徐芮+谢跟踪+邱彭华

摘要： 为定量分析海口市土地利用的时空变化特征，运用地学信息图谱理论方法和GIS技术，采集海口市1991、2001、2014年3期的空间数据，通过合成系列土地利用变化图谱，了解该区24年里土地利用格局变化规律。经分析表明，1991—2014年，园地、建设用地、坑塘水面面积增加，增长最多的图谱单元是园地，增加了60 077 97 hm2，主要来源是耕地、林地与未利用地；增长速率最大的是建设用地和坑塘水面；林地、耕地、牧草地、未利用地面积减少，减少最多的图谱单元是耕地，缩减面积达46 067 67 hm2，其次是林地，缩减面积达41 179 71 hm2，主要用途是转向园地和耕地；在空间变化上，西部林地向园地的转化最为显著，北部建设用地由中心区向周边西海岸滨海区和南渡江两岸迅猛扩增，东部园地向坑塘水面转化速率最快。

关键词： 海口市；土地利用格局；图谱单元；图谱分析；园地；耕地

中图分类号： F301 24 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）08-0379-05

随着社会经济的快速发展，人类对自然环境的影响日益突出，土地利用/土地覆被变化 （LUCC） 是人类改造自然环境最直接与最显著的方式 [1]，目前，人类面临的许多环境问题都与之有着不可分割的联系 [2]。土地利用作为社会的一面镜子 [3]，它的变化能导致地表的覆被状况在数量和空间布局上发生变化 [4-5]，土地利用程度的结构方式，将直接影响到区域的经济效益与可持续发展 [6-7]。进入21世纪以来，国内外学者们在RS、GIS技术支持下，主要运用数理统计与建模方法，通过建立各种土地利用变化模型来分析土地利用的时空变化，并取得相应的研究成果 [8]。2001年，田光进等利用遥感与GIS技术，对海口市土地利用结构进行了研究分析 [9]；随后，李鹏山等分别对海口市滨海旅游区的土地利用变化、土地数量结构及海口市郊区乡村景观格局变化等进行研究 [10-12]，并取得相应成果。随着对LUCC研究的不断深入，人们对土地利用“地理空间与过程统一”的特征变化愈加注重，应用常规数学模型或知识推理法较难对空间图形的格局和拓扑关系随时间序列变化进行分析与计算 [13]。地理信息图谱是一种时空复合分析方法论 [14]，是在现代信息系统技术支持下对经典地学图谱理论的革新，能够把“表现空间单元特征的图”与“表示事件发展之起点与过程的谱”合二为一，即运用图形语言进行时间与空间的综合表达与分析 [15]；能够将复杂问题的本质属性简洁、直观地表达，实现对土地利用的时空演变过程及空间转换规律的动态化、可视化和谱系化 [16]。本研究利用海口市1991、2001、2014年3期的空间数据合成系列图谱，通过图谱分析，了解该区24年间土地利用格局变化特征，为探索其原因、过程和预测未来趋势提供科学依据，为海口土地资源可持续利用、国际旅游岛建设各类用地需求保障提供决策支持。

1 研究区概况及研究方法

1 1 研究区概况

海口市位于海南省北部，北纬19°32′～20°05′、东经 110°10′～110°41′，地处低纬度热带北部，属于典型的热带海洋性季风气候，降水丰富、分配均匀；气温年日变化和缓，年平均气温约23 8 ℃，年平均降水量为1 664 mm，适合农作物生长。海口市略呈长心形，地势平缓，面积约为229 472 hm2，主要土壤类型为玄武岩砖红壤、火山灰幼龄砖红壤、沙页岩砖红壤、带状潮沙泥、滨海沙土等共8个土类12个亚类43个土属110个土种 [10]。

1 2 研究方法

1 2 1 数据处理及分类 本研究选取海口市1991、2001年空间分辨率为30 m和2014年空间分辨率为10 m共3期的Landsat TM/ETM+Alos遥感影像数据作为基础数据源，利用遥感影像处理软件ENVI 4 4对遥感影像TM数据进行格式转换、波段合并、几何校正、配准、镶嵌、裁切等预处理；根据《土地利用现状分类》与《中华人民共和国土地管理法》的土地“三大类”划分标准，并结合海南岛的具体情况，将海口市土地利用类型分成建设用地、未利用地、耕地、园地、林地、牧草地和坑塘水面7类（表1）；运用ENVI 4 4对3期遥感影像进行初分类，再对图像进行Kappa系数检验，均超过最低允许精度0 70的要求，并且3期分类总精度也均超过90%，分类结果较好 [17]。

