基于江蘇省近20年土地利用數據的信息挖掘與分析

姚戀秋， 李 楊， 施 歌， 梁鳴霄， 江 南

空間數據挖掘是數據挖掘研究的一個分支，目的是從空間數據庫系統中抽取隱含人們感興趣的空間模式和特征，發現空間數據與非空間數據之間的關系，構建空間知識庫[1]。我國最早由李德仁院士提出，從地理信息系統(geographic information system，簡稱GIS)空間數據庫中發現這一理論[2-3]。隨后，我國許多高校對空間數據挖掘理論展開了研究。韓志軍等從地震目錄數據出發，提出基于空間數據認識的數據挖掘方法[4-5]。土地利用數據信息的挖掘目前集中在耕地、林地等農業用地的變化，土地利用動態度等各種統計指標的測算，土地利用變化預測這3個方面。陳述彭等從地學信息圖譜角度對空間數據進行數據挖掘[6]；劉紀遠等使用動態區劃法對我國土地利用空間格局進行分區[7]；陸汝成等使用代碼融合的方法對土地利用數據進行空間信息挖掘[8]；劉盛和等對土地利用空間分析測算模型進行修正[9]；喬偉峰等對土地利用轉移矩陣計算動態度模型進行改進，加入土地利用無序度指標[10]。國際上，許多學者對空間和土地利用信息挖掘展開了研究，Koperski等指出數據挖掘已經擴展到空間數據庫與空間模式發現[11]；Han等的研究小組在MapInfo中實現了空間數據挖掘的原型系統，Han等在其專著《Data mining：concept and technologies》中系統地論述了空間數據挖掘的概念和方法[12]；Sun等應用馬爾科夫鏈方法針對城市土地利用動態變化進行分析[13]。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

江蘇省位于我國華東地區，地理位置為116°18′～121°57′E，30°45′～35°20′N，省會為南京市，省轄13市，總面積為 101 819 km2。根據地理位置和人文景觀差異可以將江蘇省劃分為3個區域，蘇州市、無錫市、常州市為蘇南地區，南京市、鎮江市、揚州市、泰州市、南通市為蘇中地區，徐州市、宿遷市、淮安市、連云港市、鹽城市為蘇北地區。

在地理景觀人文屬性方面，截至2014年年底，江蘇省人口為7 976.30萬人，其中城鎮人口為5 305.83萬人，區域生產總值為70 116.38億元，價格指數為101.70[14]。從地理景觀的物理屬性來看，研究區屬于亞熱帶濕潤森林地帶，屬于亞熱帶季風濕潤氣候[15]。

1.2 數據來源

1.2.1 土地利用數據 本研究使用20世紀80年代以來的“江蘇省1 ∶10 萬土地利用數據集”，獲取自國家地球系統數據共享平臺——長江三角洲科學數據中心。土地利用一級類型綜合評價精度達到94.3%以上，滿足1 ∶10萬比例尺制圖精度。本研究使用的5期數據分別為20世紀80年代、1995年、2000年、2005年及2010年的土地利用數據。數據集涵蓋6個一級分類，并由此細分為31個二級分類。

1.2.2 社會經濟數據 本研究使用1990—2010年《江蘇統計年鑒》數據，數據源為中國知網統計年鑒數據，數據產品經由國家地球系統數據共享平臺——長江三角洲科學數據中心加工成江蘇省逐年社會經濟數據集。該數據集收錄江蘇省及各地區大量的經濟社會發展統計信息。包含行政區概況(市、縣、鄉鎮個數)、經濟、社會、人口、農業、城市建設與環境保護等方面的指標。數據存儲格式為Excel，是反映江蘇省各年國民經濟和社會發展情況的資料性年刊。

1.3 研究方法

1.3.1 數據預處理 轉換投影坐標系，土地利用數據使用Krasovsky_1940_Albers坐標系，一般用于大尺度分析，因此對于江蘇省的研究將坐標系轉換為Xian_1980_3_Degree_GK_CM_117E坐標系。由于研究中使用的5期數據為20世紀80年代末、1995年、2000年、2005年、2010年的土地利用數據，將20世紀80年代末期的土地利用數據等效為1990年土地利用數據進行分析。

針對研究目的使用ArcGIS10.2重新劃分土地利用數據類別，如表1所示，重分類規則為以土地利用的一級分類為基礎，將其二級分類分別進行合并。將未利用土地類別重命名為其他，得到5個土地利用類別；而對于城鄉、工礦、居民用地這一大類，遵照其二級分類分為3類，分別命名為城鎮建成區、農村居民點和工礦用地。由此將土地利用數據分為耕地、草地、林地、水域、農村居民點、城鎮建成區、工礦用地和其他，共8個土地利用類別。

