周盼 唐凱 唐萍

摘要?基于GIS和ENVI技術(shù)，將常寧市2005、2010、2015年三期遙感影像進(jìn)行解譯分類，運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)概念模型對(duì)其土地利用變化情況進(jìn)行分析，并探討了影響其變化的原因。結(jié)果表明，建設(shè)用地為主要的轉(zhuǎn)入型地類，林地和耕地為主要的轉(zhuǎn)出型地類，土地利用變化主要由林地主導(dǎo)，并且土地利用系統(tǒng)穩(wěn)定性趨于下降;自然地理環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及區(qū)域發(fā)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(yīng)考慮合理定位各區(qū)域土地利用主導(dǎo)方向，科學(xué)引導(dǎo)各區(qū)域的土地利用空間變換，以促進(jìn)區(qū)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(xù)性。

關(guān)鍵詞?土地利用變化;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型;常寧市

中圖分類號(hào)?F301.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A文章編號(hào)?0517-6611（2018）33-0050-04

當(dāng)前，因城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，受區(qū)域發(fā)展政策、城鄉(xiāng)融合、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移等因素的綜合影響，區(qū)域的土地利用變換速率加快、土地利用動(dòng)態(tài)度越來越激烈，區(qū)域間的空間沖突、用地失衡、局部性的環(huán)境污染等問題不斷加劇，如何提高土地資源的可持續(xù)利用重新成為世界各國(guó)探討的課題，與之同時(shí)，土地利用變化的研究也成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。一方面，學(xué)者重視運(yùn)用科技手段，如GIS和RS技術(shù)對(duì)土地利用變化進(jìn)行研究，如國(guó)外Masek等[1] 、Lo等[2] 分別運(yùn)用 Landsat MSS、TM影像、ETM+圖像研究了美國(guó)首都華盛頓和亞特蘭大都市區(qū)的城市化、城市擴(kuò)展及影響其土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子;國(guó)內(nèi)早期進(jìn)行土地利用研究的史培軍等[3] 、田光進(jìn)等[4] 分別以3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的遙感影像，利用最大似然法、概率松弛法、景觀生態(tài)學(xué)等方法，對(duì)深圳市、?？谑械耐恋乩米兓闆r進(jìn)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(xué)者通過借助典型樣點(diǎn)或樣帶的方法，在GIS和遙感影像數(shù)據(jù)的支持下，對(duì)相關(guān)區(qū)域的土地利用變化進(jìn)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(guān)技術(shù)與手段，定量與定向相結(jié)合的方法，對(duì)研究區(qū)域的土地利用變換過程及相關(guān)時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了探討和評(píng)價(jià)。另一方面，隨著研究的深入，學(xué)者們開始關(guān)注影響土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子，比較常見的是學(xué)者們通過分析研究區(qū)域的自然地理環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、城市化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化等方面，探討研究區(qū)域的土地利用變化情況及其驅(qū)動(dòng)因素或土地利用變化與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市化、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的互動(dòng)關(guān)系[7-22]。

縱觀以往研究，大部分學(xué)者的研究成果主要基于一定的數(shù)學(xué)方法，對(duì)區(qū)域內(nèi)不同時(shí)期土地利用的類別、數(shù)量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，很少有將土地利用作為系統(tǒng)性進(jìn)行研究。而土地利用系統(tǒng)作為復(fù)雜系統(tǒng)，可以運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和方法對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性的探討。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究理論和方法已經(jīng)廣泛運(yùn)用在互聯(lián)網(wǎng)、 交通網(wǎng)絡(luò)、傳播學(xué)等領(lǐng)域，并借助大數(shù)據(jù)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(nèi)在規(guī)律和演化機(jī)制，具有廣泛的應(yīng)用前景[23]。

筆者以衡陽市縣級(jí)市——常寧市為研究對(duì)象，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型理論，系統(tǒng)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(qū)域土地利用規(guī)劃以及區(qū)域土地利用優(yōu)化布局提供決策依據(jù)。

1?資料與方法

1.1?研究區(qū)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(jīng)濟(jì)重點(diǎn)縣。地處環(huán)長(zhǎng)株潭城市群的南緣，是湘南地區(qū)的“中心區(qū)”，也是承接珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)梯次轉(zhuǎn)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(qū)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(jí)市中的第52位、衡陽市7縣（市）中的第5位。境內(nèi)地勢(shì)南高北低，地勢(shì)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(guó)中部地區(qū)具有較強(qiáng)的代表性和典型性。

