衡阳盆地土地利用/覆盖变化及模拟

夏栗¹，瞿跃辉¹，朱赛¹，盛孝前²，姚辉²

(1.湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南长沙 410007； 2.石门县林业局，湖南石门 415305)

摘要：以2003年、2013年两期森林资源二类调查小班数据以及2009年森林资源年度更新数据为基础，提取出衡阳盆地2003、2009、2013年三期土地利用/覆盖数据，在IDRISI17.0软件支持下，利用提取出的矢量数据进行空间叠加运算，得出土地利用/覆盖类型空间转移矩阵，分析了2003—2013年间衡阳盆地土地利用/覆盖类型的面积变化和结构变化情况。现状结果显示：2003—2013年，衡阳盆地内草地、林地和未利用地面积均有下降，耕地、建设用地、园地和水域面积均有所增加。基于CA-Markov模型模拟出2023年土地利用/覆盖情景。模拟出2023年衡阳盆地的土地利用/覆盖情景，并依据数量Kappa系数、位置Kappa系数和标准Kappa系数检验模拟精度。模拟结果显示：2013—2023年间，衡阳盆地内的林地将向草地、耕地和水域转化，耕地则更多的转化为园地和未利用地，部分林地、耕地和水域将继续向建设用地转换。

关键词：土地利用/覆盖变化； CA-Markov 模拟； Kappa系数; 衡阳盆地

土地利用/覆盖变化(LUCC)是人类活动行为与自然生态系统相互作用最为直接的表现形式^[1]。世界人口增加、经济增长加剧了LUCC，而LUCC不合理的频繁化是导致目前环境问题、公共卫生问题、自然灾害产生的主要因素之一^[2]，随着社会不断进步和发展，人口增长、生产技术飞速进步，人类生产和生活方式的变化严重影响土地利用/覆盖状况发生改变。因此，LUCC研究受到全球广泛关注。近年来，随着国家对生态环境的重视，生态学界专家学者逐渐开始重视LUCC在区域尺度上的生态环境效应。由于LUCC的过程区域差异大，且区域生态建设往往通过改变土地利用/覆盖的方式来实现，国家可持续发展战略决策与区域LUCC环境效应存在重要关联^[3]。

目前，脆弱生态区LUCC及其环境影响是全球及区域环境变化研究的热点，是地理信息科学研究的重要方面。衡阳盆地是极具代表性的红层盆地，是我国南方著名的“干旱走廊”和“红色盆地”，生态环境相对脆弱，以紫色土丘陵坡地为主的衡阳盆地被认为是湖南省环境最恶劣的地区之一^[4]。脆弱的生态系统与人类长期过度开发建设的双重作用，导致该区域生态环境日渐恶化，严重影响区域可持续发展。

笔者以2003年、2009年、2013年的森林资源数据为基础，以中国南方丘陵生态脆弱区——衡阳盆地为研究区，采用地理信息科学的理论、方法与技术，分析了2003—2013年间土地利用/覆盖类型的变化，并利用CA-Markov模型模拟衡阳盆地2023年土地利用/覆盖情景。

1 研究区概况

衡阳盆地位于26°20′—27°15′N，112°05′—112°58′E，是湖南省中部盆地群的西部板块，位于湖南省中东部，南岳衡山之南，属于湘江中下游流域转折地带。衡阳盆地大致范围为：东临荆紫山，西抵大云山，北至衡山南部，南达阳明山与大义山北端，由西南至东北跨度约108.5 km，自西北至东南跨度约77 km。地势四周高中间低，且由西南往东北倾斜，因中部条状山脉呈断续状纵向切入，使盆地平面形状呈蝴蝶型^[5-6]。

