李 斌， 李 輝， 曹 珂

(1.重慶工商大學(xué) 公共管理學(xué)院，重慶 400067； 2.重慶工商大學(xué) 長江上游經(jīng)濟研究中心，重慶 400067；3.重慶財經(jīng)學(xué)院，重慶 400715 )

0 前 言

目前，眾多學(xué)者關(guān)注土地利用/覆蓋變化(Land use/Land cover change，LUCC)問題，相關(guān)研究日益深入，從主要生態(tài)功能區(qū)來研究該問題成為當(dāng)前國際上開展LUCC研究的一個新趨勢，生態(tài)功能區(qū)土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)與區(qū)域社會經(jīng)濟穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境狀況、生物多樣性等有著十分密切的關(guān)系[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者在土地利用時空變化特征方面主要集中在大尺度的研究，方法上主要依托一定時期的土地遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過定量對比來揭示區(qū)域土地利用變化，為區(qū)域土地利用優(yōu)化提供了可靠依據(jù)[2-5]，但已有文獻(xiàn)對中小尺度的研究相對較少，尤其對一些典型區(qū)域的土地利用變化關(guān)注不夠。重慶市萬州區(qū)位于三峽庫區(qū)核心腹地，在三峽庫區(qū)蓄水過程中大量優(yōu)質(zhì)土地被淹沒，隨著庫區(qū)產(chǎn)業(yè)重建和新型城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，使得萬州區(qū)本已十分有限的土地資源顯得更加匱乏，人地關(guān)系日益緊張；同時，萬州區(qū)作為國家重要的生態(tài)功能區(qū)和長江上游的生態(tài)屏障，區(qū)域土地利用變化非常重要，選擇萬州區(qū)為研究對象具有較強的典型性和現(xiàn)實意義。

以相關(guān)年份的美國LandsatTM影像作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，在RS和GIS技術(shù)支撐下，運用人機交互解譯，定量遙感以及地統(tǒng)計學(xué)等方法，從數(shù)量、程度、變化速率等方面對三峽庫區(qū)萬州區(qū)土地利用變化進(jìn)行2007—2018年間時空特征進(jìn)行定量分析，同時在借助遙感影像數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，采用景觀生態(tài)學(xué)的理論和方法，進(jìn)一步分析萬州區(qū)建成區(qū)建設(shè)用地景觀格局的特征。從時間序列上來揭示研究區(qū)在社會經(jīng)濟發(fā)展中土地利用變化的內(nèi)在變化規(guī)律，為新一輪的國土空間規(guī)劃體系的實施和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

重慶市萬州區(qū)是成渝城市群沿江城市帶區(qū)域中心城市，成渝經(jīng)濟區(qū)的東向開放門戶，是“一帶一路”和長江經(jīng)濟帶重要節(jié)點城市。萬州區(qū)位于長江上游地區(qū)、四川盆地東部區(qū)域和重慶東北部，是三峽庫區(qū)的核心腹地，介于東經(jīng)107°55′22″-108°53′25″，北緯 30°24′25″-31°14′58″之間，轄區(qū)總面積3 457 km2，下轄52個鎮(zhèn)、鄉(xiāng)、街道，2019年轄區(qū)常駐總?cè)丝?65.01萬人，作為重慶市第二大城市，城區(qū)人口達(dá)102萬。境內(nèi)丘陵山地占區(qū)域總面積一半以上，呈零星分布。亞熱帶季風(fēng)濕潤帶是研究區(qū)主要氣候特征；日照相對充足，天氣溫和，雨量充沛，全年基本無霜，見圖1。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig. 1 Map of the study area

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)來源于美國陸地資源衛(wèi)星Landset TM遙感影像，為了揭示研究區(qū)域的土地時空變化特征，分別采用2007年、2012年、2018年3期Landset TM遙感影像，空間分辨率為30 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用ENVI、Erdas、Matlab等軟件，對選取的萬州區(qū)2007年、2012年、2018年3期Landsat TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣輻射校正、幾何校正、圖像增強以及降噪處理，并且采用阿爾伯特等面積圓錐投影進(jìn)行影像重投影[6-9]。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用動態(tài)度模型

土地利用的廣度和深度可以通過土地利用程度來反映，也是體現(xiàn)土地利用中自然和人為因素的影響程度。根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等[5]提出的土地利用程度的綜合分析方法，構(gòu)建土地利用程度綜合指數(shù)模型。

D∈[100，400]，i=1，2，3，4

(1)

