广西陆地边境地区土地利用信息图谱构建

李秋萍, 陆汝成, 梁宝坤, 梁倩婧, 林 莹

(1.南宁市土地储备中心，南宁 530021； 2.广西师范学院 国土资源与测绘学院, 南宁 530001)



广西陆地边境地区土地利用信息图谱构建

李秋萍1, 陆汝成2, 梁宝坤2, 梁倩婧2, 林 莹2

(1.南宁市土地储备中心，南宁 530021； 2.广西师范学院 国土资源与测绘学院, 南宁 530001)

基于地学信息图谱理论和GIS技术，以广西陆地边境地区为例，分析了该区域2003—2013年土地利用“格局图谱”、“分类图谱”、“转移图谱”、“变化模式图谱”和“涨落势图谱”，揭示了土地利用时空格局演变规律。结果表明：(1) 研究期间，土地利用结构总体上以林地和耕地为主，表明该区域以农林生产为主；耕地、林地、水域和建设用地面积持续增加，而草地和未利用地面积持续减少，草地、未利用地、林地和耕地的相互转化是边境土地利用变化的主要转移轨迹；(2) 稳定型图谱占总面积的比重最大，空间上散布于整个边境地区，“林地—林地—林地”是其最大图谱演变类型，“耕地—耕地—耕地”次之；持续变化型所占比重最小，其最大图谱演变类型是“草地—林地—耕地”；(3) 涨落势图谱中，新增图谱单元最多的是林地，主要来源于对草地和未利用地的开发利用；草地和未利用地萎缩明显，两者主要转换为耕地和林地。

土地利用; 信息图谱; 边境; 广西

土地利用是自然环境演变和人类活动相互作用的复杂综合体[1-2]，作为“空间单元特征的图”与“事件发展起点与过程的谱”结合体的土地利用/覆被变化(LUCC)日益成为学者们普遍关注的核心和热点内容[3]。地学信息图谱是一种以系列化、数据化的图形图像和遥感、地理信息系统、信息网络、计算机制图等技术为支撑而逐渐发展起来的时空复合分析方法[4-5]，能够将土地利用/覆被变化(LUCC)谱系化、时空化、定量化、动态化，揭示土地利用时空变化的动态演变规律[6-7]，发挥信息图谱数据挖掘方法在形象思维和空间位置方面的优势[1,8]。在地学信息图谱理论与方法基础上构建的土地利用/覆被变化(LUCC)信息图谱对土地利用变化的格局和过程具有很好的指示性[9]，是研究土地利用时间、空间、属性信息和发展演变模式的理想手段[10-11]。经济全球化和贸易自由化的不断深入驱动着广西边境贸易的蓬勃发展，由此引发边境土地利用的剧烈变化，本研究运用地学信息图谱方法对广西陆地边境地区土地利用“格局图谱”、“分类图谱”、“转移图谱”、“变化模式图谱”和“涨落势图谱”进行综合研究，揭示广西陆地边境地区土地利用时空格局动态演变规律，为区域土地利用合理配置提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区地处祖国南疆边陲，位于广西壮族自治区西南部，介于东经105°31′—108°36′，北纬20°36′—23°34′，广西陆地边境线长达1 020 km，包括龙州县、防城港市市辖区(包括港口区和防城区)、那坡县、东兴市、宁明县、靖西县、大新县、凭祥市等8个边境县(市、区)，28个乡镇与越南广宁、谅山、高平、河江4个省接壤。研究区属亚热带季风气候，年平均气温19.5～23.2℃，年降雨量1 353.1～2 738 mm，自然资源较为丰富，土地利用类型主要包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等。2013年广西陆地边境地区行政区域土地面积为18 383.44 km2，常住人口为217.58万人。边境贸易发展是拉动广西陆地边境地区社会经济发展的重要动力，2013年边境贸易进出口额为1 364.51亿元，同比增长40.74%；2013年地区生产总值为610.94亿元，同比增长9.91%。

1.2 数据来源及数据处理

以广西陆地边境地区2003年、2008年和2013年30 m空间分辨率的TM遥感影像为初始数据源，运用Erdas9.2和ArcGIS 10.2等软件，经过多波段彩色合成、辐射校正、几何校正、拼接和裁剪等预处理后，基于对研究区土地利用现状的调研了解、影像地物特征和广西陆地卫星TM假彩色数据土地资源信息提取标志，采用监督分类方法对遥感影像进行目视判读，在此基础上进行精度检验，3期影像的Kappa系数分别为0.80，0.77，0.84，均大于最低精度要求(0.7)，分类结果与实地类型符合度较高，满足本文研究的需要，由此得到2003年、2008年和2013年土地利用矢量数据。根据中国科学院地理科学与资源研究所土地利用分类体系，并结合广西陆地边境地区土地利用的实际情况，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地等6大地类，编码分别设置为1，2，3，4，5，6，并将研究区三期数据按50 m×50 m格网单元进行重采样，统一空间分辨率。