随着我国社会经济的快速发展，促进了文化的需求发展，文化创意已经是构成国民经济的其中一个部分。在文化创新产业不断发展的背景下，文化建设的众多潮流之一就是文化创新，城市要想取得更好的发展和文化产业的进步，必定能够要加强文化产业的发展，而博物馆内具有丰富的珍藏品，其是城市文化的重要组成部分之一，在教育、收藏、研究与传播、传承文化具有重要的作用，因此发展文化创意产业的发展离不开博物馆教育。博物馆教育是文化产业形成和发展的基础与重要组成，只有将博物馆内的文物资源进行充分展示与宣传，才能使文化产业取得更高的价值，才能促进文化创意产业的进一步发展。

研究区域衡阳盆地具有高度代表性，其地貌以红岩丘陵为主，生态环境相对脆弱，是我国华南地区红层盆地的典型代表区域^[7]。从行政区划上看，衡阳盆地位于湖南省衡阳地区内，面积约占衡阳地区面积的三分之二，以往的划分方式为：以湖南省衡南县云集镇为中心，同时涵盖衡东县、衡阳县、衡南县、祁东县、衡山县、耒阳市和常宁市6地全部或大部分地区，相关专家学者在研究该区域时多以衡阳地区作为划分区域。因此，为使本文研究结果具有区域对比性，笔者选取整个衡阳地区作为衡阳盆地的划分区域，即包括常宁市，衡东县、衡南县、衡阳市、衡阳县、耒阳县、衡山县、南岳区和祁东县等9个市县区，如图1所示。

图1 研究区示意图
Fig.1 Schematic map of research area

2 数据来源及研究方法

在IDRISI17.0软件支持下，利用衡阳盆地2003年和2013年土地利用矢量数据进行空间叠加运算，得出土地利用/覆盖类型空间转移矩阵，进而分析区域土地利用/覆盖变化过程。本文以年为研究单位，将2003年和2013年两个时期土地利用/覆盖类型动态变化分成一系列离散状态，计算两个时期土地利用/覆盖类型转化速率。土地利用/覆盖单元转移概率确定后，再根据两个时期土地利用/覆盖数据，计算得出土地利用/覆盖变化类型及其结构变化。

用烟熏炉进行烟熏处理，先进行干燥，干燥温度为60℃，时间为10min。然后进行蒸煮：第一阶段蒸煮温度为70℃，时间为18min；第二阶段蒸煮温度为75℃，时间为18min；最好进行排汽，时间为1min。

(1)CA-Markov模型模拟。CA-Markov模型属于景观生态学领域，可用于模拟预测土地利用/覆盖变化状况。1987年，美国克拉克大学实验室推出IDRISI软件，该软件完美结合了地理信息系统和图像处理功能。其中，基于多标准评价与多目标决策支持系统，动态变化预测模拟模型——CA-Markov模型能够定义空间数据不同类型间的转移准则^[8-10]。该模型将元胞自动机(CA)模型的空间预测功能与马尔科夫(Markov)模型数量预测功能进行耦合，同时通过软件内置的MCE模块生成土地利用/覆盖类型适宜性图集来定义转换规则，再结合Markov模型生成转移概率矩阵，进而预测未来区域土地利用/覆盖类型的空间变化情况。该模型对区域土地利用/覆盖类型数据投影坐标、空间范围等数据要求极其严格，同时要求数据时间间隔具有一致性，且未来预测时间的土地利用/覆盖类型数据必须与现有数据时间间隔保持一致^[11-12]。利用CA-Markov模型，本文以衡阳盆地土地利用/覆盖为初始状态，以基期和上一期土地利用/覆盖转移面积及适宜性图集表述的像元适宜的土地利用/覆盖分布类型为依据，对土地利用/覆盖类型空间分布类型进行重新分配，直至达到Markov预测的土地利用/覆盖类型面积。

