金平斌，朱鑫宇，王權（.浙江大學地球科學院，浙江杭州3007；.日本靜岡大學理學部，日本靜岡縣）

杭州市區(qū)LUCC與社會經濟的關系研究

金平斌1，朱鑫宇1，王權2
（1.浙江大學地球科學院，浙江杭州310027；2.日本靜岡大學理學部，日本靜岡縣）

土地是人類絕大部分活動的空間載體。人類的活動與土地利用和土地覆蓋變化（Land Use/Cover Change，簡稱LUCC）息息相關。改革開放后，杭州市區(qū)LUCC較顯著，與人口、經濟發(fā)展、生活水平、交通運輸?shù)纫蜃佑兄芮械穆?lián)系。本文在對杭州市區(qū)遙感影像分類基礎上，運用轉移矩陣對其進行土地類型分析。結果表明各個階段杭州市區(qū)建筑面積增加，大量耕地轉化為建筑用地，在2000年后轉化速度較快。這是杭州城市化的必然結果。通過主成分分析發(fā)現(xiàn)交通運輸因子在各個因子間更具有代表性，但對各個LUCC進行逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)林地、水體的面積和人口的相關性較高，建筑、耕地的面積分別與城鎮(zhèn)人均居住面積成高度的正、負相關。人口和人均居住面積是市區(qū)LUCC的關鍵因素。

LUCC；遙感影像分類；社會經濟；逐步回歸分析；相關性

1　引言

土地利用和土地覆蓋變化（Land Use/Cover Change），簡稱LUCC。土地利用是人為地根據土地的性質對其進行開發(fā)、改造與使用，具有人工屬性。土地覆蓋則側重描述地表的覆蓋物，建筑、植被、水體、耕地等多種要素的組合［1］。

城市是地球上人類活動最為活躍的聚集區(qū)，人地系統(tǒng)里復雜的一部分。城市建成區(qū)的土地覆蓋一般以建筑物為主。在有限的土地資源且整體資源配置不均衡的條件下，城市盲目擴張引起了土地低效利用、城市土地空間布局不合理、資源浪費等問題，形勢較為嚴峻。

城市LUCC是全球研究的核心主題之一。它不但對全球環(huán)境變化有著重大影響，與氣候波動、生態(tài)系統(tǒng)演變、生物多樣性變化等密切相關［2-4］，而且與社會經濟因素都有關系［5-7］。

自然因子與社會經濟因子對LUCC都有一定的影響，后者影響更加突出，因此研究社會經濟因子與LUCC之間的關系十分必要。LUCC的社會因子驅動力研究是對人地關系內在聯(lián)系的深入挖掘，也就成為LUCC機制研究的核心內容和難點。

本文選取杭州作為研究對象。杭州作為國家歷史名城，重要的旅游城市，處于長江三角地區(qū)，第三產業(yè)產值比重較大，國內生產總值在全國排名前列，具有較高的城市化水平與城市綜合實力。這類城市整體發(fā)展程度較高，LUCC復雜，具有代表性。國內研究大都著眼于城市總體LUCC驅動因子方面，但缺少對每一類LUCC與驅動因子相關性研究。再因各地區(qū)域資源、城市發(fā)展、土地政策等方面存在差異，同一社會經濟因子有著不同的影響程度。本文選取1985-2013年為研究時段，總跨度較大，每5年為一個階段，利于不同階段比較。所以對杭州市區(qū)的LUCC機理研究就非常有價值。因此在對杭州市區(qū)的土地利用和土地覆蓋的時空變化分析基礎上，探究杭州市區(qū)的每一類的LUCC與社會經濟因子的關系。

2　研究區(qū)域與數(shù)據

2.1研究區(qū)域介紹

杭州位于中國東南沿海，浙江省的北部，中心地理坐標為東經120°12′，北緯30°16′。杭州是長江三角洲南翼的經濟、文化中心，國家歷史文化名城和重要的風景旅游城市［8］。錢塘江穿流而過，市區(qū)的東面、南面以平原為主，河流密集，市區(qū)西面以丘陵為主，離市區(qū)較近，是少有的城市森林特征。氣候為亞熱帶季風性氣候，四季分明。

