林 凱， 李雪松， 姚文萃， 舒禹龍， 韓 蔚， 林莘棟， 王夢(mèng)琪

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

土地利用的變化是一個(gè)區(qū)域土地資源利用方式的直接反映[1]，對(duì)于一個(gè)城市的健康發(fā)展至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者基于各類模型進(jìn)行了土地利用變化趨勢(shì)方面的相關(guān)研究，如Shaikh Shamim Hasa[2]通過(guò)建立Dyna-CLUE模型模擬了京津冀地區(qū)未來(lái)的土地利用演變。Dawn C. Parker[3]等構(gòu)建了土地利用/覆被變化的多智能體系統(tǒng)模型(MAS/LUCC模型)。羅平[4]構(gòu)建了城市土地利用演化仿真GFCA-Urban模型,并成功模擬了深圳市土地利用動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。全泉[5]通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)模型和多智能體模型耦合，建立了城市土地利用動(dòng)態(tài)變化模型，并對(duì)2050年上海市土地利用變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)。周成虎[6]通過(guò)引入GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)模擬城市的土地利用變遷，并提出了地理元胞自動(dòng)機(jī)(GeoCA)。王磊、付曉峰等[7-8]通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)與元胞自動(dòng)機(jī)模型(CA)耦合的研究方法，針對(duì)未來(lái)的土地利用格局演變進(jìn)行了預(yù)測(cè)。但上述研究的重點(diǎn)多為針對(duì)城市未來(lái)土地利用變化的預(yù)測(cè)，忽視了對(duì)歷史土地利用演變過(guò)程與特征的梳理。本文從歷史與未來(lái)兩個(gè)角度同時(shí)切入，基于GIS的空間統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行武漢市主城區(qū)自1970年以來(lái)的土地利用演變特征分析，再建立ANN—CA模型對(duì)武漢市未來(lái)2025年土地利用格局的演變特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，希望研究結(jié)果可為武漢市未來(lái)土地資源的合理配置與健康發(fā)展提供一定借鑒與參考。

1 研究區(qū)域概況

武漢市是華中地區(qū)的特大中心城市，地處漢江平原東部，地形以平原為主，包括少量低山、丘陵，全境面積達(dá)8494平方公里。境內(nèi)江河縱橫、湖港交織，水域面積占全市面積的1/4。作為長(zhǎng)江中下游城市群的重要組成部分，幾十年間武漢市的建設(shè)用地面積劇增，導(dǎo)致原本的城市自然生態(tài)環(huán)境受到破壞，嚴(yán)重影響了城市的健康發(fā)展與市民的生活質(zhì)量。為更直觀的探究武漢市城市土地利用的演化過(guò)程與趨勢(shì)，以便為武漢市土地資源優(yōu)化配置提供參考性意見，本文選取武漢市外環(huán)線以內(nèi)區(qū)域(主城區(qū))為研究對(duì)象。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

2.1.1數(shù)據(jù)來(lái)源研究數(shù)據(jù)包括Land-sat TM遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM數(shù)據(jù))、路網(wǎng)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。Land-sat TM遙感影像數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http: ∥www.resdc.cn)獲得，用于提取研究區(qū)內(nèi)1970-2015年間多期土地利用數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http: ∥www.gscloud.cn), 用于提取研究區(qū)域內(nèi)2015年坡度數(shù)據(jù)，以制作土地利用變化預(yù)測(cè)研究的空間約束條件?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)通過(guò)國(guó)家基礎(chǔ)信息中心的全國(guó)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)獲取武漢市2015年各級(jí)行政邊界、鐵路、公路等方面數(shù)據(jù)，同樣用于制作土地利用變化預(yù)測(cè)研究的空間約束條件。

2.1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理由于受傳感器自身特征、大氣、地形等因素影響會(huì)導(dǎo)致遙感影像產(chǎn)生輻射誤差,所以本文首先利用ENVI對(duì)研究區(qū)域內(nèi)Land-sat TM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段組合、幾何糾正、影像拼接、裁剪及土地利用數(shù)據(jù)監(jiān)督分類等操作，獲得1970-2015年間多期武漢市主城區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)的用地具體分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地，再基于GIS將土地利用數(shù)據(jù)重采樣為100 m×100 m分辨率。坡度數(shù)據(jù)則由ArcGIS通過(guò)DEM數(shù)據(jù)提取得到。

2.2 研究方法

2.2.1 GIS空間分析地理信息系統(tǒng)(GIS)，是用于采集、存儲(chǔ)、管理、處理、檢索、分析和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和處理能力，是地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)的有機(jī)結(jié)合，在多個(gè)領(lǐng)域中被廣泛運(yùn)用。本文將基于GIS空間統(tǒng)計(jì)與可視化功能，分析研究區(qū)域內(nèi)不同年份用地類型間變化的轉(zhuǎn)換空間與數(shù)量特征,以探討武漢市1970年至2015年間土地利用變化特征。

