基于地學(xué)信息圖譜的土地利用時(shí)空演變分析

于海鵬，楊翔惟，黎家作，張春平，袁希功，黃昱楠，劉 霞?

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210037，南京； 2.淮河水利委員會(huì)淮河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，233001，安徽蚌埠)

土地利用/覆被變化是人類為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，不斷調(diào)配土地利用的過程，也是區(qū)域土地資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展關(guān)注的重點(diǎn)。近年來，從數(shù)量特征、空間格局變化分析等方面對(duì)土地利用/覆被時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行了大量研究，但在時(shí)間過程和空間格局復(fù)合方面還未體現(xiàn)土地利用變化的時(shí)空一致性[1-7]。地學(xué)信息圖譜作為對(duì)地學(xué)時(shí)空復(fù)合信息開展挖掘的理論和方法，彌補(bǔ)了非空間屬性數(shù)據(jù)在地理位置上的表達(dá)。目前已有學(xué)者應(yīng)用地學(xué)信息圖譜理論研究土地利用變化，以圖譜單元記錄多時(shí)空條件下土地利用變化空間格局與時(shí)序特征的復(fù)合信息。王金亮等[8]和呂曉等[9]建立空間-屬性-過程一體化的土地利用變化模式圖譜，表達(dá)土地利用變化的時(shí)空連續(xù)過程；于元赫等[10]和楊愛民等[11]基于土地利用轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出信息構(gòu)建土地利用漲落勢(shì)圖譜體系，定量分析不同時(shí)期土地利用時(shí)空變化特征及趨勢(shì)。現(xiàn)有研究多為構(gòu)建單一的轉(zhuǎn)移圖譜和漲落勢(shì)圖譜進(jìn)行空間分析，側(cè)重用計(jì)量統(tǒng)計(jì)和空間描述解釋土地利用圖譜，較少涉及圖譜單元差異及成因分析。

蒙陰縣地處魯中南山地丘陵區(qū)，是沂蒙山重要水源涵養(yǎng)區(qū)，也是蒙陰蜜桃和蘋果的主產(chǎn)區(qū)。區(qū)域地形起伏大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)烈，土地開發(fā)強(qiáng)度高且分布分散。近年來，隨著經(jīng)果林快速發(fā)展，以及坡改梯工程、荒山造林、封山育林等水土保持措施的實(shí)施，土地利用類型發(fā)生明顯變化。了解其變化特征及成因，對(duì)區(qū)域土地資源合理開發(fā)及水土資源保護(hù)具有重要意義。筆者以蒙陰縣為研究區(qū)域，基于2009、2013和2018年3期高分辨率遙感影像，獲取土地利用及變化單元，借助土地利用動(dòng)態(tài)度和地學(xué)信息圖譜理論，分析2009—2013年(前期)、2013—2018年(后期)2個(gè)時(shí)序單元的土地利用時(shí)空變化特征和圖譜變化原因，以期為深入了解研究區(qū)土地利用/覆被變化類型、動(dòng)態(tài)特征及其驅(qū)動(dòng)原因提供參考。

1 研究區(qū)域

蒙陰縣位于山東省臨沂市，E 117°45′～118°15′，N 35°27′～36°02′，總面積1 602 km2，轄8鎮(zhèn)、1鄉(xiāng)、1街道。地勢(shì)南北高，中間低，由西向東逐漸傾斜，最高海拔1 105 m，最低海拔131.47 m，以山地丘陵為主，是中國第五大造型地貌“岱崮地貌”的主要源地。基巖主要為石灰?guī)r和頁巖，土壤類型以棕壤、褐土、粗骨土為主。屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候、暖溫帶落葉闊葉林，多年平均降水量820 mm，年均日照時(shí)間2 257 h，年均溫度12.8 ℃，無霜期200 d。

2 研究方法

2.1 土地利用解譯

基于ENVI平臺(tái)，對(duì)SPOT-5(2.5 m分辨率，時(shí)相2009年1月)、GF-1(2 m分辨率，時(shí)相2013年1月、2018年6月)影像進(jìn)行大氣校正、輻射校正和圖像色彩增強(qiáng)處理；采用CGCS2000坐標(biāo)系和 Albers投影，以2013年GF-1影像為基準(zhǔn)，對(duì)2009年SPOT-5數(shù)據(jù)和2018年GF-1數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。

