2000-2020年貴陽市中心城區土地利用時空變化與預測研究 *

周學霞 胡嫦月 李 菁 王志杰,2*

(1.貴州大學 生命科學學院，貴州 貴陽 550025；2.山地生態與農業生物工程協同創新中心，貴州 貴陽 550025)

土地利用/土地覆被動態變化(land use and land cover change，LUCC)是全球環境變化與區域可持續發展研究中的熱點問題[1]，其中，土地利用是人類進行目的性改造土地的行為，突出了土地的社會經濟特征；土地覆被是指地球表層的自然狀態或覆被狀況，強調了土地的自然地理性質[2-3]。近年來，隨著城鎮化進程加快，自然環境受到人類活動的影響程度愈發深遠，土地利用變化成為人類與自然地理環境互動過程的最直接、最顯著的表征[4]。因此，系統分析不同區域土地利用的時空分布特征與不同時間尺度下的土地覆被動態變化規律，辨析人類活動對土地利用/土地覆被動態變化的實際作用，對研究區生態環境和生物多樣性的可持續發展具有重要的戰略意義。

本文以貴陽市中心城區作為研究對象，通過研究中心城區2000—2020年近20年的土地利用結構總體特征、土地利用時空轉移情況及土地利用動態度特征，運用CA-Markov模型預測貴陽市中心城區未來20年景觀格局的變化趨勢，以期探明城鎮化發展與“大數據、大生態”戰略行動下的貴陽市中心城區景觀格局時空演變規律與土地利用變化過程的模式，為未來土地利用的規劃和提高景觀生態演變模擬精度提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴陽市是貴州省省會城市(106°07′E～107°17′E，26°11′N～26°55′N)，位于云貴高原東端，處于長江流域和珠江流域的分水嶺地帶，總地勢西南高、東北低。中心城區地處貴陽市中南部，主要包括云巖區、南明區和花溪區(部分)、觀山湖區、白云區、烏當區，總面積約1078.12 km2，占貴陽市土地總面積的14.65%，研究區平均海拔為1205 m，最高海拔1585 m，最低海拔988 m，區內地層褶皺強烈，碳酸鹽巖與碎屑巖相間展布，巖溶水文地質條件復雜[5]。氣候類型屬亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫15 ℃左右，年平均降水量為1129.5 mm[6]。中心城區作為貴陽市高密度經濟、高密度人口以及城鎮化的核心區域，是經濟高速發展的集中地帶，是產業轉型升級的外在表現。

1.2 數據源與數據預處理

本研究所使用的主要數據源包括貴陽市中心城區2000年、2005年、2010年的Landsat5 TM數據和2015年、2020年Landsat8 OLI遙感圖像和行政區劃矢量數據。其中，遙感圖像來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30×30 m，坐標系統為WGS-1984-UTM-Zone-48N，各時期遙感圖像時相一致，每景影像含云量小于5%，圖像質量好。在ENVI5.3軟件平臺上，對5個時期的遙感影像依次進行大氣校正、圖像融合、圖像增強及圖像裁剪等預處理，參照我國現行的土地利用分類標準(GB/T2010—2007)，結合貴陽市城市土地利用類型實際情況，采用支持向量機法進行監督分類，將研究區的土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地等6種類型。監督分類結果參照Google Earth高分辨率遙感影像和 GPS野外樣點進行精度驗證，總體精度均大于85%，Kappa系數均大于0.85。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移圖譜

土地利用轉移矩陣對趨于內景觀類型變化的結構特征以及各類型變化方向有著良好的刻畫效果[7]。運用ArcGIS10.5對研究區2000—2020年土地利用類型柵格數據，進行相鄰年份的疊加重合處理，提取出各地物類型的轉出/轉入面積，得到研究區土地利用類型面積轉移圖譜。公式[8]如下：

(1)

式中，S表示土地面積，n為景觀類型數，Sij表示的是i類轉換為j類的面積(i,j=1,2,3,…,n)。

1.3.2 土地利用動態度指數

土地利用動態度是以定量的角度描述在一定時間尺度下區域土地利用變化的幅度，反映出土地利用變化速率的區域差異[9]。土地利用動態度計算公式[10]如下：

(2)

式中，Si為監測開始時第i類土地利用類型的總面積，△Si-j為監測時段內第i類土地利用類型轉移至其它類土地利用類型面積總和，t為監測時間段，土地利用動態度S反映了與t時段對應的研究區土地利用變化速度的快慢。

1.3.3 CA-Markov模型

CA-Markov模型是元胞自動機模型和馬爾科夫模型融合得到的耦合模型，既具備了CA模型模擬復雜時空變化的能力，又發揮了Markov模型能夠對土地利用變化進行長時間跨度預測的優點[11]。

(1)元胞自動機(CA)是Neumann和Ulan提出的一種具有強大的空間運算能力、能夠模擬復雜系統時空演化過程的模型，主要特點是在時間、空間、狀態離散，表達公式為[12]：