2.2.2 ANN-CA模型ANN-CA模型即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和元胞自動(dòng)機(jī)模型(CA)的耦合，該模型兼具ANN的非線性復(fù)雜系統(tǒng)能力優(yōu)勢(shì)和CA對(duì)復(fù)雜空間變化的動(dòng)態(tài)模擬能力。該模型分為數(shù)據(jù)輸入、隱藏層、計(jì)算發(fā)展可能性三個(gè)層次，其運(yùn)行原理是基于人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和模擬，在訓(xùn)練過(guò)程中利用所輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)計(jì)算出模型的參數(shù)，再將該參數(shù)輸入到模擬步驟中進(jìn)行運(yùn)算。由于該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用戶轉(zhuǎn)換規(guī)則及參數(shù)自動(dòng)生成，能夠有效反映空間變量之間復(fù)雜的關(guān)系，十分適用于模擬非線性和復(fù)雜的土地利用格局演變。

3 武漢市主城區(qū)土地利用演變特征分析

3.1 武漢市主城區(qū)土地利用變遷分析

本部分研究以武漢市主城區(qū)(外環(huán)線以內(nèi)區(qū)域)為研究對(duì)象，對(duì)1970-2015年間武漢市主城區(qū)遙感影像進(jìn)行編譯處理，并基于GIS空間統(tǒng)計(jì)與可視化功能得到不同年份土地利用數(shù)據(jù)，然后計(jì)算各個(gè)變化用地類型的面積，最后在Excel中計(jì)算得到土地利用演變結(jié)果：1970-2015年武漢市主城區(qū)土地利用狀況統(tǒng)計(jì)表(表1)。

表1 1970-2015武漢市主城區(qū)土地利用狀況統(tǒng)計(jì) km2

由表1可知：近40年來(lái)，主城區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)變化顯著，其中1970-2015年建設(shè)用地增加561.46 km2，新增面積達(dá)原有建設(shè)用地的2.31倍。1970-2000年間土地利用轉(zhuǎn)換速度較慢，30年間建設(shè)用地增長(zhǎng)48%，2000-2005年間建設(shè)用地增長(zhǎng)面積高達(dá)108.32 km2，增幅達(dá)1970年面積的44.6%。2005-2010年建設(shè)用地面積增加達(dá)204.79 km2，為1970年面積的84.3%，呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2010-2015年城市建設(shè)用地面積增長(zhǎng)131.16 km2，為1970年面積的53.9%，呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)。

1970-2015年間水域面積呈先增后減的趨勢(shì)：水域面積增加了122.38 km2，增幅達(dá)24.0%。其中1970-2000年水域面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，30年間水域面積增長(zhǎng)了182.48 km2，2000-2015年15年間水域面積下降了60.1 km2。1970-2015年間草地面積先減后增，終為小幅下降。2015年草地面積較1970年下降1.62 km2，降幅僅為原面積的3.8%。其中1970-2005年草地面積下降了10.22 km2，2005年-2015年草地面積則出現(xiàn)回升，10年間面積增加8.6 km2。

耕地、林地及未開發(fā)用地在1970-2015年間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，45年間用地面積分別下降642.07 km2、11.8 km2、28.35 km2，降幅分別為47.2%、16.6%、64.6%。由此可見，耕地面積流失量最大，未開發(fā)用地則流失速度最快。耕地面積在2000-2010年間耕地呈現(xiàn)大幅流失的趨勢(shì)，10年間耕地面積就流失了277.89 km2，超過(guò)了1970-2000年30年間流失的總量(265.95 km2)。在2010-2015年間，耕地流失逐漸放緩，5年間耕地面積下降98.2 km2。農(nóng)耕用地面積“先緩慢下降，后大幅下降，再放緩下降”的趨勢(shì)還與建設(shè)用地“先緩慢增長(zhǎng)，后快速增長(zhǎng)，再放緩增長(zhǎng)”的趨勢(shì)基本對(duì)應(yīng)。由此可知1970-2015年間武漢市主城區(qū)飛速擴(kuò)張的同時(shí)也伴隨著大量耕地的消失，可見主城區(qū)內(nèi)耕地保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市擴(kuò)張之間存在較大矛盾。

