基于GIS的重庆市主城区的LUCC时空特征研究

王媛媛

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原030024）

土地利用与土地覆被变化（Land use and land cover change，以下用其缩写LUCC）指自然生态系统在不同时空的变化情况下，短时间内人为或自然作用对外界自然环境施加影响，使之发生改变的显著表现形式之一，LUCC集成多门自然和社会学科，是国内外研究的常用方法，研究技术日益成熟，在越来越多的研究领域中使用，LUCC研究的核心内容是自然实物的时空变化格局，运用LUCC技术对预处理好的遥感影像进行再处理，可以得出研究区近几年的土地利用变化情况，再利用马尔可夫模型研究可获得未来的土地利用变化情况。本研究选择的主城区是重庆市发展的中心区，研究其土地利用与变化具有非常重要的意义［1-3］。

1 研究区概述

重庆市主城区网罗江北区、渝中区、南岸区、九龙坡区、沙坪坝区、大渡口区、北碚区、渝北区和巴南区这9个区，官方称“主城九区”（图1）。重庆市主城区是明显的“两江四山”格局［4］。官方以“都市区”作为对这一地区规模的正式称呼。占全市总面积的6.63%。

图1 重庆市主城区区位空间分布

2 数据来源与处理

2.1 数据来源

采取中国科学院地理空间数据云1988、2000、2010年Landsat 4-5影像作为数据源，经过系统地辐射校正和地面控制点的几何校正，并经由DEM分析和地形校正，同时搜集了当地的经济社会和生态发展资料。

2.2 处理过程

数据经过MAP GIS平台的影像预处理，遥感影像分类后处理得到，其中包括波段合成、栅格的镶嵌和裁剪、辐射校正、图像增强等，最后精度评价达90%左右，小区合并后同样达90%方予以使用。期间进行了栅格转矢量、错分改正、按层分离图元、相关指数计算等。接着进行主建成区分析、主建成区相减运算；对质心的获取进行了质心的生成、质心坐标的获得、质心移动的测算等。

3 研究方法

3.1 马尔可夫矩阵转移

3.1.1 马尔可夫过程转移概率马尔可夫转移矩阵是研究同一物质不同时期间相互转化数值和转移方向特征定量的方法，在许多领域中都有应用，它可以具体地反映土地利用变化的结构特征以及各类型向量之间的转移方向和转移量。矩阵转移表达式如下：

式中，n表示土地利用类型的数量；i表示研究期初的土地利用类型；j表示研究期末的土地利用类型［5］；Pij表示测试时期内第i类地类转变为第j类地类占总地类面积的百分比。

3.1.2 马尔可夫链（Markov chain model）的预测模型由马尔可夫模型可知，在同一系统中某一类别物质在t时间的状态向量值P（n）可以用初始时间状态的概率向量P（0）乘以已知转移概率矩阵Pij来确定，即P(n)=P(0)Pij，其公式为：

式中，n为从初始状态经过n步到达待求状态；X（0）表示初始状态的所求量占比（或初始状态量）。

将马尔可夫模型应用到土地转移的状况，假设第n步时有如下序号分别代表不同地类，序号1、2、3、4、5、6分别代表水域、草地、耕地、林地、建设用地，未利用地。则会有以下的展望模型：

当n=1时，A（2）=A（1）P=A（0）P2

当n=i时，A（i+1）=A（i）P=A（0）Pi+1

式（3）称为马尔可夫链（Markov chain model）预测模型，它表示当样本符合马尔可夫链应用要求时，根据初始状态A（0）和概率矩阵P，就可以预测未来时刻的状态值［6，7］。

3.2 城市重心迁移

土地利用重心迁移模型，能在宏观上清晰地展现单一或多个土地类型在时空上的演变过程。分析探究时间段内的重心具体转移量和转移方向，发现所研究的区域某一土地利用类型位置的时空变化状态［8，9］。城市是一个地区发展最为迅速、变化最为明显的地方，为了清楚地探究城市的土地利用变化，除研究面积变化外，时空变化的研究同样重要。在国际人口地理学研究中，常把一个比较大的区域分为无穷多个极小的区域，在地图中有已知的人口分布数量和区域，把它划分成小区，确定小区重心的经纬度坐标，乘以其面积，求和后除以全区面积，即可得大区域的重心地理位置，公式如下［10］：

