包小鳳, 梅志雄, 劉曉飛
(華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州 510631)
在國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)中,土地利用變化研究作為其重要組成部分,成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一[1-3].土地利用數(shù)據(jù)之間存在空間依賴關(guān)系,經(jīng)典的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法由于未考慮空間因素的影響,因此對(duì)土地利用空間演變分析的結(jié)果易產(chǎn)生偏差,而空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法考慮了土地變化的鄰域空間相互影響,能更好地揭示土地利用變化的空間相互作用和空間擴(kuò)散作用的過(guò)程.目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者利用空間自相關(guān)方法從城鎮(zhèn)空間格局演化[4-6]、尺度特征或生態(tài)景觀格局方面研究土地利用格局及其變化[7-9].但某一區(qū)域的土地利用變化的強(qiáng)度是否會(huì)對(duì)周圍相鄰區(qū)域的土地利用變化強(qiáng)度產(chǎn)生影響,土地利用變化強(qiáng)度的空間自相關(guān)性呈現(xiàn)怎樣的特征和演變規(guī)律等,也應(yīng)受到重視.然而,對(duì)區(qū)域土地利用變化強(qiáng)度的空間相互作用規(guī)律和空間集聚特征及其演變規(guī)律的研究較缺乏.
為此,本文以廣州市2005—2009年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),引入土地利用動(dòng)態(tài)度指標(biāo)來(lái)表征土地利用變化強(qiáng)度,利用空間自相關(guān)方法,對(duì)廣州市土地利用變化強(qiáng)度的空間依賴性和異質(zhì)性進(jìn)行分析,揭示其土地利用變化強(qiáng)度在受空間相鄰關(guān)系影響下的集聚情況,為預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)等提供參考依據(jù).
本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2005—2009年廣州市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)整改成果,來(lái)源于廣州市國(guó)土資源和房屋管理局*數(shù)據(jù)來(lái)源于廣州市國(guó)土資源和房屋管理局“廣州市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)整改成果數(shù)據(jù)庫(kù)(2005—2009)”.2005年為廣州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十一五”規(guī)劃的目標(biāo)年,2009年則為“十一五”規(guī)劃期末年,所選研究時(shí)段恰逢廣佛同城化戰(zhàn)略的開(kāi)始實(shí)施、廣州市“東拓南進(jìn)”城市發(fā)展戰(zhàn)略以及廣州籌辦亞運(yùn)會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期,社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致了土地利用劇烈變化[10].因此,所選研究時(shí)段具有典型性.
廣州市土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)中,根據(jù)土地利用方式分為農(nóng)用地、建設(shè)用地、未利用地3個(gè)一級(jí)類型,一級(jí)類型又進(jìn)一步分為耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、水利設(shè)施用地、未利用土地、其他土地10個(gè)二級(jí)類,在二級(jí)類的基礎(chǔ)上又細(xì)分為49個(gè)三級(jí)類.在利用GIS軟件對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置分析過(guò)程中,考慮到采用三級(jí)類系統(tǒng)數(shù)據(jù)過(guò)于龐雜,而一級(jí)類過(guò)于簡(jiǎn)單,故采用分類系統(tǒng)中的二級(jí)類型.而廣州市土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)整改成果中的數(shù)據(jù)是以三級(jí)類系統(tǒng)存放的,因此,本文按照各三級(jí)類所屬的二級(jí)類,將其提取出來(lái)并進(jìn)行合并,同時(shí)將其屬性信息進(jìn)行修正,最后得到本文所需的土地利用空間數(shù)據(jù)庫(kù).
土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以描述土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各土地利用類型的變化方向.在GIS技術(shù)支持下,通過(guò)對(duì)不同時(shí)期的土地利用圖進(jìn)行空間疊加運(yùn)算,求出各時(shí)期土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣,進(jìn)而可分析引起土地利用變化的過(guò)程[11-13].土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)形式[11]為:
(1)
式中,S為某種土地利用類型面積;n為土地利用類型數(shù);i、j分別為研究初期和研究末期的土地利用類型.具體應(yīng)用中,為方便查看,通常將該矩陣用表格形式來(lái)表示.
通過(guò)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣,可以反映研究時(shí)段各土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化情況,便于了解研究時(shí)期各類型土地的流失去向和各土地利用類型的來(lái)源與構(gòu)成[11].
