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    海口市土地利用格局變化圖譜分析

    2015-09-10 15:52:06徐芮謝跟蹤邱彭華
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年8期
    關(guān)鍵詞:??谑?/a>園地耕地

    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。

    參考文獻(xiàn):

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