基于DEM的甘孜縣土地利用格局空間自相關分析

陳家良 夏建國 雷苑

摘要?基于甘孜縣土地利用、DEM數據對甘孜縣土地利用格局進行了空間自相關分析，全縣共劃分346個網格單元，以每個單元內各地類面積為觀測量分別計算了全局和局部空間自相關莫蘭指數（Morans I），繪制LISA分布圖，結果表明，甘孜縣耕地、林地、草地、水域和其他用地均呈現顯著的空間聚集性，且為HH型聚集，林地還存在LL聚集的現象，結合DEM提取出的海拔、坡度因子，分析地形因素對空間自相關聚集特征的影響。甘孜縣各地類的聚集特征均與相應區域的地形情況密切相關，地形是土地利用格局的重要影響因素。

關鍵詞?土地利用格局，空間自相關，DEM，Morans I指數，地形分析，甘孜縣

中圖分類號?F301.2文獻標識碼?A

文章編號?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，一些變量所呈現出的與其他變量的潛在互相依賴和關聯性即為空間自相關性，空間自相關能夠度量變量的空間分布特點及其對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域中，土地利用格局的空間自相關為在同一研究區中，各土地利用觀測量的空間分布特點和對相鄰土地單元的影響，表現形式為空間聚集。相關研究中，國內學者構造用地比率[6]、土地利用程度綜合指數[7]等作為空間自相關分析觀測值，該研究構造漁網，以網格單元內某地類占網格面積為變量，分析區域土地利用格局的空間特點。

自然條件是人類活動的基礎，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，常作為國內外土地利用格局和景觀特征研究[8-10]中的重要因子進行分析。為獲取甘孜縣土地利用格局的空間聚集特點，筆者應用全局和局部空間自相關分析甘孜縣土地利用的自相關格局，并利用分區統計地形因子相關值，鏈接地形與土地利用顯著聚集特征的關系，以期為地方政府未來土地規劃提供依據，也進一步探索自然條件與土地利用關系，豐富土地利用相關研究。

1?資料與方法

1.1?研究區概況

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，是丘原向山原的過渡區，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、21個鄉，境內多民族聚居。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79%，其次為林地、耕地，分別占13.0%和3.7%。

1.2?數據來源及處理

甘孜縣土地利用現狀圖來源于甘孜縣人民政府，數據類型為柵格數據，比例尺1∶100 000，利用ArcGIS軟件對其進行矢量化處理，得到甘孜縣土地利用圖（圖1），構造漁網，將研究區劃分為 346個5 000 m×5 000 m的網格單元，每個網格單元內各類用地的面積為空間自相關分析的觀測量，DEM 數字高程來自美國國家航空航天局，分辨率為30 m，數據類型為柵格數據，坐標系為UTM/WGS84，利用ArcGIS軟件，采用自然間斷點分級法（Jenks）分5段顯示甘孜縣域海拔情況，提取坡度因子，也使用自然間斷點分級法分6段顯示（圖2）。

1.3?研究方法

1.3.1?空間全局自相關。

全局空間自相關是對數據集的空間自相關的總體估計[11]，經典空間自相關統計包括Morans I、Gearys C、Getiss G和標準偏差橢圓等，該研究的研究對象甘孜縣土地利用為連續分布，選取全局Morans I進行格局分析，其計算公式[12-15]如下：

1.3.2?空間局部自相關。

全局空間自相關分析主要描述觀測量在整個研究區內的空間特征，而無法表現其聚集或異常的具體分布，該研究進一步分析甘孜縣局部空間自相關情況，采用Moran散點圖和空間關聯局域指標（local indicators of spatial association，LISA） [16-18]來刻畫聚集或異常的具體情況，以進一步分析甘孜縣土地利用空間分布特征。局部Morans I的計算公式如下：

1.3.3?分區統計。

分區統計由ArcGIS軟件[19]空間分析工具實現，可通過疊加矢量圖層和柵格圖層對空間要素進行描述性統計。該研究將顯著空間聚集或異常的網格單元作為分區統計的基本單位，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動因素。

2?結果與分析

2.1?甘孜縣土地利用全局自相關分析

將劃分的每個網格單元內各類用地的面積作為觀測變量，通過全局自相關方法，利用ArcGIS軟件計算出甘孜縣耕地、林地、草地、建設用地和其他用地的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，說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出了顯著的空間自相關特征即空間聚集性，在各網格單元呈現正相關性。建設用地Morans I值為負，且P值高達0.944 394，未通過自相關顯著性檢驗，即甘孜縣建設用地的空間分布無空間聚集現象，為隨機分布，故后續局部空間自相關分析及區域綜合統計分析忽略此地類。

2.2?甘孜縣土地利用局部空間自相關分析

2.2.1?Moran散點圖。

土地利用局部空間自相關主要有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散點圖（圖3），其中，橫坐標為每一個網格單元的各地類用地面積，縱坐標為每一個網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，斜率為兩者的相關關系，即Morans I指數。

從圖3可以看出，數據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，數據分布在第二象限為LH異常，即低觀測值與高觀測值之間的集聚，總體而言，甘孜縣土地利用LH異常較少，數據分布在第3象限為LL聚集，如草地，表明甘孜縣草地的空間分布也呈現出小面積用地單元之間的集聚，數據分布在第四象限為HL聚集，甘孜縣各地類此類聚集也相對較少。