采用面向地類對(duì)象的自動(dòng)提取-人工干預(yù)方法，交互解譯獲取2018年土地利用數(shù)據(jù)；采用ArcGIS影像分析窗口，對(duì)比前期、后期2期影像差異，提取土地利用變化單元。對(duì)調(diào)查點(diǎn)覆蓋的變化單元以野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，未覆蓋區(qū)域借助谷歌對(duì)應(yīng)同時(shí)相或鄰近時(shí)相的0.5 m高分辨率歷史影像對(duì)比驗(yàn)證。按各變化單元的數(shù)量比重分層抽樣，2個(gè)時(shí)序單元分別選取121個(gè)和119個(gè)樣點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)證，解譯精度分別達(dá)91.3%和93.3%，且2018年各土地利用類型解譯精度總體達(dá)到93.7%。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)與圖譜分析

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)模型 采用土地利用動(dòng)態(tài)度表征一定時(shí)段內(nèi)某單一土地利用類型和整體土地利用的變化速度，計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[5]。

2.2.2 土地利用變化圖譜模型 為更好識(shí)別不同時(shí)序單元土地利用變化圖譜特征，有效銜接變化模式圖譜融合編碼方式，筆者對(duì)融合方法進(jìn)行改進(jìn)，以n位編碼表征n個(gè)研究時(shí)期節(jié)點(diǎn)進(jìn)行圖譜構(gòu)造，以此對(duì)應(yīng)不同時(shí)期土地利用類型。具體構(gòu)造過程為：

1)圖譜編碼：將自然數(shù)1、2、3，…，m依次賦予耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地等8個(gè)土地利用類型。

2)圖譜構(gòu)造：以研究時(shí)期為序，以n位編碼表征n個(gè)研究時(shí)期節(jié)點(diǎn)進(jìn)行圖譜構(gòu)造。即

L=(Y1)×10n-1+(Y2)×10n-2+…+(Yn)×10n-n。

式中：L為土地利用合成編碼，n為研究時(shí)期數(shù)目，個(gè)；Yn為第n時(shí)期的土地利用編碼。

3)圖譜融合：依時(shí)序?qū)和初始圖譜編碼進(jìn)行相應(yīng)時(shí)期對(duì)位相加，得到不同時(shí)期土地利用變化圖譜、表征n個(gè)時(shí)期土地利用時(shí)空演變過程的變化模式圖譜。并將其概括為：前期變化型、后期變化型、反復(fù)變化型和持續(xù)變化型4種模式。圖譜編碼示意如表1。

圖譜單元時(shí)序變化過程的空間表現(xiàn)即為土地利用變化圖譜的“圖”特征，土地利用變化圖譜的“譜”特征表現(xiàn)為圖譜單元的數(shù)量特征，通過記錄圖譜單元面積、數(shù)量、變化比率等指標(biāo)的排序表來體現(xiàn)。筆者引入空間分離度量化圖譜單元的空間離散程度，分離度值越大，圖譜單元空間分布越離散，計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[12]。

表1 土地利用變化圖譜及變化模式圖譜編碼示意Tab.1 Tupu of land use change and Tupu code of change model

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)特征

如表2所示，研究區(qū)土地利用以耕地和園地為主。耕地、草地面積持續(xù)下降，年均減少速率分別為-0.26%、-0.91%，但均呈現(xiàn)后期變化速率加快趨勢(shì)，表明耕地、草地萎縮程度在加深。建設(shè)用地、園地和交通用地面積不斷增加，年均增加速率分別為1.46%、0.15%和0.47%，建設(shè)用地增長速率相對(duì)較高，表明其土地利用變化相對(duì)活躍；但3種土地利用類型變化速率不同。園地和建設(shè)用地后期變化速率呈下降趨勢(shì)。交通用地后期增長速率高于前期，后期變化速率呈上升趨勢(shì)，這與后期研究區(qū)交通路網(wǎng)快速發(fā)展有關(guān)。林地、水域面積先減少后增加。林地前期減少速率遠(yuǎn)高于后期增加速率，表明林地已經(jīng)由萎縮轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張趨勢(shì)，但年均仍呈減少趨勢(shì)，減少速率為-0.44%。相反，水域前期減少速率遠(yuǎn)低于后期增加速率，且水域年均呈增加趨勢(shì)，增加速率為0.16%。

