基于DEM的甘孜縣土地利用格局空間自相關(guān)分析

陳家良 夏建國(guó) 雷苑

摘要?基于甘孜縣土地利用、DEM數(shù)據(jù)對(duì)甘孜縣土地利用格局進(jìn)行了空間自相關(guān)分析，全縣共劃分346個(gè)網(wǎng)格單元，以每個(gè)單元內(nèi)各地類面積為觀測(cè)量分別計(jì)算了全局和局部空間自相關(guān)莫蘭指數(shù)（Morans I），繪制LISA分布圖，結(jié)果表明，甘孜縣耕地、林地、草地、水域和其他用地均呈現(xiàn)顯著的空間聚集性，且為HH型聚集，林地還存在LL聚集的現(xiàn)象，結(jié)合DEM提取出的海拔、坡度因子，分析地形因素對(duì)空間自相關(guān)聚集特征的影響。甘孜縣各地類的聚集特征均與相應(yīng)區(qū)域的地形情況密切相關(guān)，地形是土地利用格局的重要影響因素。

關(guān)鍵詞?土地利用格局，空間自相關(guān)，DEM，Morans I指數(shù)，地形分析，甘孜縣

中圖分類號(hào)?F301.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）06-0059-05

Abstract?We analyzed the spatial autocorrelation of land use patterns in Ganzi County based on land use and DEM data from Ganzi County.346 grid units were divided， and the global and local spatial autocorrelation Moran index was calculated based on the observations of the area of each type within each cell.The LISA distribution map was drawn，and the cultivated land， forest land， grassland， water area and other land in Ganzi County showed significant spatial aggregation， and it was HH clustering， and there was also LL clustering phenomenon in forest lands.Combined with the elevation and slope factors extracted from DEM， the influence of topographic factors on spatial autocorrelation aggregation characteristics was analyzed.The results show that the agglomeration characteristics of various types of Ganzi County are closely related to the topographical conditions of the corresponding regions， and the topography is an important factor influencing the land use pattern.

Key words?Land use patterns，Spatial autocorrelation，DEM，Morans I index，Terrain analysis，Ganzi County

在同一地理空間中，一些變量所呈現(xiàn)出的與其他變量的潛在互相依賴和關(guān)聯(lián)性即為空間自相關(guān)性，空間自相關(guān)能夠度量變量的空間分布特點(diǎn)及其對(duì)相鄰單元的作用情況，反映空間分布的聚集情況和程度[1-5]。在土地利用的研究領(lǐng)域中，土地利用格局的空間自相關(guān)為在同一研究區(qū)中，各土地利用觀測(cè)量的空間分布特點(diǎn)和對(duì)相鄰?fù)恋貑卧挠绊?，表現(xiàn)形式為空間聚集。相關(guān)研究中，國(guó)內(nèi)學(xué)者構(gòu)造用地比率[6]、土地利用程度綜合指數(shù)[7]等作為空間自相關(guān)分析觀測(cè)值，該研究構(gòu)造漁網(wǎng)，以網(wǎng)格單元內(nèi)某地類占網(wǎng)格面積為變量，分析區(qū)域土地利用格局的空間特點(diǎn)。

自然條件是人類活動(dòng)的基礎(chǔ)，是土地利用的主要影響因素和限制條件，而地形要素在自然條件中起主要作用，常作為國(guó)內(nèi)外土地利用格局和景觀特征研究[8-10]中的重要因子進(jìn)行分析。為獲取甘孜縣土地利用格局的空間聚集特點(diǎn)，筆者應(yīng)用全局和局部空間自相關(guān)分析甘孜縣土地利用的自相關(guān)格局，并利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)地形因子相關(guān)值，鏈接地形與土地利用顯著聚集特征的關(guān)系，以期為地方政府未來(lái)土地規(guī)劃提供依據(jù)，也進(jìn)一步探索自然條件與土地利用關(guān)系，豐富土地利用相關(guān)研究。

1?資料與方法

1.1?研究區(qū)概況

甘孜縣位于四川甘孜藏族自治州（99°08′～100°25′E、31°24′～32°54′N），面積6 739.39 km2，位于橫斷山脈東北邊緣，海拔在3 325～5 688 m，縣城海拔3 410 m，是丘原向山原的過(guò)渡區(qū)，屬青藏高原的一部分，高山寒溫帶氣候，縣域地形起伏大，地貌豐富，具有較好的典型性和一定的代表性。甘孜縣轄1鎮(zhèn)、21個(gè)鄉(xiāng)，境內(nèi)多民族聚居。甘孜縣土地利用類型主要為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和其他用地等，其中其他用地為以荒地為主的自然保留地，草地為主要地類，面積占全縣面積比達(dá)79%，其次為林地、耕地，分別占13.0%和3.7%。