式(1)中：D代表研究區(qū)土地綜合利用程度指數(shù)，Ai代表研究區(qū)第i級土地類型的利用程度分級指數(shù)，CCi代表第i級土地利用類型的總面積，HJ代表研究區(qū)域內(nèi)的土地總面積，分級見表1。

表1 萬州區(qū)土地利用程度分級及賦值表Table 1 Classification and assignment of land use degree in Wanzhou District

2.3.2 轉(zhuǎn)移矩陣模型

在一定時間段內(nèi)，區(qū)域土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換是反映區(qū)域土地利用時空變化的主要特征指標(biāo)，也是研究區(qū)域土地覆蓋變化的重要方法[10-11]。利用地理空間定量分析的方法，采用地理信息技術(shù)和空間分析手段，則能夠全面地反映所研究區(qū)域不同地類之間的相互轉(zhuǎn)化，其通用的轉(zhuǎn)移矩陣形式為

(2)

這里S為研究去土地的總面積；N為研究區(qū)土地利用類型數(shù)量；i，j為研究起始年與研究結(jié)束年的土地利用類型代碼。

2.3.3 重心遷移模型

土地利用類型的重心變化可以具體反映出土地利用在空間分布變化的變化情況，其模型如下[12-14]：

(3)

其中：Xt，Yt代表第t年研究區(qū)建設(shè)用地所對應(yīng)的重心坐標(biāo)值；cti為研究區(qū)第i個建設(shè)用地圖斑面積；xi，yi為研究區(qū)第i個建設(shè)用地圖斑所對應(yīng)的重心坐標(biāo)值。

2.3.4 景觀格局PD和PAFRAC指數(shù)法

景觀斑塊破碎度指數(shù)(PD)是常用的反映研究區(qū)土地景觀破碎化程度的一個重要指標(biāo)，其一般取值為0～1之間，若取值為0則表示研究區(qū)土地景觀無破碎化，若取值為1則表示為研究區(qū)土地景觀已完全破碎化。計算公式如下：

(4)

式(4)中,A為研究區(qū)土地景觀的面積總和，m為研究區(qū)某土地景觀類型；Nj為研究區(qū)土地景觀類型的總數(shù)。

分維數(shù)(PAFRAC)是常用的反映研究區(qū)土地景觀受到外來干擾程度大小的一個重要指標(biāo)，其一般取值為1～2，若取值越接近于1則表明研究區(qū)土地景觀斑塊分布較為簡單，同時也反映了研究區(qū)土地景觀受到的人為干擾程度就越大；若取值越接近于2則表明研究區(qū)土地景觀斑塊空間分布就越復(fù)雜，同時也反映研究區(qū)土地景觀受人為干擾程度就越小。參照陳丹，周啟剛[3]的方法進(jìn)行計算。

3 結(jié)果與分析

分別從動態(tài)度、變化方向和土地利用與變化程度等方面來分析2007—2018年研究區(qū)的土地利用變化過程。

3.1 土地利用時空變化分析

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

表2可以看出：萬州區(qū)2007—2018年土地利用結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為建設(shè)用地面積增加，耕地和草地面積減少的趨勢。耕地面積從2007年的1 506.28 km2減少為2018年的1 478.39 km2，減少了27.89 km2，在各個地類中耕地面積變化的幅度最大；其次是建設(shè)用地從2007年的74.24 km2增加為2018年的95.36 km2，增加了21.12 km2，建設(shè)用地增加幅度最大，而且呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢；再次是水域面積持續(xù)增加，從2007年的100.63 km2增加為2018年的115.51 km2，增加了14.88 km2；同時林地面積在此期間也有一定程度的減少。總之，該時段萬州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的變化與庫區(qū)蓄水有著特定的關(guān)系，同時，隨著城市化進(jìn)程的加快，耕地、林地等呈現(xiàn)不斷減少的態(tài)勢。

表2 萬州區(qū)2007—2018年土地利用類型結(jié)構(gòu)表

3.1.2 土地利用流向變化

利用上述的轉(zhuǎn)移矩陣模型，在ARCVIEW 3.3的Tabulate Area模塊的技術(shù)支撐下，可計算出2007—2012年、2012—2018年和2007—2018年的研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。該轉(zhuǎn)移矩陣可以清楚地反映研究區(qū)在不同時段土地利用結(jié)構(gòu)的變化，更重要的是能夠反映不同地類之間的轉(zhuǎn)化情況。