1 2 2 图谱数据的转换及编码 为合成图谱的基本单元进行空间数据运算及编码提取和重组 [18]；利用Arctoolbox工具下Reclassify命令，将解译后的Coverage格式数据统一转换成30 m grid 单元数据，并进行编码分类，将7种土地利用类型分

别赋予编码（表1）；使用统一行政边界修订各期最外缘海岸边线，得到海口市1991—2014年3期土地利用情况（图1），并作为系列土地利用图谱的基础数据。

1 2 3 土地利用图谱的合成 土地利用信息图谱具有同时表达土地利用状况空间结构特征和时间动态变化的功能，是由每一个基本图谱单元的空间·属性一体化数据所决定 [19-20]；因此，对图谱单元的划分和合成是创建系列图谱的关键 [21]。

1 2 3 1 图谱单元的生成 确定数据的空间单元即30 m×30 m网格单元和时序单元，采样数据时间间隔为10、14、24年 [22]；运行ArcGIS 10 2软件，将处理好的3期数据导入，在Spatial Analyst Tools 模块中，选用raster calculator 命令进行地图代数运算，合成图谱单元，计算公式为：C=A×10+B [23]。其中，C为研究时段土地利用变化的图谱单元Value值，A为前一采样时刻的空间单元Value值，B为后一采样时刻的空间单元Value值，Value<10。通过运算生成2位数的Value值，以记录其空间单元在不同采样时段内土地利用状态的变化。endprint

1 2 3 2 属性数据提取与制图 在Arc Map中，利用selection功能提取图谱单元属性数据，获取1991—2001年、2001—2014年、1991—2014年3个时段土地利用净变化数据和转移数据；通过数据处理、空间叠加分析，输出自动制图，合成1991—2001年和2001—2014年海口市土地利用转变信息图谱（图2、图3）和图谱单元排序表及转移矩阵表，并对土地利用图谱重新分类重构，得到1991—2014年土地利用涨势图谱（图4-A）和落势图谱（图4-B）。

1 2 4 土地利用图谱分析 用图谱分析土地利用的时空变化分3个部分：土地利用图谱单元，每单元都记录该空间内初期与末期的土地类型，使得数据具有时空复合特征；图谱单元排序表，也称为主要土地利用变化类型表；土地利用面积转移矩阵表，记录各土地类型面积转移情况 [24]。为更清晰地表达研究区域土地利用变化状况，在矩阵表中加入变化率和统计合算。土地变化率是指表示研究末期各种土地利用类型相对初期的变化程度 [23]，计算公式为：

变化率=（∑[DD（]n j=1[DD）]Sij-∑[DD（]n i=1[DD）]Sij）×100%/∑[DD（]n i=1[DD）]Sij。

同样，将变化比率添入图谱单元排序表中，表示某土地类型转化面积占研究区域内总转化面积的比率，计算公式为：

[JZ]变化比率=Sij×100%/∑[DD（]n i=1[DD）]Sij·∑[DD（]n j=1[DD）]Sij（i≠j）。

式中：S为面积，n为土地利用类型的数，i、j分别为研究初期和末期的土地利用类型，Sij表示初期i种土地利用类型转变为末期j种土地利用类型的面积。

2 结果与分析

2 1 1991—2001年海口市土地利用变化图谱分析

在合成的图谱中，共生成47类图谱单元，有41类土地类型发生变化，总面积达94 342 23 hm2。按变化比率和累计百分率，将覆盖变化区域面积90 9%的11类图谱单元进行排序，详见表2。