(2)Kappa系数验证。在空间数据处理过程中，ARCMAP和IDRISI数据处理结果的精度对最终的研究成果十分重要^[13]。本文利用IDRISI中的Validate模块对模拟数据处理精度进行验证，选取3个Kappa系数进行数据精度检验，包括：数量Kappa系数(K_no)，位置Kappa系数(K_location)和标准Kappa系数(K_standard)。从空间位置、数量、综合角度定量分析土地利用/覆盖类型间的变化，以实现对衡阳盆地土地利用/覆盖动态转移变化的客观、全面、精确研究。

3 结果与分析

3.1 土地利用/覆盖类型面积变化

土地利用/覆盖结构变化首先反映在区域地类面积变化上，衡阳盆地土地利用/覆盖类型复杂，根据2003年和2013年森林资源二类小班调查数据以及遥感影像解译判读结果进行统计分析。各类土地利用/覆盖面积和类型变化详见表1和图2：

(1)草地转化情况。10年间，在草地转化为耕地、建设用地、林地、水域、未利用地和园地的过程中，转化程度差异显著。草地转化为林地的面积最大，转化面积达50723.00 hm²；草地转化为未利用地的面积最少，转移面积仅26.07 hm²。

从表1和图2得出，2003—2013年间，衡阳盆地土地利用/覆盖类型变化剧烈，土地利用/覆盖类型以林地、耕地、水域、草地、未利用地和建设用地为主，同时有少量园地土地利用/覆盖类型分布。草地、林地和未利用地面积减少，其中未利用地减少幅度最大，草地面积减少幅度最小；耕地、建设用地、水域和园地面积有所增加，其中耕地面积增加幅度最大，增加比例达10.81%，园地面积增加最少，仅0.01%。

图2 2003年和2013年衡阳盆地土地利用/覆盖类型结构对比图
Fig.2 Comparison of land use/cover structure in Hengyang Basin in 2003 and 2013

(4)林地转化情况。10年间，林地转化为草地、耕地、建设用地、水域、未利用地和园地过程中，转化程度和面积差异显著，情况复杂。转化为耕地的面积最大，转化面积为183043.28 hm²，占2003年林地面积的比例最大；转化为草地的面积次之，面积达41965.50 hm²；转化为未利用林地的面积最小，面积仅61.27 hm²，占2003年林地面积的比例最小。

(3)建设用地转化情况。10年间，在建设用地转化为草地、耕地、林地、水域、未利用地和园地过程中，转化程度有所差异。建设用地转化为耕地的面积1633.72 hm²，转化面积最大，占2003年建设用地面积的比例最大；转化为林地的面积次之，面积为611.58 hm²；转化为草地的面积最小，仅53.40 hm²，占2003年建设用地面积的比例最小。

3.2 土地利用/覆盖类型结构变化

本文以2003年、2013年两期森林资源二类调查小班数据以及2009年森林资源年度更新数据(来源于湖南省农林工业勘察设计研究总院森林资源监测中心信息处理科)为数据基础展开研究，采用的研究方法主要有：

表2中，行表示2003年土地利用/覆盖类型，列表示2013年土地利用/覆盖类型。其中各地类中的第一行表示2003年土地利用/覆盖类型转移变化为2013年土地利用/覆盖类型的面积。2003—2013年衡阳盆地土地利用/覆盖类型之间的转化情况如表2所示，7大地类的转出分布图如图3～图9所示。

打入式开口钢管桩因其抗弯能力高、贯入穿透性强等优势，在水平力较大、持力层埋深较深、沉桩贯入难度较大、自由端较长时广泛采用。因土塞效应尚未建立完善的理论计算，开口钢管桩承载力量化分析更为复杂和困难。基于既有理论研究分析，推演提出针对以密实砂层为持力层的开口钢管桩土塞效应的理论分析计算，并通过规范推演计算、高应变动力检测结果对比分析，对于以密实砂层为持力层的开口钢管桩竖向极限承载力计算具有一定的参考意义。