由表3看出：2007—2012年間本地類向其他地類轉(zhuǎn)變中，其中草地、林地、水域和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化量分別為0.77 km2、4.01 km2、0.11 km2和0.63 km2，而耕地轉(zhuǎn)化量為14.59 km2，未利用地轉(zhuǎn)化率最少，僅為0.06 km2。由其他地類向本地類轉(zhuǎn)化中，其中向草地轉(zhuǎn)化量最小，向水域轉(zhuǎn)化量最大，其次是建設(shè)用地。

表3 萬州區(qū)2007—2012年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表

在總的變化中，2012年相比2007年，研究區(qū)建設(shè)用地面積和水域面積有所增加，而且幅度較大，耕地面積與林地面積有所減少，其中耕地面積減少最多，主要轉(zhuǎn)向是建設(shè)用地和水域，可以看出這一時段水域面積增加量最大，其次是建設(shè)用地；草地面積和未利用地面積幾乎保持不變。

由表4看出：2012—2018年間，耕地向其他地類轉(zhuǎn)化量最大，達(dá)到13.65 km2，其次為、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地，其中草地、林地、水域轉(zhuǎn)化量分別為0.18 km2、3.81 km2、0.14 km2，建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)化量最少。由其他地類向本地類轉(zhuǎn)化量由大及小依次為：建設(shè)用地、水域、草地、耕地、未利用地，其中其他地類向未利用轉(zhuǎn)化量為0，其他地類向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化量最大達(dá)到13.48 km2。在總的變化中，2018年相對2012年來看，建設(shè)用地和水域兩個地類增加較大，耕地與林地兩個地類有所減少，大量的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和水域，這一特征符合庫區(qū)前期土地利用結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

表4 萬州區(qū)2012—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表

由表5看出：從整個研究區(qū)間來看地類的變化，可以明顯看出，本地類向其他地類轉(zhuǎn)化量由大及小依次為：耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地，其中耕地的轉(zhuǎn)出量最大，達(dá)到28.23 km2，水域和未利用地轉(zhuǎn)化量最少。由其他地類向本地類轉(zhuǎn)化量由大及小依次為：建設(shè)用地、水域、草地、耕地、林地、未利用地，其中向未利用地轉(zhuǎn)化量最小，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化量最大，分別為0.05 km2和21.74 km2。總之，十多年中，萬州區(qū)土地利用流向的特征十分明顯，耕地、林地流向水域和建設(shè)用地是土地利用變化的主要特征，這主要是由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和三峽庫區(qū)蓄水引起的。

表5 萬州區(qū)2007—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表

3.1.3 土地利用程度變化分析

以TM遙感影像為基礎(chǔ)，結(jié)合2007年、2012年以及2018年土地利用解譯數(shù)據(jù)，借助土地利用綜合程度模型，計算得出研究時段萬州區(qū)的土地利用綜合指數(shù)及其變化量。

從表6分析可知：研究區(qū)在2007—2018年期間，其土地利用程度指數(shù)在數(shù)量上呈現(xiàn)出增長態(tài)勢，說明區(qū)域內(nèi)的土地利用深度及廣度有所增強。研究區(qū)的土地利用程度綜合指數(shù)在2007—2012年的5年內(nèi)的增加量約為1.35，2012—2018年的增幅最大，達(dá)到1.77，充分表明該段期間內(nèi)的土地利用開發(fā)力度較大，綜合利用水平在不斷提高。另一方面，從區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)的整體變化量來分析，2012—2018年間土地利用綜合指數(shù)的變化量比2007—2012年間的土地利用變化綜合指數(shù)的變化量大，說明2012—2018年萬州區(qū)土地利用程度得以提高，也反映了該時段經(jīng)濟發(fā)展相對較快?？傊?，從2007—2018年十多年來看，萬州區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)保持相對穩(wěn)定，但相對于理論上的極限值400來說，萬州區(qū)的土地利用綜合程度處于中等水平，這將為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的土地需求留有足夠的挖掘空間。

表6 土地利用程度綜合指數(shù)及變化表Table 6 Comprehensive index and change of land use degree

3.2 建成區(qū)景觀格局分析

3.2.1 建設(shè)用地時空變化分析

(1) 建設(shè)用地擴展規(guī)模及方向分析。為了揭示萬州城區(qū)建設(shè)用地空間擴展的規(guī)模和速度特征，以萬州區(qū)城區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)建設(shè)用的幾何重心為原點，按圖2所示將萬州區(qū)劃分為8個區(qū)域。

