年建設用地出度與入度的比值為0.04，區域內的建設行為主要占用林地和耕地進行擴張。2011—2015年耕地的入度有大幅度的增加，主要是由于常寧市陸續開展實施土地開發整理補充耕地項目。隨著城鎮化的快速推進，城市的擴張客觀上需要提供大量建設用地以帶動經濟社會發展。

2.1.2?地類介數值。

節點介數的高低反映的是特定地類在系統中的重要程度，值越大反映其在系統中的作用越大，對系統的結構和變化能起到較重作用，從各個時間周期不同地類（表2）可以看出，在2005—2010、2011—2015 年林地介數為各個時間周期中地類介數的最大值，其次為建設用地，林地作為常寧市面積比例最大地類，為整個網絡系統的主導地類，系統的結構變化都是圍繞林地進行，林地轉化成建設用地占建設用地轉入面積的35.7%，轉入到林地的地類主要為未利用地和耕地，可見林地在系統中起著重要作用，對系統一定程度上有主導控制作用。

2.1.3?地類轉化平均路徑長度。

分析2005—2015年常寧市地類轉化平均路徑長度值情況發現，2005—2010、2010—2015年平均路徑長度分別為1.52和1.48，系統的穩定性下降。主要是由于該時期區域內在經濟社會快速發展背景下，建設活動未受到有效管理和約束，城市建設行為蔓延使得區域內林地和耕地受到侵占，人類的建設行為對土地利用影響加強，系統的穩定性下降。可以預期，今后一段時期內，隨著快速城市化進程的繼續推進，常寧市的建設用地擴張將進一步加劇，人類活動的增加，勢必影響到整個土地利用系統的穩定性，進而影響土地利用的基本格局。

2.2?土地利用變化影響因素分析

2.2.1?自然地理環境。

地形地貌、氣候條件、河流水系等自然地理要素都是影響土地利用的基礎性因子。常寧市主要以林地和耕地為主，全市耕地面積和林地面積分別占土地總面積的24.73%和51.05%，決定了建設用地轉入類型的重要地類來自于耕地與林地。

2.2.2?經濟社會發展。

一般來說，經濟社會發展無疑是影響土地利用變化的關鍵性因子。比如人口在區域之間的相互流動、城鎮化和工業化的快速推進、產業結構與優化升級等是影響土地利用空間格局和變化的重要因素。經濟社會發展的變化在土地上的直接表現就是土地利用變化的情況。因此，此處選取人口、城鎮化水平與建設用地、GDP與耕地等指標來分析常寧市的主要經濟社會指標與土地利用相關指標的相關情況。結果表明（表3），常寧市人口集聚與建設用地呈正相關、GDP與耕地呈負相關、城鎮化水平與建設用地呈正相關，由此可以得知，常寧市人口集聚和經濟增長伴隨著建設用地增加和農用地減少，兩者之間是緊密相關的。

2.2.3?區域發展政策。

土地利用變化最直接的影響因素為土地管理政策，一個地區的土地利用政策很大程度上決定了該區土地利用變化的本質。2011年，湘南地區正式獲國家發改委批復，成為第4個國家級承接產業轉移示范區，常寧作為示范區“三級四帶”中“京港澳沿線產業集聚帶”的重要節點，重點承接珠三角、長三角地區產業轉移，加強與長株潭地區聯動發展，具有良好的發展前景，常寧市要做強工業走廊，重點保障工業走廊建設用地需求，將其打造成為常寧市中心城區承接產業轉移基地。這無疑促動了常寧市2010—2015年土地利用變化。

2.2.4?影響機制。

總體來看，土地利用格局變化受3種因子影響，包括基礎性因子、關鍵性因子和促動性因子（圖4）。3個影響因子彼此影響與制約，共同影響相關區域的土地覆被與景觀形態、土地利用與結構變化。基礎性因子主要是自然地理環境的影響，這類因子由于具有穩定性特征，本身變化較弱，因此對區域的土地利用變化的影響也相對較小，一般起著基礎性的格局作用;關鍵性因子和促動性因子主要包括經濟發展、人類活動、區域政策環境等，這兩類因子相對而言在區域土地利用空間格局及變化的過程中起著重要作用，并且因強度、方法及頻率的變化對土地利用變化的影響程度也不一樣，強度越大，土地利用變化速度也相對越快。

以研究區域常寧市來看，2005年常寧市的城鎮化水平為31.50%，2015年增長至47.39%，城鎮化的快速推進，無疑需要更多的建設用地空間以滿足不斷增加的城鎮人口，也迫使常寧市的農業用地逐漸減少，使得這期間常寧市的土地利用結構和產業結構都發生了變化，建設用地比重由2005年的5.70%增加至2015年的9.18%;農業用地比重由2005年的86.67%減少為2015年的83.47%，第一產業比重由2005年的26.6%減少為2015年的17.5%，第二、三產業比重由2005年的73.4%增加為2015年的82.5%。

3?結論與討論

（1）以常寧市這一中部地區典型城市為研究區域，基于復雜網絡模型，分析了常寧市土地利用變化的特征及影響機制，研究成果能為研究區域及其他類似區域的可持續土地規劃與管理提供科學參考。

（2）基于復雜網絡模型，常寧市在2005—2015 年區域轉入型地類為建設用地，轉出型地類主要為林地和耕地，表明該區土地利用變化基本趨勢為建設用地大幅增加、耕地和林地減少較多，其他地類變化相對較小。主要的土地利用轉換類型包括耕地轉為建設用地、林地和耕地間的相互轉換及水體轉為耕地。主要原因是在城鎮化和工業化的快速推進過程中，需要更多的建設用地空間來承載人口的快速增加。2005—2015 年常寧市地區生產總值由62.22億元增長至244.88億元，年均增長率高達12.71%，如此快速的增長需要相應數量的建設用地來承載。

（3）從結果來看，常寧市各個時期內網絡節點的介數最大值為林地，林地在整個土地利用系統中起主導作用，也主要是建設用地轉入的主要來源，并且2005—2015年網絡系統中的地類平均路徑長度呈下降的趨勢，系統穩定性減低。因此，維護常寧市土地利用系統需要有效防止城市無序蔓延，保障城市生態安全，并加快城市開發邊界、生態保護紅線和永久性基本農田的劃定，并作為一個空間政策工具嚴格執行。

（4）總體上看，常寧市的土地利用格局變化受3種因子影響，包括基礎性因子、關鍵性因子和促動性因子。基礎性因子是指自然地理環境的影響，關鍵性因子和促動性因子主要包括經濟發展、人類活動、區域政策環境等。3個影響因子彼此影響與制約，共同影響相關區域的土地覆被與景觀形態、土地利用與結構變化。

（5）今后的土地利用管理中，常寧市應以“科學整合，合理引導”為原則，合理定位區域的土地利用發展方向，加強城鄉融合、促進區域土地利用空間的維系、過渡與融合，科學引導各區域的土地利用空間變換，以促進區域土地利用空間的維系、過渡與融合，從而提高土地利用的可持續性。

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