10年間，研究區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為3.86%，其中2013—2018年土地利用變化速率為4.18%，略高于2009—2013年的3.63%，表明后期人為活動(dòng)對(duì)土地利用變化的影響在增強(qiáng)，土地利用變化速度在加快。

表2 研究區(qū)土地利用及動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of the dynamic degree of land use in the study area %

3.2 土地利用變化圖譜特征

3.2.1 2009—2013年土地利用變化圖譜 2009—2013年土地利用變化圖譜共涉及15類圖譜單元，其中前7類圖譜單元累積變化率達(dá)90.87%(表3、圖1a)。土地利用變化圖譜以林地和耕地互換、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地為主，占土地利用變化總量的70.90%，各圖譜單元面積存在顯著差異。林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐拿娣e大于耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值氐拿娣e，這與本時(shí)段內(nèi)楊樹用材林集中采伐有關(guān)；此外，部分區(qū)域?qū)Φ托Я值睾突牟莸貙?shí)施改造，修整梯田發(fā)展經(jīng)濟(jì)林果也占用林地和草地。該時(shí)期林地累計(jì)轉(zhuǎn)出變化比例45.50%遠(yuǎn)大于被補(bǔ)充水平13.75%，林地轉(zhuǎn)換過程中呈萎縮趨勢(shì)。同期，建設(shè)用地占用耕地面積遠(yuǎn)高于建設(shè)用地復(fù)墾面積。這與城鎮(zhèn)化背景下公益性用地、住房用地、工業(yè)園區(qū)建設(shè)占用耕地有關(guān)。相反，受耕地占補(bǔ)平衡政策驅(qū)動(dòng)，土地整治和復(fù)墾活動(dòng)對(duì)耕地進(jìn)行一定的補(bǔ)充。

如圖1a、圖2a所示，首先，圖譜單元空間分布存在顯著區(qū)域差異，最為顯著的圖譜單元林地→耕地，空間分離度最低，即空間分布最密集，主要集中在南部農(nóng)林生產(chǎn)活動(dòng)較為頻繁的聯(lián)城鎮(zhèn)和垛莊鎮(zhèn)；其次為耕地→建設(shè)用地，空間分布相對(duì)集中，主要分布在蒙陰街道、垛莊鎮(zhèn)和高郵鎮(zhèn)南部。該區(qū)域地勢(shì)相對(duì)平坦，城鎮(zhèn)建設(shè)用地密集，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致建設(shè)用地向城鎮(zhèn)邊緣耕地?cái)U(kuò)張；第三是耕地→林地，空間分離度0.67，集中分布在水系、庫塘密集的舊寨鄉(xiāng)、常路鎮(zhèn)以及垛莊鎮(zhèn)。另外，耕地→園地、林地→園地圖譜單元也較為顯著，但分布相對(duì)分散。這與以蜜桃和蘋果為主的經(jīng)濟(jì)林果產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有關(guān)，適宜果樹生長的坡耕地和低標(biāo)準(zhǔn)梯田經(jīng)改造逐漸向園地流轉(zhuǎn)。其余圖譜單元變化比率相對(duì)較低，分離度逐漸拉大，空間上呈廣泛分布。

3.2.2 2013—2018年土地利用變化圖譜 2013—2018年，土地利用變化圖譜共生成25類圖譜單元，較上一階段圖譜單元更加趨于多元化，對(duì)土地利用方式更加復(fù)雜(表4)。主要圖譜特征為建設(shè)用地對(duì)耕地占用與補(bǔ)充，耕地向林地轉(zhuǎn)移，以及建設(shè)用地占用草地，累計(jì)轉(zhuǎn)化比例59.75%。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張來源于耕地和草地，其對(duì)耕地占補(bǔ)差距較上一階段明顯縮小，主要?dú)w因于異地扶貧搬遷政策，住宅用地復(fù)墾對(duì)耕地和草地進(jìn)行補(bǔ)充。建設(shè)用地對(duì)草地占用面積遠(yuǎn)大于補(bǔ)償面積。這主要是北部、西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)大型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目占用草地和林地。與上一階段相反，耕地與林地相互轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為林地面積增加。耕地→林地面積達(dá)557.00 hm2，這與用材林種植范圍擴(kuò)大以及荒山造林工程、小流域綜合治理工程營造水土保持林有關(guān)。林地→耕地面積較上一階段大幅下降，僅局部小范圍出現(xiàn)采伐現(xiàn)象。本階段耕地轉(zhuǎn)化為園地較上一階段有所下降，但2個(gè)時(shí)期園地面積均呈增長趨勢(shì)，面積比例超過27%。這與地方發(fā)展蜜桃和蘋果產(chǎn)業(yè)有關(guān)，適宜果樹生長且海拔、坡度較大的梯田、坡耕地逐漸向園地流轉(zhuǎn)。