表1 土地利用類型重分類對照

1.3.2 轉移矩陣、土地利用動態度 計算土地利用數據每2年的轉移矩陣、地類變化量，通過多種指標定量分析江蘇省土地利用的變化模式。轉移矩陣反映了某一地區變化初期和末期各種類別之間的相互轉化，在反映土地利用的變化時，不僅可以定量分析變化的面積，還可以反映出土地利用的變化方向。轉移矩陣的一般形式為[10]：

(1)

式中：S表示面積；i和j分別表示變化前和變化后的土地利用類型(i=1，2，3，…，m；j=1，2，3，…，n)。

根據轉移矩陣，可以統計得到各地類的減少量、增加量、凈變化量和變化總量等變化指標。

基于土地利用各地類的面積轉移矩陣，可以進一步計算馬爾科夫概率轉移矩陣。馬爾科夫概率模型可以表示為：

(2)

式中：Nt+Δt為t+Δt年時的土地利用面積矩陣；Nt為t年時的土地利用面積矩陣；P為土地利用轉移的概率矩陣，矩陣P的各行概率之和為1。

對面積變化進行歸一化處理，從概率角度考量土地利用的變化，在分析土地面積這類較大數據時，更加清楚地表現出各個土地類型各自的增減狀況。使用5期圖像生成4個概率矩陣，相比于土地利用轉移矩陣，突出了每種地類轉換的來源和流轉方向，不受總體面積的影響，排除由于地類占地面積太少而變化規律被忽略的情況。

通過轉移矩陣、轉移概率矩陣，從統計學上對江蘇省20年來的土地利用變化情況進行定量分析。

1.3.3 土地利用轉移圖譜、變化模式 使用代碼融合方法計算每2期的土地利用圖像的土地利用轉移圖譜，得到4期土地利用轉移圖譜。代碼融合方法基本原理是使用2位代碼分別顯示變化前后的地類屬性。在本研究中對土地利用類型以阿拉伯數字1～8編號，以變化前利用類型作為十位數，將變化后利用類型作為個位數，融合公式為：

F=10f1+f2。

(3)

式中：f1為變化前的土地利用類型代碼；f2為變化后的土地利用類型代碼；F為融合后的代碼。

使用代碼融合方法可以直觀地表現出土地利用的變化，但融合后代碼類別個數呈平方增長，不能有針對性地表現土地利用的主要變化方向，因此選取土地利用的主要變化類型進行分析。江蘇省的耕地、林地、水體、農村居民點、城鎮建成區這五大土地利用類型面積占全省土地面積的97%以上，其中水體面積由于沿海灘涂的增加而發生變化，內陸水體幾乎不變，因此選擇耕地、林地、農村居民點、城鎮建成區這4個類型的變化進行分析。由5期土地利用數據得到4期土地利用的主要轉移類型圖譜。通過分析轉移圖譜，從時間序列的角度對江蘇省20年之間的土地利用變化情況進行定性分析。

1.3.4 土地利用轉移圖譜重心分析 地理重心模型的本質是將1組空間對象的幾何重心坐標和對應的各項指標數據進行加權而得到的重心坐標。重心計算公式為[16-17]：

(4)

式中：n為區域內的空間對象數量；(X，Y)為空間對象的重心坐標；(xi，yi)為空間對象i的重心坐標；Mi為對象i的屬性值。

在土地利用轉移圖譜的基礎上，對4期變化圖譜中的農村居民點和城鎮建成區分別計算重心，以土地利用變化面積為權重，得到土地利用轉移的重心。與土地利用重心不同，土地利用轉移圖譜的重心不表示某一特定時刻的土地利用情況，而是在一定時期內，描述變化過程的特點，即土地利用變化的方向，挖掘土地利用變化過程中的潛在特點。通過分析江蘇省土地利用變化信息圖譜的轉移重心，從空間位置上對20年來的土地利用變化方向進行分析。

2 結果與分析

2.1 轉移矩陣分析

2.1.1 基本統計數據 由表2可知，對江蘇省土地利用數據分期進行總體分析，20年來江蘇省土地利用面積逐期增加，2005—2010年間增加量最多，增加的地區主要為江蘇東北部沿海地區。從地類的變動情況來看，從1995年開始，江蘇省的土地變動幅度越來越大，2000—2005年變動面積比1995—2000年增加27%，而2005—2010年的變化面積比2000—2005年增長161%。從各個土地利用類別的構成來看，1990—2000年江蘇省耕地面積最大，水域次之，農村居民點第三，林地和城鎮建成區分別排名第四和第五。