由表2可知，土地转换面积最大的是耕地向园地转化，面积为28 734 48 hm2，占总变化面积的30 5%，主要分布在海口市西南部和东北部，同时，又有17 221 14 hm2的园地转为耕地，占总变化面积的18 3%，于琼山区和美兰区呈零星分布；其次是林地转为园地，达13 357 53 hm2，占总变化面积的14 2%，分布在海口市永兴镇南部；耕地转为园地、园地转为耕地、林地转为园地3种变化类型，共占总变化面积的629%，农用地内部结构调整显著；耕地和园地向建设用地转化的面积共为9 145 62 hm2，占总变化面积的9 7%，其中，由园地转化的新增建设用地分布在海口旧城区外围西侧和南渡江西侧，由耕地转化的新增建设用地则主要分布在海口西海岸滨海区。

由表3可知，1991—2001年的园地、建设用地、坑塘水面变化率为正值，呈增加趋势；园地净增加面积最大，达 19 172 27 hm2，其新增面积为44 789 50 hm2，其中64 15 %源于耕地，面积为28 734 48 hm2，29 82%来自林地，面积为13 357 53 hm2，与之同时，有27 62%、面积为12 116 89 hm2的原有园地主要转变为172 21 14 hm2的耕地、4 468 23 hm2的建设用地和2 957 67 hm2的林地；建设用地增长速度最快，到2001年时，建设用地面积为17 833 60 hm2，是1991年的3 12倍，较1991年增长率高达212 %，其增加的面积有38 86 %来自耕地，面积为4 677 39 hm2，36 87 %来自园地，面积为4 468 23 hm2，17 67%来自未利用地，面积为2 141 10 hm2；坑塘水面增长面积较小，主要由耕地和园地转化而来，说明种植业开始向水产养殖转移；耕地、林地、牧草地和未利用地的变化率为负值，呈减少趋势，其中耕地和林地缩减面积最为显著，近10年，林地从50 286 60 hm2缩减为 35 515 32 hm2，缩减比率达29%，耕地从62 091 67 hm2缩减为49 705 83 hm2，缩减比率达20 %。结合图2可知，在海南建省办特区以来，优惠的政策导向使海口中心市区向外围扩建、滨海旅游区和工业港口开始兴建及粤海铁路、美兰机场等交通运输用地建设等征用了大量园地、耕地和未利用地。

2 2 2001—2014年海口市土地利用变化图谱分析

在合成图谱中，共生成46类图谱单元，有40类土地类型发生变化，总面积为 113 278 58 hm2。按变化比率和累计百分率，将覆盖变化区域面积84 1 %的10类图谱单元进行排序，详见表4。

由表4可知，2001—2014年仍以园地、林地和耕地变化为主，园地的“转入”依然显著，相比1991—2001年，耕地向园地转化面积变小，林地向园地的转化在增加，转移面积达到 19 821 62 hm2，占总变化面积的17 5%，转移方向由秀英区永兴镇向其周边扩张，西至石山镇，东到琼山区龙塘镇；园地向耕地和建设用地的转化则分别占总变化面积的16 5%和7 6%， 相比前期园地向建设用地转化的增加面积，时空布局的转移发生很大改变。由图3可见，耕地向建设用地的转化主要在南渡江东侧美兰区灵山镇附近及琼山区南部呈零星状分布，随着新的海口城市总体规划实施，南渡江滨江地带将在城市跨江发展后成为未来海口市新的综合性城区，而琼山市在并入海口市后城镇建设步伐加快。

未利用地和坑塘水面，建设用地的净增加面积最大，为 14 620 64 hm2，较前期而言增长速率减缓，为82%；坑塘水面的变化率达到最大，近14年里坑塘水面的面积由 1 950 45 hm2 增加到9 856 34 hm2，增长率达405%，主要分布在海口东寨港附近，增加面积主要来源园地和耕地，这说明2001—2014年海口市水产养殖业不断壮大；林地、耕地、未利用地和牧草地面积在不断缩小，依然是耕地和林地的面积缩减最为显著，缩减的面积分别为11 961 86 hm2和 15 501 62 hm2，与前期相比，缩减幅度较稳定。endprint