表3 2009—2013年土地利用變化圖譜單元排序特征Tab.3 Features of Tupu unit order of land use change from 2009 to 2013

圖1 研究區(qū)不同時(shí)序單元土地利用變化圖譜Fig.1 Change Tupu of land use at each stage unit in the study area

圖2 土地利用變化圖譜單元空間分離度Fig.2 Space separating degree of Tupu of land use change

如圖1所示，首先，本階段最顯著圖譜單元耕地→建設(shè)用地，空間分離度由上一階段的0.73下降至0.71，空間分布更加密集。建設(shè)用地在蒙陰街道和垛莊鎮(zhèn)擴(kuò)張明顯，且開始向常路鎮(zhèn)和高郵鎮(zhèn)南部延伸，城鎮(zhèn)邊緣區(qū)耕地非農(nóng)化速度加快。其次為耕地→林地，較上一階段更加分散，主要分布在聯(lián)城鎮(zhèn)、常路鎮(zhèn)和垛莊鎮(zhèn)北部。林地增加主要?dú)w因于農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移后，楊樹用材林種植范圍擴(kuò)大；其次荒山造林、封山育林政策的實(shí)施使撂荒地、陡坡耕地向林地、草地轉(zhuǎn)變。第三是建設(shè)用地→耕地圖譜單元，圖譜面積較上一階段增長2.54倍，廣泛分布于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，說明耕地占補(bǔ)平衡政策在全區(qū)實(shí)施效果較好。另外，草地→建設(shè)用地圖譜單元也較為顯著，主要由于岱崮鎮(zhèn)和坦埠鎮(zhèn)的采礦用地以及常路鎮(zhèn)光伏發(fā)電項(xiàng)目占用草地和林地。其余圖譜單元本階段不活躍，對(duì)空間格局影響較小。

3.3 土地利用變化模式圖譜特征

2009—2013、2013—2018年2個(gè)時(shí)序單元土地利用圖譜特征研究表明，研究區(qū)圖譜空間分布最為顯著、面積最大、數(shù)量最多的是耕地和林地的占用、補(bǔ)充過程。為探究耕地、林地變化特征，通過融合2個(gè)時(shí)期圖譜單元，構(gòu)建了空間-屬性-過程一體化的土地利用變化模式圖譜。圖3和表5顯示，耕地利用變化模式主要為前期變化型和后期變化型，林地變化模式以前期變化型為主，其次為后期變化型，兩者反復(fù)和持續(xù)變化型比例均較小。

3.3.1 前期變化型 耕地前期變化型圖譜空間分布范圍比林地小。前者主要分布在野店鎮(zhèn)、垛莊鎮(zhèn)北部區(qū)域，后者集中在南部聯(lián)城鎮(zhèn)和垛莊鎮(zhèn)。耕地和林地的前期變化型模式優(yōu)勢(shì)明顯，分別占各變化模式的50.10%、74.01%。耕地最大圖譜轉(zhuǎn)移類型耕地→建設(shè)用地→建設(shè)用地，占耕地轉(zhuǎn)移面積的26.40%，林地最大圖譜轉(zhuǎn)移類型林地→耕地→耕地，占其轉(zhuǎn)移面積的56.71%。因此，2009—2013年上述空間位置耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地轉(zhuǎn)化為耕地是最為突出的圖譜轉(zhuǎn)移特征。

