海口市土地利用格局變化圖譜分析

徐芮+謝跟蹤+邱彭華

摘要： 為定量分析?？谑型恋乩玫臅r(shí)空變化特征，運(yùn)用地學(xué)信息圖譜理論方法和GIS技術(shù)，采集?？谑?991、2001、2014年3期的空間數(shù)據(jù)，通過合成系列土地利用變化圖譜，了解該區(qū)24年里土地利用格局變化規(guī)律。經(jīng)分析表明，1991—2014年，園地、建設(shè)用地、坑塘水面面積增加，增長最多的圖譜單元是園地，增加了60 077 97 hm2，主要來源是耕地、林地與未利用地；增長速率最大的是建設(shè)用地和坑塘水面；林地、耕地、牧草地、未利用地面積減少，減少最多的圖譜單元是耕地，縮減面積達(dá)46 067 67 hm2，其次是林地，縮減面積達(dá)41 179 71 hm2，主要用途是轉(zhuǎn)向園地和耕地；在空間變化上，西部林地向園地的轉(zhuǎn)化最為顯著，北部建設(shè)用地由中心區(qū)向周邊西海岸濱海區(qū)和南渡江兩岸迅猛擴(kuò)增，東部園地向坑塘水面轉(zhuǎn)化速率最快。

關(guān)鍵詞： 海口市；土地利用格局；圖譜單元；圖譜分析；園地；耕地

中圖分類號(hào)： F301 24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0379-05

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)自然環(huán)境的影響日益突出，土地利用/土地覆被變化 （LUCC） 是人類改造自然環(huán)境最直接與最顯著的方式 [1]，目前，人類面臨的許多環(huán)境問題都與之有著不可分割的聯(lián)系 [2]。土地利用作為社會(huì)的一面鏡子 [3]，它的變化能導(dǎo)致地表的覆被狀況在數(shù)量和空間布局上發(fā)生變化 [4-5]，土地利用程度的結(jié)構(gòu)方式，將直接影響到區(qū)域的經(jīng)濟(jì)效益與可持續(xù)發(fā)展 [6-7]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者們在RS、GIS技術(shù)支持下，主要運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與建模方法，通過建立各種土地利用變化模型來分析土地利用的時(shí)空變化，并取得相應(yīng)的研究成果 [8]。2001年，田光進(jìn)等利用遙感與GIS技術(shù)，對(duì)?？谑型恋乩媒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析 [9]；隨后，李鵬山等分別對(duì)海口市濱海旅游區(qū)的土地利用變化、土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)及海口市郊區(qū)鄉(xiāng)村景觀格局變化等進(jìn)行研究 [10-12]，并取得相應(yīng)成果。隨著對(duì)LUCC研究的不斷深入，人們對(duì)土地利用“地理空間與過程統(tǒng)一”的特征變化愈加注重，應(yīng)用常規(guī)數(shù)學(xué)模型或知識(shí)推理法較難對(duì)空間圖形的格局和拓?fù)潢P(guān)系隨時(shí)間序列變化進(jìn)行分析與計(jì)算 [13]。地理信息圖譜是一種時(shí)空復(fù)合分析方法論 [14]，是在現(xiàn)代信息系統(tǒng)技術(shù)支持下對(duì)經(jīng)典地學(xué)圖譜理論的革新，能夠把“表現(xiàn)空間單元特征的圖”與“表示事件發(fā)展之起點(diǎn)與過程的譜”合二為一，即運(yùn)用圖形語言進(jìn)行時(shí)間與空間的綜合表達(dá)與分析 [15]；能夠?qū)?fù)雜問題的本質(zhì)屬性簡潔、直觀地表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用的時(shí)空演變過程及空間轉(zhuǎn)換規(guī)律的動(dòng)態(tài)化、可視化和譜系化 [16]。本研究利用海口市1991、2001、2014年3期的空間數(shù)據(jù)合成系列圖譜，通過圖譜分析，了解該區(qū)24年間土地利用格局變化特征，為探索其原因、過程和預(yù)測未來趨勢提供科學(xué)依據(jù)，為?？谕恋刭Y源可持續(xù)利用、國際旅游島建設(shè)各類用地需求保障提供決策支持。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1 1 研究區(qū)概況