就耕地而言，總體呈逐年減少的趨勢，2010年相對于1990年耕地總體減少8 331 km2，占1990年耕地總面積的11.5%。在耕地面積減少的同時，江蘇省農村居民點和城鎮建成區面積逐年增加，尤其是城鎮建成區，由1990年的 1 986 km2增加到2010年的7 628 km2，在總量上約翻兩番，漲幅最大的是2005—2010年，在這5年間城鎮建成區面積增加了142.3%。水體面積在20年間逐年增加，增長率分別為1.0%、2.0%、4.4%、7.8%，增加的部分主要為東部沿海的灘涂。農村居民地在這20年間持續增長，但漲幅呈波動減小，1990—1995年漲幅最大，為14.8%，之后漲幅減小。

表2 江蘇省20年土地利用基本情況統計 km2

注：1表示耕地；2表示草地；3表示林地；4表示水體；5表示農村居民地：6表示城鎮建成區；7表示工礦用地；8表示其他。下表同。

2.1.2 轉移矩陣與轉移概率分析 對各個土地利用轉移概率矩陣(表3至表6)單獨分析可以得出，1990—1995年耕地土地利用的主要變化方向是農村居民地，高達20.3‰，林地、農村居民地、城鎮建成區的主要變化方向是耕地，其中林地變為耕地的變化幅度最大，為27.4‰。1995—2000年與前5年土地利用變化方向基本一致，各個主要地類的變化方向分別為耕地—農村居民地，林地—農村居民地，農村居民地—耕地，城鎮建成區—耕地。2000—2005年間的土地利用變化特點出現了變化，林地和農村居民地的主要流動方向依然是耕地，但在這5年耕地的流動方向由農村居民地變成了城鎮建成區，并且城鎮建成區的主要變化方向為農村居民地，占城鎮建成區面積的82.5‰。2005—2010年的土地利用流向與前15年都有所不同。耕地中22.9‰流向農村居民地，40.0‰流向城鎮建成區；林地有62.7‰變為耕地，農村居民地變化幅度最大，有132.9‰都變為了城鎮建成區，城鎮建成區11.5‰變回耕地，25.3‰變為農村居民地。

表3 1990—1995年土地利用轉移概率矩陣 ‰

注：表3至表6數據為江蘇省各地主要地類之間的轉移概率千分比(‰)。

從時間變化對4個變化矩陣進行分析。首先，從變化的幅度來說，從1990年開始土地利用的變化幅度越來越大。此次分析的4個地類隨著時間的增加，地類保持不變的比例呈波動下降。以面積最大的耕地為例，除1990—1995年矩陣以外，土地利用類型保持不變的比率不斷降低，至最后一期矩陣僅為927.9‰。1990—1995年土地利用類型轉移比率最大的為耕地變為農村居民地，占20.3‰；1995—2000年變化比率最大的為農村居民地變為耕地，占57.0‰；到2000—2005年，變化最大的為城鎮建成區轉為農村居民地達到82.5‰；而2005—2010年期間，農村居民地變為城鎮建成區的變化比率超過100‰，達到132.9‰，并且同一期間總共有2種變化類型超過50‰。其次，從土地利用變化類別分析，1990—2000年各個地類主要向耕地方向變化，到2000—2005年期間各類別主要向農村居民地變化，最后2005—2010年以流向城鎮建成區為主，兼有其他地類相互變化。與此同時在每一期的變化中，耕地流向農村居民地一直是土地利用轉移的重要方向。

表4 1995—2000年土地利用轉移概率矩陣 ‰

表5 2000—2005年土地利用轉移概率矩陣 ‰

表6 2005—2010年土地利用轉移概率矩陣 ‰

2.2 土地利用轉移圖譜分析

以單幅信息圖譜(圖1)來看，1990—1995年，土地利用變化主要集中在江蘇南部、中部和東部沿海地區，以耕地變為農村居民地、耕地變為城鎮建成區為主。江蘇北部的變化主要集中在耕地轉為農村居民地，但面積和數量遠遠低于南部。1995—2000年江蘇省土地利用的變化程度出現了回落，變化的面積和有所減小，變化的方向主要為耕地變為農村居民地。2000—2005年南部地區變化程度依然大于北部地區，尤其是蘇州市、南京市出現了肉眼可識別的大范圍的耕地變為城鎮建設用地的情況。除徐州市以外，江蘇省其他12個地級市的城鎮建成區都向外出現了明顯擴張，而且規模較大的農村居民地也向外有不同程度的延伸。除了耕地向農村居民地和城鎮建成區轉移外，農村居民地與城鎮建設用地之間的轉換也越來越明顯，在這5年期間有1 004 km2的農村居民地變為城鎮建成區。2005—2010年期間的土地利用變化更為多樣，不僅僅局限于蘇南地區，蘇北地區土地利用變化也變得活躍起來，江蘇省各個城市擴張速度加快，大量城市外圍農村居民地轉為城鎮建成區，耕地轉為城鎮建成區和農村居民地。5年內 2 577 km2的耕地轉為城鎮建成區，1 461 km2的農村居民地轉為城鎮建成區，1 537 km2的耕地轉為農村居民地。