他是知识分子，始终保持对学术的忠诚，他去过世界上好多地方，拥有丰富的见识，见证了许多国家曾经走错过的路，也借鉴了发达国家的某些经验。

(2)耕地转化情况。10年间，在耕地转化为草地、建设用地、林地、水域、未利用地和园地的过程中，转化面积差异显著。耕地转化为林地的面积111346.68 hm²，转化面积最大，占2003年耕地面积的比例最大；耕地转化为草地的面积为17327.45 hm²，转化面积较大；耕地转化为园地的面积为13.47 hm²，转化面积最小，占2003年耕地面积的比例最小。

图3 草地转出分布图
Fig.3 Turf out of the distribution map

图4 耕地转出分布图
Fig.4 Cultivated land transferred out of distribution

图5 建设用地转出分布图
Fig.5 Distribution map of construction land

图6 林地转出分布图
Fig.6 Distribution map of woodland

图7 水域转出分布图
Fig.7 Distribution map of water transfer

图8 未利用地转出分布图
Fig.8 Distribution map of without using

图9 园地转出分布图
Fig.9 Distribution map of the garden

2003—2013年，耕地、建设用地、园地和水域面积均有所增加，耕地面积增加最多，建设用地面积增加次之，园地面积增加最少；其中耕地面积增加165553.48 hm²，增加面积占总土地面积的10.81%；建设用地面积增加41342.52 hm²，增加面积占总土地面积的2.70%；水域面积增加11998.35 hm²，增加面积占土地总面积的0.78%；园地面积增加131.59 hm²，增加面积占总土地面积的0.01%。

2003—2013年，草地、林地和未利用地面积均有不同程度的下降，未利用地面积减少最多，林地次之，草地面积减少最少；其中草地面积减少29250.45 hm²，减少面积占总面积的1.91%；林地面积减少73990.97 hm²，减少面积占总土地面积的4.83%；未利用地面积减少115784.51 hm²，减少面积占总土地面积的7.56%。

(1)CT平扫禁忌症:近半年内有生育计划或处于妊娠期的女性。(2)CT增强扫描需应用高压注射器进行静脉团注,即在短时间快速注射大量的造影剂,这会导致部分患者出现碘过敏或肾损害等不良反应,故为保证CT受检者的安全,存在以下情况的受检者需谨慎进行CT检查:伴有糖尿病肾病、肾功能不全;具有药物、海鲜等过敏史;有癫痫、酒精中毒等急性神经系统疾病病史;恶性肿瘤晚期;存在自身免疫性疾病或伴有哮喘、心衰、肺动脉高压等严重心肺疾病者。(3)禁止CT增强扫描检查:妊娠期妇女或对于合并甲亢、重症肌无力,对含碘对比剂过敏的患者。

(5)水域转化情况。10年间，水域转化为草地、耕地、建设用地和林地过程中，转化程度差异较大。转化为耕地的面积最大，面积18624.99 hm²，占2003年水域面积的比例最大；转化为林地的面积次之，面积4425.12 hm²；转化为草地的面积最小，面积543.47 hm²，占2003年水域面积的比例最小。

(7)园地转化情况。10年间，园地转化为耕地和林地。其中转化为耕地的面积为1.60 hm²，占2003年园地面积的比例最小；转化为林地的面积为98.25 hm²，占2003年园地面积的比例最大。

(6)未利用地转化情况。10年间，未利用地几乎消失，分别转化为草地、耕地、建设用地、林地、水域和园地。转化为耕地的面积为156971.97 hm²，占2003年未利用地面积的比例最大；转化为林地的面积为69466.57 hm²，占2003年未利用地面积的比例较大；转为园地的面积最少，面积为142.62 hm²，占2003年未利用地面积的比例最小。

在于12月18日召开的“2019年新科空调合作伙伴峰会”上，丰润电器集团总经理黎昕对外宣布，丰润集团制定了十年发展战略，即，2019年实现销售目标300万套，三年后要实现500万套，十年营收要突破300个亿。2019年作为十年战略的开局之年，至关重要，在这一年，新科空调要实现200万套的销售目标。