由圖1可知，由于1970年后的武漢城市發(fā)展以建設(shè)生產(chǎn)性的大工業(yè)城市為目標(biāo)，因此城市用地?cái)U(kuò)張主要受工業(yè)用地大規(guī)模擴(kuò)張的影響，城市格局一改沿長(zhǎng)江、漢水、長(zhǎng)江大橋、漢水橋的線型分布，逐漸多向延伸[9]，2000年以后，武漢市主城區(qū)主要呈現(xiàn)“攤大餅”式發(fā)展，迎合了1995年編制的武漢市總體規(guī)劃中提出的“多中心組團(tuán)式”規(guī)劃構(gòu)想，即以長(zhǎng)江、漢水和東西山系為縱橫軸，以市內(nèi)外若干生態(tài)綠地和生態(tài)走廊相互穿插，構(gòu)成環(huán)狀放射型的城市生態(tài)空間結(jié)構(gòu)。這種規(guī)劃構(gòu)想雖然有一定合理性，但易導(dǎo)致各城市組團(tuán)之間大片的水域、林草地等生態(tài)用地被蠶食，破壞原有的城市景觀生態(tài)格局。2010-2015年，武漢市主城區(qū)建設(shè)已開始放緩，處于快速擴(kuò)張和尋求穩(wěn)定發(fā)展的交替期。依《武漢2035城市轉(zhuǎn)型與規(guī)劃轉(zhuǎn)型》文中所述，至2035年，武漢將處在重要的城市轉(zhuǎn)型期，保持建設(shè)用地“適度增長(zhǎng)”趨勢(shì)；預(yù)計(jì)至2025年左右將轉(zhuǎn)為“緊增長(zhǎng)”態(tài)勢(shì)，新增建設(shè)用地逐漸遞減。所以武漢市城市建設(shè)能否在2025年順利轉(zhuǎn)為“緊增長(zhǎng)”態(tài)勢(shì)，對(duì)于后續(xù)武漢市能否順利轉(zhuǎn)向“零增量”，走高質(zhì)量城市建設(shè)的發(fā)展路徑來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

圖 1 1970-2015 武漢市主城區(qū)(外環(huán)線以內(nèi)區(qū)域) 土地利用狀況

3.2 武漢市主城區(qū)土地利用預(yù)測(cè)模擬

3.2.1實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)流程中數(shù)據(jù)處理部分內(nèi)容如下

1)使用GIS分析工具中的歐式距離工具生成到市鎮(zhèn)中心、副中心距離、鐵路距離、城市高速路距離、國(guó)道距離、省道距離的空間可達(dá)性變量，并在重采樣為 100 m × 100 m分辨率后，使用柵格計(jì)算器工具將變量歸一化后得到空間距離約束條件。

2)使用GIS中的裁剪工具對(duì)SRTM-DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得研究所需區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，然后基于坡度分析工具和重采樣工具處理研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)得到分辨率為100 m×100 m的研究區(qū)域坡度柵格數(shù)據(jù)，最后對(duì)該坡度柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化操作，得到全局限制約束條件(圖2)。

圖 2 城市空間約束條件圖示

在數(shù)據(jù)處理完成后，使用系統(tǒng)中的ANN-CA模塊，在Arcmap中加載獲得的1995、2000、2005、2010年土地利用數(shù)據(jù)和已制作完成的空間約束條件，進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，最終確定較為理想的訓(xùn)練參數(shù)如下: 元胞鄰域范圍設(shè)為 7×7，神經(jīng)元的學(xué)習(xí)效率設(shè)定為0.2，參與訓(xùn)練的樣本數(shù)為20%，迭代次數(shù)設(shè)置為1000，最高訓(xùn)練精度可達(dá)91%。

完成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的訓(xùn)練后進(jìn)行模擬參數(shù)設(shè)置，以2015年的土地利用數(shù)據(jù)為起始年份，模擬目標(biāo)年為 2025 年，并設(shè)置轉(zhuǎn)換適宜性矩陣，而由于城市建設(shè)用地所在區(qū)域土壤性質(zhì)已發(fā)生變化，難以為動(dòng)植物提供正常土壤可以提供的理化環(huán)境，所以在轉(zhuǎn)換矩陣中設(shè)置為城市用地難再轉(zhuǎn)換為非城市用地; 耕地、林草地、未利用土地、水域等地類則設(shè)置為可以轉(zhuǎn)換為城市建設(shè)用地。然后將迭代次數(shù)設(shè)為 1000，擴(kuò)散參數(shù)α值為2，轉(zhuǎn)換閾值為0.8。由于武漢市城市建設(shè)將在2025年轉(zhuǎn)為“緊增長(zhǎng)”態(tài)勢(shì)，逐漸遞減新增建設(shè)用地，所以本文將預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換量設(shè)為24 000，與該發(fā)展放緩的發(fā)展策略相呼應(yīng)，完成對(duì)武漢市主城區(qū)未來(lái)的土地利用動(dòng)態(tài)演變的預(yù)測(cè)。