2015年，全市地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)269.90億元，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值為47.26億元，第二產(chǎn)業(yè)增加值為108.88億元，第三產(chǎn)業(yè)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(zhèn)人口迅速增長(zhǎng)，2015年全市城鎮(zhèn)人口數(shù)量為39.61萬人，城鎮(zhèn)化水平為47.50%。

1.2?數(shù)據(jù)來源及基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）。從中選取3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的遙感影像數(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)下載之后，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、幾何校正、大氣校正、裁剪拼接等數(shù)據(jù)預(yù)處理后，在ENVI4.8軟件支持下，根據(jù)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(shè)用地及未利用地五大類。之后，將土地利用分類圖轉(zhuǎn)成shpfile文件后，在GIS中得到不同時(shí)間階段的各土地類型情況。

1.3?研究方法——復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

1.3.1?復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)測(cè)算指標(biāo)。

1.3.1.1?度。網(wǎng)絡(luò)中度指的是節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)中其他有關(guān)系的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，土地利用系統(tǒng)內(nèi)部變化認(rèn)定為地類發(fā)生變化，為有向有權(quán)網(wǎng)絡(luò)，分為出度和入度，轉(zhuǎn)化的權(quán)重為地類轉(zhuǎn)化的面積。度表征的是系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間密切聯(lián)系的強(qiáng)度和在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的該節(jié)點(diǎn)的活躍程度，可以測(cè)算地類在轉(zhuǎn)化成其他地類的強(qiáng)度和活躍程度。

1.3.1.2?介數(shù)。介數(shù)是指經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的最短路徑占全部最短路徑的比重，反映的是特定節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主導(dǎo)作用的指標(biāo)，介數(shù)越大，在系統(tǒng)起的作用越大，可以視作主動(dòng)作用的節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生重要的影響，介數(shù)越大的地類，在整個(gè)區(qū)域系統(tǒng)具有重要的主導(dǎo)影響力，主要通過介數(shù)較大的地類進(jìn)行土地利用的演化。

1.3.1.3?平均路徑長(zhǎng)度。平均路徑長(zhǎng)度是指整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中所有一組有向節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑長(zhǎng)度的平均值，表征的是在發(fā)展關(guān)系過程中節(jié)點(diǎn)的離散程度，該指標(biāo)的測(cè)算主要反映系統(tǒng)的地類轉(zhuǎn)化成其他地類的難易程度。網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度難度越大，地類相互間發(fā)展轉(zhuǎn)化關(guān)系的可能減少，系統(tǒng)就越趨于穩(wěn)定。指標(biāo)的計(jì)算方式為：

1.3.2?模型構(gòu)建。

土地利用地類之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以分別看作土地利用系統(tǒng)基本組成要素，該系統(tǒng)為有向轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)，分為土地利用的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出2種，有向轉(zhuǎn)移具有權(quán)重，即轉(zhuǎn)移地類的面積。將土地利用現(xiàn)狀地類產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移矩陣，轉(zhuǎn)換成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的有向網(wǎng)絡(luò)格式，之后進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)測(cè)算。具體的概念模型見圖2。

2?結(jié)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(shè)用地持續(xù)增加，水域和未利用地大致保持不變，耕地和林地?cái)?shù)量持續(xù)減少。從空間分布來看，城市邊緣區(qū)等人口集聚地區(qū)周邊的農(nóng)用地轉(zhuǎn)換為非農(nóng)用地較為顯著，表明中心城區(qū)的城市化區(qū)域和土地利用類型轉(zhuǎn)換速度較其他地區(qū)快。下面通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)常寧市土地利用變化情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1?地類度值。

節(jié)點(diǎn)度值的高低表示的是2種地類進(jìn)行轉(zhuǎn)變的有向關(guān)系及發(fā)生轉(zhuǎn)變的面積。其中有向網(wǎng)絡(luò)中，出度和入度的比值大于1表示該地類為轉(zhuǎn)出型，比值小于1表示轉(zhuǎn)入型。從表1可以看出，2005—2015年耕地、林地和水域是主要的轉(zhuǎn)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(qū)域內(nèi)的建設(shè)用地是主要的轉(zhuǎn)入型地類，2005—2015年建設(shè)用地出度與入度的比值為0.04，區(qū)域內(nèi)的建設(shè)行為主要占用林地和耕地進(jìn)行擴(kuò)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(xù)開展實(shí)施土地開發(fā)整理補(bǔ)充耕地項(xiàng)目。隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，城市的擴(kuò)張客觀上需要提供大量建設(shè)用地以帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