?？谑形挥诤Ｄ鲜”辈?，北緯19°32′～20°05′、東經(jīng) 110°10′～110°41′，地處低緯度熱帶北部，屬于典型的熱帶海洋性季風(fēng)氣候，降水豐富、分配均勻；氣溫年日變化和緩，年平均氣溫約23 8 ℃，年平均降水量為1 664 mm，適合農(nóng)作物生長。?？谑新猿书L心形，地勢平緩，面積約為229 472 hm2，主要土壤類型為玄武巖磚紅壤、火山灰幼齡磚紅壤、沙頁巖磚紅壤、帶狀潮沙泥、濱海沙土等共8個(gè)土類12個(gè)亞類43個(gè)土屬110個(gè)土種 [10]。

1 2 研究方法

1 2 1 數(shù)據(jù)處理及分類 本研究選取海口市1991、2001年空間分辨率為30 m和2014年空間分辨率為10 m共3期的Landsat TM/ETM+Alos遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用遙感影像處理軟件ENVI 4 4對(duì)遙感影像TM數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、波段合并、幾何校正、配準(zhǔn)、鑲嵌、裁切等預(yù)處理；根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》與《中華人民共和國土地管理法》的土地“三大類”劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合海南島的具體情況，將?？谑型恋乩妙愋头殖山ㄔO(shè)用地、未利用地、耕地、園地、林地、牧草地和坑塘水面7類（表1）；運(yùn)用ENVI 4 4對(duì)3期遙感影像進(jìn)行初分類，再對(duì)圖像進(jìn)行Kappa系數(shù)檢驗(yàn)，均超過最低允許精度0 70的要求，并且3期分類總精度也均超過90%，分類結(jié)果較好 [17]。

1 2 2 圖譜數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及編碼 為合成圖譜的基本單元進(jìn)行空間數(shù)據(jù)運(yùn)算及編碼提取和重組 [18]；利用Arctoolbox工具下Reclassify命令，將解譯后的Coverage格式數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成30 m grid 單元數(shù)據(jù)，并進(jìn)行編碼分類，將7種土地利用類型分

別賦予編碼（表1）；使用統(tǒng)一行政邊界修訂各期最外緣海岸邊線，得到?？谑?991—2014年3期土地利用情況（圖1），并作為系列土地利用圖譜的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 2 3 土地利用圖譜的合成 土地利用信息圖譜具有同時(shí)表達(dá)土地利用狀況空間結(jié)構(gòu)特征和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的功能，是由每一個(gè)基本圖譜單元的空間·屬性一體化數(shù)據(jù)所決定 [19-20]；因此，對(duì)圖譜單元的劃分和合成是創(chuàng)建系列圖譜的關(guān)鍵 [21]。

1 2 3 1 圖譜單元的生成 確定數(shù)據(jù)的空間單元即30 m×30 m網(wǎng)格單元和時(shí)序單元，采樣數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為10、14、24年 [22]；運(yùn)行ArcGIS 10 2軟件，將處理好的3期數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在Spatial Analyst Tools 模塊中，選用raster calculator 命令進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算，合成圖譜單元，計(jì)算公式為：C=A×10+B [23]。其中，C為研究時(shí)段土地利用變化的圖譜單元Value值，A為前一采樣時(shí)刻的空間單元Value值，B為后一采樣時(shí)刻的空間單元Value值，Value<10。通過運(yùn)算生成2位數(shù)的Value值，以記錄其空間單元在不同采樣時(shí)段內(nèi)土地利用狀態(tài)的變化。endprint

1 2 3 2 屬性數(shù)據(jù)提取與制圖 在Arc Map中，利用selection功能提取圖譜單元屬性數(shù)據(jù)，獲取1991—2001年、2001—2014年、1991—2014年3個(gè)時(shí)段土地利用凈變化數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)處理、空間疊加分析，輸出自動(dòng)制圖，合成1991—2001年和2001—2014年海口市土地利用轉(zhuǎn)變信息圖譜（圖2、圖3）和圖譜單元排序表及轉(zhuǎn)移矩陣表，并對(duì)土地利用圖譜重新分類重構(gòu)，得到1991—2014年土地利用漲勢圖譜（圖4-A）和落勢圖譜（圖4-B）。

