长沙市1990～2010年土地覆被变化及其预测

任红鸽 ，全 斌,，王道平，王 鹏，胡 最

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411100；2.衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421000)

长沙市1990～2010年土地覆被变化及其预测

任红鸽1，全 斌1,2，王道平1，王 鹏2，胡 最2

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411100；2.衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421000)

以长沙市作为研究对象，利用1990、1995、2000、2005、2010年长沙市5期的Landsat TM/ETM遥感影像数据，计算出了1990～2010年土地利用的数量结构和各地类实际面积的转移矩阵以及2010～2030年每10年间隔的各地类预测面积的转移矩阵，分析了长沙市1990～2010的土地利用数量结构特征，并对长沙市土地利用变化趋势进行了预测和土地利用/覆被转移变化的驱动力分析。结果表明：(1)长沙市1990～2010年建设用地保持持续高速增加，而耕地面积和林地面积则逐年下降，并且绝大部分转化为建设用地；(2)在2010～2020年，建设用地面积将会保持大致为6658.7 hm2/年的增速继续增加，增速大约为2000～2010年的两倍，此期间的主要变化表现为林地面积的减少；(3)到2020年左右，长沙市各个地类的土地利用趋于一个稳定的状态；(4)耕地减少和建设用地增加的主要社会因素为人口增长以及经济快速发展。

土地利用/覆被变化；CA-Markov预测；长沙市

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类利用土地的功能和特性来满足自身需求的活动方式和过程，属于土地社会经济属性的一种现象，而土地覆盖则体现的是土地的自然属性[1]。由于全球环境问题的涌现，使得土地利用/覆被变化(LUCC)已经成为全球变化研究的前沿和热点之一，因为土地利用及其变化承载着自然与人文过程，是探讨人地关系地域系统的重要切入点。国外最早对于LUCC的研究开始于19世纪前期，以杜能对德国南部地区的土地利用模式进行的研究为标志[2]。20世纪70年代后，关于全球变化的研究逐步在世界范围内开展，LUCC因其受到自然环境、人文地理、社会活动等诸多方面的影响，引起学者们的广泛关注。1990年以来，诸多与全球变化相关的国际组织和研究机构将LUCC作为研究的重点之一，如联合国环境规划署(UNEP)亚太地区环境评价计划于1994年启动了“土地覆被评价和模拟(LCAM)”项目，分析了东南亚地区的土地覆被现状与变化情况。自20世纪90年代以来，全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用/覆被变化的研究。“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)和“全球环境变化人文计划”(IHDP)于1995年共同发起了“土地利用/覆被变化”(LUCC)研究计划[3]。我国的LUCC研究已开展了几十年，专家学者跟随着国际上研究学者的研究动态，开展了一系列如土地利用变化监测、驱动力以及变化趋势预测等方面的研究。从研究尺度来看， 目前的研究主要集中在以全国为研究对象的大尺度[4]、以流域[5]和地貌单元[6]为研究对象的中尺度以及以具体城市为研究对象的小尺度[7]。从研究方法来看，采用单一土地利用动态度、综合土地利用动态度、土地利用程度、土地利用转移矩阵、重心模型等方法[8]。总的来看，土地利用变化研究主要是理解土地利用变化的原因和结果，同时模拟土地转换的时空类型。

国外研究土地利用变化的趋势一般运用模型来进行模拟，如Laney以过程为主导模拟了马达加斯加农业景观的利用变化状况[9]；我国的学者也对土地利用的变化趋势进行了大量的模拟预测，如魏永坤等[10]以2000、2005和2010年3期土地利用数据，采用马尔科夫模型对上海市2010～2020年的土地利用情景进行了模拟；李亚丽等[11]基于CA的郑州市土地利用演化研究对郑州市2002～2016的土地利用变化进行了模拟。由于CA模型在模拟的空间上具有优势，而马尔科夫模型具有数量表达的优势，将两者优点结合的CA-Markov模型成为了目前研究者广泛用来模拟预测未来土地利用状况的一种预测模型。