1996年4月政府決定將蕭山、余杭的六個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共253平方千米用地劃入杭州市區(qū)。2001年2月，杭州市區(qū)行政區(qū)作了重大調整，將原蕭山、余杭兩市“撤市設區(qū)”，劃入杭州市區(qū)的行政區(qū)范圍，使原來的683km2擴展到3068km2。在最新的發(fā)展規(guī)劃中確定了“一主三副六組團”的城市格局，明確了由“西湖時代”走向“錢塘江時代”的發(fā)展方向［9］。

圖1　歷年杭州市區(qū)的Landsat TM影像

本研究區(qū)位于浙江省杭州市市區(qū)，是由上城區(qū)、下城區(qū)、西湖區(qū)、拱墅區(qū)、江干區(qū)、濱江區(qū)、蕭山區(qū)、余杭區(qū)組成的八區(qū)。

2.2數(shù)據源

2.2.1遙感影像

來自1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2013年的Landsat TM影像（見圖1）。

2.2.2社會經濟因子

1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2013年的社會經濟等因子（見表1）。

3　分析方法

用ENVI軟件中的支持向量機（SVM）分類方法對遙感影像進行監(jiān)督分類，處理流程如圖2所示，土地覆蓋類型分類見表2。

3.1土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉移的定量描述［10］。土地利用轉移矩陣中Pij是T1-T2期間土地類型Ai中的一部分轉入到Aj中所占Aj比例。

P1J+P2J+P3J+P4=100％

Class Change代表初始土地類型的減少的量。Image Difference代表初始圖像和后期圖像每類土地的差別（見表3）。

圖2　杭州市區(qū)遙感影像分類流程圖

3.2統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析方法是研究LUCC和各種社會經濟驅動力之間的關系的重要方法，有效模擬各種驅動力作用下的LUCC，具有復雜問題簡單化特點，易于在復雜系統(tǒng)中抓住系統(tǒng)內部主要的驅動機制［11］。

主成分分析（Principal Component Analysis，簡稱PCA）是通過線性變換把多個復雜指標轉化簡單相互獨立指標的降維處理技術，既沒有使原來反映現(xiàn)象的主要信息丟失，又能簡化指標，使之更具有代表性，易于觀察各指標在總體中所起到的作用，避開了變量間的共線性問題，便于進一步分析。

多元逐步回歸分析：在一組數(shù)據中，由于數(shù)據的復雜，可能有多個因子對觀測值有影響，剔除相關性較低的因子，選出具有代表性因子，組合成最優(yōu)的回歸方程，具體形式如下：

系數(shù)的正負分別代表著正負相關性，絕對值趨于1的相關性越高，趨于0代表不相關。

4　結果分析

4.1各類型土地的時空變化

對遙感影像進行SVM分類，計算出每種土地覆蓋類型的面積比例。結果見圖3，圖4及表4。

林地面積在1985-2000年增長緩慢，之后開始衰減，最后趨向平穩(wěn)。2000-2005年是杭州市高速發(fā)展的階段，面積有所下降，之后回升。

水體面積從1985年一直增長到1995年，到達頂峰，在2000年下跌之后又平穩(wěn)逐步增長，呈現(xiàn)“N”變化方式，變化幅度很小。河流、湖泊和濕地占主要部分，還有灌水的水田和養(yǎng)殖區(qū)域。

表2　土地覆蓋類型分類

表3　土地利用轉移矩陣

建筑面積在1985-1995年緩慢增加，1995年后城市發(fā)展速度加快，尤其是2000年之后杭州市中心的面積快速擴張，建筑密度增加。蕭山和余杭市區(qū)建筑密度增加明顯，尤其是城郊地區(qū)的變化更為顯著。建筑用地在2005年后增長放緩。

耕地耕地面積比例從1985年的68％下降到了38％。從改革開發(fā)以來，城市的擴張導致耕地都處于縮減的狀態(tài)。整體上，耕地面積下降速度差不多，在1995-2005年速度稍快?？梢灶A計耕地面積還會繼續(xù)下降，但速度變緩。