土地利用變化動(dòng)態(tài)度是表示土地資源變化快慢的重要指標(biāo),單一土地利用動(dòng)態(tài)度是用來(lái)描述區(qū)域一定時(shí)期內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化的速度,它能較好地比較各區(qū)域間土地利用變化快慢的差異,并且可一定程度上反映未來(lái)土地利用變化的趨勢(shì)[14]. 其計(jì)算公式[15]如下:
(2)
式中,Ua、Ub分別為研究初期和末期某一特定土地利用類型的面積;T為研究末期和研究初期時(shí)間間隔.
地理事物和現(xiàn)象與其空間位置密切相關(guān),距離越近的事物和現(xiàn)象之間的相關(guān)性越強(qiáng),這種相關(guān)關(guān)系稱作空間依賴.空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法可反映1個(gè)觀測(cè)單元的地理現(xiàn)象或?qū)傩灾翟趨^(qū)域上與鄰近單元相同現(xiàn)象或?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度的大小,可以用來(lái)檢驗(yàn)地理現(xiàn)象或?qū)傩灾档恼w分布狀況,判斷其在空間上是否有聚集特性存在.有兩類空間自相關(guān)度量指標(biāo)用來(lái)定量研究地理現(xiàn)象的空間集聚:(1)全局空間自相關(guān)系數(shù),主要用于探索某屬性值在整個(gè)區(qū)域的空間分布特征,常用的有Moran’sI和 Geary’sC[16];(2)局域空間自相關(guān)系數(shù),主要探索某屬性值在子區(qū)域上的空間分布格局或空間異質(zhì)性,常用的有局域Moran’sI和局域 Geary’sC[1,7-8,17].
本文采用全局和局域Moran’sI指數(shù)來(lái)分析廣州市土地利用變化強(qiáng)度空間分布特征.
2.3.1 全局空間自相關(guān) 全局的Moran’ sI指數(shù)計(jì)算公式[18]如下:
(3)
2.3.2 局部空間自相關(guān) 局部空間自相關(guān)以Local Moran’sI表征,網(wǎng)格i的Local Moran’sI通過(guò)如下公式[8]計(jì)算:
(4)
式(4)計(jì)算的Local Moran’sI指數(shù),可以反映某單元與其他單元屬性值關(guān)聯(lián)的類型和程度,其表示的局部空間關(guān)聯(lián)性質(zhì)可劃分為4種類型:高—高集聚(H-H)、低—低集聚(L-L)、某單元屬性觀測(cè)值較高而其周邊相鄰單元較低的高—低集聚類型(H-L)、某單元屬性觀測(cè)值較低而其周邊相鄰單元較高的低—高集聚類型(L-H).H-H(L-L)集聚型表示Local Moran’sI為正值,某單元與其相鄰單元之間存在正的空間自相關(guān)關(guān)系,具高(低)的相同值在空間上集聚的效應(yīng);H-L(L-H)集聚型表示Local Moran’sI為負(fù)值,某單元與其相鄰單元之間存在負(fù)的空間自相關(guān)關(guān)系,具高低(低高)不同值在空間上集聚的效應(yīng),是空間異質(zhì)區(qū)域.
通過(guò)ARCGIS疊加分析并利用式(1)得到2005—2009年廣州市土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣,根據(jù)此轉(zhuǎn)移矩陣,研究時(shí)段內(nèi)各地類間的相互轉(zhuǎn)移情況.2005—2009年各土地利用類型面積均發(fā)生了較大變化,其中城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地和牧草地均有不同程度的減少,分別減少了8 983.89、4 153.15和4 799.24公頃;增加的地類是園地和其他土地,分別增加了22 306.26和9 979.17公頃.
隨著廣州市土地整理復(fù)墾開(kāi)發(fā)規(guī)劃及其相關(guān)項(xiàng)目工程的實(shí)施,大量零散分布的農(nóng)村建設(shè)用地和廢棄工礦用地轉(zhuǎn)換為耕地、園地和其他土地.由于年廣佛同城化[19]的進(jìn)行和亞運(yùn)會(huì)[20]的籌備,2005—2009年各用地類型均發(fā)生了變化(表1),變化最劇烈的是城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、耕地、林地和其他農(nóng)用地.表1中的增加量來(lái)源的地類即減少的地類.