长沙市作为长株潭“中部经济区”的核心城市，近年来，由于受到人口迅速增长、土地等资源相对不足和环境承载能力较弱等问题的影响，长沙市人-地矛盾日渐突出，制约了“中部经济区”的发展，土地利用问题引人注目[12]。例如陈永林等对长沙市2003～2013年土地利用变化与城市化关系进行了分析，认为长沙市城市化水平的高低与土地利用变化量的大小在数量上存在着明显的线性相关[13]。历华等研究了基于遥感的长沙市热岛与土地利用/覆被变化之间的关系，研究表明城市用地和裸地是城市热岛强度的主要贡献因素[14]。金勇章等对长沙市2002～2006年的土地利用结构时空变化进行了研究，结果表明空间上居民点及工矿用地变化最大[15]。目前，虽然关于长沙市土地利用变化的研究颇多，一般是就一定的时间点或时间段探讨土地利用变化，但结合驱动力对长沙市未来的土地利用的预测研究较少。此外，以往研究倾向于数量分析与计算，很少对预测进行空间上的地理要素显示。本研究通过已有土地利用数据，深入探索研究了长沙市近年来的土地利用变化规律，并对其驱动力进行了分析；在此基础上，基于CA-Markov模型合理预测了未来长沙市的土地利用变化/覆盖状况并将其进行地图表达。这将为如何规划好、利用好、节约好有限的土地资源，实现土地利用的可持续提供理论依据。

1 研究区域概况

长沙市位于湖南省东部偏北、湘江下游，南接株洲市和湘潭市。地理位置为东经111°53′～114°5′，北纬 27°51′～28°40′。长沙市辖天心区、芙蓉区、岳麓区、雨花区、开福区、望城区及浏阳市、长沙县、宁乡县，总共6区1 市2县，面积约为1.18万km2。在气候上，长沙市属于典型的亚热带季风气候，全年无霜期、降水充沛、雨热同季、四季分明。土壤属南方红壤地带，植被属亚热带常绿阔叶林区域。地形以山地丘陵为主，土地利用类型多样。2007年11月16日，长株潭城市群被批准为“两型社会”试验区，长沙市为核心城市。现如今，伴随着“中部经济区崛起”政策的逐步实施，以及《长江中游城市群发展规划》得到国务院批复，长沙市已然成为我国中西部地区最具竞争力的城市之一。

2 数据来源与研究方法

2.1数据来源及处理

本研究所使用的长沙市土地利用数据来自中国资源环境数据库的 TM遥感影像标准产品，时期为1989/1990、1994/1995、1999/2000年，分别简记为1990、1995、2000年的3期数据。该数据是以TM/ETM+遥感影像为基础数据源，通过计算机自动分类和人工目视解译形成的1∶10万的土地利用矢量数据，这3期数据的解译定性精度误差被分别控制在92.92%、98.40%和97.45%水平上；2005和2010年的遥感数据原始格式为DAT，头文件为Fast，并已经过辐射校正和相关数据预处理的TM遥感影像标准产品。数据的分辨率均为30 m。其他数据主要包括长沙市行政区划矢量数据和湖南省1991～2010年的统计年鉴数据。

2.2研究方法

通过应用IDRISI软件的CA-Markov模块，可以高效快速地实现对土地利用/覆被未来趋势的预测模拟。具体的操作为：(1)数据格式的转换。在IDRISI中将ArcGIS可识别的土地利用数据格式进行转换，得到IDRISI可识别的文件；(2)进行Markov预测。使用IDRISI软件提供的Markov模块，得到两个年度区间的转移面积矩阵与状态转移概率矩阵；(3)制作转换适宜性图集。采用进行Markov预测时产生的rgf格式的状态转移图集作为适宜性图集；(4)进行CA-Markov模拟预测。本文采用标准格式的5×5的CA邻近滤波器为邻域定义，5 a为步长，进行模拟预测。

