基于地学信息图谱的江汉平原土地利用时空变化分析

张 韵, 彭建东, 王晶晶, 杨 红

(武汉大学 城市设计学院, 武汉 430070)

土地利用/覆被变化(LUCC)是目前国际学界比较活跃的研究领域之一，是全球环境变化的核心问题[1]。人类对土地资源的需求和开发利用强度随着城市化发展和人口增长呈现一定增长趋势[2-3]。国内学者关于土地利用时空变化的研究主要在两个方面：(1) 从时间过程上看，学者们通过土地利用综合程度、土地利用转移矩阵和单一土地利用动态度、综合土地利用动态度等描述土地利用的时序变化特征[4-6]；(2) 从空间格局上看，学者们采用GIS空间分析、景观格局指数和CLUE-S模型等来研究土地利用的空间格局变化[7-12]。虽然这些方法可以反映土地利用的时空变化特征，但并不能使“时间过程”和“空间格局”复合。

地学信息图谱正是一种地理时空分析方法论，能够实现过去的反演和未来的预测[2]。目前，已有学者通过地学信息图谱研究不同区域的土地利用变化，取得相应成果。马姣娇等[13]分析1996—2013年珠海淇澳岛土地利用格局变化图谱，得出增加最为显著的是林地、建设用地，土地变化集中在1996—2009年；于元赫等[2]通过构建1995—2015年沂河流域两个时序土地利用的转移图谱和涨落势图谱，形象反映该区域土地利用变化的特点；鲍文东等[14]以山东省龙口市为例，建立1996—2002年土地利用动态变化信息图谱，分析动态演变过程并结合马尔可夫模型预测未来发展趋势。从研究内容上看，学者们从统计分析和时空分布上来分析地学信息图谱，较少涉及变化的原因和不同地域间的差异；从研究区域上看，集中在生态环境薄弱区和城市发展重点区。

江汉平原不仅是我国湖泊密集度最大的淡水湖群区，也是湖北省重要的粮、油、棉的生产基地，其土地利用的变化是我国平原湖区土地利用变化的一个缩影[4]。本文选择江汉平原为研究区域，基于江汉平原1990年、2000年和2010年栅格土地利用数据，运用地学信息图谱方法构建1990—2000年和2000—2010年两个时序单元的土地利用变化图谱、涨落势图谱和变化模式图谱，分析江汉平原在20 a间土地利用时空变化的过程和特点，为平原湖区土地资源的生态保护和可持续发展提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

江汉平原(29°26′—31°13′N，110°30′—114°32′E)位于长江中游地区、湖北省中南部，属于亚热带季风气候，由长江和汉江冲击而成，是我国三大平原之一的长江中下游平原的重要组成部分。在行政区划上，江汉平原包含15个县级行政单位，具体行政区划包括荆州市：荆州市区、监利县、松滋市、公安县、洪湖市、石首市、江陵县；宜昌市：枝江市、当阳市；孝感市：汉川市、云梦县、应城市；省管市：潜江市、天门市、仙桃市，国土面积约2.8万km2。截至2015年末，江汉平原常住人口1 985.68万人，占湖北省总人口34.14%，城镇人口991.45万人，城镇化率49.93；粮食产量843.58万t，占湖北省粮食总产量的32.64%。该区域三产比为18∶51∶31，二产占据主体地位。

“人人都说天堂美，怎比我江汉鱼米乡”。江汉平原作为中国重要的农产品出口基地，主要出产棉花、水稻、油菜和水产品，同时也是少有的稻、麦、粟、棉、油、糖、鱼、菜皆大量出产的地区。棉花主要种植于堤内平原的旱地，是中国高产优质棉区和五大商品棉基地之一；水田内主要种植水稻，已形成较为明显的北—东—南粮食高产带，成为湖北省主要的粮食主产区。江汉平原作为我国湖泊密集度最大的淡水湖群区，是主要的水产品出口区[15]。

1.2 数据来源和处理

江汉平原1990年、2000年和2010年的栅格土地利用数据来源于中科院资源环境科学数据中心，其分辨率是30 m×30 m。该数据是以美国陆地卫星Landsat遥感影像数据作为主要信息源，通过人工目视解译获取的。

2 研究方法

2.1 土地利用分类体系的确定

结合国内外学者研究结果和江汉平原的实际情况，将其土地利用类型分成耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，以1—6进行编码。在ArcGIS 10.5平台中，对原LUCC分类进行重分类(3 D Analyst)，赋予6大类土地利用类型以新编码(表1)，得到1990年、2000年、2010年3期土地利用类型图。