總體上各類土地都趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

對土地覆蓋進行轉移矩陣分析，見表5，圖5以及圖6。

圖3　歷年杭州市區(qū)SVM分類結果

1985-2000年，各個階段建筑面積變化平均值約為32％，在各類型中變化是最劇烈的。水體和林地的變化程度約為25％。水體和林地的自身不變量Pii較大，其他類型轉入較少，所以都處在一個較小范圍的波動。耕地面積變化平均值接近28％。耕地的ImageDifference都是負數(shù)，每一階段都是在處于減少的狀態(tài)，平均每個階段減少了9.2％。建筑的Image Difference都是正數(shù)，每一階段都在增加，平均增加值約為33.3％。2000-2005年土地改變量巨大。建筑面積增加了80％，林地和耕地分別減少約22％、16％。耕地的基礎面積大，每階段耕地轉變?yōu)榻ㄖ钠骄扛哌_26％，是轉化為建筑用地中比例最大。

表4　歷年各土地類型占地比例

圖4　歷年各土地類型占地比例折線圖

圖5　土地轉移矩陣Class Changes

圖6　土地轉移矩陣Image Difference

4.2各個LUCC的驅動力分析

4.2.1主成分分析結果

驅動力分析就是探究引起LUCC主要因素，包括自然驅動力因子和社會經濟驅動力因子。自然因子包括氣溫、地形、土壤、水文等，這決定了土地利用和土地覆蓋的大體格局。社會因子有總人口數(shù)目、農業(yè)人口數(shù)、國民收入/支出、交通運輸?shù)鹊?。相比較自然因子，短期內社會經濟因子起決定性作用，是LUCC主要驅動因子。通過對22個因子做成分分析得：

F主要由2個主成分代表，其總和占全部因子的98.341％。其系數(shù)絕對值最大的是貨運量和非農業(yè)人口數(shù)。這兩個因子最具代表性，可反應出整體狀況。人口與交通運輸?shù)纫蜃釉谝欢ǔ潭壬掀鸫碜饔谩?/p>

4.2.2逐步回歸分析

分別對各個LUCC與各個因子進行逐步回歸分析見表6。

水體變化分析。歷年水體面積占總面積的5.5％ -7.6％之間，處于穩(wěn)定波動狀態(tài)。水體面積的變化與人口密度變化成正相關，與農村人均居住面積成負相關。發(fā)展過程中人口的密度變化速度大于水體變化速度。雖然杭州市注重水域的保護治理，但杭州市變化的水體一般都在農村，而且農村的人均居住面積變大，所以成負相關。人口密度在1985-1990年增加速度加快，之后比較穩(wěn)定增加。2000-2005年經濟發(fā)展最快的時期，農村人均居住面積增加速度也最快。

相關系數(shù)前5位分別是總人口總數(shù)0.846、人口密度0.846、客運量0.698、貨運量0.69、農村人均居住面積0.649。與農業(yè)人口相關性最低只有0.219。總體上與人口、交通運輸、生活水平因子的相關性最大。

建筑變化分析。城市發(fā)展是社會發(fā)展的產物。城市化最明顯變化表現(xiàn)為建筑面積的增長。城市建筑面積與城鎮(zhèn)人均居住面積變化成正相關，相關系數(shù)達到0.992。

建筑面積與社會經濟等因子相關性較高的前5名：城鎮(zhèn)人均居住面積0.992、農村人均居住面積0.978、市區(qū)固定資產投資房屋建筑面積0.975、非農業(yè)人口0.971、貨運量0.966。建筑面積的變化與生活水平的關系更為密切，尤其是住房面積上有著明顯的相關性，市區(qū)固定資產投資房屋建筑面積由219.79萬平方米增加到了2637.83萬平方米。建筑面積與農業(yè)人口呈負相關，相關系數(shù)為-0.532。

表5　杭州市區(qū)各階段土地轉移矩陣

表6　各LUCC與社會經濟等指標多元逐步回歸分析

農業(yè)人口總數(shù)在緩慢增多。一部分非農業(yè)人口涌入城市，這部分有較大可能轉化為非農業(yè)人口。杭州市區(qū)非農業(yè)人口數(shù)量從1985年114.56萬增長到了2013 年334.38萬。外來人口進入城市，對住房的需求極大。城市整體外擴，耕地面積也會隨之減少。耕地的減少與建筑面積的增長成負相關。經濟發(fā)展影響了交通周邊地區(qū)用地結構的變化，很多耕地轉化為建設用地。

從城市空間結構演化的角度看，現(xiàn)在的城市化時期對于城市的整體格局和特色培育至關重要。因此，這一時期杭州城市空間架構的演化狀況，不僅直接關系著杭州城市發(fā)展品質，而且對未來的發(fā)展也將產生重大且持續(xù)的影響。