3 结果与分析

3.1土地利用的数量结构特征

表1为在IDRISI中统计的研究区各期土地利用面积情况，由表1可知1990～2010年长沙市土地利用/覆被主要表现如下几个特征：

(1)长沙市的土地利用/覆被以耕地和林地以及建设用地为主，耕地与林地呈现逐年减少的趋势，而建设用地则逐年增加。耕地和林地方面：1990～2010年研究区耕地和林地两者面积均在减少，但其面积之和占总面积的比例仍均大于90%，从1990年的94.45%减少到2010年的91.47%。建设用地方面：建设用地逐年增加。1990年研究区建设用地面积为26141 hm2，占该年土地利用总面积的2.23%；2010年则增加为61513 hm2，占比5.24%。

(2)草地、水体以及未利用地占比较小。草地在1990～2010年期间的变化幅度比较小，基本上保持一个稳定的状态，总体上略有增加；水体的总面积变化也较小，但从2000年开始呈现略微减少的趋势。

表1 1990～2010年长沙市土地利用数量结构

3.2土地利用/覆被转换分析

3.2.1 1990～2010年长沙市各地类转换速率分析 利用IDRISI软件中的GIS Analysis功能，以5年为时间间隔，分别统计1990～1995、1995～2000、2000～2005和2005～2010年这4个时间段耕地、林地、建设用地和其他(包括水体、草地和未利用地)各地类的转入转出面积。以各地类的转入转出面积为基础分别制作长沙市1990～2010年各地类增加的速率图和减少的速率图，并将两图像进行对比。由图1可知：(1)在1990～2010年这20年期间，长沙市耕地与林地减少的速率一直大于其增加的速率，说明在此期间耕地和林地的总面积持续减少；后10年耕地与林地减少的速率明显大于前10年减少的速率，说明后10年长沙市耕地和林地转换程度远比前10年剧烈。(2)在1990～2010年这20年期间，长沙市建设用地基本上只有增加的速率而无减少的速率，说明在此期间建设用地面积持续增长而基本上无转出；后10年建设用地的增加速率明显高于前10年增加的速率，说明后10年长沙市城镇化程度远比前10年剧烈。

3.2.2 1990～2010年长沙市土地利用/覆被转换分析 以10年为时间间隔，在IDRISI中分别操作得到长沙市1990～2000年以及2000～2010年的土地利用面积转移矩阵，结果如表2、表3所示。再在ArcGIS软件中将1990、2000、2010年的土地利用/覆被分布图制图(图2)输出。

图1 长沙市1990-2010年各地类增加速率与减少速率

表2、表3分别反映了1990～2000和2000～2010年长沙市土地利用类型转换特征，耕地和林地有大量转出，两者大量转换为建设用地，导致后者的面积迅速增加。从各地类转出去向看：耕地面积转出的最多，转出面积总分别计为3691 hm2和14477 hm2，主要转换为建设用地、林地、水体，转出量分别为2210、1317、404 hm2和23、349、20458 hm2；林地面积转出次之，转出面积总计为2956 hm2和27620 hm2，转出部分主要流向建设用地，其次为草地、耕地和水体。1990～2000年，草地主要转换为林地，为121 hm2；水体主要转换成建设用地，为312 hm2，另有一部分转换成耕地；建设用地转出部分主要变成林地和耕地；未利用地则主要转换为林地和建设用地。2000～2010年，草地主要转换为林地，为896 hm2；水域主要转出为林地和建设用地，转出量分别为1992、1443 hm2，另有3630 hm2转换成耕地；建设用地转出部分主要变成耕地和林地，分别转出5461 hm2和1839 hm2；未利用地主要转出为草地和水体。

综上所述，1990～2010年期间，在长沙市土地利用/覆被转换中，各个地类之间基本上有相互的转换，最为突出表现是耕地和林地锐减，建设用地面积持续增加；2000～2010年期间的地类转换相对1990～2000年期间尤为剧烈，体现了该时期社会经济的发展使得土地利用变化加剧演变的现象。