2.2 土地利用图谱的合成

选取图谱的空间单元是30 m×30 m的网格单元，打开ArcGIS 10.5软件，将1990年、2000年、2010年3期数据导入其中。利用ArcGIS 10.5软件的“地理处理—相交”工具，相交土地利用数据，并按公式(1)运算前后两期土地利用类型的编码。

土地利用变化图谱代数运算公式为：

M=10A+B

(1)

式中：A为前期土地利用类型的编码；B为后期土地利用类型编码；M为研究时段内土地利用变化类型的编码，比如编码14是由耕地转化为水域的土地类型，最终合成江汉平原1990—2000年和2000—2010年两个时间段的土地利用变化图谱。

表1 江汉平原土地利用分类体系及编码

为表示发生变化的某种土地利用类型占所有发生变化的土地利用类型的比例，引入土地利用变化比率[2]，其计算公式是：

(2)

式中：Sxy是初期x类土地利用类型变为末期y类土地利用类型的图谱单元的面积；n为土地利用类型的数量；P为变化比率。

2.3 涨落势图谱分析

土地利用的变化分为“转入”、“转出”两种类型，其中“转出”是某用地类型转化为其他用地类型，“转入”是其他用地型转化为该用地类型。基于两个时间段的土地利用变化图谱，根据用地类型的“转出”、“转入”进行重分类(3D Analyst)，得到江汉平原1990—2000年和2000—2010年两个时序单元的涨落图谱。

2.4 土地利用变化模式图谱分析

利用ArcGIS 10.5的“地形处理—相交”工具，将1990年、2000年和2010年3个时间段的土地利用类型图进行依次相交，在属性表中新增字段并进行代数运算：

N=100A+10B+C

(3)

式中：N为研究阶段内土地利用变化模式的图谱单元编码，比如编码141表示土地变化过程为耕地—水域—耕地；A为1990年土地利用类型的编码；B为2000年土地利用类型编码；C为2010年土地利用类型编码。

根据新的图谱单元编码确定土地利用变化模式。根据两个时间段内土地利用类型是否发生变化可分为4大变化模式(表2)。利用ArcGIS 10.5的重分类(3D Analyst)工具，根据两个时序内的变化类型确定土地利用变化模式，确定图谱单元的新编码(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，合成江汉平原土地利用变化模式图谱。

表2 1990-2010年江汉平原土地利用变化模式

2.5 土地利用动态度

为表征研究区域在一定时间段内某一种和全部土地利用类型的变化速率，引入单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[2]。

单一土地利用动态度的表达式为：

(4)

式中：K为单一土地利用类型动态度；Ux，Uy分别为研究初期和末期该种土地利用类型的面积；T为间隔的时间段。

综合土地利用动态度的表达式为：

(5)

式中：LUx为第x类土地利用类型在初期的面积；ΔLUx-y为从第x类土地利用类型变化成为其他的土地利用类型的面积取绝对值；n为土地利用类型的数量；LC是综合土地利用动态度。

3 结果与分析

3.1 土地利用时间序列变化分析

耕地是区域内最主要的用地类型，3个时点耕地占比都超过65%，其次是水域，平均占比13.90%(表3)，符合该研究区域作为耕地资源区和湖泊湿地生态区的特征。

耕地持续萎缩，从20 348.29 km2减少到18 877.96 km2，后期下降速率明显增加(-0.19%～-0.54%)。水域持续增加，由3 480.58 km2增加到4 528.93 km2，上升速率由前期的0.88%增加到后期的1.96%。林地先减后增且总体增加，由2 135.47 km2最终增加到2 177.62 km2，前期主要因开垦为耕地而减少，后期因林地垦殖的抑制和退耕还林而有所增长。建设用地持续增加。草地持续增加，主要是水域、耕地转化为草地，且其总量较小，增加面积较大，其年均变化率最大(1.83%)。

两个时间段内的整体土地利用动态度是0.14%，0.38%，后期的变化速率明显增加，土地利用变化更为剧烈；江汉平原整个阶段的土地利用动态度为0.26%。

表3 1990-2010年江汉平原土地利用变化

3.2 土地利用空间序列变化图谱

3.2.1 1990—2000年土地利用空间序列变化图谱 1990—2000年期间江汉平原土地利用变化中共有36类图谱单元(总面积28 287.66 km2)，有30类发生了变化(541.27 km2，占比1.91%)，将占变化面积98.89%的13类图谱单元按面积大小排序(表4)。