S(t+1)=f[S(t),N](3)

式中，S(t+1)為t+1時刻的元胞狀態，N為元胞的領域，f為局部空間元胞狀態的轉化規則。

(2)馬爾科夫模型(Markov)是俄國數學家Andrey Markov提出來的一種用于土地利用變化空間格局預測的隨機模型[13-14]。預測公式為[15]：

S(t+1)=S(t)×Pij(4)

式中，S(t+1)、S(t)分別為第t+1和第t時刻的土地利用狀態，Pij是狀態轉移概率矩陣。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型總體變化特征

分析貴陽市中心城區2000年、2005年、2010年、2015年、2020年5個時期土地利用類型面積變化，可以看出(表1，圖1)：近20年間貴陽市中心城區土地利用類型整體上以林地、建設用地、耕地為主，其次為草地、水域和未利用地。隨著城市化進程的不斷加快和生態環境建設相關措施的實施，不同土地利用類型的變化趨勢差異較為明顯，表現為耕地面積比例逐年減少，由2000年的42.28%減少至2020年的14.46%；而林地和建設用地面積比例呈逐年增加趨勢，分別由2000年31.48%和15.18%增加至2020年的43.54%和34.22%；此外，草地類型的面積也有減少的趨勢，而水域和未利用地面積占比基本穩定。

表1 貴陽市中心城區5個時期土地利用類型面積與比例

圖1 貴陽市中心城區5個時期土地利用類型分布圖

2.2 土地利用類型轉移圖譜分析

基于ArcGIS軟件平臺疊加各時期土地利用類型現狀圖，統計分析不同時期土地利用類型轉移狀況。結果表明(圖2)：貴陽市中心城區2000—2020年不同土地利用類型之間相互轉化過程頻繁，且主要集中發生在耕地、建設用地、林地和草地4種類型之間。具體而言：20年間各時期建設用地和林地均以凈轉入為特征，而耕地和草地以凈轉出為主要特征，且建設用地和林地的轉入類型也主要為耕地或(和)草地。2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年3個時期，為建設用地和林地的持續大量凈轉入時期，建設用地分別轉入91.76 km2、126.63 km2和147.96 km2，且60%～80%由耕地類型轉入；林地在3個時期分別轉入77.38 km2、110.88 km2和118.60 km2，40%～50%是由耕地類型轉入，但在2005—2015年的10年間，部分草地類型轉入林地，分別轉入35.49 km2和31.26 km2，占兩個時期林地凈轉入面積的32%和26.36%。2015年以后，研究區主要土地利用類型的轉移方向與之前基本一致，但轉移強度有所減弱，建設用地和林地的凈轉入面積分別降至89.70 km2和87.76 km2，且建設用地的主要轉入類型依然是耕地，約占建設用地凈轉入面積的50%，而林地的主要轉入類型由耕地和建設用地構成，分別占林地凈轉入面積的59%和29%。

在土地利用轉移的空間變化方面，建設用地表現出明顯的方向性，由2000—2005年的老城區建設用地填充式密集化增加，向2005年之后逐漸以老城區為中心，以觀山湖區、白云區南部、南明區東南部、花溪區北部為主要方向逐漸擴展，成為現階段貴陽市中心城區的主要土地利用類型；林地類型的空間變化主要呈現帶狀擴展，隨著貴陽市環城林帶建設以及其他生態環境建設項目的實施，林地景觀與建設用地同步擴張，并依托喀斯特山地城市特有的城市遺存山體資源，至2015年以后，逐漸形成外圍林地類型環繞、內部林地與建設用地鑲嵌的生態景觀；草地類型在近20年間經歷劇烈的轉入轉出變化，變化方向主要表現在耕地的大量轉入和大量轉出為林地或耕地，但耕地與草地的轉入轉出基本穩定，尤其是2005年后。以耕地轉入草地的面積略占優勢，反映了研究區生態環境建設與保護的基本趨勢，但總體上草地類型在近20年間波動減少，并呈由分散分布向零星聚攏分布的特征。

2.3 土地利用動態度分析

進一步計算不同時期貴陽市中心城區土地利用動態度，分析不同土地利用類型的變化速率和程度，可以看出(表2)：近20年間，貴陽市中心城區土地利用動態度以建設用地和林地的持續增加、耕地和草地持續減少為主要特征，總體上，2005—2010年，建設用地和林地的增幅最大，是近20年間的變化速率最大的時期。具體而言，建設用地的變化呈現先劇烈增加后逐漸減緩的特征，增速由2000—2005年的4.36%增至2005—2010年的7.04%，之后逐步減??；林地則表現出“增-減-增-減”的變化趨勢，土地利用動態度最大時期為2005-2010年，為2.08%，至2015—2020年，建設用地與林地的土地利用動態度基本持平，分別為2.09%和1.81%；草地的衰退速率在20年間逐漸增大，由2000—2005年的-0.10%增至2015—2020年的-4.62%；耕地則在2005年以后，持續快速減少，土地利用動態度保持在5%以上的速率減少。

