基于强度分析与动态度模型的长株潭都市圈土地利用变化特征分析

邓志位 全斌 谢红群 张海波

引用格式：鄧志位，全斌，谢红群，等.基于强度分析与动态度模型的长株潭都市圈土地利用变化特征分析[J].国土资源导刊，2023，20（04）：104-113.

Reference format：Deng Zhiwei，Quan Bin，Xie Hongqun，et al.Analysis of land use change characteristics in the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan metropolitan area based on intensity analysis and dynamic degree model[J].Land & Resources Herald，2023，20（04）：104-113.

摘 要：土地利用变化信息的测度是探索土地景观动态特征及其趋势和土地资源管理的重要基础，但传统的定量方法与思路尚未对用地类型动态转换信息进行深入挖掘，难以系统提供多层次的过程理解。本研究基于地理信息系统（GIS）工具，采用强度分析与动态度模型，探讨长株潭都市圈土地利用时空动态特征。结果表明，1980—2020年间，长株潭都市圈土地利用整体变化加速，其变化强度扩增16倍。建设用地的转入与耕地的转出表现为稳定的活跃。建设用地持续增加主要来源于耕地和林地。建设用地从林地处获得较大面积，因此建设用地的面积稳定地趋向耕地，而稳定地避免林地。近40年来长株潭都市圈建设用地增长突出，致使生态、生产土地缩减明显，该演化过程主要受社会经济因素的驱动，未来该区应坚持生态优先、绿色发展的理念。此外，本研究阐释了强度分析与其他量化手段的分析思想，可用于其他区域土地利用变化探测，以帮助决策者制定更有针对性的可持续土地管理策略。

关键词：土地利用变化；强度分析；土地利用动态度；长株潭都市圈

中图分类号：F301.24        文献标志码：A          文章编号：1672-5603（2023）01-104-10

Analysis of Land Use Change Characteristics in the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area Based on Intensity Analysis and Dynamic Degree Model

Deng Zhiwei，Quan Bin，Xie Hongqun，Zhang Haibo

（College of Geography and Tourism， Hengyang Normal University， Hengyang Hunan 421002）

Abstract： The measurement of land use change information is an important foundation for exploring the dynamic characteristics and trends of land landscape and land resource management. However， traditional quantitative methods and approaches have not yet deeply explored the dynamic transformation information of land use types， making it difficult to provide a systematic understanding of multi-level processes. This study is based on geographic information system （GIS） tools and uses intensity analysis and dynamic degree models to explore the spatiotemporal dynamic characteristics of land use in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area. The results indicate that from 1980 to 2020， the overall land use change in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area accelerated， with a 16 times increase in intensity. The transfer of construction land and the transfer of cultivated land show stable and active behavior. The continuous increase in construction land mainly comes from cultivated land and forest land. Although construction land obtains a larger area from forest land， the increase in construction land steadily tends towards cultivated land， while steadily avoiding forest land. In the past 40 years， the growth of construction land in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area has been prominent， resulting in a significant reduction in ecological and production land. This evolutionary process is mainly driven by socio-economic factors. In the future， the area should adhere to ecological priority and green development. In addition， this study elucidates the analytical ideas of intensity analysis and other quantitative methods， which can be used for detecting land use changes in other regions to help decision-makers develop more targeted sustainable land management strategies.

Keywords： land use change; strength analysis; land use dynamic degree; Changsha- Zhuzhou-Xiangtan metropolitan area

0 引言

快速的城镇化伴随着社会经济的蓬勃发展，同时也加快了地球表面土地利用演化进程[1]。土地利用变化作为反映人类活动对陆地表层系统作用的重要因素，被认为是导致全球环境变化的主要决定因素之一，对生态系统、全球生物地球化学循环、气候变化和生物多样性等产生重大影响[2]。同时，城市地区及其居民由于这些影响而面临严重的风险。科学评估土地利用变化时空动态有助于揭示人类活动与自然环境的交互机制[3]。

转移矩阵作为表征土地变化信息常用的量化途径，用于分析某一时段内土地利用类别之间的转换规模差异[4]。然而，一方面传统分析思路通常关注转换规模大小，往往阐述规模较大的转换过程，而忽视了规模较小的转换信息单元。分析转换规模思路固然直观，但难以表达变化面积在所涉类别自身面积中的比率，致使未能有效描述用地类型动态变化的剧烈程度。另一方面，该方法应用多集中在对单一时期下不同土地利用类型的转换过程以及转入转出状况，缺乏对多个时段转移矩阵信息进行整合并深入挖掘，导致无法提供更多的数值信息以供研究者分析连续多个时期形成的土地利用演化规律。这在一定程度上限制了对土地利用变化时序稳定性等特征的进一步理解。为此，Huang等[5]提出强度分析方法用于探测土地利用动态中哪些变化、转换过程更为剧烈。目前，该方法已被广泛应用于“三生”用地[6]，流域景观动态[7]、城镇扩张[8]、草原沙漠化[9]等领域。