由表4和附图1A可知，1990—2000年土地利用变化以“耕地—水域”(编码14)为主，占比67.18%，主要是基于原有水域的扩张，分布在江汉平原东部的仙桃市、洪湖市等低湖平原区；其次是“耕地—建设用地”(编码15)，占比13.54%，主要是各县市的向外扩张和内部填充，分布在研究区北部；第三是“水域—耕地”(编码41)，占比8.66%，分布在研究区南部和东部；第四是“水域—草地”(编码43)，占比2.22%，分布在研究区西南和东北片。

表4 1990-2000年土地利用变化主要图谱单元排序

该阶段土地利用变化主要是耕地和水域间互相转换、耕地转变为建设用地。耕地主要流向水域、建设用地和林地，累计转出比例82.09%；同时部分水域、林地转变为耕地，累计转入比例9.76%。尤为显著的是耕地转化为水域，其次是耕地转化为建设用地。

3.2.2 2000—2010年土地利用空间序列变化图谱 2000—2010年江汉平原土地利用变化中共有36类图谱单元(总面积28 287.66 km2)，有30类图谱单元发生变化(2 691.56 km2，占总面积的9.51%)。将占变化区域面积98.59%的16类图谱单元按面积大小排序，并计算其变化比率(表5)。

由表5和附图1B可知，2000-2010年土地利用变化以“耕地—水域”(编码14)为主，占比38.04%，仍是基于原有水域的扩张，但其变化面积和空间分布范围增加，由原本处于低湖平原区的仙桃市、洪湖市扩散到监利县和汉川市；其次是“耕地—建设用地”(编码15)，占比18.94%，主要在研究区北片；第三是“水域—耕地”(编码41)，占比10.58%，主要在研究区中部和东部；第四是“建设用地—耕地”(编码51)，占比10.39%，主要在研究区西南片和西北角。

2000—2010年，该时期耕地和水域间的互相转化、建设用地占用耕地的面积进一步扩张，并出现建设用地转化为耕地的情况。耕地主要流向水域、建设用地、林地和草地，转出的面积大幅度增长，但累计转出比例降低为65.3%；同时，耕地主要转入来源为水域、建设用地和林地，新增一项建设用地，且其他类用地转入面积均明显增加，累计转入比例达到25.43%，较上一阶段增加了15.67%。最为显著的仍是耕地转变为水域，其次是耕地转变为建设用地。

总体来看，1990—2010年江汉平原土地利用变化图谱主要表现为以下几个特征：

一是耕地和水域间的互相转化，主要在仙桃市、洪湖市等低湖平原区，原因是国家政策驱动。随着1998年特大洪水后的大江大河治理、长江平垸行洪、退田还湖、移民建镇和1999年生态退耕政策的实施，区域内耕地大幅度转化为水域。该区域增加的水域主要是鱼塘，人民对于鱼类产品的需求以及养鱼的良好收益，促使耕地持续转化为水域。而2004年后粮食直补政策和粮食价格的持续上升使得部分鱼塘重新转化为耕地[16-17]，后期水域转化为耕地的面积有所增加。

二是耕地和建设用地间的互相转化。其中耕地转化为建设用地贯穿整个时段，主要发生在经济相对发达的各县市城区周边区域，其转化原因涉及到国家政策、城市化进程和人口增长等各方面。前期受房地产热、开发区热和建房修路热的影响，江汉平原建设用地快速扩张；后期国家推行中部崛起战略，区域交通设施建设占用大量农用地并带动沿线投资[18]，耕地转化为建设用地显著；人口增加也是影响建设用地增长的重要因素。建设用地转化为耕地发生在后期，集中在石首市、松滋市等地，究其原因，城乡建设用地增减挂钩政策和全国土地开发整理规划促使闲置的农村建设用地得到整理复垦，建设用地转变为耕地。

表5 2000-2010年土地利用变化主要图谱单元排序

3.3 土地利用涨落势图谱

3.3.1 1990—2010年土地利用涨势图谱 根据土地利用的“转入”进行重分类，得到江汉平原两个时序单元的涨势图谱，并通过相交工具对江汉平原内各行政单元的差异和变化进行分析(图1)。

图1 江汉平原各时序单元土地利用涨势图谱

1990—2000年，江汉平原内变化区域总面积是541.27 km2，未变区域总面积为27 746.39 km2，分别占该区域总面积的1.91%，98.09%。变化区域中按新增面积大小排序分别是水域、建设用地、耕地、草地、林地和未利用地。其中新增水域面积最大，是376.03 km2，占新增总面积的69.47%。其次是新增建设用地、新增耕地和新增草地，分别是81.45，55.14，12.38 km2，最小的是新增林地(8.73 km2)和新增未利用地(7.59 km2)。