由表2和图3～图9分析可知，草地、耕地、建设用地、林地、水域和未利用地的土地利用/覆盖类型结构变化较大，园地的土地利用/覆盖类型结构变化较小。其中，草地减少的面积主要转化为耕地、建设用地、林地、水域、未利用地和园地；耕地增加的面积主要来源于草地、建设用地、林地、水域、未利用地和园地；建设用地增加的面积主要源于草地、耕地、林地、水域和未利用地；林地减少的面积主要转化为草地、耕地、建设用地、水域、未利用地和园地；水域增加的面积主要源于草地、耕地、建设用地、林地、水域和未利用地；园地增加的面积主要源于耕地和林地。

3.3 土地利用/覆盖变化模拟

为提高模拟精度，在2003—2013年间新增2009年森林资源更新数据，以2003、2009和2013年衡阳盆地土地利用/覆盖类型为基础(图10～图12)，利用IDRISI 软件中的CA-Markov模块进行土地利用/覆盖类型变化研究。通过预测2023年土地利用/覆盖类型变化情况，对比分析2023年模拟土地利用/覆盖类型数据，2013—2023年间，林地向草地、耕地和水域3个土地利用/覆盖类型转化，耕地则多转化为园地和未利用地，部分林地、耕地和水域继续向建设用地转换，模拟结果如图13所示。

3.4 模拟精度检验

为检验2003—2023年衡阳盆地土地利用/覆盖类型动态变化精度，基于2003—2013年和2014—2023年两个时间段内转移矩阵，利用IDRISI中Validate空间模型检验模块，得出3个相应的空间检验系数：数量Kappa系数(K_no)，位置Kappa系数(K_location)和标准Kappa系数(K_standard)(表3)。数量Kappa系数(K_no)反映不考虑空间位置变化时不同土地利用/覆盖类型空间分布类型之间的一致性，2003—2013年、2014—2023年一致性程度分别为0.7628和0.7118，表明不考虑位置变化情况下，两期两次依次有23.72%和28.82%的土地利用/覆盖类型分布区发生变化。位置Kappa系数反映土地利用/覆盖类型面积比值一定的情况下两个时期土地利用/覆盖类型空间分布类型的一致性程度，两个时期两次的计算结果依次为0.6652和0.4981，表明不考虑土地利用/覆盖类型面积变化的情况下，分别有33.48%和50.19%的土地利用/覆盖类型发生变化。标准Kappa系数反映适度保持位置情况下，土地利用/覆盖类型分布区的一致性程度，两期两次计算结果分别为0.6009和0.5835，表明适度保持土地利用/覆盖类型分布区位置的情况下，分别有39.91%和41.65%的土地利用/覆盖类型分布区发生转移。

图10 2003年土地利用/覆盖类型
Fig .10 Land cover types in 2003

图11 2009年土地利用/覆盖类型
Fig.11 Land cover types in 2009

图12 2013年土地利用/覆盖类型
Fig.12 Land cover types in 2013

图13 2023年土地利用/覆盖类型
Fig.13 Land cover types in 2023

4 结论与讨论

(1)2003—2013年，草地、耕地、建设用地、林地、水域和未利用地的土地利用/覆盖类型空间变化较大，园地的土地利用/覆盖类型变化较小。其中，草地、林地和未利用地面积均有下降，耕地、建设用地、园地和水域面积均有所增加。在区域尺度上，引起LUCC的原因包括自然和社会两大方面，2008年的冰冻灾害是衡阳盆地2003—2013年土地利用/覆盖变化的主要自然驱动力^[14]。相比社会因素，真正的自然因素对土地利用结构演变的驱动作用比较小。人口的增长、经济的发展以及政府的规划是LUCC的主要社会驱动力^[15-16]。