1.2?數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

甘孜縣土地利用現(xiàn)狀圖來(lái)源于甘孜縣人民政府，數(shù)據(jù)類型為柵格數(shù)據(jù)，比例尺1∶100 000，利用ArcGIS軟件對(duì)其進(jìn)行矢量化處理，得到甘孜縣土地利用圖（圖1），構(gòu)造漁網(wǎng)，將研究區(qū)劃分為 346個(gè)5 000 m×5 000 m的網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)各類用地的面積為空間自相關(guān)分析的觀測(cè)量，DEM 數(shù)字高程來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局，分辨率為30 m，數(shù)據(jù)類型為柵格數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系為UTM/WGS84，利用ArcGIS軟件，采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法（Jenks）分5段顯示甘孜縣域海拔情況，提取坡度因子，也使用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法分6段顯示（圖2）。

1.3?研究方法

1.3.1?空間全局自相關(guān)。

全局空間自相關(guān)是對(duì)數(shù)據(jù)集的空間自相關(guān)的總體估計(jì)[11]，經(jīng)典空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)包括Morans I、Gearys C、Getiss G和標(biāo)準(zhǔn)偏差橢圓等，該研究的研究對(duì)象甘孜縣土地利用為連續(xù)分布，選取全局Morans I進(jìn)行格局分析，其計(jì)算公式[12-15]如下：

1.3.2?空間局部自相關(guān)。

全局空間自相關(guān)分析主要描述觀測(cè)量在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的空間特征，而無(wú)法表現(xiàn)其聚集或異常的具體分布，該研究進(jìn)一步分析甘孜縣局部空間自相關(guān)情況，采用Moran散點(diǎn)圖和空間關(guān)聯(lián)局域指標(biāo)（local indicators of spatial association，LISA） [16-18]來(lái)刻畫聚集或異常的具體情況，以進(jìn)一步分析甘孜縣土地利用空間分布特征。局部Morans I的計(jì)算公式如下：

1.3.3?分區(qū)統(tǒng)計(jì)。

分區(qū)統(tǒng)計(jì)由ArcGIS軟件[19]空間分析工具實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)疊加矢量圖層和柵格圖層對(duì)空間要素進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)。該研究將顯著空間聚集或異常的網(wǎng)格單元作為分區(qū)統(tǒng)計(jì)的基本單位，匯總各聚集或異常的單元的海拔、坡度的最小值、最大值和平均值并分析其驅(qū)動(dòng)因素。

2?結(jié)果與分析

2.1?甘孜縣土地利用全局自相關(guān)分析

將劃分的每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)各類用地的面積作為觀測(cè)變量，通過(guò)全局自相關(guān)方法，利用ArcGIS軟件計(jì)算出甘孜縣耕地、林地、草地、建設(shè)用地和其他用地的Morans I值、Z score和P value（表1），以分析其土地利用的空間分布特征。

由表1可知，在置信度95%的水平上，耕地、林地、草地、水域和其他用地的Morans I值均為正值，由此可拒絕零假設(shè)，說(shuō)明甘孜縣土地利用中耕地、林地、草地、水域和其他用地均表現(xiàn)出了顯著的空間自相關(guān)特征即空間聚集性，在各網(wǎng)格單元呈現(xiàn)正相關(guān)性。建設(shè)用地Morans I值為負(fù)，且P值高達(dá)0.944 394，未通過(guò)自相關(guān)顯著性檢驗(yàn)，即甘孜縣建設(shè)用地的空間分布無(wú)空間聚集現(xiàn)象，為隨機(jī)分布，故后續(xù)局部空間自相關(guān)分析及區(qū)域綜合統(tǒng)計(jì)分析忽略此地類。

2.2?甘孜縣土地利用局部空間自相關(guān)分析

2.2.1?Moran散點(diǎn)圖。

土地利用局部空間自相關(guān)主要有4類情況：HH聚集、LL聚集、HL異常和LH異常。利用Geoda軟件繪制Moran散點(diǎn)圖（圖3），其中，橫坐標(biāo)為每一個(gè)網(wǎng)格單元的各地類用地面積，縱坐標(biāo)為每一個(gè)網(wǎng)格單元的各地類用地面積空間滯后，即相鄰單元的地類用地面積，斜率為兩者的相關(guān)關(guān)系，即Morans I指數(shù)。