江汉平原内各县市土地利用变化存在很大差异，沙市区土地利用变化最为活跃，其未变区域占比最低(94.76%)；应城市土地利用变化最为稳定，其未变区域占比最高(99.68%)；监利县和松滋市的土地利用变化相对稳定。研究区域内汉川市的新增耕地面积最大，是8.96 km2，但没有新增林地；石首市的新增林地、草地和未利用地面积最大，分别是1.76，12.06，2.87 km2；仙桃市的新增水域面积最大，是108.23 km2；枝江市的新增建设用地面积最大，是17.71 km2。

2000—2010年期间，江汉平原土地利用变化区域占总面积的比例为9.51%，相对于上一阶段增长7.6%，变化区域中按新增面积排序是水域、耕地、建设用地、林地、草地和未利用地。新增水域的面积依然是最大的，为1 123.62 km2，占总体新增面积的41.75%；其次是新增耕地面积，新增的面积比上一阶段多了637.21 km2，说明土地整理对于增加耕地的作用明显；再者是新增建设用地，比上一阶段增加了483.5 km2，说明江汉平原的城市化建设从未停止；新增林地和上一阶段相比增加了204.23 km2，其中新增林地幅度明显增大，说明该时期生态用地的保护明显加强；新增草地相对增长41.08 km2；最小的是新增未利用地。

沙市区的土地利用变化仍然最为剧烈，其未变区域占比78.75%；公安县未变区域占比最大，土地利用变化最为稳定，云梦县和当阳市的土地利用变化相对稳定。土地利用类型涨势图谱在县区内存在明显差异：松滋市的新增耕地(69.38 km2)、林地(70.57 km2)面积最大，但没有新增的未利用地；当阳市的新增耕地面积仅次于松滋市，为60.95km2，且各县市间新增耕地的面积差距变小；洪湖市的新增草地(28.60 km2)和新增水域面积(326.06 km2)最大，其中仙桃市和监利县的新增水域仅次于洪湖市，分别为255.32，223.83 km2，水域增加主要在水资源丰富的低湖平原区；天门市的新增建设用地最大(79.26 km2)，仙桃市、江陵县和潜江市次之，分别为69.74，57.38，57.13 km2，各县市新增建设用地的面积相对于上一阶段皆有大幅度的增加；石首市的新增未利用地最大(13.99 km2)。

3.3.2 1990—2010年土地利用落势图谱 土地利用的“转出”类型进行重分类，得到江汉平原两个时序单元的落势图谱，并通过相交工具对江汉平原内各行政单元的差异和变化进行分析(图2)。

图2 江汉平原各时序单元土地利用落势图谱

1990—2000年，江汉平原内按萎缩面积排序是耕地、水域、林地、未利用地和草地。其中耕地减少的面积最大，为442.61 km2，占整体萎缩面积的81.77%；其次为水域72.42 km2，占比13.38%；再者是林地11.39 km2；未利用地和草地的萎缩面积均小于10 km2，建设用地的萎缩面积最小。江汉平原内土地利用变化存在明显差异：仙桃市耕地萎缩面积最大，为115.13 km2，洪湖市次之；当阳市林地萎缩面积最高，为3.16 km2；石首市草地和水域的萎缩面积最高，分别是1.98，16.82 km2；洪湖市建设用地和未利用地萎缩面积最高，分别是7.04，0.50 km2。

2000—2010年期间，江汉平原内各类土地利用类型的萎缩面积相对于上阶段有明显增加，按面积大小为耕地、水域、建设用地、林地、未利用地和草地。耕地的萎缩面积依然是最高，为1 775.93 km2，是上一阶段的4倍，该阶段耕地被转化和占用的趋势进一步加强；其次是水域382.10 km2，是上一阶段的5倍；再者是萎缩建设用地304.02 km2，从上一阶段的最末位上升为第3位，说明土地整理和增减挂钩政策使建设用地大量转化为耕地；林地和未利用地的萎缩面积有所增加，草地的萎缩面积最小，变化较不明显。

各土地利用类型的落势图谱在县市内有所差异。其中洪湖市的耕地萎缩面积最大，为360.76 km2，仙桃市次之，其余各县市的耕地萎缩面积相对于上一阶段来说都明显增加；松滋市萎缩林地最多，为44.45 km2，当阳市次之；石首市萎缩草地最多，10.39 km2；监利县的萎缩水域面积最高，仙桃市次之，且各县市的萎缩水域面积相较于上一阶段皆有所增长；洪湖市的萎缩未利用地面积最大，为9.06 km2。