在2022年2月，长株潭都市圈发展规划被国家批复同意，这意味着长株潭都市圈成为我国第四个国家级都市圈[10]。长株潭作为全国“资源节约型和环境友好型”社会典型示范区，近几十年来，该区大量乡村人口迁入城市，高强度的人类活动与土地利用开发引发了耕地流失、水资源短缺、空气污染等系列问题[11]。一些学者在长株潭城市群、长沙中心城区尺度上开展了富有成效的土地变化相关研究[12]，主要围绕在生态系统服务评价[13]、土地利用模拟[14]、城市增长及其边界划设[15]、生态网络构建[16]等方面。然而，在都市圈尺度上，开展长时间序列土地利用变化格局与过程的系统定量分析尚不多见。国家设立长株潭都市圈旨在加快未来长株潭一体化、同城化的步伐，这不可避免地会加速城镇空间的增长，进而对当地生态环境承载带来巨大压力。鉴于此，本研究以最新规划文本中长株潭都市圈为研究区，借助强度分析与动态度模型，探讨1980—2020年间长株潭都市圈土地利用变化规模、强度以及稳定性特征，揭示该区城镇扩张过程对土地景观格局变化的影响机制，为该都市圈未来实现高质量发展和城市可持续发展提供参考依据。

1 研究区概况

长株潭都市圈地处111°53′32″～114°15′28″ E和27°13′31″～28°39′56″ N之间，位于湖南省中北部，作为长江中游城市群重要组成部分，是推动长江经济带协同发展的核心力量之一[10]。本研究以《长株潭都市圈发展规划》（以下简称《规划》）中所划定的长株潭都市圈为研究区，包括长沙市全域、株洲市中心城区及醴陵市、湘潭市中心城区及韶山市和湘潭县，面积1.89万km2（图1）。2021年，该区常住人口1 484万，城镇化率达到80.9%，经济总量1.79万亿元，占全省经济总量的40%[17]。此外，该区交通区位优势凸显，京广、沪昆高铁等多条交通路网交汇，基本构成“一纵一横”交通网格局。

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）。本研究采用5期土地利用数据，时间为1980、1990、2000、2010、2020年。该数据基于Landsat TM/ETM+/OLI多时相影像资料，通过人机交互解译而成，空间分辨率30 m，解译精度均在85%以上[18]。区域行政边界、铁路与公路等交通基础设施、政府驻地数据来自国家基础地理信息中心的全国地理信息资源目录服务系统（http：//www.webmap.cn/）。30 m分辨率DEM数据来自地理空間数据云中ASTER GDEM数据产品（http：//www.gscloud.cn/）。土地利用分类参考最新修订的《土地利用现状分类》文件，并根据研究区实地调查，一级地类为耕地、林地、草地、水域和建设用地。

2.2 研究方法

2.2.1 强度分析

强度分析方法以转移矩阵为基础，由自上而下的间隔层、类别层和转换层构成[19]。间隔层也被称为“时间间隔层”，用于分析哪一时间间隔（时期）土地利用变化得相对快速或缓慢。用地类别层次是进一步解析某一时间间隔下哪些类别的增加（转入）和减少（转出）是相对活跃或沉寂的，而用地转换层次则更深入地剖析其他地类转换为某一特定地类是趋向或避免的。本研究采用该方法分析研究区土地利用动态的变化强度特征。图2显示了土地利用转移矩阵的数学表达，其中J为用地类型总数；Ctij则表示t时段地类i转换为地类j的面积规模，符号释义下同。

时间间隔层次研究不同时段下的总体变化差异，计算不同时期的总体变化强度以及整个研究时段的平均变化强度，计算分别见公式（1）和公式（2）[12]。通过比较St与U的大小判断不同时期总体变化快慢。若St > U，判断该时期的变化是快速的；若St < U，判断在t时段内的变化是缓慢的。

式中，St为t时段土地利用总体变化强度；U为t时段内St的平均强度；t为时段步长；T为整个研究时段长度，符号释义下同。

类别层次研究各地类变化的差异，计算地类的转出强度与转入强度。通过比较Lti、Gtj和St的大小判断地类的转入、转出是活跃或沉寂的，计算见公式（3）和公式（4）[12]。若Gtj > St，判断类别j的转入是活跃的；若Gtj < St，判断类别j的转入是沉寂的；对地类转出的判断亦同。

