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： 為定量分析海口市土地利用的時空變化特征，運用地學信息圖譜理論方法和GIS技術，采集海口市1991、2001、2014年3期的空間數據，通過合成系列土地利用變化圖譜，了解該區24年里土地利用格局變化規律。經分析表明，1991—2014年，園地、建設用地、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46 067 67 hm2，其次是林地，縮減面積達41 179 71 hm2，主要用途是轉向園地和耕地；在空間變化上，西部林地向園地的轉化最為顯著，北部建設用地由中心區向周邊西海岸濱海區和南渡江兩岸迅猛擴增，東部園地向坑塘水面轉化速率最快。

關鍵詞： 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： F301 24 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0379-05

隨著社會經濟的快速發展，人類對自然環境的影響日益突出，土地利用/土地覆被變化 （LUCC） 是人類改造自然環境最直接與最顯著的方式 [1]，目前，人類面臨的許多環境問題都與之有著不可分割的聯系 [2]。土地利用作為社會的一面鏡子 [3]，它的變化能導致地表的覆被狀況在數量和空間布局上發生變化 [4-5]，土地利用程度的結構方式，將直接影響到區域的經濟效益與可持續發展 [6-7]。進入21世紀以來，國內外學者們在RS、GIS技術支持下，主要運用數理統計與建模方法，通過建立各種土地利用變化模型來分析土地利用的時空變化，并取得相應的研究成果 [8]。2001年，田光進等利用遙感與GIS技術，對海口市土地利用結構進行了研究分析 [9]；隨后，李鵬山等分別對海口市濱海旅游區的土地利用變化、土地數量結構及海口市郊區鄉村景觀格局變化等進行研究 [10-12]，并取得相應成果。隨著對LUCC研究的不斷深入，人們對土地利用“地理空間與過程統一”的特征變化愈加注重，應用常規數學模型或知識推理法較難對空間圖形的格局和拓撲關系隨時間序列變化進行分析與計算 [13]。地理信息圖譜是一種時空復合分析方法論 [14]，是在現代信息系統技術支持下對經典地學圖譜理論的革新，能夠把“表現空間單元特征的圖”與“表示事件發展之起點與過程的譜”合二為一，即運用圖形語言進行時間與空間的綜合表達與分析 [15]；能夠將復雜問題的本質屬性簡潔、直觀地表達，實現對土地利用的時空演變過程及空間轉換規律的動態化、可視化和譜系化 [16]。本研究利用海口市1991、2001、2014年3期的空間數據合成系列圖譜，通過圖譜分析，了解該區24年間土地利用格局變化特征，為探索其原因、過程和預測未來趨勢提供科學依據，為海口土地資源可持續利用、國際旅游島建設各類用地需求保障提供決策支持。

1 研究區概況及研究方法

1 1 研究區概況

海口市位于海南省北部，北緯19°32′～20°05′、東經 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，適合農作物生長。海口市略呈長心形，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個土類12個亞類43個土屬110個土種 [10]。

1 2 研究方法

1 2 1 數據處理及分類 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遙感影像數據作為基礎數據源，利用遙感影像處理軟件ENVI 4 4對遙感影像TM數據進行格式轉換、波段合并、幾何校正、配準、鑲嵌、裁切等預處理；根據《土地利用現狀分類》與《中華人民共和國土地管理法》的土地“三大類”劃分標準，并結合海南島的具體情況，將海口市土地利用類型分成建設用地、未利用地、耕地、園地、林地、牧草地和坑塘水面7類（表1）；運用ENVI 4 4對3期遙感影像進行初分類，再對圖像進行Kappa系數檢驗，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%，分類結果較好 [17]。

1 2 2 圖譜數據的轉換及編碼 為合成圖譜的基本單元進行空間數據運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格式數據統一轉換成30 m grid 單元數據，并進行編碼分類，將7種土地利用類型分

別賦予編碼（表1）；使用統一行政邊界修訂各期最外緣海岸邊線，得到海口市1991—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數據。

1 2 3 土地利用圖譜的合成 土地利用信息圖譜具有同時表達土地利用狀況空間結構特征和時間動態變化的功能，是由每一個基本圖譜單元的空間·屬性一體化數據所決定 [19-20]；因此，對圖譜單元的劃分和合成是創建系列圖譜的關鍵 [21]。