圖2 萬州區(qū)建成區(qū)區(qū)域劃分示意圖Fig. 2 Schematic diagram of regional division of built-up area in Wanzhou District

在ARCGIS 10.2地理信息系統(tǒng)軟件的支撐下，得到了萬州區(qū)2007—2012年、2012—2018年建成區(qū)用地變化表。

從表7、表8可以看出：2007—2012年城區(qū)建設(shè)用地面積總計增加了6.62 km2，由2007年的55.35 km2增加為2012年的61.97 km2，同時，這一時期建設(shè)用地在東南方向增加最多，5 a間增加了2.52 km2，說明該時期萬州區(qū)城區(qū)空間拓展的主要方向為東南方向。而在近幾年，城區(qū)建設(shè)用地總面積從2012年的61.97 km2增加為2018年的74.15 km2，表明該階段城區(qū)建設(shè)用地增加較快，年平均增加建設(shè)用地達(dá)到3.06 km2，同時，2012—2018年該階段城區(qū)建設(shè)用地在西南方向增加量最大，達(dá)到4.97 km2，說明該時期萬州區(qū)城區(qū)空間拓展的主要方向為西南方向擴張為主。萬州城區(qū)建設(shè)用地空間格局這一特征將為新一輪國土空間規(guī)劃提供決策參考。

表7 2007—2012年建成區(qū)用地面積變化表

表8 2012—2018年建成區(qū)用地面積變化表

(2) 建設(shè)用地重心遷移分析。在arcgis 10.2的支持下，根據(jù)式(3)，利用處理好的數(shù)據(jù)，得到了2007—2018年研究區(qū)建設(shè)用地重心遷移示意圖(圖3)。從圖3可以看出：2007—2018年研究區(qū)建設(shè)用地重心轉(zhuǎn)移變化的趨勢表現(xiàn)為兩個不同的階段：2007—2012年間，建設(shè)用地重心向東南方向遷移，2012—2018年間，建設(shè)用地重心向西南方向遷移?？傮w上來說，近10年內(nèi)建設(shè)用地重心的遷移方向是西南方向，這與上文中建設(shè)用地擴展方向分析的結(jié)果相吻合，表明在2007—2018年間，研究區(qū)建設(shè)用地的擴展方向是西南方向。以上研究結(jié)論對于萬州建成區(qū)在新一輪國土空間規(guī)劃實施中，對于產(chǎn)業(yè)的空間安排、公共設(shè)施的空間布局以及城區(qū)空間結(jié)構(gòu)的重塑等都有非常重要的參考價值。

圖3 萬州區(qū)2007—2018年建設(shè)用地重心遷移圖Fig. 3 Gravity center transfer diagram of construction land in Wanzhou District from 2007 to 2018

3.2.2 萬州區(qū)建成區(qū)景觀格局分析

景觀格局決定著自然地理環(huán)境的形成、分布和組分，制約著各種生態(tài)過程，并與干擾能力、恢復(fù)能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性有著密切的關(guān)系[16-17]。采用土地利用類型作為景觀的斑塊類型，根據(jù)研究區(qū)景觀實際狀況對萬州區(qū)建成區(qū)的建設(shè)用地圖斑進(jìn)行景觀格局分析。

(1) 景觀破碎度。根據(jù)上述公式，在ARCGIS 10.2及fragstats3.3的技術(shù)支撐下，得到萬州區(qū)建成區(qū)2007—2018年景觀破碎度指數(shù)，具體如下：就整個研究區(qū)而言，景觀斑塊的破碎化程度較高，2007—2018年萬州區(qū)建成區(qū)的平均景觀破碎度指數(shù)為0.079 2，表現(xiàn)出一定的人為特征，而在景觀內(nèi)部則表現(xiàn)出一定的破碎化程度。2007—2018年景觀破碎度指數(shù)有所增加，2018年破碎度最大為0.083 5；其次2012年的0.079 6；最小的2007年的0.079 6。這從側(cè)面反映了萬州區(qū)建成區(qū)在不斷擴展過程中自然景觀造成了較大的改變，因此，在新的國土空間規(guī)劃實施過程中，要充分研究三區(qū)三線的劃定，加大城區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)和空間格局優(yōu)化。