式中，Gtj为t时段地类j的转入强度；Lti为t时段内地类i的转出强度。

转换层次研究其他地类转换为某一地类时的转换差异，计算其他地类转换为某一地类的强度以及其他地类转换为该地类的平均转换强度，计算见公式（5）和公式（6）[12]。若Rtin > Wtn，判断地类i趋向转换为地类n，换言之，地类n是趋向从一种地类i处获得增加；同理，若Rtin < Wtn，判断地类i避免转换为地类n。在该层次中，本研究的地类n选取了建设用地，旨在更进一步理解建设用地动态转换过程。

式中，Rtin为t时段地类i转换为特定地类n的转换强度；Wtn为t时段其他地类转换为特定地类n的平均转换强度；地类n代表本研究中建设用地；Ctin为t时段地类i转换为特定地类n的转换规模面积。

2.2.2 动态度模型

动态度模型是测算土地利用/覆被变化剧烈程度的常用指标，可分为单一动态度与综合动态度。单一动态度通常被用于描述不同地类在某一时段内的变化剧烈程度，见公式（7）[20]。综合动态度旨在计算所有地类的总体变化剧烈程度，见公式（8）[20]。

式中，Ki为地类i的单一动态度值；Uib为地类i在t时段末的面积；Uia为地类i在t时段初的面积；LCt是t时段内所有地类的综合动态度值；[LUij]为该时段内地类i的转出面积；LUi代表地类i在该时段内初时的面积。

3 结果与分析

3.1土地利用结构特征

图3显示长株潭都市圈土地利用结构及其空间格局。从图3可见，在1980—2020年间，长株潭都市圈土地利用类型面积最大为林地，耕地次之，两者约占研究区域90%。这表明该区生态资源分布广泛，拥有较好的资源禀赋。建设用地面积增长持续上升，占比从1980年的2.20%增加到7.52%；与之相反，耕地和林地从1980年的33.3%、61.5%缩减至2020年30.0%、59.3%。通过鹰眼放大观察（图4），可见湘潭市与醴陵市两处建设用地迅速向外扩张与蔓延，不同程度地侵占周边耕地与林地等生态资源，说明尽管建设用地初始时比重小，但其数量增长是该区最明显的特征。

3.2 土地利用变化强度分析

3.2.1 土地利用变化时序分析

表1显示了研究区四个时期土地利用总体变化的规模、强度以及动态度值。从表1可见，无论是变化规模、变化强度还是综合动态度，都表现出上升趋势。从变化强度可见，由于四个时期的变化强度都不等于整个研究时期的平均强度（0.26%），长株潭都市圈在1980—2020年间土地利用总体变化具有不稳定特征。值得注意的是，自2000年后，该区变化规模与强度出现突增，从1980—1990年的年均变化规模6.32 km2增加到2010—2020年的103.90 km2，说明前一个时期的总体变化相对于后一个时期是相对缓慢的。综合动态度突增形势基本与变化强度保持一致。

3.2.2 土地利用类别变化分析

表2和表3分别显示1980—2000年与2000—2020年长株潭都市圈地类的年均变化规模、强度、单一动态度。从表2与表3可见，在1980—2020年间的4个时期，建设用地年均转入面积分别为3.53 km2、7.55 km2、51.55 km2和46.78 km2，其转入强度远超平均强度，且在前3个时期呈现出递增趋势。此外，建设用地的转出规模与强度均远低于其转入，进一步反映了建设用地处于相对活跃的数量增长状态。与之相反，林地的转入与转出量较大，但由于林地的转入与转出强度在4个时期里均小于平均强度，因此表现为稳定沉寂。林地在整个研究期间转出大于转入，表现为净减少。耕地的转出强度始终大于转入强度，并且由于耕地转出强度始终大于平均强度，表现为稳定活跃，相反的是转入强度一直小于平均强度，因此耕地转入表现为稳定沉寂。耕地转入规模出现逐渐增加的趋势，这与自21世纪以来长株潭都市圈耕地占补平衡政策的有力执行和土地可持续发展的逐渐普及有关。水域表现为净增加，其转入与转出强度均表现为稳定活跃。对于草地而言，除在2010—2020年间转入强度小于平均强度以外，其余为大于平均强度，表现为活跃。

从单一动态度来看，在1980—2020年間，耕地与林地出现净流失，呈现为负值，而建设用地与水域则表现出正值，反映建设用地与水域面积净增加。建设用地第四个时期时动态度值相较于第一个时期扩大约5倍。值得注意的是，建设用地与耕地的动态度绝对值呈现“先增后降”趋势，在2000—2010年达最大值9.17%、0.47%。在整个研究时段，草地的动态度值正负反复。