1.3 研究方法

p=f(r,t)

(1)

式中：p(p1,p2,p3,…,pn)可以代表地理景观的任何性质，既可代表物理属性，也可代表社会经济属性；r代表空间位置；t代表时间。

1.3.2 图谱代码融合法 当土地利用类型≤10时，将每个最小图谱单元表征前一采样时刻土地利用类型的图谱单元代码作为十位数(A)，表征后一采样时刻的土地利用类型的图谱单元代码作为个位数(B)，从而融合成一个新的图谱单元代码(AB)，该代码记录了图谱单元的发展演替过程[13]。

1.3.3 土地利用图谱变化模式 参照龚文峰[10]的研究，将图谱变化模式概括为5种类型，分别为前期变化型、后期变化型、反复变化型、持续变化型和稳定型。

1.3.4 土地利用涨落势图谱构建 土地利用变化包括转入和转出两方面[14]，在图谱单元类型较多的土地利用信息图谱中，为了更直接把握土地利用变化的发展趋势，可通过设定分类原则及建设重影射表来弱化冗余信息干扰、消除噪声，将图谱单元重新分类、归纳并提取有效信息，重构图谱[15]，建立由转入图谱单元构建的增长系列图谱及由转出图谱单元构建萎缩系列图谱[4]。

2 土地利用信息图谱构建与分析

2.1土地利用格局信息图谱分析

本研究基于2003年、2008年、2013年广西陆地边境地区土地利用矢量图，构建研究区土地利用格局信息图谱(附图1)，由此求得3个时期各种土地利用类型面积变化情况(表1)。广西陆地边境地区土地利用总体结构以林地为主，占有绝对优势，为边境地区的基质景观，3个时期林地比重均超过48%，分别为48.77%，49.42%，60.02%，其次是耕地、未利用地和草地，建设用地和水域比重相对较低，表明研究区以农业生产活动为主，工业生产活动为辅，符合广西陆地边境地区社会经济发展的特点。2003—2013年，广西陆地边境地区土地利用发生了深刻变化，林地、耕地、水域和建设用地呈现出持续增加的态势，究其原因主要是受人口增长、耕地保护政策、边境贸易发展、农田水利建设及城镇化进程加快等影响，单一土地利用动态度由高到低依次为林地(0.023%)>建设用地(0.020%)>耕地(0.017%)>水域(0.003%)，虽然建设用地年变化量低于耕地，但其单一土地利用动态度却高于耕地，说明研究期间建设用地变化剧烈，主要原因是在西部大开发战略及广西边境地区各项优惠政策实施的背景下，沿边公路、口岸、检验检疫大楼、跨境经济合作区和边贸物流中心等建设对建设用地需求旺盛，加大了建设用地压力。从整体的变化速率来看，草地和未利用地是最为活跃的两个地类，其单一土地利用动态度分别为-0.073%及-0.042%，呈现出持续减少的态势，反映出随着边境贸易及社会经济发展进程的加快，在比较利益的驱动下，边民加大了对未利用地及草地的开发利用。总体来看，人口的快速增长、边境优惠政策、社会经济的高速发展等因素共同驱动着广西陆地边境地区土地利用时空过程的不断演变。

表1 广西陆地边境地区遥感影像解译的土地面积及变化

2.2 土地利用分类信息图谱

对于替代弹性，现有研究中专门针对中国大豆市场国产大豆和进口大豆之间替代弹性的研究很少。谷强平等[14]利用1994—2013年数据测算的短期替代弹性为1.72，长期替代弹性为4.5。由于谷强平等人的研究中使用的数据比较新，且包含了中国加入WTO后的数据，更具有参考性。另外，从现实情况来看，目前国产大豆与进口大豆之间的用途已逐步分离，二者的替代性在逐步减弱。因此本文将1.72作为替代弹性的基准值进行模拟分析。

基于3期土地利用矢量图和ARCGIS的空间分析功能，构建2003—2013年广西陆地边境地区土地利用分类信息图谱。结果表明2003—2013年，伴随着耕地和林地面积不断增加的同时，草地和未利用地面积持续减少，增加和减少在空间位置上基本吻合，空间上散布于整个边境地区；水域面积变化幅度较小，主要分布于龙州县及凭祥市的东南部、东兴市南部和防城港市市辖区东南部；建设用地增加主要发生在那坡县、靖西县、大新县东南及东北部、凭祥市北部、防城港市市辖区东部和东兴市南部。