将土地利用变化图谱和涨落势图谱相结合，探索三者间的数量和空间关系，分析江汉平原土地利用的时空变化特征。1990—2000年，江汉平原的土地利用涨落势图谱中，新增水域376.03 km2，萎缩耕地442.61 km2，土地利用变化图谱中最为显著的是耕地转化为水域(编码14)，面积365.25 km2，结合三者间的数量关系说明前期水域的主要来源是耕地，且三者都集中在低湖平原区，新增水域都是基于现有水域的边缘。2000—2010年，江汉平原的土地利用涨落势图谱中，新增水域1 123.62 km2，新增建设用地564.95 km2，萎缩耕地1 775.93 km2，而土地利用变化图谱最显著的是耕地转化为水域(编码14)，1 023.92 km2，再者是耕地转化为建设用地(编码15)，509.82 km2；结合五者之间的数量关系说明研究后期水域和建设用地的主要来源是耕地，且水域的变化都集中在低湖平原区，建设用地相关变化集中在经济发达的各县市周边区域。

3.4 土地利用变化模式图谱

根据1990年、2000年、2010年3期土地利用现状数据，重构得到1990—2010年土地利用变化模式图谱(图3)，按照阶段性变化特征分为四大变化模式(表6)。

由图3，表6可知，1990—2010年，全期稳定型模式占据主要地位，占总面积的89.17%，主要为耕地、水域和林地。与之相对的是全期变化型，占比0.29%，主要分布在江陵县、仙桃市和潜江市，以耕地—水域—耕地和水域—耕地—水域的反复变化图谱为主。第二位是后期变化型，占比8.92%，主要是洪湖市、仙桃市和监利县(低湖平原区)，以耕地—耕地—水域和耕地—耕地—建设用地的变化图谱为主。第三位是前期变化型，占比1.63%，主要是仙桃市、洪湖市和潜江市，以耕地—水域—水域和耕地—建设用地—建设用地的变化图谱为主。

图3 1990-2010年土地利用变化模式图谱

表6 江汉平原各县市土地利用变化模式图谱结构

4 结 论

(1) 江汉平原土地利用类型以耕地和水域为主，二者总和占研究区域总面积的80%以上。1990—2010年，各类用地的主要变化为耕地持续减少，水域、建设用地和草地持续增加，林地和未利用地先略微减少后小幅度增加。

(2) 1990—2010年，土地利用变化图谱以耕地与水域、建设用地间互相转换为主。耕地与水域间的的互相转化主要发生在仙桃市、洪湖市等低湖平原区；耕地转化为建设用地贯穿全过程，主要发生在各县市城区周边经济相对发达的区域；而建设用地转化为耕地发生在研究后期，主要集中在石首市、松滋市和云梦县等地。两个单元时序内，江汉平原的主要图谱单元类型皆是“耕地—水域”和“耕地—建设用地”，但后期的变化面积大幅度增加，另外较为显著的是研究后期“建设用地—耕地”图谱单元类型的出现，其面积位居第四。

(3) 1990—2010年，涨势图谱中新增水域面积最大，占比46.39%；落势图谱中萎缩耕地的面积最大，占比68.63%。在两个时序单元内，江汉平原内各土地利用类型的涨落势图谱变化在县市存在明显差异。1990—2000年，应城市土地利用变化最为稳定，沙市区土地利用变化最为活跃。2000—2010年，江汉平原的土地利用变化面积扩大，空间覆盖范围越加广泛。公安县土地利用变化最稳定，沙市区的土地利用变化仍然最为活跃。

(4) 1990—2010年，变化模式图谱中全期稳定型占据主要地位，占总面积的89.17%，主要是耕地、水域和林地；其次是后期变化型，集中在洪湖市、仙桃市等低湖平原区，以耕地—耕地—水域和耕地—耕地—建设用地的变化为主；再者是前期变化型，集中在仙桃市、洪湖市和潜江市，以耕地—水域—水域和耕地—建设用地—建设用地的变化图谱为主；全期变化型最少，集中在江陵县、仙桃市和潜江市，以耕地—水域—耕地和水域—耕地—水域的反复变化图谱为主。

地学信息图谱可以直观且形象地表示土地利用变化的空间格局和时序特征，并实现时间和空间上的耦合。基于此，本文通过构建江汉平原两个时序单元的土地利用变化图谱、涨落势图谱和变化模式图谱，全面地反映江汉平原土地利用在空间序列和时间序列上的变化和差异，为准确预测未来江汉平原土地利用发展的趋势和土地资源利用的可持续发展提供理论支撑。同时，本文将对土地利用类型变化与自然、人文因素之间的联系，以及土地利用变化趋势的模拟预测[14]进行进一步研究，作为后续的研究方向和重点。