表2 1990～2000年长沙市土地利用/覆被面积转移矩阵 hm2

表3 2000～2010年长沙市土地利用/覆被面积转移矩阵 hm2

图2 1990、2000、2010年长沙市地类分布图

3.3基于CA-Markov的土地利用变化趋势预测

使用Kappa系数对预测数据进行精度评价。因为以1995年为起始年的这3期预测数据与实际数据具有高度的一致性，故继续以1995年为起始年，使用CA-Markov模型对长沙市2015、2020、2025、2030年这4期的土地利用/覆被进行预测，得到土地利用/覆被数据，如图3所示。由图3可知，建设用地主要在已有的城市外围进行扩张，尤其是在长沙市中心城市之外的城镇地区。为了更加直观地了解各地类之间转移变化的数量，计算长沙市2010～2020年以及2020～2030年的土地利用面积转移矩阵，如表4、表5。

由表4和表5可以得出：(1)2010～2030年，长沙市土地利用各地类中，建设用地的变化幅度相对较大，林地、耕地和草地次之，水域变化幅度最小；(2)建设用地的面积在此期间扩展了一倍多，占总面积的比重由5.24%增大为10.90%；(3)林地的面积转移较多，其减少的面积主要转化为建设用地，用来满足未来10年左右持续增加的经济建设用地需求。从2010年至2020年左右，建设用地面积将会以6658.7 hm2/a左右的增速进行增加，增速大约为2000年至2010年的两倍，土地被持续开发利用。因此，如何协调好经济建设与生态和林地保护之间的关系，最重要的是使有限的土地资源发挥其最大的作用。

总体来看，未来15年，长沙市土地利用结构稳定，以耕地和林地为主，建设用地面积不断增加，且大致在2020年左右，长沙市的土地利用/覆被将达到一个稳定的状态，不再随着时间的推移发生较大的变化转移。

表4 2010～2020年长沙市土地利用/覆被面积转移矩阵 hm2

表5 2020～2030年长沙市土地利用/覆被面积转移矩阵 hm2

3.4长沙市土地利用/覆被变化驱动力分析

区域地形地貌特征、人口规模变动、社会经济发展及相关政策、规划制订都会对土地利用变化产生很大影响[16]。本文主要从自然因素、社会因素两个方面来分析长沙市在研究期内土地利用变化的成因。

3.4.1 自然因素 自然因素中的气温、降水和光照强度决定着土地生产潜力，而灾害性气候限制着土地的开发与利用[17]。自然条件对农业生产的影响尤为严重，因此诱导着土地利用和覆被分布的变化。长沙市属亚热带大陆性季风气候，深受东亚季风环流的影响。长沙市1995～2010年气候变化主要分两个时间段：(1)2005年以前，长沙市年平均气温在17 ℃左右，其中7月份气温最高，1月份气温最低；年均降水量1300～1500 mm；年平均日照1400～1600 h。(2)2005年以后，由于温室效应加剧，导致全球气温升高，长沙市平均气温升高了2.7 ℃，光照强度不断增强，而降水量却逐渐降低。因此，全球环境间接影响了区域土地利用/覆被变化状况。

3.4.2 社会因素 现在普遍认为，社会经济因子是目前全球、国家和地区等不同尺度内土地利用与土地覆被变化的主要驱动力，并且在不同尺度上的作用机理也不同。社会经济因子包括很多因素，本文主要讨论人口、经济等主要因子的驱动作用[18]。

人口既是生产者，又是消费者，它是影响土地利用/覆被变化的社会经济因素中最具活力、最为重要的因素之一。从表6可以看出，1995～2010年长沙市人口呈现高速增加的态势，市区人口增长迅速，且农业人口和非农业人口的构成变化明显；随社会经济发展，非农业人口数量和比例不断增大，农业人口数量和比例则持续减小，城镇化水平不断提高。1995年全市总人口562.82万人，其中市区人口145.45万人，占全市总人口25.84%，非农业人口占了全市总人口28.46%，农业人口占了71.54%；到2010年，全区人口数量为650.12万人，增加了87.3万人，其中市区人口占总人口的比例升至36.84%，而农业人口减少至63.43%。