式中，Ci表示t年内该土地利用类型中一个小区i的面积；Xt表示t年土地利用类型i的重心纬度坐标；Yt表示t年土地利用类型i重心的地理经度坐标；Xi表示该小区i重心的地理位置经度坐标；Yi表示该小区i重心的地理位置纬度坐标［11，12］。

4 结果与分析

4.1 重庆市主城区LUCC特征

重庆市九区的土地利用类型以耕地为主，水域面积由于自然、人为因素的影响在不断减少，如图2所示。自重庆市成为直辖市以来，其城乡建设日渐发达，经济发展水平高速提升，不断有未利用地转化为建设用地；同时重庆市响应国家号召，近20年来积极实施退耕还林政策，林地面积有所增加，如表1、表2所示。

图2 重庆市九区土地类型分布

建设用地面积从1988年的137.72 km2到2000年的325.62 km2，再到2010年的731.67 km2，1988—2010年增幅达431.27%，其面积增幅最大。其次就是林地面积，从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年增幅达27.09%。1988—2010年未利用土地面积大幅减少，由130.62 km2减至28.69 km2，减幅达78.04%。草地面积从1988年的432.52 km2到2010年的273.31 km2，减幅达36.81%。1988—2010年水域面积呈减少趋势，其状态不容忽视。耕地面积在1988—2010年变化率较小。

1988—2010年政府退耕还林等一系列政策取得较为显著的成效，同时主城区经济发展迅速，使得部分用地转为城乡建设用地。1988—2010年，主城区耕地面积一直占比最大，最大时达64.58%，广大的耕地面积促进了重庆市主城区的农业发展。重庆市地处山地，山脉丘陵纵横交错，如此复杂的地形条件塑造了广袤的林地，其占比在2010年达22.47%，在各种土地利用类型中占比排第二。而占比最小是未利用土地，几十年来，一直成为地质学家研究的对象。

表1 1988—2010年重庆市主城区LUCC特征

表2 1988—2010年重庆市主城区面积变化

4.2 土地利用类型变化

由表3、表4、表5可以看出，1988—2000年和2000—2010年重庆市九区土地类型中耕地的转入和转出面积都最多，相比而言，其转出面积最多，作为总转出面积最大来源，在前12年转出面积为960.41 km2，所占总转出面积的49.71%，转入面积为771.24 km2，占总转入面积的39.92%，其中，草地和林地是增加耕地面积的主要来源，尤其是在1988—2000年，草地转化成耕地的面积达311.67 km2，林地转化成耕地的面积有274.94 km2，在后10年（2000—2010年），耕地转出823.42 km2，转入586.08 km2。

林地的面积变化在1988—2010年位居第二，22年（1988—2010年）共转入935.94 km2，转出676.8 km2。总面积有所增加，面积上升的主要原因是耕地的转入，22年共有773.98 km2转变为林地，转入比占总林地转入面积的82.70%。

22年未利用土地一直是总转入面积最小的一部分，1988—2000年转入24.89 km2，仅占总转入面积的1.29%，后十年转入28.15 km2，占总转入面积的1.66%。

表3 1988—2000年土地利用面积变化情况（单位：km2）

表4 2000—2010年土地利用面积变化情况（单位：km2）

表5 面积转移情况 （单位：km2）

1988—2010年城乡建设用地增幅最大，其在1988—2000年转入202.34 km2，后10年转入483.06 km2，转入面积首要来源于耕地，2000—2010年有349.88 km2的耕地转化成为了城乡建设用地，为了适应人口高速增加的局势，越来越多的耕地变成了城乡建设用地。

水域和草地的转变面积不是很明显，水域的转入面积从前12年（1988—2000年）的9.92 km2升到后10年的10.28 km2，同时转出面积也从147.28 km2降低到38.4 km2。草地在前12年转入和转出的面积相差不多，后10年（2000—2010年）转出面积为转入面积的1.73倍，在2000—2010年转入面积明显减少，应当引起充分重视。

4.3 城市重心迁移

1988—2010年土地利用转变最为明显的就是城乡建设用地。有必要研究除城乡建设用地面积转变之外的位置转变。

从图3可以看出，1988—2010年主城区面积越来越大，在南北向的扩大更为显著，期间主城区越来越多的跨江大桥使得城市空间逐渐向南北向延伸。长江南面的南岸区、巴南区连接成片发展，长江以北的江北区、渝北区的面积连年扩张，发展比南方更加迅速，主城区的城乡建设用地向北延伸的面积越来越大［13］。