1 2 3 1 圖譜單元的生成 確定數據的空間單元即30 m×30 m網格單元和時序單元，采樣數據時間間隔為10、14、24年 [22]；運行ArcGIS 10 2軟件，將處理好的3期數據導入，在Spatial Analyst Tools 模塊中，選用raster calculator 命令進行地圖代數運算，合成圖譜單元，計算公式為：C=A×10+B [23]。其中，C為研究時段土地利用變化的圖譜單元Value值，A為前一采樣時刻的空間單元Value值，B為后一采樣時刻的空間單元Value值，Value<10。通過運算生成2位數的Value值，以記錄其空間單元在不同采樣時段內土地利用狀態的變化。endprint

1 2 3 2 屬性數據提取與制圖 在Arc Map中，利用selection功能提取圖譜單元屬性數據，獲取1991—2001年、2001—2014年、1991—2014年3個時段土地利用凈變化數據和轉移數據；通過數據處理、空間疊加分析，輸出自動制圖，合成1991—2001年和2001—2014年海口市土地利用轉變信息圖譜（圖2、圖3）和圖譜單元排序表及轉移矩陣表，并對土地利用圖譜重新分類重構，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空變化分3個部分：土地利用圖譜單元，每單元都記錄該空間內初期與末期的土地類型，使得數據具有時空復合特征；圖譜單元排序表，也稱為主要土地利用變化類型表；土地利用面積轉移矩陣表，記錄各土地類型面積轉移情況 [24]。為更清晰地表達研究區域土地利用變化狀況，在矩陣表中加入變化率和統計合算。土地變化率是指表示研究末期各種土地利用類型相對初期的變化程度 [23]，計算公式為：

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，表示某土地類型轉化面積占研究區域內總轉化面積的比率，計算公式為：

[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，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種土地利用類型轉變為末期j種土地利用類型的面積。

2 結果與分析

2 1 1991—2001年海口市土地利用變化圖譜分析

在合成的圖譜中，共生成47類圖譜單元，有41類土地類型發生變化，總面積達94 342 23 hm2。按變化比率和累計百分率，將覆蓋變化區域面積90 9%的11類圖譜單元進行排序，詳見表2。

由表2可知，土地轉換面積最大的是耕地向園地轉化，面積為28 734 48 hm2，占總變化面積的30 5%，主要分布在海口市西南部和東北部，同時，又有17 221 14 hm2的園地轉為耕地，占總變化面積的18 3%，于瓊山區和美蘭區呈零星分布；其次是林地轉為園地，達13 357 53 hm2，占總變化面積的14 2%，分布在海口市永興鎮南部；耕地轉為園地、園地轉為耕地、林地轉為園地3種變化類型，共占總變化面積的629%，農用地內部結構調整顯著；耕地和園地向建設用地轉化的面積共為9 145 62 hm2，占總變化面積的9 7%，其中，由園地轉化的新增建設用地分布在海口舊城區外圍西側和南渡江西側，由耕地轉化的新增建設用地則主要分布在海口西海岸濱海區。

由表3可知，1991—2001年的園地、建設用地、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 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，有27 62%、面積為12 116 89 hm2的原有園地主要轉變為172 21 14 hm2的耕地、4 468 23 hm2的建設用地和2 957 67 hm2的林地；建設用地增長速度最快，到2001年時，建設用地面積為17 833 60 hm2，是1991年的3 12倍，較1991年增長率高達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化而來，說明種植業開始向水產養殖轉移；耕地、林地、牧草地和未利用地的變化率為負值，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29%，耕地從62 091 67 hm2縮減為49 705 83 hm2，縮減比率達20 %。結合圖2可知，在海南建省辦特區以來，優惠的政策導向使海口中心市區向外圍擴建、濱海旅游區和工業港口開始興建及粵海鐵路、美蘭機場等交通運輸用地建設等征用了大量園地、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類土地類型發生變化，總面積為 113 278 58 hm2。按變化比率和累計百分率，將覆蓋變化區域面積84 1 %的10類圖譜單元進行排序，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“轉入”依然顯著，相比1991—2001年，耕地向園地轉化面積變小，林地向園地的轉化在增加，轉移面積達到 19 821 62 hm2，占總變化面積的17 5%，轉移方向由秀英區永興鎮向其周邊擴張，西至石山鎮，東到瓊山區龍塘鎮；園地向耕地和建設用地的轉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用地轉化的增加面積，時空布局的轉移發生很大改變。由圖3可見，耕地向建設用地的轉化主要在南渡江東側美蘭區靈山鎮附近及瓊山區南部呈零星狀分布，隨著新的海口城市總體規劃實施，南渡江濱江地帶將在城市跨江發展后成為未來海口市新的綜合性城區，而瓊山市在并入海口市后城鎮建設步伐加快。