表1 2005—2009年廣州市各地類變化Table 1 The details of each land type change in Guangzhou from 2005 to 2009
(3)土地利用結(jié)構(gòu)表(表2)顯示,2005—2009年變化最大的是城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地(由16.62%增加到18.10%)和交通運(yùn)輸用地(由2.08%增加到2.68%).
因此,以城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地和交通運(yùn)輸用地的變化為例,分析研究時(shí)段內(nèi)廣州市土地利用變化強(qiáng)度空間格局情況.
3.2.1 兩類用地變化的分布特征 結(jié)合近年廣州市城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地和交通運(yùn)輸用地增減統(tǒng)計(jì)情況及其變化分布圖(圖1),可以看出廣州市土地利用變化在空間上主要集中在中部和南部,各年際變化差異較大.交通運(yùn)輸用地變化時(shí)空分布大致經(jīng)歷了一個(gè)從南北方向向中心集聚,再向東西兩側(cè)擴(kuò)散的過(guò)程,而變化強(qiáng)度呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì),分布形態(tài)呈現(xiàn)“線狀散點(diǎn)混合型—集聚型—線型”的演變狀態(tài);城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化時(shí)空分布大致經(jīng)歷了一個(gè)以中部和西部為核心,東部、南部和北部逐漸向心縮減的過(guò)程,變化程度同樣呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì),分布形態(tài)呈現(xiàn)“面狀—簇團(tuán)散點(diǎn)混合狀—條帶狀”的演變狀態(tài).由此可知,廣州市交通用地的變化與城鎮(zhèn)工礦建設(shè)的變化類型和時(shí)空分布及其演變狀態(tài)趨于一致.
表2 2005—2009年土地利用結(jié)構(gòu)表(%)Table 2 Land use structure in Guangzhou from 2005 to 2009(%)
圖1 廣州市城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地和交通運(yùn)輸用地變化分布
3.2.2 兩類用地變化強(qiáng)度的分布特征 采取1 km×1 km網(wǎng)格的空間尺度來(lái)劃分研究區(qū)[9,21-23],以更為精細(xì)地揭示研究區(qū)內(nèi)部土地利用變化的空間分布差異及其空間集聚規(guī)律.
經(jīng)過(guò)疊加運(yùn)算,可分別得到每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化的動(dòng)態(tài)度指標(biāo).由于各網(wǎng)格內(nèi)的動(dòng)態(tài)度指標(biāo)數(shù)量差異較大,為便于比較,對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,得到交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地歸一化動(dòng)態(tài)度的演變圖(圖2).廣州市交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地的變化強(qiáng)度呈現(xiàn)以下特征:
整體上,2005—2009年高等級(jí)動(dòng)態(tài)度的交通運(yùn)輸用地集中分布在中部的蘿崗區(qū)、天河區(qū)、越秀區(qū)、海珠區(qū)和南部的番禺區(qū)、南沙區(qū). 其中2005—2006年和2008—2009年高等級(jí)動(dòng)態(tài)度分散分布在中部和南部地區(qū),2006—2007年與2007—2008年高等級(jí)動(dòng)態(tài)度交通運(yùn)輸用地大部分集中在中部地區(qū).低等級(jí)動(dòng)態(tài)度的交通運(yùn)輸用地分散分布在西北部的花都區(qū)、白云區(qū)和北部的從化區(qū),2005—2006年和2008—2009年呈分散狀分布,2006—2007年和2007—2008年呈團(tuán)狀分布.
2005—2009年城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化以高等級(jí)和中高等級(jí)動(dòng)態(tài)度為主.2005—2006年和2008—2009年高等級(jí)動(dòng)態(tài)度呈點(diǎn)狀散布于各區(qū),而低等級(jí)動(dòng)態(tài)度分布在東部的增城市和北部從化市北端;2006—2007年和2007—2008年高等級(jí)動(dòng)態(tài)度呈團(tuán)塊狀集中分布在西北部的花都區(qū)、中部的白云區(qū)、蘿崗區(qū)、天河區(qū)、海珠區(qū)以及番禺區(qū)北部與海珠區(qū)交界地帶.