從圖3可以看出，數(shù)據(jù)集中分布在第一象限即為HH聚集，如耕地、林地、水域和其他用地，表明這4種地類在空間中的聚集特征為大面積的用地單元與大面積的用地單元集聚，數(shù)據(jù)分布在第二象限為L(zhǎng)H異常，即低觀測(cè)值與高觀測(cè)值之間的集聚，總體而言，甘孜縣土地利用LH異常較少，數(shù)據(jù)分布在第3象限為L(zhǎng)L聚集，如草地，表明甘孜縣草地的空間分布也呈現(xiàn)出小面積用地單元之間的集聚，數(shù)據(jù)分布在第四象限為HL聚集，甘孜縣各地類此類聚集也相對(duì)較少。

2.2.2?LISA分布圖。Moran散點(diǎn)圖能夠簡(jiǎn)明地表現(xiàn)研究區(qū)各地類聚集或異常的類型，但并不能指出其發(fā)生聚集或異常的具體區(qū)域，該研究繪制LISA分布圖進(jìn)一步透視和剖析甘孜縣土地利用空間分布特征。從計(jì)算匯總每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)各類用地的面積并繪制的LISA分布圖 （圖4）可以看出，甘孜縣耕地、林地、草地、水域和其他用地均有表現(xiàn)出顯著的HH聚集，即5種地類各占網(wǎng)格單元的面積之間存在顯著正相關(guān)，且各地類所占面積較高的單元之間發(fā)生空間聚集，相鄰單元空間差異度小。草地所占面積較低的網(wǎng)格單元與同樣低的發(fā)生空間聚集，即為L(zhǎng)L聚集，呈現(xiàn)空間聚集格局。Z值<-1.96表示觀測(cè)值之間存在顯著負(fù)相關(guān)，草地網(wǎng)格單元之間高觀測(cè)值與低觀測(cè)值聚集在一起，即HL異常，而水域中一個(gè)網(wǎng)格單元中，低觀測(cè)值傾向于與高觀測(cè)值聚集在一起，即LH異常，呈現(xiàn)空間異常格局。

LISA分布圖不僅能表現(xiàn)空間聚集或異常的情況，還可直觀反映出聚集或異常發(fā)生的具體區(qū)域以及網(wǎng)格單元數(shù)目。結(jié)合圖1和圖4可以看出，耕地HH聚集主要發(fā)生在縣域南部的雅礱江河谷沿岸，且聚集網(wǎng)格單元數(shù)目較多，聚集規(guī)模較大，河流為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供灌溉水源，流水沉積帶來(lái)較為肥沃的土壤，致使此區(qū)域耕地大面積集聚，林地在縣域東部谷地呈現(xiàn)出顯著的HH聚集，聚集網(wǎng)格單元數(shù)多，規(guī)模大，其聚集區(qū)域的山谷中有河流發(fā)育，較為濕潤(rùn)，且溫度較高，適宜林木生長(zhǎng)，草地在縣域北部表現(xiàn)出了顯著的HH聚集特征，而東部及西部少數(shù)區(qū)域呈顯著LL聚集，北部為海拔較高的山區(qū)，溫度較低，無(wú)法生長(zhǎng)喬木和灌木，為草類適宜環(huán)境，水域主要在中北部和南部呈現(xiàn)HH聚集，主要為山谷河流易發(fā)育地帶，聚集區(qū)域在縣域內(nèi)分布較廣，而非集中在某一處，其他用地主要在西部和南部呈現(xiàn)HH聚集，因其他用地主要為自然保留地，其分布與西南部自然條件、河谷地帶人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)和城鎮(zhèn)建設(shè)都密切相關(guān)。

2.3?甘孜縣土地利用自相關(guān)格局 DEM 分析

地形在土地利用中起主導(dǎo)作用，與土地利用的空間分布特征密切相關(guān)，也使得土地利用自相關(guān)情況有規(guī)律可循，且人類在地理空間中的活動(dòng)也是以地形為基礎(chǔ)的[19]。因此，研究地形因素和土地利用空間聚集或異常特征的相互關(guān)系有助于更好地理解區(qū)域土地利用格局。通過(guò)ArcGIS軟件分析甘孜縣DEM，提取海拔、坡度數(shù)據(jù)，如圖2。

基于網(wǎng)格單元各地類所占面積，結(jié)合土地利用類型LISA分布圖（圖4）和海拔、坡度因子分析各土地利用類型顯著性聚集或異常區(qū)域內(nèi)的地形特點(diǎn)。利用ArcGIS軟件的空間區(qū)域分析工具進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到各地類海拔和坡度因子的數(shù)值變化幅度和平均值，以進(jìn)一步分析土地利用中呈現(xiàn)空間聚集或異常區(qū)域的地形特征，也可依托此分析透視某土地利用類型在未來(lái)發(fā)生聚集或異常的可能性。計(jì)算得出顯著性HH、LL聚集區(qū)下的地形因子統(tǒng)計(jì)值如表2和表3所示。