綜合時間序列信息圖譜(圖1)來看，這20年間耕地流向農村居民地基本不變，隨著時間的推移土地利用轉移變化量不斷增加，蘇南地區土地利用變化的活躍程度高于北方。蘇州市、無錫市、南京市、常州市土地利用變化最為活躍，根據土地利用變化的活躍程度，大致可以劃分為1990—2005年和2005—2010年2個時段進行分析。對于蘇北地區，土地利用變化的20年內，前15年土地利用類型穩定，變化程度小，城市擴張面積小，最后5年土地利用變化類型活躍，城市擴張面積顯著增加。蘇中地區土地利用變化一直處于中間水平，前15年以耕地變為農村居民地為主，少有大范圍的土地利用變化，后5年變化的范圍變大，且變化的類型多樣，農村居民地流向城鎮建成區和耕地流向農村居民地為2個主要的變化方向。蘇南地區一直是江蘇省土地利用變化最活躍的地區，1990—2005年，雖然江蘇省土地利用變化總體情況較為穩定，但蘇南地區耕地轉變為城鎮建成區的面積逐年增加，到2005—2010年，農村居民地和耕地變為城鎮建成區成為變化最主要的2種形式。

2.3 土地利用變化圖譜重心分析

在土地利用變化圖譜的基礎上，對變化最活躍的耕地、農村居民地、城鎮建成區這3個土地利用類別間的變化量做重心分析，變化重心主要位于江蘇省中部和南部(圖2)，因此對江蘇省蘇南和蘇中進行局部放大(圖3)。

從空間位置來看，20年來土地利用變化的重心分布在蘇中和蘇南地區，較江蘇省的幾何重心整體偏東南，在幾何重心東南部波動，偏向蘇南和東部沿海方向。對4期土地利用變化量重心分別進行分析，1990—2000年重心分布較為分散，除1990—1995年耕地變為城鎮建成區位置落在蘇南以外，其余重心位置基本位于蘇中地區；2000—2005年土地利用變化量的重心大部分集中在蘇南地區；2005—2010年變化量的中心向江蘇省的幾何重心靠攏。由于土地利用的變化量主要集中在耕地向城鎮建成區和農村居民地的方向流動，因此單獨對15、16兩類代碼進行分析。對于耕地變為城鎮建成區這一變化類型，1990—1995年變化量重心位置為所有重心點的最南方，2005—2010年逐漸向北遷移，變化特點與江蘇省經濟變化相一致。蘇南地區為長三角城市群的中心城市，緊鄰上海，改革開放以來飛速發展，近年來長三角城市群不斷擴大帶動了蘇北地區的經濟發展，促進了土地利用各地類間的相互轉化，使土地利用變化的重心向北遷回。

從變化的面積來看，隨著時間的推移，各類土地類型變化面積都有變大的趨勢。農村居民地與城鎮建成區的相互轉化，1990—2000年間由于變化面積太小，在圖上無法顯示。1990—2005年除1990—1995年耕地變為農村居民地以外，其他變化量均在0～687 km2之間。耕地變為城鎮建成區和農村居民地是變化面積最大的2類，其中變化面積最大的是2005—2010年耕地轉為農村居民地，高達27 312 km2。城市不斷擴張，也促進了城市的經濟發展，為經濟貿易提供了更好的平臺。

3 結論與討論

土地利用是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式，土地利用變化直接反映了人-地關系的變化。通過各個時期土地利用轉移圖譜和變化量重心的變化，可直觀地表現土地利用空間變化及變化量的內在規律。

從時間上來說，江蘇省1990—2010年20年間隨著時間的變化，前15年土地類型大體穩定，土地利用變化最主要的類型為耕地向農村居民點的轉化，后5年土地利用發生了很大變化，耕地向城鎮建成區的變化也成為主要方向。從統計學角度分析，江蘇省土地利用變化量總量呈增加趨勢，變化類型趨于多元化，各種土地利用類型之間的變化隨著時間的推移越來越活躍。從空間位置上看，江蘇省土地利用變化范圍遍及全省，總體上蘇南的土地利用變化大于蘇北，但變化重心隨著蘇北地區的發展在逐漸向幾何重心靠攏。江蘇省土地利用的變化方向與經濟發展方向表現出一致性，兩者相互影響有著正反饋的關系。

致謝：感謝國家地球系統科學數據共享平臺——長江三角洲科學數據中心(http：//nnu.geodata.cn：8008/)提供數據支撐。

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