3.2.2模擬結(jié)果與分析2015與2025城市土地利用分布(圖3)對(duì)比可知，由于東南部省道、鐵路等交通設(shè)施分布更加密集，交通條件更為便利，較利于城市開發(fā)的進(jìn)行，且東南部現(xiàn)狀建設(shè)用地分布零散，周圍環(huán)繞有大量耕地、水域等利于轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的土地資源，所以東南方向與建設(shè)用地毗鄰的地區(qū)，大量林地、草地、水域?qū)⒑芤妆唤ㄔO(shè)用地侵占。西部區(qū)域則是繼續(xù)以“攤大餅”的形式，基于現(xiàn)有的建設(shè)用地分布格局向外擴(kuò)展，吞并外圍的耕地、水域等土地資源。北部區(qū)域因?yàn)楫?dāng)前建設(shè)用地較少，無(wú)法形成較強(qiáng)的建設(shè)慣性，城市建設(shè)發(fā)展將緩慢向外擴(kuò)張。因此，到2025年研究區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地向西部、東南部擴(kuò)張的可能性較大，與未來(lái)武漢市“1+6”城市空間格局(即一主城+六副城)的發(fā)展趨勢(shì)基本一致。

圖 3 2015與2025土地利用格局對(duì)比

由圖3可知，建設(shè)過(guò)程中大量土地資源服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)，導(dǎo)致主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)遭到了進(jìn)一步的破壞，而耕地流失的問(wèn)題也將會(huì)進(jìn)一步加劇。

表2是對(duì)研究區(qū)域各土地利用類型轉(zhuǎn)換量的模擬結(jié)果，由表2可知，2015-2025年間，研究區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)變化較為明顯：面積減少最多的為耕地，從718.24 km2降至555.60 km2；水域面積從631.92 km2減少至564.78 km2；林地面積從59.29 km2減少至45.85 km2；草地變化較小，從41.22 km2減少至33.20 km2。建設(shè)用地增長(zhǎng)則從804.44 km2增加至1041.74 km2。其中建設(shè)用地轉(zhuǎn)換的主要來(lái)源還是耕地，其他來(lái)源按轉(zhuǎn)換面積排列依次為水域、林地、草地、未開發(fā)用地。隨著武漢市經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，城市化步伐不斷加快，城鎮(zhèn)建設(shè)需要耗費(fèi)大量的土地資源，建設(shè)用地不斷占用耕地，將使得原本就稀缺的耕地資源更加寶貴，耕地保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾愈加激化。

表2 2015年Vs2025年模擬結(jié)果比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于GIS與ANN-CA耦合的研究方法對(duì)武漢市的城市發(fā)展過(guò)程中土地利用演變特征進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)。根據(jù)對(duì)1970-2015的武漢市主城區(qū)土地利用演變過(guò)程的分析結(jié)果可知：在過(guò)去武漢市幾十年間的快速發(fā)展中，由于擴(kuò)張建設(shè)用地有利于快速拉升經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，該過(guò)程中土地強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)利益的最大化，導(dǎo)致大量林草地等生態(tài)用地被侵占，尤其是以城市周邊耕地農(nóng)田流失為代價(jià)。這不單會(huì)削弱城市及周邊農(nóng)副業(yè)對(duì)城市的供給，也在一定程度上破壞了城市周邊原有的自然生態(tài)平衡，使得生態(tài)問(wèn)題逐漸突出。根據(jù)對(duì)武漢市主城區(qū)2025年的預(yù)測(cè)模擬結(jié)果可知，水域、林草地、耕地等用地迅速流失的趨勢(shì)還會(huì)放大，建設(shè)用地已經(jīng)替代了耕地的主導(dǎo)地位，成為主要用地類型，這將進(jìn)一步導(dǎo)致城市及周邊區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物成分的變化，使地表物理屬性發(fā)生改變并直接影響城市氣候環(huán)境品質(zhì)，加劇城市能源消耗，對(duì)城市的健康發(fā)展產(chǎn)生惡劣影響。

所以，武漢市在未來(lái)進(jìn)行城市發(fā)展及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)要考慮到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的需要，首先，對(duì)未來(lái)可能流失嚴(yán)重的水域、林草地、耕地等用地類型要加強(qiáng)重視與保護(hù)；同時(shí)推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)變，建立低消耗、低污染的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，減緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)耕地、林草地等寶貴土地資源造成的巨大壓力；然后加強(qiáng)宣傳，提升公眾意識(shí)，讓大眾參與到對(duì)耕地等用地的保護(hù)過(guò)程中去。最后，可以使用新一代空間技術(shù)及對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)城市發(fā)展過(guò)程中土地利用的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)對(duì)城市建設(shè)中出現(xiàn)的用地結(jié)構(gòu)問(wèn)題做出應(yīng)對(duì)。本文的實(shí)驗(yàn)是采取的自然發(fā)展情景模式，選取了六類影響因子，對(duì)政策導(dǎo)向作為驅(qū)動(dòng)的要素考慮有限，且在制定元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則時(shí)，對(duì)局部區(qū)域的特殊情況也涉及較少，研究還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。