對(duì)比觀察兩種用地類型的動(dòng)態(tài)度分布,可以發(fā)現(xiàn)交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度分布基本一致.高等級(jí)動(dòng)態(tài)度都主要集中在中部地區(qū),2005—2006年和2008—2009年呈分散分布,其他年份呈團(tuán)狀分布.但兩種地類的動(dòng)態(tài)度分布也有不一致之處,主要表現(xiàn)在:2005—2006年高等級(jí)動(dòng)態(tài)度的交通運(yùn)輸用地主要分布在南部,而城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地在整個(gè)研究區(qū)均有分布;2008—2009年,高等級(jí)動(dòng)態(tài)度的交通運(yùn)輸用地分布在西部和中部地帶,而城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地在西部和中部地區(qū)及南部的番禺和南沙均有分布.
圖2 2005—2009年廣州市交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地歸一化動(dòng)態(tài)度演變圖
3.2.3 兩類用地變化強(qiáng)度的空間自相關(guān)分析 通過(guò)式(3)分別計(jì)算交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化動(dòng)態(tài)度的全局 Moran’sI(表3、表4).由表3可知,交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化動(dòng)態(tài)度的分布模式.2005—2006年和2008—2009年交通運(yùn)輸用地變化動(dòng)態(tài)度的全局Moran’sI指數(shù)均為負(fù)值且接近于0,P值分別為0.944和0.979,可以判斷這兩個(gè)時(shí)段的交通運(yùn)輸用地變化強(qiáng)度呈隨機(jī)分布模式;而2006—2007年和2007—2008年,其全局Moran’sI指數(shù)均為正值,且P值均為0,這兩個(gè)時(shí)段為集聚分布模式.表4中,各時(shí)段的城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化動(dòng)態(tài)度的全局Moran’sI指數(shù)均為正值,z值位于7.6~29.1之間,P值均為零,可以判斷城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化強(qiáng)度總體呈集聚分布模式.4個(gè)年份中交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地的Moran’sI指數(shù)大部分?jǐn)?shù)值為正,說(shuō)明廣州市土地利用強(qiáng)度存在正的全局空間自相關(guān)性,即廣州市土地利用強(qiáng)度在空間上并沒(méi)有表現(xiàn)為完全的隨機(jī)性,而是以空間聚集為主.分析歷年的Moran’sI指數(shù)的變化情況,發(fā)現(xiàn)基于交通運(yùn)輸用地的全局自相關(guān)有所提高,基于交通運(yùn)輸用地的全局自相關(guān)有所降低.原因可能是廣州市近年來(lái)使得廣州市交通運(yùn)輸用地為線性開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)順序?yàn)檫B續(xù)的,所以空間趨同性提高,城鎮(zhèn)村建設(shè)用地為面狀開(kāi)發(fā),跳躍性較大使得空間趨同性降低所致.
表3 2005—2009年交通運(yùn)輸用地變化動(dòng)態(tài)度的全局Moran’sI指數(shù)
Table 3 Global Moran’sIof the dynamic degree of transportation lands from 2005 to 2009
時(shí)段2005—2006 2006—20072007—20082008—2009Morans I指數(shù)-0.0000.0120.058-0.000Z值0.06910.6157.650-0.025P值0.9440.0000.0000.980分布模式隨機(jī)集聚集聚隨機(jī)
表4 2005—2009年城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化動(dòng)態(tài)度的全局Moran’sI指數(shù)
Table 4 Global Moran’sIof the dynamic degree of built-up lands from 2005 to 2009
時(shí)段2005—20062006—20072007—20082008—2009Morans I指數(shù)0.1560.2270.1210.122Z值19.77829.13315.63115.179P值0.0000.0000.0000.000分布模式集聚集聚集聚集聚
再通過(guò)方程(4)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元的局部Moran’sI指數(shù),其對(duì)應(yīng)的4種集聚類型的空間分布如圖3所示. 空間自相關(guān)理論認(rèn)為彼此之間距離越近的事物越相像[8]. 正空間自相關(guān)對(duì)應(yīng)于集聚格局,負(fù)空間自相關(guān)對(duì)應(yīng)于離散格局.研究時(shí)段內(nèi),交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化動(dòng)態(tài)度集聚情況具有明顯差異性.交通運(yùn)輸用地變化強(qiáng)度在2005—2006年和2008—2009年沒(méi)有明顯的集聚分布,但2006—2007年在蘿崗區(qū)成高值集聚(H-H)狀態(tài),2007—2008年在蘿崗區(qū)和花都區(qū)亦呈高—高集聚態(tài)勢(shì).這些區(qū)域的交通運(yùn)輸用地變化強(qiáng)度較高,而且周圍地區(qū)的交通運(yùn)輸用地變化強(qiáng)度也較高,相鄰區(qū)域單元具有較高的空間正相關(guān). 2005年,“迎亞運(yùn)”系列工作的啟動(dòng),為廣州市城市建設(shè)的快速發(fā)展創(chuàng)造了契機(jī).到2007年,廣州市“一主三副”的空間結(jié)構(gòu)形成,蘿崗區(qū)和花都區(qū)作為副城區(qū),道路建設(shè)強(qiáng)度大,且在空間上較為集中,交通運(yùn)輸用地規(guī)模進(jìn)入高速增長(zhǎng)階段[24].
