淮南市土地利用程度變化過(guò)程的時(shí)空演化特征

梁 明，聶 拼，陸胤昊，孫曉娟

淮南市土地利用程度變化過(guò)程的時(shí)空演化特征

梁 明1,2，聶 拼3，陸胤昊1,2，孫曉娟4

（1. 安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601；2. 安徽大學(xué)安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601；3. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023；4. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

土地利用變化研究中存在重格局輕過(guò)程、重模擬輕度量的現(xiàn)象，缺乏對(duì)序列快照間土地利用單元演化過(guò)程的時(shí)空模式的探查和度量研究。該文以土地利用變化的序列時(shí)空數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以時(shí)空柵格為建模手段，以土地利用程度累積變化度為時(shí)空過(guò)程的基本度量工具，對(duì)淮南市土地利用變化過(guò)程的時(shí)空模式進(jìn)行分析。結(jié)果表明：2008—2017年間研究區(qū)的土地利用程度的劇烈變化在特定尺度下呈現(xiàn)顯著的時(shí)空聚集性特征；同時(shí)土地利用程度的平緩變化也呈現(xiàn)出較為顯著的時(shí)空聚集性特征；介于二者之間的較為劇烈的土地利用程度變化的時(shí)空聚集性不顯著，表明研究時(shí)段人類干擾活動(dòng)具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，3種土地利用程度在距離交通網(wǎng)絡(luò)較近的范圍內(nèi)（300和600 m范圍內(nèi)）均呈現(xiàn)聚集性，而在更遠(yuǎn)的距離上（900 m范圍內(nèi)）趨于隨機(jī)分布，表明交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)土地利用變化具有較強(qiáng)烈的影響；在距離交通網(wǎng)絡(luò)的不同空間尺度上，土地利用程度的劇烈變化和平緩變化在較小的空間尺度上時(shí)空聚集性呈現(xiàn)顯著性，而較為劇烈的土地利用程度變化在多個(gè)尺度上的時(shí)空聚集性都不顯著，表明交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)土地利用程度時(shí)空變化的影響存在尺度差異，且較為極端的土地利用變化過(guò)程更容易呈現(xiàn)時(shí)空聚集性。

土地利用；遙感；時(shí)空過(guò)程；時(shí)空聚集性；土地利用程度；最鄰近距離

0 引 言

土地利用與覆蓋變化（Land Use and Coverage Change，LUCC）是全球變化的重要研究?jī)?nèi)容[1-2]。研究土地利用變化過(guò)程的時(shí)空模式，對(duì)于發(fā)現(xiàn)土地利用行為的異常、探查土地演化過(guò)程的時(shí)空規(guī)律、科學(xué)制定土地利用政策都具有重要意義[3-4]。LUCC研究中土地利用在時(shí)間維的異質(zhì)性與其在空間維的異質(zhì)性相類似，都是物質(zhì)、能量和信息的轉(zhuǎn)移與再分配過(guò)程的體現(xiàn)。這種時(shí)空上的再分配過(guò)程對(duì)全球變化起著至關(guān)重要的作用[5-6]。因此，LUCC研究不僅僅要重視空間維度土地利用結(jié)構(gòu)的差異，時(shí)間維度上土地利用的變化過(guò)程也不容忽視[7-8]。當(dāng)前的土地利用變化研究偏重于土地利用空間上的“形”（空間形態(tài)）[9-11]、“量”（類型與數(shù)量）[5]、“理”（演化的機(jī)理和驅(qū)動(dòng)力）的研究[12]。例如，用土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣描述不同土地類型在不同時(shí)間切片上的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的變化，用綜合土地利用動(dòng)態(tài)度等表征土地利用變化的劇烈程度[13]。然而，轉(zhuǎn)移矩陣只能從宏觀上度量土地利用過(guò)程的總體數(shù)量上的變化；土地利用動(dòng)態(tài)度能夠描述總體的變化速率，空間表達(dá)能力不足。二者都停留在對(duì)區(qū)域土地利用狀態(tài)的總體特征描述上，無(wú)法細(xì)致度量土地利用變化的時(shí)空過(guò)程特征。因此，迫切需要發(fā)展更精細(xì)的手段，從更細(xì)的時(shí)空粒度上度量土地利用變化[14]。CA模型雖然在更細(xì)粒度上兼顧了土地變化單元的局部特征，然而CA模型中的缺乏明確的物理意義，在時(shí)間維的量化上仍然存在缺陷[15-16]；而且，CA模型更多是作為預(yù)測(cè)和模擬的工具——總體上而言，它缺乏作為時(shí)空過(guò)程定量描述的能力，難以為時(shí)空過(guò)程的時(shí)空模式、演化規(guī)律和時(shí)空異常等的深度挖掘提供支撐[17-19]。導(dǎo)致以上問題，一方面是因?yàn)橥恋叵到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)變異性和演化復(fù)雜性等增加了LUCC時(shí)空過(guò)程探查和過(guò)程刻畫的難度[20]，另一方面也因?yàn)楝F(xiàn)有的LUCC研究的時(shí)空過(guò)程建模中對(duì)時(shí)間維的運(yùn)用不足。