人口增长和结构变化对土地利用/覆被变化的影响主要表现在：(1)人口快速增长对粮食的需求量增加，在土地资源有限的条件下，促使人类对土地的作用程度加强。(2)人口增加和结构变化使土地利用结构发生变化，导致农业用地和生态用地被占用，荒芜的土地被开发，而城乡工矿居民用地急剧增加，加剧了人地矛盾。1995～2010年间，长沙市耕地总体减少了16522 hm2，林地减少了16809 hm2，建设用地增加了31217 hm2。

表6 1995～2010年期间长沙市人口变化

土地利用/覆被变化是一个与经济发展阶段不断适应的过程。由表7看出：(1)1995～2010年长沙市经济发展迅速，经济总量急剧膨胀。1995年，生产总值332.75亿元，到2010年，增长至4547.06亿元，经济膨胀了将近14倍。(2)区域经济结构不断优化，三次产业分配更加合理。农业总产值比例下降，第二产业得到蓬勃发展，比例由42.18%增加为53.60%。

表7 1995～2010年期间长沙市经济发展状况

耕地总量与GDP呈负相关，相关系数为-0.91；建设用地总量与GDP呈正相关，相关系数为0.96。研究表明，经济发展必然促进对土地的投入力度，增加建设用地的需求，必然会影响农业用地和生态用地，最终导致土地利用结构的变化，最直接的表现为建设用地挤占其他用地，导致其面积大量增加(图4)。

4 结论

土地利用/覆被变化作为全球环境变化的重要研究方向，与我国社会、经济发展以及生态环境息息相关。本研究以长沙市作为研究对象，以1990、1995、2000、2005、2010年5期遥感影像制作而成的1∶10万土地利用数据为主要数据源，利用ArcGIS和IDRISI，对长沙市的土地利用变化进行了研究、预测和分析。主要得出以下结论：

(1)长沙市土地利用结构在1990～2010年这20年期间发生了很大的变化，其总体特征是耕地和林地持续减少，建设用地持续增加，但后10年的土地利用结构变化比前10年的要剧烈。

图4 长沙市生产总值与耕地和建设用地数量变化情况的相关性

(2)1990～2010年，长沙市的土地利用/覆被类型以耕地和林地为主，两者占总面积的比重在此期间一直超过90%，但面积不断减少；建设用地的面积增长迅速，在这20年中，长沙市的建设用地面积增加了35372 hm2，年均增加1768.6 hm2；耕地面积减少了18168 hm2，年均减少908.4 hm2；林地减少了16933 hm2，年均减少846.65 hm2；草地增加了444 hm2，年均增加22.2 hm2；水域面积减少了464 hm2，年均减少23.2 hm2。

(3)根据CA-Markov预测结果，长沙市的林地在2010～2020年期间将会出现较大幅度减少，主要转出为建设用地和耕地；建设用地将依然保持高速的增长，向外扩展较快；在2020年左右，长沙市的土地利用/覆被将达到一个稳定的状态，不再随着时间的推移发生较大的变化转移。

(4)通过定性和定量分析知，气温、降水、日照等自然环境要素对长沙市土地利用/覆被变化有一定影响，而人口、经济等则是主要的社会人文因素；通过统计数据可以看出，长沙市耕地和建设用地变化与人口、经济等社会因素具有一定的相关性。

致谢：感谢美国克拉克大学地理系教授Robert Gilmore Pontius Jr在论文写作过程中给予的帮助和指导！

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(责任编辑：许晶晶)

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

湖南省教育厅重点项目(17A067);中国国家高端外国专家项目(GDW20154300243);国家自然科学基金项目(41171076、 41771188)。

任红鸽(1993─)，女，河南平顶山人，硕士研究生，主要研究土地利用变化。*通讯作者：全斌。