城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化強(qiáng)度以高值集聚類型為主,但某些時(shí)段H-L型集聚和L-H型集聚也同時(shí)存在,如2005—2006年,城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化強(qiáng)度高值集聚區(qū)呈團(tuán)狀分布于從化市南部、花都區(qū)東部、蘿崗區(qū)和增城市中部以及南沙區(qū),而在花都區(qū)東部、增城市西部和番禺區(qū)北部有零星分布的L-H集聚單元;2006—2007年,H-H單元成點(diǎn)狀分布于各區(qū),H-L單元主要分布在花都區(qū)東西兩端和白云區(qū)西部;2007—2008年城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地變化強(qiáng)度的H-H集聚單元分布呈現(xiàn)南北不平衡態(tài)勢(shì),南多北少,大部分HH單元分布在蘿崗區(qū)南部、增城市南部、番禺區(qū)北部和南沙區(qū)北部;2008—2009年,H-H單元和H-L單元較之前有大幅度增加,H-H集聚單元主要分布在中部和南部,H-L集聚單元主要分布在北部從化市、花都區(qū)北部和增城市北部.圖3顯示城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地聚集類型的空間分布大致為:①高值(H-H)集聚的區(qū)域有從化、花都、蘿崗、增城;②高低(H-L)集聚的區(qū)域有花都、白云、從化、增城;③低高(L-H)集聚的區(qū)域有花都、增城、番禺.這些區(qū)域均為新城區(qū),新城區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)使得土地利用變化強(qiáng)度高,在各區(qū)呈現(xiàn)高值聚集,或伴隨低高、高低聚集的高值聚集的空間特征,且發(fā)生高值聚集的地塊均分布在各區(qū)交界處.老城區(qū)由于土地利用開(kāi)發(fā)時(shí)期久遠(yuǎn),土地利用程度和結(jié)構(gòu)比較完善,發(fā)生變化的幾率較低,因此土地變化強(qiáng)度較低,沒(méi)有發(fā)生土地利用變化強(qiáng)度集聚的現(xiàn)象.
采用GIS空間分析和空間自相關(guān)方法,分析2005—2009年廣州市土地利用變化情況,并探索交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦建設(shè)用地的變化強(qiáng)度空間格局及其集聚,得出以下結(jié)論:
(1)廣州市土地利用變化,南部發(fā)展的速度最快;在各個(gè)地類中道路的擴(kuò)張方向跟建設(shè)用地的擴(kuò)張方向一致,出現(xiàn)大量建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄓ玫睾土值氐默F(xiàn)象.
(2)廣州市土地利用變化過(guò)程中,土地利用變化強(qiáng)度受空間關(guān)系的影響,各年份網(wǎng)格單元存在明顯的空間正相關(guān).
(3)土地整治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)開(kāi)展和多核心城市發(fā)展模式影響下,廣州市各縣區(qū)行政邊界交叉的地方,土地利用類型呈現(xiàn)劇烈變化;在各區(qū)交界處,廢棄、破碎、分散的建設(shè)用地復(fù)墾為農(nóng)用地,為高動(dòng)態(tài)度集聚(H-H)模式.由此認(rèn)為土地利用動(dòng)態(tài)度集聚對(duì)行政因素的響應(yīng)較敏感.
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