3.2.3基于建设用地增长的转换过程分析

图4显示长株潭都市圈4个时期下其他地类转换为建设用地的转入规模与强度。从图4左侧的年均转换规模可见，在这4个时期耕地年均转入建设用地面积分别为1.94 km2、4.00 km2、26.73 km2、24.93 km2，表现出“先升后降”的趋势。由于耕地转换强度大于均衡强度，耕地稳定地转换为建设用地。相反，由于林地的转换强度在4个时期都小于均衡强度，林地稳定地避免转换为建设用地。但是，林地的转换面积规模是巨大的，仅次于耕地，在这4个时期年均转入建设用地面积分别为1.59 km2、3.11 km2、23.10 km2、20.84 km2。此外，草地稳定地避免转换为建设用地。水域的转换强度表明水域经历了“轻微变化-剧烈变化-轻微变化”的转换过程。某一地类转入的均衡转换强度可描述该地类扩张的剧烈程度。因此，该区建设用地的扩张均衡强度变化表现为先增加、后减少的状态。

4 讨论

4.1 量化土地利用/覆被动态信息

土地变化剧烈程度作为土地变化检测和评价的重要信号之一，可以刻画土地类别空间范围动态过程和类别转换的激烈程度[6]。多数关于遥感影像分类的土地利用变化探测的方法与指数，都能在不同程度上反映土地变化剧烈程度，譬如转移矩阵、统计地类面积变化、单一与综合土地利用动态度以及强度分析等。

转移矩阵实质上是通过不同时期的土地利用地图交互叠置，进而统计类别相互转换面积数据而形成的特殊表格，可反映研究区内类别间转换规模以及土地流向特征，为国内外广泛采用[19]。此外，它也是马尔科夫（Markov）模型计算地类转移概率的重要基础，有助于历史趋势情景下的土地变化预测分析。然而，一方面，转移矩阵是以某一时段的表达形式出现，并不利于分析连续的不同时期下地类变化与转移所形成的时序规律。另一方面，常见的一种思路是将类别间转换规模作为变化剧烈程度的信号。例如，Zhang等[21]分析了衡阳市2010—2015年和2015—2018年土地利用转移特征，发现林地流向建设用地规模最大。传统的分析思路是聚焦转换规模较大的动态信息，而对规模较小的转换过程重视不足。直接利用转换规模进行分析尽管直观，但未能体现变化面积在所涉类别自身面积中的比率。相较于变化规模，变化强度（比率）更能体现变化剧烈程度[22]。若采用强度分析方法挖掘该研究中两个时段的转移矩阵结果，可发现耕地转换为建设用地的剧烈程度远比林地转换为建设用地的大，且建设用地的增加稳定地避免林地。因此，大规模林地流向建设用地可解释为林地的初始规模大，相比其他地类具备更大的可获得性。

另一种量化思路是按类别统计净变化面积以及净变化大小占初始时间点所涉类别的大小，后者即为单一动态度的计算逻辑。单一动态度能表征地类净变化的正负之分，即净减少或净增加，该指数未能同时体现在空间格局上同时发生的地类转入（增加）与转出（减少）。从图5可见，在某一时段内，地类增加的部分与其初期的面积大小和空间分布并无直接联系，却构成其末期面积；换而言之，类别的减少面积必然是其初期面积的一部分。单一动态度在刻画地类动态程度上存在对地类的分配变化的忽视。交换变化是指地类与其他地类在空间上发生区域的错位，即相互转化。因此，地类的总变化为区域A与B面积之和，净变化为B与A面积之差，而总变化减去净变化即为交换变化部分。

研究人员运用综合动态度旨在比较分析区域内不同时期土地利用总体变化剧烈程度[20]。对比强度分析时间间隔层次公式（1）和综合动态度公式（8）以及分析表1，不难发现公式（8）为公式（1）的一半。若观察转移矩阵，对角线上的元素即为某一时期内的不变区域，而其余部分应为动态区域。然而，综合动态度在分母上为研究区面积的2倍，尝试将地类的转出转入进行平均，这在一定程度上导致对区域内土地总体变化的低估。