2.1.2?地類介數(shù)值。

節(jié)點(diǎn)介數(shù)的高低反映的是特定地類在系統(tǒng)中的重要程度，值越大反映其在系統(tǒng)中的作用越大，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和變化能起到較重作用，從各個(gè)時(shí)間周期不同地類（表2）可以看出，在2005—2010、2011—2015 年林地介數(shù)為各個(gè)時(shí)間周期中地類介數(shù)的最大值，其次為建設(shè)用地，林地作為常寧市面積比例最大地類，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主導(dǎo)地類，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化都是圍繞林地進(jìn)行，林地轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地占建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積的35.7%，轉(zhuǎn)入到林地的地類主要為未利用地和耕地，可見林地在系統(tǒng)中起著重要作用，對(duì)系統(tǒng)一定程度上有主導(dǎo)控制作用。

2.1.3?地類轉(zhuǎn)化平均路徑長(zhǎng)度。

分析2005—2015年常寧市地類轉(zhuǎn)化平均路徑長(zhǎng)度值情況發(fā)現(xiàn)，2005—2010、2010—2015年平均路徑長(zhǎng)度分別為1.52和1.48，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。主要是由于該時(shí)期區(qū)域內(nèi)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展背景下，建設(shè)活動(dòng)未受到有效管理和約束，城市建設(shè)行為蔓延使得區(qū)域內(nèi)林地和耕地受到侵占，人類的建設(shè)行為對(duì)土地利用影響加強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。可以預(yù)期，今后一段時(shí)期內(nèi)，隨著快速城市化進(jìn)程的繼續(xù)推進(jìn)，常寧市的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張將進(jìn)一步加劇，人類活動(dòng)的增加，勢(shì)必影響到整個(gè)土地利用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)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(huán)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(chǔ)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(shè)用地轉(zhuǎn)入類型的重要地類來自于耕地與林地。

2.2.2?經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

一般來說，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展無疑是影響土地利用變化的關(guān)鍵性因子。比如人口在區(qū)域之間的相互流動(dòng)、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進(jìn)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化升級(jí)等是影響土地利用空間格局和變化的重要因素。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的變化在土地上的直接表現(xiàn)就是土地利用變化的情況。因此，此處選取人口、城鎮(zhèn)化水平與建設(shè)用地、GDP與耕地等指標(biāo)來分析常寧市的主要經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)與土地利用相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)情況。結(jié)果表明（表3），常寧市人口集聚與建設(shè)用地呈正相關(guān)、GDP與耕地呈負(fù)相關(guān)、城鎮(zhèn)化水平與建設(shè)用地呈正相關(guān)，由此可以得知，常寧市人口集聚和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)伴隨著建設(shè)用地增加和農(nóng)用地減少，兩者之間是緊密相關(guān)的。

2.2.3?區(qū)域發(fā)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(gè)地區(qū)的土地利用政策很大程度上決定了該區(qū)土地利用變化的本質(zhì)。2011年，湘南地區(qū)正式獲國(guó)家發(fā)改委批復(fù)，成為第4個(gè)國(guó)家級(jí)承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)，常寧作為示范區(qū)“三級(jí)四帶”中“京港澳沿線產(chǎn)業(yè)集聚帶”的重要節(jié)點(diǎn)，重點(diǎn)承接珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，加強(qiáng)與長(zhǎng)株潭地區(qū)聯(lián)動(dòng)發(fā)展，具有良好的發(fā)展前景，常寧市要做強(qiáng)工業(yè)走廊，重點(diǎn)保障工業(yè)走廊建設(shè)用地需求，將其打造成為常寧市中心城區(qū)承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移基地。這無疑促動(dòng)了常寧市2010—2015年土地利用變化。