產業(yè)結構的調整和變化也會引起土地資源在產業(yè)上的重新分配，從而導致土地利用的變化和調整，2013年第三產業(yè)產值是第二產業(yè)產值的1.4倍，第二產業(yè)產值從1985年到2013年增加了約92倍。工業(yè)化和城市化發(fā)展帶動著土地的再次開發(fā)和利用，城市化發(fā)展不斷向近郊和遠郊區(qū)擴展。

林地變化分析。杭州是著名的風景旅游城市。林地為城市提供了有機物和優(yōu)美的生活環(huán)境。林地在城市生態(tài)中起到關鍵的作用。主城區(qū)附近的林地是杭州旅游生態(tài)的基礎構成。

林地面積呈現(xiàn)一個先上升后下降的趨勢。林地的變化與農業(yè)人口成正相關，但只有0.639，農業(yè)人口的活動會影響著林地的變化。人口因子占主要地位，但總體影響不大。近幾年整體的森林覆蓋率略有上升，但已處于高位運行狀態(tài)，增長空間有限。

人們對良好的良好城市生態(tài)環(huán)境需求越來大，2000年以來建成區(qū)的綠化面積與建筑面積的相關系數(shù)達到0.970。整體的林地面積與建筑面積的相關系數(shù)卻為-0.984。建成市區(qū)綠化面積逐年增加，但郊區(qū)林地的減少較多，總林地面積沒有增加。

耕地變化分析。耕地是農業(yè)生產基礎資源，耕地質量直接影響到農業(yè)生產的價值。耕地數(shù)量與人口的矛盾日益突出，耕地面積變化對人類活動有著重要的影響［13］。當前中國城市化率不高，城市化的進程必然導致耕地減少，大部分消失的耕地轉化為建筑。

分析表明，耕地與農村人均居住面積、城鎮(zhèn)人均居住面積、貨運量、客運量、非農業(yè)人口成負相關，相關系數(shù)分別為-0.981、-0.981、-0.974、-0.968、-0.968。在22個指標中，只有與農業(yè)人口成正相關，相關系數(shù)為0. 399，但相關程度較低。耕地一直處于持續(xù)減少狀態(tài)，所以大部分指標都是負相關。耕地面積與人類的居住面積，交通運輸度有關。交通運輸越發(fā)達，對耕地的影響越大。遙感圖中耕地被城市交通線逐漸分割，斑塊數(shù)增多，空間表現(xiàn)為由連成片的大斑塊碎化成小斑塊，整體破碎度加大。很多耕地被轉化成建筑用地，交通的發(fā)展導致交通線附近的建筑用地聚集。交通線對土地分割的破碎化，進一步導致小斑塊消失。離市中心和交通樞紐越近的地方，耕地轉化成建筑用地轉化率越大。

雖然耕地被轉為建筑，其價值遠高于農作物收入。稍遠一些沒有被開發(fā)的耕地，隨著農耕技術提高，農民選擇附加值更高的經濟作物代替。一些廢棄的土地利用復墾，被整合為耕地，重新開發(fā)，高效利用。這些措施都提高了居民的經濟收入。

5　結論

杭州市區(qū)的發(fā)展可以分為兩個階段，1985-2000年和2000-2013年。2000年是個時間節(jié)點。前一個階段是發(fā)展的初期，各方面的指標緩慢提升。后一個階段是高速發(fā)展時期，制度改善，產業(yè)的轉型升級，第三產業(yè)大力發(fā)展。

1996年4月濱江區(qū)的納入和2001年蕭山和余杭“撤市設區(qū)”為杭州提供了發(fā)展空間。從影像中看出，郊區(qū)新增建設用地分散的碎片化更明顯，從中心城區(qū)至郊區(qū)呈現(xiàn)點狀連續(xù)分布。土地轉換速度加快，用地類型變化較為復雜。郊區(qū)耕地和原建筑附近的耕地大多向建筑轉變。建筑每5年的變化平均值約為32％，耕地次之。2000-2005年建筑面積增幅最大。建筑面積不斷擴大，呈上升趨勢，建筑密度提高，耕地面積持續(xù)減少，建筑和耕地占地比例分別向35％趨近。水體和林地面積成小波動變化，趨向平穩(wěn)。總體來說杭州建成區(qū)出現(xiàn)規(guī)模擴張、內涵挖潛、各LUCC較平穩(wěn)的特點。