1988—2010年的总体趋势是向北偏移，1988—2000年主城区的城乡建设用地质心向西北偏移36.45°、2.57 km；2000—2010年主城区城市质心向东北偏移58.11°、5.89 km；1988—2010年主城区的城市建设飞速加快，为了适应城市人口的激增，大量的耕地和未利用土地被城镇取代，导致城乡建设用地的重心迁移明显，向21世纪以前的耕地区域偏离（表6）。

图3 主城区质心变化

表6 主城区质心位置

5 总结与预测

5.1 整体土地面积转化情况

从马尔可夫过程分析（表7）来看，重庆市主城区1988—2010年林地的增长主要来自耕地，共有11.276%的耕地转化为林地；城乡建设用地面积的增加主要来自耕地，共有7.344%的耕地转化为建设用地，共计504.09 km2；水域的削减首要转出为耕地，占比为24.225%，共计97.2 km2转出为耕地，除此之外，水域的13.239%和6.328%分别转为城乡建设用地和林地，共有53.12 km2转出为城乡建设用地；草地面积的削减首要转出为耕地，占比为64.274%，共转出了556.00 km2；未利用土地的削减主要转出为耕地，占比达60.742%，共转出95.34 km2；耕地的减少主要是转出为林地，而很少一部分（0.117%）转化为水域，22年仅有8.05 km2的耕地转化为水域面积。

5.2 未来发展预测

由马氏方法可预测重庆市主城区之后几年各类土地面积的变化情况，由表8可知，在之后的30年，水域面积呈增大趋势，草地面积平稳，城乡建设用地先增大后平稳，林地和耕地面积保持平稳，未利用土地仍然为最少，且基本无变化。从预测重庆市主城区土地利用变化结果来看，其土地利用格局正在并在未来一定时间段内处于一种变化的状态。随着全球人口的迅速增加，人们生活水平的提高和生产生活方式的改善，宏观上世界生态环境的日渐变差，越来越多的区域发生水质恶化，更多的土地不能被再利用，可利用的水资源越来越少，势必会激发当局重视，进而提高可持续发展意识。从而使未利用土地、林地、城乡建设用地逐年增多，而草地和耕地逐年削减，最终达到稳定状况，这也预示着重庆市主城区终究构成城乡经济一体化的新土地操纵形势。

表7 主城区1988—2010年土地面积占比转移情况（单位：%）

由已知的土地利用类型面积的转化面积确定转化概率，最后确定转移矩阵概率，所得数据用马氏过程模拟的重庆市主城区土地利用变化结果与当前官方数据有很大程度的一致性，从一定程度上说明了马尔可夫过程在研究土地利用变化上的合理性。由马尔可夫过程对重庆市主城区土地利用形势的动态研究，可展望土地利用的转变，采取措施调剂各种土地利用面积，改善当前情况下所发展的形势，以期实现土地利用的可持续发展［14，15］。

表8 马尔可夫链预测

6 小结与讨论

本研究在MAPGIS软件上对重庆市主城区1988、2000、2010年3年的遥感数据进行处理研究，分析其土地利用变化情况，并进行了马尔科可夫预测分析，得出如下结论。

1）1988—2010年重庆市主城区耕地面积最大，2010年达3 104.65 km2，占总面积的56.75%；未利用土地占比最小，且最近几年保持不变、林地面积常年位居第二、城乡建设用地在22年间增速最大；草地面积稳定、水域面积逐年下降。

2）水域、草地、耕地转出部分转为建设用地的占比高，而后10年（2000—2010年）建设用地也有相当一部分转向耕地、林地。说明重庆市主城区近年来一直以扩张建设用地为主，也重视退耕还林还草。

3）在城市重心转移分析中，得出重庆市主城区质心逐渐向北偏移，城区逐渐沿水域向外扩散。为了给将来的土地变迁提供参考，可继续将建设用地沿河道扩张，使土地分布更适宜人类生存和经济发展。

4）马尔科夫预测以1988年的初始数据和1988—2010年的变化情况为依据，通过转移矩阵逐年分析预测，可为政府和相关部门规划提供依据。当局未来可继续推广退耕还林还草，促使建设用地趋于健康稳定发展态势。