1 2 4 土地利用圖譜分析 用圖譜分析土地利用的時(shí)空變化分3個(gè)部分：土地利用圖譜單元，每單元都記錄該空間內(nèi)初期與末期的土地類型，使得數(shù)據(jù)具有時(shí)空復(fù)合特征；圖譜單元排序表，也稱為主要土地利用變化類型表；土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣表，記錄各土地類型面積轉(zhuǎn)移情況 [24]。為更清晰地表達(dá)研究區(qū)域土地利用變化狀況，在矩陣表中加入變化率和統(tǒng)計(jì)合算。土地變化率是指表示研究末期各種土地利用類型相對(duì)初期的變化程度 [23]，計(jì)算公式為：

變化率=（∑[DD（]n j=1[DD）]Sij-∑[DD（]n i=1[DD）]Sij）×100%/∑[DD（]n i=1[DD）]Sij。

同樣，將變化比率添入圖譜單元排序表中，表示某土地類型轉(zhuǎn)化面積占研究區(qū)域內(nèi)總轉(zhuǎn)化面積的比率，計(jì)算公式為：

[JZ]變化比率=Sij×100%/∑[DD（]n i=1[DD）]Sij·∑[DD（]n j=1[DD）]Sij（i≠j）。

式中：S為面積，n為土地利用類型的數(shù)，i、j分別為研究初期和末期的土地利用類型，Sij表示初期i種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟┢趈種土地利用類型的面積。

2 結(jié)果與分析

2 1 1991—2001年?？谑型恋乩米兓瘓D譜分析

在合成的圖譜中，共生成47類圖譜單元，有41類土地類型發(fā)生變化，總面積達(dá)94 342 23 hm2。按變化比率和累計(jì)百分率，將覆蓋變化區(qū)域面積90 9%的11類圖譜單元進(jìn)行排序，詳見表2。

由表2可知，土地轉(zhuǎn)換面積最大的是耕地向園地轉(zhuǎn)化，面積為28 734 48 hm2，占總變化面積的30 5%，主要分布在?？谑形髂喜亢蜄|北部，同時(shí)，又有17 221 14 hm2的園地轉(zhuǎn)為耕地，占總變化面積的18 3%，于瓊山區(qū)和美蘭區(qū)呈零星分布；其次是林地轉(zhuǎn)為園地，達(dá)13 357 53 hm2，占總變化面積的14 2%，分布在海口市永興鎮(zhèn)南部；耕地轉(zhuǎn)為園地、園地轉(zhuǎn)為耕地、林地轉(zhuǎn)為園地3種變化類型，共占總變化面積的629%，農(nóng)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整顯著；耕地和園地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的面積共為9 145 62 hm2，占總變化面積的9 7%，其中，由園地轉(zhuǎn)化的新增建設(shè)用地分布在?？谂f城區(qū)外圍西側(cè)和南渡江西側(cè)，由耕地轉(zhuǎn)化的新增建設(shè)用地則主要分布在海口西海岸濱海區(qū)。

由表3可知，1991—2001年的園地、建設(shè)用地、坑塘水面變化率為正值，呈增加趨勢；園地凈增加面積最大，達(dá) 19 172 27 hm2，其新增面積為44 789 50 hm2，其中64 15 %源于耕地，面積為28 734 48 hm2，29 82%來自林地，面積為13 357 53 hm2，與之同時(shí)，有27 62%、面積為12 116 89 hm2的原有園地主要轉(zhuǎn)變?yōu)?72 21 14 hm2的耕地、4 468 23 hm2的建設(shè)用地和2 957 67 hm2的林地；建設(shè)用地增長速度最快，到2001年時(shí)，建設(shè)用地面積為17 833 60 hm2，是1991年的3 12倍，較1991年增長率高達(dá)212 %，其增加的面積有38 86 %來自耕地，面積為4 677 39 hm2，36 87 %來自園地，面積為4 468 23 hm2，17 67%來自未利用地，面積為2 141 10 hm2；坑塘水面增長面積較小，主要由耕地和園地轉(zhuǎn)化而來，說明種植業(yè)開始向水產(chǎn)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)移；耕地、林地、牧草地和未利用地的變化率為負(fù)值，呈減少趨勢，其中耕地和林地縮減面積最為顯著，近10年，林地從50 286 60 hm2縮減為 35 515 32 hm2，縮減比率達(dá)29%，耕地從62 091 67 hm2縮減為49 705 83 hm2，縮減比率達(dá)20 %。結(jié)合圖2可知，在海南建省辦特區(qū)以來，優(yōu)惠的政策導(dǎo)向使?？谥行氖袇^(qū)向外圍擴(kuò)建、濱海旅游區(qū)和工業(yè)港口開始興建及粵海鐵路、美蘭機(jī)場等交通運(yùn)輸用地建設(shè)等征用了大量園地、耕地和未利用地。