2.3 土地利用转移信息图谱分析

2.3.1 2003—2008年土地利用转移信息图谱 2003—2008年土地利用转移信息图谱是由2003年和2008年两期土地利用矢量图合成的。在该转移图谱中，共生成36类图谱单元，有30类土地利用图谱单元发生转移，将其按转移面积大小进行排序，并计算其累积百分率，其中，5类转移图谱单元覆盖了发生转移面积的80.18%。由表2可知，2003—2008年，边境土地利用变化以农业内部结构调整为主，总体表现为草地和林地、草地和耕地的相互转化，其中，由草地转移到林地的比例占总转移比率的27.42%，而由林地转移到草地的比例占24.22%，两者间的相互转化主要发生在凭祥市、宁明县、防城港市市辖区西南及东北部、东兴市北部，草地与林地之间的频繁转换，不仅说明退草还林与弃荒转草现象同时存在，也进一步揭示了土地利用结构的不合理；由于边民自发退耕还草，促使部分耕地转移到草地，占总转移比率的9.04%，主要分布在凭祥市、宁明县西北部和防城港市市辖区东北部；粮食压力的加大驱动边民逐步将部分土壤质量相对较好，养分含量相对较高的草地开垦成耕地，其转移比例占总转移比率的13.57%，主要分布在大新县西部及西北部、凭祥市和宁明县。

2.3.2 2008—2013年土地利用转移信息图谱 2008—2013年土地利用转移信息图谱共生成36类图谱单元，有30类土地利用图谱单元发生转移，其中5类转移图谱单元覆盖了发生转移面积的86.14%，高于前一阶段，土地利用类型变化显著，但仍是草地向林地转化的面积最大。由表2可知，2008—2013年，草地和未利用地向林地和耕地转移是面积最大的土地利用转化方式，具有全局性，遍布整个边境地区，两项累计转移比例占总转移比率的81.51%，其中，草地和未利用地向林地转移的比例占总转移比率的62.77%，边境地区生态环境整体质量相对较差，加上边民不合理的土地利用，导致边境地区生态环境日趋恶劣，具有较高生态环境保育功能的林地面积的增加在一定程度上遏制了边境地区生态环境恶化的势头；广西陆地边境地区相对于发达地区而言社会经济发展较低，边民受生存、发展压力驱动，大规模开发未利用地及草地以获取耕地进行农业生产，草地和未利用地向耕地转移的比例占总转移比率的18.74%，主要分布于靖西县、大新县、宁明县和龙州县南部。广西陆地边境地区人们不合理的土地利用方式使得15 605 hm2的林地转化为未利用地，生态环境遭到一定程度的破坏。

表2 2003-2013年广西陆地边境地区土地利用转移主要图谱单元排序

2.3.3 2003—2013年土地利用转移信息图谱 2003—2013年土地利用转移信息图谱是由2003年和2013年两期土地利用矢量图合成的，为总体转移图谱，该图谱共生成36类图谱单元，有30类土地利用图谱单元发生转移，其中5类转移图谱单元覆盖了发生转移面积的87.05%。由表2可知，该图谱与2008—2013年转移图谱的变化趋势一致，在所有土地利用类型转化过程中，草地和未利用地向林地和耕地转移是其主要转化轨迹，未利用地向林地和耕地转化主要发生在那坡县东南部、靖西县、大新县、龙州县和凭祥市西北部，草地向林地和耕地转移则主要发生在龙州县、宁明县、凭祥市及防城港市市辖区，其中，草地和未利用转为林地明显，占新增林地面积比重分别为52.42%，41.76%，两项累计达94.18%；草地和未利用转移到耕地的面积分别占新增耕地的61.80，32.7%，两项累计达94.50%，由此可知，草地和未利用地是新增耕地和林地的主要来源，表明随着边境开放程度和贸易强度的提高，广西陆地边境地区社会经济发展迅猛，经济效益较高的地类面积持续增加，未利用地和草地被陆续开发利用，其比重日趋降低。

2.4 土地利用格局变化模式信息图谱分析

为了掌握广西陆地边境地区土地利用时空演替模式，本研究构建了2003—2013年广西陆地边境地区土地利用格局变化模式信息图谱，并将图谱变化模式概括为5种类型，即前期变化型、后期变化型、反复变化型、持续变化型和稳定型。由表3可知：