2 3 1991—2014年海口市土地变化“涨势”和“落势”图谱分析

在合成的土地利用图谱中，由于图谱单元类型繁多，并夹杂[CM（25]着“噪声”；因此，对图谱进行了冗余信息消除，以减弱噪声干扰 [22]。根据土地利用的“转入”与“转出”特性，重新设定分类原则，建立重设映表，重新构建图谱单元，合成土地利用增长图谱（图4-A）和萎缩图谱（图4-B） [20]，以反映24年来各土地利用类型的“涨势”和“落势”信息，并统计分析土地利用的“转入”与“转出”数据（表6）。

由表6、图4-A可知，1991—2014年，在新增面积上，园地涨势最强，新增面积为60 077 97 hm2，占总新增面积的44%，这表明农民为追求更好的经济效益，结合本地区的自然优势兴建蔬菜大棚或果园，使得农用地由以往主要的耕地和林地转化为经济价值较高的园地；其次是建设用地，新增面积达 28 053 63 hm2，由旧城区向其周边扩张，尤其近年来西部滨海休闲娱乐度假区开发、行政中心西移和经济功能区建设，使建成区整体向西拓展，永兴镇周边也因生态旅游和高尔夫旅游产业兴起带动了房地产业的发展，建设用地增加显著；在新增速率上，坑塘水面的增长速度最快，达到52 9%，这反映近[CM（25]年来水产养殖业在农业中发展迅猛。由表6、图4-B可知，耕地和林地面积萎缩最为明显，2类用地转移面积分别占总缩减面积的33 8%和30 1%，转移面积达46 067 67 hm2和 41 092 92 hm2，耕地和林地是其他用地类型新增部分的主要来源。结合图4分析可知，由于农业结构调整和城市化建设进程加快，海口西部的林地和南部的耕地大幅度缩减，但海口东海岸的东寨港红树林、中部的火山森林公园等林地由于在自然保护区范围内而保持较为稳定；从转移速率上看，1991—2014年间牧草地的转移速率达到最大，建设用地的转移速率相对最低。

3 结论

本研究采用图谱分析方法，借助图谱单元具有“时间、空间、属性、过程”一体化的特点，将地学信息图谱引入土地利用格局变化研究，通过图谱构建与表达，分析1991—2014年这24年间海口市土地利用主要的时空格局变化，得出相关结论：（1）1991—2001年、2001—2014年，园地、建设用地和坑塘水面的面积呈增加趋势，增长面积最大的图谱单元都是园地的“转入”，主要来源于耕地和林地；1991—2001年，园地的净增加面积最大，建设用地的增长速度最快，主要占用园地与耕地面积，林地与耕地面积缩减较为显著；2001—2014年，建设用地的净增加面积最大，园地和建设用地增长速度变缓，坑塘水面增长幅度不断增大，主要来源于园地和耕地。（2）1991—2014年，在土地数量变化上，园地、建设用地和坑塘水面面积增加，林地、耕地、牧草地和未利用地面积减少；在空间变化上，海口市西北部的园地面积不断以永兴镇向四周扩大，海口市东部的园地则不断转化为耕地和坑塘水面，同时，该区域北部建设用地向其周边滨海区和南渡江两岸不断扩增，这体现出海口市近年来区域农业用地内部结构的调整，海口市城市化进程的势头方兴未艾。

在政策导向、经济效益和社会发展等影响因素下，海口市各土地利用类型发生了不同程度的变化。结合1991—2014年海口土地利用格局变化特征，笔者建议：一是加强耕地特别是农田保护，根据海口市土地利用的总体规划，划分出基本农田保护区，保持耕地总量的动态平衡；二是建设用地的集约挖潜利用，在充分利用闲置土地和劣地的基础上，大力提高土地利用率，同时合理控制建设用地规模；三是保护生态环境，合理开发各类土地资源，加快生态防护林建设和城市绿化建设，对具有特殊生态功能的天然林、水域、滩涂等建立自然保护区加强管理；四是因地制宜发展农业用地，提高农用地的利用率和综合效益。

本研究通过图谱分析与数学模型相结合，主要针对海口市24年来土地利用的时空变化特征进行探索研究。在以后相关研究中可深入运用地学信息图谱理论，充分发挥地学信息图谱反演过去、虚拟现在、预测未来的功能，以评价土地利用变化所引发的生态环境效应，进一步预测分析土地利用变化趋势及其与人类活动的关系，为研究区域土地资源的可持续利用提供决策支持。

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