2.2.2?LISA分布圖。Moran散點圖能夠簡明地表現研究區各地類聚集或異常的類型，但并不能指出其發生聚集或異常的具體區域，該研究繪制LISA分布圖進一步透視和剖析甘孜縣土地利用空間分布特征。從計算匯總每個網格單元內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出顯著的HH聚集，即5種地類各占網格單元的面積之間存在顯著正相關，且各地類所占面積較高的單元之間發生空間聚集，相鄰單元空間差異度小。草地所占面積較低的網格單元與同樣低的發生空間聚集，即為LL聚集，呈現空間聚集格局。Z值<-1.96表示觀測值之間存在顯著負相關，草地網格單元之間高觀測值與低觀測值聚集在一起，即HL異常，而水域中一個網格單元中，低觀測值傾向于與高觀測值聚集在一起，即LH異常，呈現空間異常格局。

LISA分布圖不僅能表現空間聚集或異常的情況，還可直觀反映出聚集或異常發生的具體區域以及網格單元數目。結合圖1和圖4可以看出，耕地HH聚集主要發生在縣域南部的雅礱江河谷沿岸，且聚集網格單元數目較多，聚集規模較大，河流為農業生產提供灌溉水源，流水沉積帶來較為肥沃的土壤，致使此區域耕地大面積集聚，林地在縣域東部谷地呈現出顯著的HH聚集，聚集網格單元數多，規模大，其聚集區域的山谷中有河流發育，較為濕潤，且溫度較高，適宜林木生長，草地在縣域北部表現出了顯著的HH聚集特征，而東部及西部少數區域呈顯著LL聚集，北部為海拔較高的山區，溫度較低，無法生長喬木和灌木，為草類適宜環境，水域主要在中北部和南部呈現HH聚集，主要為山谷河流易發育地帶，聚集區域在縣域內分布較廣，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、河谷地帶人類農業活動和城鎮建設都密切相關。

2.3?甘孜縣土地利用自相關格局 DEM 分析

地形在土地利用中起主導作用，與土地利用的空間分布特征密切相關，也使得土地利用自相關情況有規律可循，且人類在地理空間中的活動也是以地形為基礎的[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系有助于更好地理解區域土地利用格局。通過ArcGIS軟件分析甘孜縣DEM，提取海拔、坡度數據，如圖2。

基于網格單元各地類所占面積，結合土地利用類型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域內的地形特點。利用ArcGIS軟件的空間區域分析工具進行分區統計，得到各地類海拔和坡度因子的數值變化幅度和平均值，以進一步分析土地利用中呈現空間聚集或異常區域的地形特征，也可依托此分析透視某土地利用類型在未來發生聚集或異常的可能性。計算得出顯著性HH、LL聚集區下的地形因子統計值如表2和表3所示。

結合表2、表3及LISA分布圖（圖4）可以看出，耕地HH聚集主要發生在區域南部，相較其他幾種土地利用類型而言，耕地聚集區海拔跨度更小，甘孜縣主要農作物為青稞、豌豆、小麥，作物生長過程對光、水、熱均有一定的要求，在縣域整體海拔較高的基礎上，作物分布在相對低海拔區能獲得較好的生長發育條件，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業種植業發展，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更小，地勢平坦開闊，光照條件好，便于農業生產，故西南部耕地大面積集聚。林地在區域東部呈現出顯著的HH聚集，東部主要為谷地，海拔較低，溫度較高，且較為濕潤，適宜林木生長，坡度條件對林木生長的限制性較小，故甘孜縣林木大面積聚集區坡度變化幅度較大，且總體而言林木聚集區平均坡度最大。草地在區域北部表現出了顯著的HH聚集特征，較其他植物而言，草類環境適應

性較強，甘孜縣草地聚集區海拔跨度較高但坡度和緩，適宜生長，甘孜縣主要為山寒溫帶氣候，氣溫條件致使縣域內草地大面積分布，尤其在北部海拔較高地區，東部及西部少數區域呈顯著LL聚集，此區域為林地聚集區，故草地面積較小，但由于林木與草類可共生，且該區生長條件較好，故仍呈現小面積的聚集。水域主要在縣域中北部和南部呈現HH聚集，結合高程圖可知，中北部和南部多山谷，為河流易發育地帶，故水域聚集區平均海拔較低且海拔跨度較低，甘孜縣域內主要為雅礱江、達曲、泥曲3條河流順其山脈走向流經縣境，為常年性河流，水文特征較為穩定，故其聚集區坡度較低。其他用地在西部和南部呈現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建設區域，該區不合理的土地利用會造成土地退化，且當地為生態脆弱區，土地利用難度較大，一旦出現土地退化現象，恢復難度較大，故其他用地大面積聚集。

3?結論

該研究基于甘孜縣土地利用數據及 DEM 數據，劃分346個網格單元，以每個單元內各地類面積為觀測量分別計算了全局和局部空間自相關莫蘭指數（Morans Ⅰ），繪制LISA分布圖，結合海拔和坡度因子進一步分析了甘孜縣各地類呈顯著集聚區的地形特征，主要結論如下：

（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 指數均為正值，表明甘孜縣這4種地類的空間分布均呈現了顯著的空間聚集性，建設用地未通過顯著性檢驗，無空間聚集，為隨機分布。

（2）甘孜縣耕地HH聚集主要發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出顯著的HH聚集，草地在縣域北部表現出了顯著的HH聚集特征，而耕地、林地和草地在縣域東部及西部少數區域呈顯著LL聚集，水域主要在中北部和南部呈現HH聚集，其他用地主要在西部和南部呈現HH聚集。

（3）結合由DEM提取的海拔、坡度2個地形因子和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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