表2 2000—2020年貴陽市中心城區土地利用動態度(%)

2.4 土地利用格局預測

運用CA-Markov模型，基于貴陽市中心城區2015—2020年土地利用類型數據，以5年為步長，構建初始預測矩陣(表3)，對研究區未來20年土地利用類型變化與格局演化進行預測模擬(表4)，并采用Kappa系數對模型預測結果進行評價，預測結果表明：反映CA-Markov模型預測精度的Kappa系數為0.7583，說明模型預測的土地利用變化精度較高，能較好地反映貴陽市中心城區未來20年土地利用格局變化趨勢。2020—2040年的未來20年，貴陽市中心城區土地利用格局總體表現出建設用地和林地為主要類型的特征，二者面積占研究區總面積的比例均在70%以上。不同土地利用類型的變化方面，建設用地在未來20年呈持續增加的趨勢，并在2030年將取代林地類型，成為研究區的優勢土地利用類型，面積占比將超過40%；林地和草地類型表現出不同程度的減少趨勢，至2040年二者面積占比將分別降至約28.51%和4.04%，而耕地面積占比基本保持穩定，在未來20年基本維持在14.3%左右；未利用地面積將隨著城市化進程的進一步發展，呈持續增加的趨勢。

表3 2015—2020年貴陽市中心城區土地利用轉移概率矩陣

表4 貴陽市中心城區未來20年土地利用變化預測(%)

3 結論

黔中喀斯特山地城市具有生態環境比較優勢突出，城山鑲嵌的獨特特征，近年來，隨著快速城市化生態文明示范城市建設等多重因素的驅動，城市土地利用格局發生劇烈變化。本研究以典型黔中喀斯特山地城市貴陽市中心城區為研究對象，運用多時相遙感圖像，對貴陽市中心城區2000—2020年土地利用格局的時空變化特征進行了分析，并運用CA-Markov模型，預測了未來20年土地利用格局的變化與趨勢，得到如下主要結論：

(1)2000—2020年貴陽市中心城區土地利用結構發生明顯變化，優勢土地利用類型由研究初期的耕地和林地景觀，轉變為現階段的林地和建設用地景觀主導。隨著城市化進程的不斷加快和生態環境保護建設各項措施的實施，2005年以后，貴陽市中心城區進入城市化和生態保護雙重快速發展期，這與韓會慶[16]、王志杰[17]等人的研究結果基本一致。

(2)20年間貴陽市中心城區土地利用類型的時空轉移主要發生在建設用地、林地、耕地和草地4種類型之間，且以建設用地和林地的凈轉入，耕地和草地的凈轉出為基本特征，在空間上，初步形成以老城區為中心，觀山湖區、白云區南部、南明區東南部、花溪區北部為主要擴展方向的城市發展格局，和以中心城區外圍林地類型環繞，內部林地與建設用地鑲嵌的生態格局。

(3)CA-Markov模型預測未來20年貴陽市中心城區土地利用格局將持續發生變化，以建設用地的持續增加和林地的小幅衰減為主要特征，但總體上仍以建設用地和林地為主導土地利用類型。因此，在今后的國土空間格局優化過程中，應牢牢守住生態和發展兩條底線，平衡城市化發展與生態環境保護的關系，圍繞山水林田湖草全要素配置依據，進一步優化貴陽市中心城區國土空間格局，以在快速城市化發展的同時，守住生態用地底線，科學推進生態文明示范城市建設和以貴陽市中心城區為核心的黔中喀斯特山地城市社會經濟可持續發展。

由于遙感圖像空間分辨率的限制，以及不同行業領域關于土地類型劃分的標準不同，本研究利用Landsat遙感圖像解譯的土地利用類型及其時空變化特征，在指導具體行業應用實踐中，還需根據不同行業的分類標準予以修正。此外，由于CA-Markov模型在預測土地利用格局變化過程中，對研究數據本身具有很強的依賴性，缺乏因政策變化或其他社會經濟發展因素導致的土地利用轉移方向的閾值控制或參數調控。在國家關于嚴禁耕地非農化和林地占補平衡等政策影響下，貴陽市中心城區未來土地利用格局中耕地和林地的面積將基本維持在當前水平，而隨著城市化進程的不斷深入，為提高土地利用率，未利用地的開發利用程度將有所提高，本研究結果對于貴陽市土地利用規劃和格局優化具有一定的借鑒和指導意義，但今后在基于多因素尤其是政策因素和社會經濟因素變化導致土地利用格局變化的預測研究方面，可利用系統動力學模型或其他算法模型，加強指導性因子閾值控制或模型參數的修正率定，以提高土地利用格局預測的科學性。