2 2 2001—2014年海口市土地利用變化圖譜分析

在合成圖譜中，共生成46類圖譜單元，有40類土地類型發(fā)生變化，總面積為 113 278 58 hm2。按變化比率和累計(jì)百分率，將覆蓋變化區(qū)域面積84 1 %的10類圖譜單元進(jìn)行排序，詳見表4。

由表4可知，2001—2014年仍以園地、林地和耕地變化為主，園地的“轉(zhuǎn)入”依然顯著，相比1991—2001年，耕地向園地轉(zhuǎn)化面積變小，林地向園地的轉(zhuǎn)化在增加，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到 19 821 62 hm2，占總變化面積的17 5%，轉(zhuǎn)移方向由秀英區(qū)永興鎮(zhèn)向其周邊擴(kuò)張，西至石山鎮(zhèn)，東到瓊山區(qū)龍?zhí)伶?zhèn)；園地向耕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化則分別占總變化面積的16 5%和7 6%， 相比前期園地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的增加面積，時(shí)空布局的轉(zhuǎn)移發(fā)生很大改變。由圖3可見，耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化主要在南渡江東側(cè)美蘭區(qū)靈山鎮(zhèn)附近及瓊山區(qū)南部呈零星狀分布，隨著新的?？诔鞘锌傮w規(guī)劃實(shí)施，南渡江濱江地帶將在城市跨江發(fā)展后成為未來?？谑行碌木C合性城區(qū)，而瓊山市在并入?？谑泻蟪擎?zhèn)建設(shè)步伐加快。

未利用地和坑塘水面，建設(shè)用地的凈增加面積最大，為 14 620 64 hm2，較前期而言增長速率減緩，為82%；坑塘水面的變化率達(dá)到最大，近14年里坑塘水面的面積由 1 950 45 hm2 增加到9 856 34 hm2，增長率達(dá)405%，主要分布在海口東寨港附近，增加面積主要來源園地和耕地，這說明2001—2014年?？谑兴a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不斷壯大；林地、耕地、未利用地和牧草地面積在不斷縮小，依然是耕地和林地的面積縮減最為顯著，縮減的面積分別為11 961 86 hm2和 15 501 62 hm2，與前期相比，縮減幅度較穩(wěn)定。endprint

2 3 1991—2014年海口市土地變化“漲勢”和“落勢”圖譜分析

在合成的土地利用圖譜中，由于圖譜單元類型繁多，并夾雜[CM（25]著“噪聲”；因此，對(duì)圖譜進(jìn)行了冗余信息消除，以減弱噪聲干擾 [22]。根據(jù)土地利用的“轉(zhuǎn)入”與“轉(zhuǎn)出”特性，重新設(shè)定分類原則，建立重設(shè)映表，重新構(gòu)建圖譜單元，合成土地利用增長圖譜（圖4-A）和萎縮圖譜（圖4-B） [20]，以反映24年來各土地利用類型的“漲勢”和“落勢”信息，并統(tǒng)計(jì)分析土地利用的“轉(zhuǎn)入”與“轉(zhuǎn)出”數(shù)據(jù)（表6）。