未利用地和坑塘水面，建設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年海口市水產養殖業不斷壯大；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，對圖譜進行了冗余信息消除，以減弱噪聲干擾 [22]。根據土地利用的“轉入”與“轉出”特性，重新設定分類原則，建立重設映表，重新構建圖譜單元，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，并統計分析土地利用的“轉入”與“轉出”數據（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，新增面積為60 077 97 hm2，占總新增面積的44%，這表明農民為追求更好的經濟效益，結合本地區的自然優勢興建蔬菜大棚或果園，使得農用地由以往主要的耕地和林地轉化為經濟價值較高的園地；其次是建設用地，新增面積達 28 053 63 hm2，由舊城區向其周邊擴張，尤其近年來西部濱海休閑娛樂度假區開發、行政中心西移和經濟功能區建設，使建成區整體向西拓展，永興鎮周邊也因生態旅游和高爾夫旅游產業興起帶動了房地產業的發展，建設用地增加顯著；在新增速率上，坑塘水面的增長速度最快，達到52 9%，這反映近[CM（25]年來水產養殖業在農業中發展迅猛。由表6、圖4-B可知，耕地和林地面積萎縮最為明顯，2類用地轉移面積分別占總縮減面積的33 8%和30 1%，轉移面積達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。結合圖4分析可知，由于農業結構調整和城市化建設進程加快，海口西部的林地和南部的耕地大幅度縮減，但海口東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區范圍內而保持較為穩定；從轉移速率上看，1991—2014年間牧草地的轉移速率達到最大，建設用地的轉移速率相對最低。

3 結論

本研究采用圖譜分析方法，借助圖譜單元具有“時間、空間、屬性、過程”一體化的特點，將地學信息圖譜引入土地利用格局變化研究，通過圖譜構建與表達，分析1991—2014年這24年間海口市土地利用主要的時空格局變化，得出相關結論：（1）1991—2001年、2001—2014年，園地、建設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，建設用地的凈增加面積最大，園地和建設用地增長速度變緩，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，在土地數量變化上，園地、建設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，海口市西北部的園地面積不斷以永興鎮向四周擴大，海口市東部的園地則不斷轉化為耕地和坑塘水面，同時，該區域北部建設用地向其周邊濱海區和南渡江兩岸不斷擴增，這體現出海口市近年來區域農業用地內部結構的調整，海口市城市化進程的勢頭方興未艾。

在政策導向、經濟效益和社會發展等影響因素下，海口市各土地利用類型發生了不同程度的變化。結合1991—2014年海口土地利用格局變化特征，筆者建議：一是加強耕地特別是農田保護，根據海口市土地利用的總體規劃，劃分出基本農田保護區，保持耕地總量的動態平衡；二是建設用地的集約挖潛利用，在充分利用閑置土地和劣地的基礎上，大力提高土地利用率，同時合理控制建設用地規模；三是保護生態環境，合理開發各類土地資源，加快生態防護林建設和城市綠化建設，對具有特殊生態功能的天然林、水域、灘涂等建立自然保護區加強管理；四是因地制宜發展農業用地，提高農用地的利用率和綜合效益。

本研究通過圖譜分析與數學模型相結合，主要針對海口市24年來土地利用的時空變化特征進行探索研究。在以后相關研究中可深入運用地學信息圖譜理論，充分發揮地學信息圖譜反演過去、虛擬現在、預測未來的功能，以評價土地利用變化所引發的生態環境效應，進一步預測分析土地利用變化趨勢及其與人類活動的關系，為研究區域土地資源的可持續利用提供決策支持。

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