(2)2013—2023年间，林地将转化为草地、耕地和水域，耕地将更多的转化为园地和未利用地，另有部分林地、耕地和水域将继续向建设用地转换，该变化趋势表明了未来进一步加强衡阳盆地环境整治措施的必要性。

衡阳盆地生态环境相对较脆弱，先天脆弱的生态系统，加之人类持久过度的开发建设，导致区域内的生态环境不断恶化，逐渐形成恶性循环，使得该区域可持续发展受到严重影响^[5-7]。习近平总书记提出的“两山理论”表明国家层面对生态环境十分重视。因此，为改善区域生态环境，湖南省需重点在衡阳盆地开展退耕还林、退塘还林、退塘还湿、造林绿化荒山荒地等环境保护措施。

第二个“时间窗口”——《平面直角坐标系》的教学.在这个“窗口”节点上，我们要帮助学生理解平面直角坐标系内任意一点与一个有序实数对建立了一一对应关系，进一步构建“数”与“形”结合的纽带，再次感受数形结合思想.简单地说，我们要让学生的思维达到这样一个层面：看到平面上的点，要能意识到其对应着一个有序实数对；看到一个有序实数对，要能反应出其可以在平面直角坐标系中对应一个点.一对数，一个点，形影不离，和谐共存.

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Land use /cover change and its simulation in Hengyang Basin

XIA Li¹, QU Yuehui¹, ZHU Sai¹, SHENG Xiaoqian², YAO Hui²

(1.Hunan Prospecting Designing & Research General Institute for Agriculture, Forestry & Industry,Changsha 410007, China;2.Forestry Bureau of Shimen County , Shimen 415305,China)

Abstract ：Based on the forest resources survey data in 2003, 2013 and the annual renewal forest resources data in 2009, the land use/cover data of Hengyang Basin in 2003, 2009 and 2013 were extracted. Supported by IDRISI 17.0, the vector data were used for spatial superposition operation, and the spatial transfer matrix of land use/cover types was obtained. The spatial transfer matrix of land use/cover types from 2003 to 2013 was analyzed. The area and structure changes of land use/cover types in Hengyang Basin during 2003 to 2013. The results show that from 2003 to 2013, the area of grassland, woodland and unused land in Hengyang Basin decreased, while the area of cultivated land, construction land, garden land and water area increased. Based on CA-Markov model, the land use/cover scenarios in 2023 was simulated. The simulated land use/cover scenarios in Hengyang Basin in 2023 are tested by the quantitative Kappa coefficient, the location Kappa coefficient and the standard Kappa coefficient. The simulation results show that from 2013 to 2023, forest land in Hengyang Basin will be transformed into grassland, cultivated land and water area, while cultivated land will be more transformed into garden land and unused land, and some forest land, cultivated land and water area will continue to be converted to construction land.

Key words : Land use/cover change; CA-Markov simulation; Kappa coefficient; Hengyang Basin

中图分类号： F 301

文献标识码： A

文章编号： 1003-5710(2019)02-0033-08

DOI ： 10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2019. 02. 007

夏栗，瞿跃辉，朱赛，盛孝前，姚辉.衡阳盆地土地利用/覆盖变化及模拟[J].湖南林业科技，2019，46(2)：33-40.

XIA L, QU Y H, ZHU S, SHENG X Q, YAO H.Land use/cover change and its simulation in Hengyang Basin[J].Hunan Forestry Science & Technology,2019，46(2)：33-40.

收稿日期： 2019-01-29

作者简介：夏栗(1985—)，女，湖南省桃江县人，博士，工程师，研究方向：GIS环境变化与模拟，E-mail：271388989@qq.com

(文字编校：杨骏)

标签：土地利用论文; 覆盖变化论文; CA-Markov模拟论文; Kappa系数论文; 衡阳盆地论文; 湖南省农林工业勘察设计研究总院论文; 石门县林业局论文;

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