3.3.2 后期變化型 耕地后期變化型圖譜空間上呈南密北疏、帶狀集聚分布，主要集中在常路鎮(zhèn)、蒙陰街道和垛莊鎮(zhèn)；林地后期變化型圖譜呈片狀集聚分布在蒙陰街道西部和垛莊鎮(zhèn)東部。耕地后期變化型圖譜總面積略低于其前期，占其變化模式的45.88%，最大圖譜轉(zhuǎn)移類型耕地→耕地→建設(shè)用地，占耕地轉(zhuǎn)移面積的22.59%。林地后期變化型圖譜總面積占其變化模式的17.74%。其中，林地→林地→耕地圖譜轉(zhuǎn)移類型最為顯著，占林地轉(zhuǎn)移面積的7.52%?？梢姾笃谧兓湍Ｊ较赂睾土值氐淖兓较蚺c前期變化型具有一致性，都表現(xiàn)為建設(shè)用地和耕地的流入。

3.3.3 反復(fù)變化型和持續(xù)變化型 反復(fù)變化型和持續(xù)變化型圖譜空間分布上較少且分散。在反復(fù)變化型中，耕地和林地圖譜面積分別為112.71和146.54 hm2，耕地最大圖譜轉(zhuǎn)移類型耕地→林地→耕地，林地則是林地→耕地→林地。這2類圖譜在研究期間反復(fù)變化最突出，存在不穩(wěn)定性，主要與用材林采伐與種植有關(guān)。耕地和林地持續(xù)變化型圖譜面積分別僅有38.35和69.66 hm2，在該模式下，耕地最大圖譜轉(zhuǎn)移類型為耕地→林地→建設(shè)用地，即由耕地變化為林地后被建設(shè)用地占用的過程；林地最大圖譜轉(zhuǎn)移類型為林地→耕地→園地，可見耕地變化為園地的一部分是由林地轉(zhuǎn)化過來的。

表4 2013—2018年土地利用變化圖譜單元排序特征Tab.4 Features of Tupu unit order of land use change from 2013 to 2018

圖3 耕地和林地利用變化模式圖譜Fig.3 Tupu of arable land and forest land use change model

表5 耕地和林地利用變化模式圖譜特征

4 結(jié)論

1)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以耕地和園地為主，其次為林地，三者占研究區(qū)面積大于76%。2009—2018年，耕地萎縮和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張最為顯著，其次，草地逐漸減少，而園地、交通用地不斷增加，林地和水域面積呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)。在耕地占補(bǔ)平衡政策下，土地整治和農(nóng)林開發(fā)等活動(dòng)對(duì)耕地進(jìn)行一定補(bǔ)充，但遠(yuǎn)小于建設(shè)用地對(duì)耕地的占用。

2)研究區(qū)2個(gè)時(shí)序單元中主要圖譜單元類型、數(shù)量和面積均存在顯著差異。2009—2013年土地利用變化圖譜以林地和耕地互換、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地為主要特征?？臻g分布上，最為顯著圖譜類型是林地→耕地和耕地→建設(shè)用地，占變化面積的57.15%，林地明顯萎縮。這主要是由于該時(shí)期成熟的用材林被集中采伐有關(guān)；同時(shí)，建設(shè)用地對(duì)耕地的擴(kuò)張?jiān)诩訌?qiáng)。2013—2018年主要圖譜特征為建設(shè)用地對(duì)耕地占用與補(bǔ)充，耕地向林地轉(zhuǎn)移，以及建設(shè)用地占用草地。最顯著圖譜類型是耕地→建設(shè)用地和耕地→林地，占變化面積38.10%，耕地萎縮明顯，建設(shè)用地進(jìn)一步擴(kuò)張。

3)2009—2018年，耕地利用變化模式主要為前期變化型和后期變化型，林地利用變化模式以前期變化型為主，其次為后期變化型，兩者反復(fù)和持續(xù)變化型比例均較小。前期變化模式下，最大圖譜類型分別是耕地→建設(shè)用地→建設(shè)用地、林地→耕地→耕地。在后期變化型中，耕地最大圖譜類型為耕地→耕地→建設(shè)用地，空間上呈南密北疏、帶狀集聚分布；林地最大圖譜單元類型為林地→林地→耕地，呈片狀集聚分布?？傮w看，研究區(qū)耕地與建設(shè)用地以及林地與耕地之間轉(zhuǎn)移最為密切。