(1) 前期变化型图谱单元占研究区面积的5.73%，面积为105 361 hm2，主要分布于凭祥市、宁明县和防城市市辖区东北部，其最大图谱演变类型为“草地—林地—林地”，面积为51 638 hm2，占前期变化型图谱的49.01%，研究期间，边境地区依托深林资源优势，大力实施护林造林工程，着力扶持林产工业龙头企业，如高峰集团；其次是“草地—耕地—耕地”，占前期变化型图谱的25.76%，2003—2008年，耕地面积的增加对于边境地区开展耕地保护活动产生积极的意义。

(2) 后期变化型面积为237 715 hm2，在排序表中位居第二，图谱单元占总面积的12.93%，主要分布于靖西县、大新县、龙州县南部、宁明县北部及防城市市辖区东部，“未利用地—未利用地—林地”是其最大图谱演变类型，“草地—草地—林地”紧随其后，两者占后期变化型图谱的比重分别为35.63%及28.59%，在边境地区社会经济快速发展的背景下，各类用地需求均呈现增长态势，为大力发展林业产业，增加收入，边民加大对未利用地及草地的开发利用。

(3) 反复变化型主要分布于凭祥市、宁明县和防城市市辖区东北部及南部，面积为90 544 hm2，占总面积的4.93%，“林地—草地—林地”是其最大图谱演变类型，面积为47 974 hm2，占反复变化型图谱的52.98%，2003—2008年，边民护林意识淡薄，导致部分林地逐渐退化成草地，2008—2013年，随着封山育林、退草还林等的实施，林地面积日益扩大，这对于促进生态平衡具有重要的现实意义。

(4) 持续变化型图谱单元面积为8 971 hm2，所占比重最小，为0.49%，“草地—林地—耕地”是其最大图谱演变类型，面积为1 527 hm2，该图谱表明随着社会经济的快速发展，人口、生计压力不断增大，边民为了追求自身利益的最大化，毁林开草，不断加大对边境地区草地、林地的占用，使得森林生态系统受到一定程度的破坏，从而导致边境地区部分区域生态环境质量不断恶化。

(5) 稳定型图谱占总面积的比重最大，为75.92%，空间上散布于整个边境地区，“林地—林地—林地”是其最大图谱演变类型，面积为812 889 hm2，占稳定型图谱的58.24%，广西陆地边境地区地处亚热带，林业发展条件优越，龙眼、八角、芒果、竹林等的种植不仅能提高边民收入，更是边境地区旅游业进一步发展的需要；“耕地—耕地—耕地”次之，面积为297 972 hm2，占稳定型图谱的21.35%，边境地区社会经济发展及边民的生活需要一定的耕地做保障，这对于边境地区的稳定具有重要意义。由此可知，林业和生态农业是广西陆地边境地区的基础产业。

表3 2003-2013年广西陆地边境地区土地利用格局变化模式信息图谱分析

2.5 土地利用涨落图谱分析

在2003—2013年涨落势图谱中(附图2)，耕地、林地、水域和建设用地以涨势为主，草地和未利用地则以落势为主。增长系列图谱刻画了2003—2013年广西陆地边境地区土地利用类型涨势状况，详见附图2A。由表4可知，新增图谱单元最多的是林地，3个时段分别占新增土地总面积的36.63%，66.57%，65.84%，主要来源于对草地和未利用地的开发利用，林地的增加反映边境地区林业产业的快速发展及边民环境保护意识的增强；其次是耕地，分别占18.26%，20.84%，22.16%，随着广西陆地边境地区社会经济的快速发展，为应对日益增长的粮食和其他农产品需求，边民通过毁草开荒来增加耕地面积，耕地面积的持续增加反映出农业生产活动仍然是边境地区重要的经济活动；建设用地、草地及未利用地次之，建设用地面积的增加主要来源于对耕地、草地及林地的占用，耕地撂荒、草地荒芜使得未利用地面积增加；新增水域面积相对较少，水域比重的增加主要得益于农田水利条件的改善和水产养殖业的发展等。萎缩系列图谱记录了2003—2013年广西陆地边境地区土地利用类型落势状况，详见附图2B，三个时段，草地和未利用地萎缩明显，草地分别占萎缩土地总面积的42.68%，47.56%，49.62%，未利用地分别占9.46%，37.76%，37.02%，两者主要转换为耕地和林地；其次为林地，分别占30.78%，8.74%，6.59%，主要来源于弃荒转为草地和未利用地；耕地萎缩次之，建设用地蚕食部分耕地，造成耕地资源流失；由于人口增加和经济发展的需要，建设用地及水域萎缩面积较少。研究期间，无论是增长系列图谱还是萎缩系列图谱，广西陆地边境地区土地利用类型都有始终稳定不变的区域，且稳定图谱面积占研究区图谱面积的比重均超过80%，处于绝对优势地位。