22個因子中，人口和交通運輸是最具代表性的。雖然交通運輸和農村/城鎮(zhèn)居住面積在相關系數(shù)處于較大權重，但這兩個因素都是社會經濟發(fā)展的外在表現(xiàn)。影響城市各用地類型變化較大的因子為人口和人均居住面積。建筑的變化與居住面積正相關性。耕地與居住面積和交通運輸成負相關，耕地是與22個因子的相關系數(shù)成負相關的個數(shù)最多。社會經濟的發(fā)展對建筑和耕地面積變化影響最大。

［1］柳海鷹，高吉喜，李政海.土地覆蓋及土地利用遙感研究進展［J］.國土資源遙感，2001（04）：7-12.

［2］陳佑啟，楊鵬.國際上土地利用/土地覆蓋變化研究的新進展［J］.經濟地理，2001（01）：95-100.

［3］Turner BL，David S.Land use and land cover change（LUCC）: Science/Research Plan.IGBP Report No.35，1995.

［4］Albert iM.The Effects of Urban Patterns on Ecosystem Function. International Regional Science Review，2005，28（2）:168，192.

［5］Lamptey BL，Barron EJ，Pollard D.Impacts of agriculture and urbanization on the climate of the Northeastern United States.Global and Planetary Change，2005（49）:203，221.

［6］Carlson TN，Arthur ST.The impact of land use-land cover changes due to urbanization on surface micro-climate and hydrology:a satellite perspective.Global and Planetary Change，2000（25）:49，65.

［7］王偉武，金建偉，肖作鵬，石婷婷.近18年來杭州城市用地擴展特征及其驅動機制［J］.地理研究，2009（03）：685-695.

［8］劉勇.城市增長與景觀變化的多尺皮研究—以杭州市為例［D］.杭州：浙江大學博士位論文，2008.

［9］國務院2007年二月《關于杭州市城市總體規(guī)劃的批復》（國函「2007］19號）見杭州市規(guī)劃局（2007年4月）：《杭州市城市總體規(guī)劃（簡本）》（R）（2001-2020）：01-02.

［10］徐嵐，趙羿.利用馬爾柯夫過程預測東陵區(qū)土地利用格局的變化［J］.應用生態(tài)學報，1993，4（3）：272-277.

［11］李月臣，劉春霞，熊德芳.重慶都市區(qū)土地利用/覆蓋變化驅動機制分析［J］.重慶師范大學學報（自然科學版），2010（01）：36-41+46.1.

［12］王盈.上海市西南典型城市化樣帶LUCC過程及其社會經濟驅動力分析［D］.上海師范大學，2008.

［13］沈仁芳，陳美軍，孔祥斌，等.耕地質量的概念和評價與管理對策［J］.土壤學報，2012，49（60:1210-1216.

（2015-12-23收稿劉曉佳編輯）

A Study On The Relation Between LUCC And Social Economy in Hangzhou City

JIN Ping-bin et al
（Earth Science Department，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Land is the space carrier for most human activities and LUCC can reflect human activities in a particular way.The LUCC of Hangzhou turned remarkable after the period of the Reform and Opening，which is closely related to population，economic development，living standards，transportation and other factors.In this article，we analysis the Land use patterns with a Transfer Matrix based on classifying the remote sensing image of the urban area in Hangzhou.The result shows that the building area in Hangzhou increased dramatically especially after the year of 2000.This is the inevitable result of urbanization.It is showed that transportation is the more representative factor through the Principal Component Analysis.However，the Stepwise Regression Analysis turns out that area of forestland and water area has a close correlation with the population，Construction area has a positive correlation with the urban per capita living space while the relationship between farmland area is negative.Population and per capita living area are the key factors to urban LUCC.

LUCC；Classification of remote sensing image；Social economy；Stepwise Regression Analysis；Relevance

F293

A

1003-7853（2016）01-0001-06

教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金項目（項目批準號：12YJAZH042）

金平斌，男，浙江大學，教授，主要研究方向：旅游規(guī)劃與城鎮(zhèn)研究。第一作者或通訊作者發(fā)表SCI、EI論文6篇，其他論文10多篇；出版專著及編著300多萬字。