强度分析作为一种定量分析框架，具有分层递进式特征，可弥补传统量化途径的局限性，在间隔、类别和转换层次上耦合土地变化的规模、强度以及稳定性[7]。强度分析是从早期的测度单一间隔的方法演化而来的，并且那些早期版本已经变得流行，早期方法成为系统性转换分析方法[23]。然而，强度分析方法更易理解，鉴于它的层次清晰、图形表达，特别是关于土地时间变化潜在原因有了更深刻的解释[24]。例如，为什么地类X转换为地类Y的规模大于其他地类转换为地类Y的规模。可能原因有二：其一，若在初始时间点地类X的面积比其他地类的大，那么自然拥有更多面积用于转换成Y。倘若地类X只以均衡转换强度从其他地类获得转换土地时，地类Y也会从地类X处获得更多的面积转换；其二，若在初始时间点，地类Y从地类X处获得转换面积，相比从其他地类处拥有更大的強度来获得转换面积。有时这两种情况同时存在。强度分析提供了这样的一种途径，方便学者从关注土地变化格局再到分析相关的转换过程。为了更全面且直观地反映转换特征，有研究在强度分析的转换层次结果基础上相继提出了“转换图谱”，以丰富强度分析方法论[7-8，22]。

4.2长株潭都市圈土地利用变化及其过程

土地利用变化强度分析结果表明，2000年后的两个时段内的总体变化速率明显加快（表1），这可能与后期人口增长和经济发展具有密切联系。对于类别层次（表2和表3），建设用地是最大的转入地类，相反耕地是最大的转出地类。林地减少面积较大，同时林地又经历着沉寂的减少。这一表征被描述为“地类沉寂现象”[25]。在转换层次，建设用地增长主要来源于耕地与林地。同时，耕地、林地的景观破碎化加剧，间接反映耕地与林地减少且其斑块趋于缩小趋势，进而加剧了耕地被侵占或撂荒的可能性。因为面积规模较小的斑块更易被领域内的优势斑块侵吞占用，也容易被土地监管部门所忽视。耕地转换为建设用地表现为稳定的趋向（图5），这一转换过程的变化与该地区非农经济活动增长可能有关。

图6表明，自1984年以来，长株潭地区的总人口稳步上升。2001—2019年期间城市人口的增长速度是1984—2000年间的3倍。自21世纪以来，该地区呈现出更快速的经济发展。城市人口的急剧增加导致需要更多的住房、交通和其他基础设施来满足人类社会经济发展。此外，本研究发现其他用地转入建设用地的强度在前三个时段均呈上升趋势，但在第四个时段内转换强度稍有下降（表2、表3）。欧阳晓等[15]研究长株潭城市群城市用地发现其扩张强度呈现出先加速后减缓的趋势，本研究结果与之类似。图4显示，在2000—2010年、2010—2020年间的建设用地是趋向转换为耕地。在城市化背景下，建设用地几乎难以转换为耕地，故而发生这一过程通常被视为数据质量问题。然而在我国，这与现行的耕地占补平衡制度息息相关。近20年来，耕地占补平衡制度历经了由国土部门注重数量保护的起步阶段发展到数量与质量相耦合的发展阶段，再到新型城镇化背景下，数量、质量、生态三位一体阶段[26]。

长株潭都市圈的设立旨在充分释放长沙、株洲、湘潭三个地区的潜能，优势互补[10]。相较于深圳、广州、南京都市圈以及武汉都市圈的社会经济，长株潭都市圈建设用地的适当蔓延仍然是该区社会经济发展的内在需求，但其增长需符合生态文明建设与粮食安全保障的要求。城镇扩张不仅造成城市周边耕地与林地急剧减少以及潜在负面环境影响，也威胁了地区生态安全。城市的可持续能力依赖于城市区域中各种生态要素和生态过程所组成的景观整体的稳定性与可持续性[16]。因此，未来研究综合构建都市圈生态网络，耦合斑块生成土地利用模拟模型，优化该区城镇增长边界，提出城镇增长管控策略。

5 结论

（1）长株潭都市圈土地利用主要类型为林地、耕地，两者共占研究区比重约90%。通过研究1980—2020年土地利用时序总体变化，长株潭都市圈的变化区域持续上升，其变化强度增加16倍。这与几十年的中国经济高速发展和快速城市化具有密切联系。

（2）在类别层次，耕地的减少、建设用地与水域的转入表现出稳定性趋势。相反，林地减少呈现为沉寂的，尽管其流失规模较大。在1980—2020年，建设用地的增加主要来源于耕地、林地，且建设用地的增加稳定地趋向耕地，但稳定地避免林地、草地。自2000年来，受“耕地占补平衡”政策影响，耕地的增加趋向建设用地。

（3）本研究以中部地区典型快速城市化区域为例，运用强度分析与动态度模型深入分析近40年土地利用演化信息与转换规律，试图揭示各模型在土地变化信息定量化表达上的能力与局限性，为进一步挖掘土地变化信息提供有益思考。

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