由表6、圖4-A可知，1991—2014年，在新增面積上，園地漲勢最強(qiáng)，新增面積為60 077 97 hm2，占總新增面積的44%，這表明農(nóng)民為追求更好的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合本地區(qū)的自然優(yōu)勢興建蔬菜大棚或果園，使得農(nóng)用地由以往主要的耕地和林地轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的園地；其次是建設(shè)用地，新增面積達(dá) 28 053 63 hm2，由舊城區(qū)向其周邊擴(kuò)張，尤其近年來西部濱海休閑娛樂度假區(qū)開發(fā)、行政中心西移和經(jīng)濟(jì)功能區(qū)建設(shè)，使建成區(qū)整體向西拓展，永興鎮(zhèn)周邊也因生態(tài)旅游和高爾夫旅游產(chǎn)業(yè)興起帶動(dòng)了房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建設(shè)用地增加顯著；在新增速率上，坑塘水面的增長速度最快，達(dá)到52 9%，這反映近[CM（25]年來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)中發(fā)展迅猛。由表6、圖4-B可知，耕地和林地面積萎縮最為明顯，2類用地轉(zhuǎn)移面積分別占總縮減面積的33 8%和30 1%，轉(zhuǎn)移面積達(dá)46 067 67 hm2和 41 092 92 hm2，耕地和林地是其他用地類型新增部分的主要來源。結(jié)合圖4分析可知，由于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和城市化建設(shè)進(jìn)程加快，海口西部的林地和南部的耕地大幅度縮減，但?？跂|海岸的東寨港紅樹林、中部的火山森林公園等林地由于在自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)而保持較為穩(wěn)定；從轉(zhuǎn)移速率上看，1991—2014年間牧草地的轉(zhuǎn)移速率達(dá)到最大，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移速率相對(duì)最低。

3 結(jié)論

本研究采用圖譜分析方法，借助圖譜單元具有“時(shí)間、空間、屬性、過程”一體化的特點(diǎn)，將地學(xué)信息圖譜引入土地利用格局變化研究，通過圖譜構(gòu)建與表達(dá)，分析1991—2014年這24年間?？谑型恋乩弥饕臅r(shí)空格局變化，得出相關(guān)結(jié)論：（1）1991—2001年、2001—2014年，園地、建設(shè)用地和坑塘水面的面積呈增加趨勢，增長面積最大的圖譜單元都是園地的“轉(zhuǎn)入”，主要來源于耕地和林地；1991—2001年，園地的凈增加面積最大，建設(shè)用地的增長速度最快，主要占用園地與耕地面積，林地與耕地面積縮減較為顯著；2001—2014年，建設(shè)用地的凈增加面積最大，園地和建設(shè)用地增長速度變緩，坑塘水面增長幅度不斷增大，主要來源于園地和耕地。（2）1991—2014年，在土地?cái)?shù)量變化上，園地、建設(shè)用地和坑塘水面面積增加，林地、耕地、牧草地和未利用地面積減少；在空間變化上，?？谑形鞅辈康膱@地面積不斷以永興鎮(zhèn)向四周擴(kuò)大，?？谑袞|部的園地則不斷轉(zhuǎn)化為耕地和坑塘水面，同時(shí)，該區(qū)域北部建設(shè)用地向其周邊濱海區(qū)和南渡江兩岸不斷擴(kuò)增，這體現(xiàn)出海口市近年來區(qū)域農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，?？谑谐鞘谢M(jìn)程的勢頭方興未艾。

在政策導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)發(fā)展等影響因素下，?？谑懈魍恋乩妙愋桶l(fā)生了不同程度的變化。結(jié)合1991—2014年?？谕恋乩酶窬肿兓卣?，筆者建議：一是加強(qiáng)耕地特別是農(nóng)田保護(hù)，根據(jù)?？谑型恋乩玫目傮w規(guī)劃，劃分出基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)，保持耕地總量的動(dòng)態(tài)平衡；二是建設(shè)用地的集約挖潛利用，在充分利用閑置土地和劣地的基礎(chǔ)上，大力提高土地利用率，同時(shí)合理控制建設(shè)用地規(guī)模；三是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，合理開發(fā)各類土地資源，加快生態(tài)防護(hù)林建設(shè)和城市綠化建設(shè)，對(duì)具有特殊生態(tài)功能的天然林、水域、灘涂等建立自然保護(hù)區(qū)加強(qiáng)管理；四是因地制宜發(fā)展農(nóng)業(yè)用地，提高農(nóng)用地的利用率和綜合效益。

本研究通過圖譜分析與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，主要針對(duì)海口市24年來土地利用的時(shí)空變化特征進(jìn)行探索研究。在以后相關(guān)研究中可深入運(yùn)用地學(xué)信息圖譜理論，充分發(fā)揮地學(xué)信息圖譜反演過去、虛擬現(xiàn)在、預(yù)測未來的功能，以評(píng)價(jià)土地利用變化所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，進(jìn)一步預(yù)測分析土地利用變化趨勢及其與人類活動(dòng)的關(guān)系，為研究區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用提供決策支持。

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