2.2.4?影響機(jī)制。

總體來看，土地利用格局變化受3種因子影響，包括基礎(chǔ)性因子、關(guān)鍵性因子和促動(dòng)性因子（圖4）。3個(gè)影響因子彼此影響與制約，共同影響相關(guān)區(qū)域的土地覆被與景觀形態(tài)、土地利用與結(jié)構(gòu)變化。基礎(chǔ)性因子主要是自然地理環(huán)境的影響，這類因子由于具有穩(wěn)定性特征，本身變化較弱，因此對(duì)區(qū)域的土地利用變化的影響也相對(duì)較小，一般起著基礎(chǔ)性的格局作用;關(guān)鍵性因子和促動(dòng)性因子主要包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類活動(dòng)、區(qū)域政策環(huán)境等，這兩類因子相對(duì)而言在區(qū)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(qiáng)度、方法及頻率的變化對(duì)土地利用變化的影響程度也不一樣，強(qiáng)度越大，土地利用變化速度也相對(duì)越快。

以研究區(qū)域常寧市來看，2005年常寧市的城鎮(zhèn)化水平為31.50%，2015年增長(zhǎng)至47.39%，城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，無疑需要更多的建設(shè)用地空間以滿足不斷增加的城鎮(zhèn)人口，也迫使常寧市的農(nóng)業(yè)用地逐漸減少，使得這期間常寧市的土地利用結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化，建設(shè)用地比重由2005年的5.70%增加至2015年的9.18%;農(nóng)業(yè)用地比重由2005年的86.67%減少為2015年的83.47%，第一產(chǎn)業(yè)比重由2005年的26.6%減少為2015年的17.5%，第二、三產(chǎn)業(yè)比重由2005年的73.4%增加為2015年的82.5%。

3?結(jié)論與討論

（1）以常寧市這一中部地區(qū)典型城市為研究區(qū)域，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，分析了常寧市土地利用變化的特征及影響機(jī)制，研究成果能為研究區(qū)域及其他類似區(qū)域的可持續(xù)土地規(guī)劃與管理提供科學(xué)參考。

（2）基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，常寧市在2005—2015 年區(qū)域轉(zhuǎn)入型地類為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)出型地類主要為林地和耕地，表明該區(qū)土地利用變化基本趨勢(shì)為建設(shè)用地大幅增加、耕地和林地減少較多，其他地類變化相對(duì)較小。主要的土地利用轉(zhuǎn)換類型包括耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、林地和耕地間的相互轉(zhuǎn)換及水體轉(zhuǎn)為耕地。主要原因是在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速推進(jìn)過程中，需要更多的建設(shè)用地空間來承載人口的快速增加。2005—2015 年常寧市地區(qū)生產(chǎn)總值由62.22億元增長(zhǎng)至244.88億元，年均增長(zhǎng)率高達(dá)12.71%，如此快速的增長(zhǎng)需要相應(yīng)數(shù)量的建設(shè)用地來承載。

（3）從結(jié)果來看，常寧市各個(gè)時(shí)期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的介數(shù)最大值為林地，林地在整個(gè)土地利用系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，也主要是建設(shè)用地轉(zhuǎn)入的主要來源，并且2005—2015年網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地類平均路徑長(zhǎng)度呈下降的趨勢(shì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性減低。因此，維護(hù)常寧市土地利用系統(tǒng)需要有效防止城市無序蔓延，保障城市生態(tài)安全，并加快城市開發(fā)邊界、生態(tài)保護(hù)紅線和永久性基本農(nóng)田的劃定，并作為一個(gè)空間政策工具嚴(yán)格執(zhí)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(chǔ)性因子、關(guān)鍵性因子和促動(dòng)性因子?；A(chǔ)性因子是指自然地理環(huán)境的影響，關(guān)鍵性因子和促動(dòng)性因子主要包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類活動(dòng)、區(qū)域政策環(huán)境等。3個(gè)影響因子彼此影響與制約，共同影響相關(guān)區(qū)域的土地覆被與景觀形態(tài)、土地利用與結(jié)構(gòu)變化。

（5）今后的土地利用管理中，常寧市應(yīng)以“科學(xué)整合，合理引導(dǎo)”為原則，合理定位區(qū)域的土地利用發(fā)展方向，加強(qiáng)城鄉(xiāng)融合、促進(jìn)區(qū)域土地利用空間的維系、過渡與融合，科學(xué)引導(dǎo)各區(qū)域的土地利用空間變換，以促進(jìn)區(qū)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(xù)性。

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