結(jié)合表2、表3及LISA分布圖（圖4）可以看出，耕地HH聚集主要發(fā)生在區(qū)域南部，相較其他幾種土地利用類型而言，耕地聚集區(qū)海拔跨度更小，甘孜縣主要農(nóng)作物為青稞、豌豆、小麥，作物生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)光、水、熱均有一定的要求，在縣域整體海拔較高的基礎(chǔ)上，作物分布在相對(duì)低海拔區(qū)能獲得較好的生長(zhǎng)發(fā)育條件，甘孜縣位于橫斷山脈的東北部，以山地為主且地形起伏較大，縣域總體而言較不適宜農(nóng)業(yè)種植業(yè)發(fā)展，但縣域南部為雅礱江河谷，坡度較小且地形起伏較縣域其他地區(qū)更小，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，光照條件好，便于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，故西南部耕地大面積集聚。林地在區(qū)域東部呈現(xiàn)出顯著的HH聚集，東部主要為谷地，海拔較低，溫度較高，且較為濕潤(rùn)，適宜林木生長(zhǎng)，坡度條件對(duì)林木生長(zhǎng)的限制性較小，故甘孜縣林木大面積聚集區(qū)坡度變化幅度較大，且總體而言林木聚集區(qū)平均坡度最大。草地在區(qū)域北部表現(xiàn)出了顯著的HH聚集特征，較其他植物而言，草類環(huán)境適應(yīng)

性較強(qiáng)，甘孜縣草地聚集區(qū)海拔跨度較高但坡度和緩，適宜生長(zhǎng)，甘孜縣主要為山寒溫帶氣候，氣溫條件致使縣域內(nèi)草地大面積分布，尤其在北部海拔較高地區(qū)，東部及西部少數(shù)區(qū)域呈顯著LL聚集，此區(qū)域?yàn)榱值鼐奂瘏^(qū)，故草地面積較小，但由于林木與草類可共生，且該區(qū)生長(zhǎng)條件較好，故仍呈現(xiàn)小面積的聚集。水域主要在縣域中北部和南部呈現(xiàn)HH聚集，結(jié)合高程圖可知，中北部和南部多山谷，為河流易發(fā)育地帶，故水域聚集區(qū)平均海拔較低且海拔跨度較低，甘孜縣域內(nèi)主要為雅礱江、達(dá)曲、泥曲3條河流順其山脈走向流經(jīng)縣境，為常年性河流，水文特征較為穩(wěn)定，故其聚集區(qū)坡度較低。其他用地在西部和南部呈現(xiàn)HH聚集，由于其他用地主要是自然保留地，是目前還未利用的土地，包括難利用地、撂荒地等，西部和南部為甘孜縣城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)域，該區(qū)不合理的土地利用會(huì)造成土地退化，且當(dāng)?shù)貫樯鷳B(tài)脆弱區(qū)，土地利用難度較大，一旦出現(xiàn)土地退化現(xiàn)象，恢復(fù)難度較大，故其他用地大面積聚集。

3?結(jié)論

該研究基于甘孜縣土地利用數(shù)據(jù)及 DEM 數(shù)據(jù)，劃分346個(gè)網(wǎng)格單元，以每個(gè)單元內(nèi)各地類面積為觀測(cè)量分別計(jì)算了全局和局部空間自相關(guān)莫蘭指數(shù)（Morans Ⅰ），繪制LISA分布圖，結(jié)合海拔和坡度因子進(jìn)一步分析了甘孜縣各地類呈顯著集聚區(qū)的地形特征，主要結(jié)論如下：

（1）甘孜縣域土地利用類型空間聚集性耕地、林地、草地、水域及其他用地4種地類在置信度95%的水平的Morans Ⅰ 指數(shù)均為正值，表明甘孜縣這4種地類的空間分布均呈現(xiàn)了顯著的空間聚集性，建設(shè)用地未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，無(wú)空間聚集，為隨機(jī)分布。

（2）甘孜縣耕地HH聚集主要發(fā)生在縣域南部的雅礱江河谷沿岸，林地在縣域東部谷地呈現(xiàn)出顯著的HH聚集，草地在縣域北部表現(xiàn)出了顯著的HH聚集特征，而耕地、林地和草地在縣域東部及西部少數(shù)區(qū)域呈顯著LL聚集，水域主要在中北部和南部呈現(xiàn)HH聚集，其他用地主要在西部和南部呈現(xiàn)HH聚集。

（3）結(jié)合由DEM提取的海拔、坡度2個(gè)地形因子和LISA分布圖，分析各地類HH和LL聚集的地形特征，地形條件是甘孜縣域各土地利用類型聚集或異常的空間特征的重要影響因素。

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