(2) 景觀分維數(shù)。參照陳丹，周啟剛[3]的方法，在ARCGIS 10.2及fragstats 3.3的技術(shù)支撐下，得到萬州區(qū)建成區(qū)2007—2018年景觀分維度指數(shù)，具體如下：2007—2018年萬州區(qū)建成區(qū)，平均景觀分維度指數(shù)為1.405 2，處于較低水平，表明研究區(qū)受人為干擾較大，建成區(qū)景觀分維度指數(shù)分別為2007年的1.421 6、2012年的1.403 1和2018年的1.391 0，表明研究區(qū)土地景觀斑塊分布較為簡單，同時也反映了研究區(qū)土地景觀受到的人為干擾程度較大。綜上可知，萬州區(qū)建成區(qū)景觀分維數(shù)在2007—2018年不斷減小，也反映了其受人為干擾程度也越來越大，這也體現(xiàn)了萬州區(qū)城鎮(zhèn)化不斷加快的現(xiàn)實情況，在此過程中人為改造大自然的程度不斷增強。研究結(jié)論對于萬州城區(qū)空間擴展過程中，須以景觀生態(tài)學(xué)的原理為依據(jù)，加強生態(tài)廊道、節(jié)點和斑塊的空間優(yōu)化和保護(hù)。

4 討論與結(jié)論

以三峽庫區(qū)萬州區(qū)2007、2012和2018年3期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在GIS和RS技術(shù)的支撐下，對萬州區(qū)的土地利用與建成區(qū)景觀格局在時間上和空間上的變化規(guī)律及差異性進(jìn)行了分析，形成討論與結(jié)論：

4.1 討 論

土地利用變化和景觀格局特征及其相關(guān)研究是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的熱點內(nèi)容之一，以三峽庫區(qū)萬州區(qū)為研究對象，對其十多年來的土地利用格局時空變化特征經(jīng)景觀格局現(xiàn)狀分析，研究可為三峽庫區(qū)后期國土開發(fā)政策的制定和城市化健康發(fā)展提供參考。鑒于文章篇幅有限，對土地利用變化的內(nèi)在驅(qū)動力的研究有待進(jìn)一步完善和提升。研究基于LandsatTM遙感解譯數(shù)據(jù)，運用RS和GIS平臺，通過土地利用變化分析模型和景觀格局運算方法對三峽庫區(qū)萬州區(qū)的土地利用變化特征和建成區(qū)景觀格局進(jìn)行分析，研究結(jié)果具有一定的客觀性，可以新的國土空間規(guī)劃提供一定的決策支持。

4.2 結(jié) 論

(1) 從2007—2018年，由于城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、庫區(qū)后續(xù)建設(shè)和自然環(huán)境的影響，研究區(qū)土地利用總體上呈現(xiàn)建設(shè)用地和水域面積增加及耕地和草地面積減少的明顯趨勢。若從土地利用面積變化幅度來看，耕地面積變化的幅度最大，雖然2012—2018年區(qū)內(nèi)土地利用綜合程度提高相對較快，由于仍處于中等水平。因此，在未來一段時期，需通過優(yōu)化區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地利用綜合程度，減少對耕地的過度占用。

(2) 研究區(qū)的土地利用流向特征明顯，并且在空間和時間上存在著一定的相差異性。2007—2018年間由本地類向其他地類轉(zhuǎn)化量由小到大排序：未利用地<水域<建設(shè)用地<草地<林地<耕地，由其他地類向本地類轉(zhuǎn)化量大小排序：草地<未利用地<林地<耕地<建設(shè)用地<水域，這將為未來土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

(3) 萬州區(qū)建設(shè)用地擴張?zhí)卣饕彩置黠@，2007—2012年間，研究區(qū)的城市發(fā)展的主要方向為東南方向；在2012—2018年間城市發(fā)展方向以西南方向為主。

(4) 從建設(shè)用地重心變化特征可以看出，2007—2018年研究區(qū)建設(shè)用地重心轉(zhuǎn)移變化的趨勢，這種變化趨勢呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。首先， 2007—2012年間，建設(shè)用地重心向東南方向遷移；其次，2012—2018年間，建設(shè)用地重心向西南方向遷移。

(5) 2007—2018年期間，萬州區(qū)建成區(qū)平均景觀破碎度指數(shù)為0.079 2，景觀斑塊的破碎化程度較高，表現(xiàn)出相當(dāng)強的人為特征，而在景觀內(nèi)部則表現(xiàn)出一定的破碎化程度；平均景觀分維度指數(shù)為1.527 4，處于較低水平，表明研究區(qū)受人為干擾較大。