表4 2003-2013年广西陆地边境地区土地利用涨落势结构

3 结 论

(1) 广西陆地边境地区土地利用结构总体上以林地和耕地为主，表明该区域以农林生产为主，符合边境社会经济发展的特点。研究期间，耕地、林地、水域和建设用地面积持续增加，草地和未利用地面积持续减少，且草地和未利用地是耕地和林地的主要来源，10 a来边境不同土地利用类型间相互转化比较复杂，草地、未利用地、林地和耕地的相互转移成为土地利用变化的主旋律，最显著演变过程包括草地→林地、未利用地→林地、草地→耕地、未利用地→耕地和林地→草地等。总体来看，人口的快速增长、边境优惠政策、社会经济的高速发展等因素共同驱动着广西陆地边境地区土地利用时空过程的不断演变。

(2) 稳定型图谱占总面积的比重最大，空间上散布于整个陆地边境地区，“林地—林地—林地”是其最大图谱演变类型，“耕地—耕地—耕地”次之，表明耕地和林地为广西陆地边境地区的基质景观；“草地—林地—林地”和“草地—耕地—耕地”是前期变化型的主要演变模式；后期变化型的最大图谱演变模式为“未利用地—未利用地—林地”，林地的增加对边境生态环境产生积极的影响；“林地—草地—林地”是反复变化型最大变化模式；持续变化型所占比重最小，且最大图谱演变类型是“草地—林地—耕地”。

(3) 分析增长系列图谱可知，新增图谱单元最多的是林地，主要来源于对草地和未利用地的开发利用，林地的增加反映边境地区林业产业的快速发展及边民环境保护意识的增强；其次是耕地，耕地面积的持续增加反映出农业生产活动仍然是边境地区重要的经济活动。分析萎缩系列图谱可知，三个时段，草地和未利用地萎缩明显，两者主要转换为耕地和林地；其次为林地，主要来源于弃荒转为草地和未利用地。研究期间，无论是增长系列图谱还是萎缩系列图谱，广西陆地边境地区土地利用类型都有始终稳定不变的区域，且稳定图谱面积占研究区图谱面积的比重均超过80%，处于绝对优势地位。

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Construction of Land Use Information Atlas in Guangxi Land Border

LI Qiuping, LU Rucheng, LIANG Baokun, LIANG Qianjing, LIN Ying

(1.NanningLandReserveCenter,Nanning530021; 2.SchoolofLandResourcesandSurveying&Mapping,GuangxiTeachersEducationUniversity,Nanning530001,China)

Taking Guangxi land border as an example, based on the theory of Geo-information atlas and GIS technology, in order to reveal the spatial-temporal evolution process of land usage, we analyzed the land use ‘pattern atlas’, ‘classification atlas’,‘transfer information atlas’, ‘change model atlas’, ‘arising /declining atlas’ of this area from 2003 to 2013. The results showed that: (1) during the study period, farmland and woodland were the dominant land use types, indicating that the region focused on agriculture and forestry production; areas of farmland, woodland, water land and construction land increased constantly, however, areas of grassland and unused land decreased constantly, the mutual transformation of farmland, woodland, grassland and unused land were the main transformation trace of border land use change; (2) the spatial distribution of stable type atlas spreads the border area and its area proportion was the greatest, the ‘woodland→woodland→woodland’ was the greatest area change model, second model was ‘farmland→farmland→farmland’; the least proportion area was the constantly changing type, moreover, the greatest area change model was ‘grassland→woodland→farmland’; (3) in the arising /declining atlas, the largest expanding atlas was woodland, mainly deriving from the development of grassland and unused land; and the obviously shrinking atlas was grassland and unused land, mainly transforming into woodland and farmland.

land use; information atlas; border; Guangxi

2015-12-15

2016-01-07

国家自然科学基金(41261108，41661109)

李秋萍(1989—),女,广西南宁人,硕士研究生,主要研究方向为边境土地利用。E-mail:liqiuping0909@163.com

陆汝成(1972—),男(壮族),广西临桂人,博士,教授,硕士研究生导师,主要研究方向为土地利用变化与可持续发展、土地规划与区域发展。E-mail:lurucheng72@163.com

F301.24

A

1005-3409(2016)06-0210-06