土地利用變化的時(shí)空模式表征了人地關(guān)系在不同時(shí)空范圍上的作用強(qiáng)度與作用模式[5]。LUCC時(shí)空過(guò)程探查和刻畫作為認(rèn)知LUCC時(shí)空過(guò)程動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性的主要手段[1]，通過(guò)發(fā)展合適的模型或者方法揭示土地利用“變化過(guò)程的格局”以及“格局的變化過(guò)程”[5]。有研究表明，定量表達(dá)多時(shí)空條件下的土地利用“空間格局”和“時(shí)序特征”，對(duì)土地利用變化過(guò)程進(jìn)行量化和建模，有利于進(jìn)一步深化土地利用變化內(nèi)在規(guī)律的挖掘和多維表達(dá)[21-22]。土地利用變化時(shí)空過(guò)程的研究重點(diǎn)是對(duì)時(shí)空過(guò)程的建模和度量[23-24]。從時(shí)序過(guò)程的視角出發(fā)，能夠探查從單一時(shí)態(tài)下的土地利用狀態(tài)分析中難以發(fā)現(xiàn)的差異，從而揭示時(shí)空過(guò)程上潛在的模式[25-26]。因此，本研究通過(guò)構(gòu)造時(shí)空格網(wǎng)提取土地利用變化的時(shí)空過(guò)程；基于土地利用程度累積變化度量指標(biāo)，挖掘研究區(qū)土地利用變化過(guò)程的時(shí)空模式；同時(shí)結(jié)合多期土地利用變化和研究區(qū)的交通道路數(shù)據(jù)，分別從全局和局部的不同尺度對(duì)土地利用變化過(guò)程的時(shí)空模式進(jìn)行量化研究。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)淮南市位于華東腹地，淮河中游，安徽中部偏北，116°21′5″～117°12′30″E，31°54′8″～33°00′26″N。轄區(qū)東西最長(zhǎng)距離80.23 km，南北最長(zhǎng)距離122.68 km，總面積5 533 km2。研究區(qū)為淮南市市轄區(qū)。研究區(qū)內(nèi)淮河以南為丘陵，屬于江淮丘陵的一部分，北、中部為淮河沖積平原，地勢(shì)南高北低；西北部沿淮河、淠河洼池；東南部為崗地。土地利用情況上，從2008—2017年，耕地和水體總體變化幅度較小，草地、林地和未利用地呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，城鄉(xiāng)工礦居民用地占比呈上升趨勢(shì)，其中草地主要向城鄉(xiāng)工礦居民用地以及耕地轉(zhuǎn)化，林地及未利用地主要向城鄉(xiāng)工礦居民用地以及草地轉(zhuǎn)化。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

本文研究所用的多期序列土地利用數(shù)據(jù)是過(guò)去10年的遙感圖像中解譯得到的。研究區(qū)的序列遙感數(shù)據(jù)系在地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/search）上下載2008年到2017年10期的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)。2008—2012年選擇數(shù)據(jù)集為L(zhǎng)andsat 4-5 TM，2013年選擇數(shù)據(jù)集為L(zhǎng)andsat 7 ETM，2014—2017年選擇Landsat 8 OLI，選擇時(shí)間在5-10月份間的云量少的數(shù)據(jù)。因?yàn)榛茨鲜袇^(qū)不能被一景影像完全覆蓋，需要下載行列號(hào)為[121,37]和[121,38]的兩幅影像用于后續(xù)處理。本研究所需的道路交通數(shù)據(jù)系通過(guò)OpenStreetMap官網(wǎng)（https://www.openstreetmap.org）下載的路網(wǎng)數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)處理上，首先對(duì)10期遙感影像均進(jìn)行7，4，1波段的組合，選擇遙感影像上的道路交叉口等便于實(shí)地查找的點(diǎn)作為控制點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行幾何校正，再通過(guò)無(wú)縫鑲嵌和裁剪提取完整的淮南市區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其次，開展監(jiān)督分類，其中選擇訓(xùn)練樣本主要包括6大類：草地、耕地、林地、水體、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用土地。選擇支持向量機(jī)分類器的方法進(jìn)行監(jiān)督分類。再次，對(duì)監(jiān)督分類后的數(shù)據(jù)開展后處理操作，通過(guò)聚類處理去融合碎屑斑塊，手動(dòng)局部修改分類錯(cuò)誤的類別，盡可能確保解譯精度達(dá)到80%以上。最后將分類后處理完成的結(jié)果導(dǎo)出成矢量格式的文件，即可用于后續(xù)研究。

2 研究方法

2.1 時(shí)空采樣方法及時(shí)空過(guò)程提取

本研究利用覆蓋全區(qū)的規(guī)則格網(wǎng)對(duì)2008—2017年10期的序列土地利用數(shù)據(jù)分別采樣。在基于時(shí)空格網(wǎng)對(duì)序列土地利用數(shù)據(jù)開展土地利用演化單元采樣的過(guò)程中，重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問題：①格網(wǎng)尺度問題。對(duì)于該問題，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本研究最終采用300×300 m的格網(wǎng)進(jìn)行采樣，研究區(qū)邊緣的不規(guī)則地塊，面積大于0.5個(gè)規(guī)則格網(wǎng)的單獨(dú)作為一個(gè)樣區(qū)，面積小于0.5個(gè)規(guī)則格網(wǎng)的并入相鄰的樣區(qū)；②土地利用程度等級(jí)賦值問題。土地利用程度等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)有很多種，結(jié)合本文土地利用類型劃分結(jié)果，本文采用文獻(xiàn)[27]的方法，將土地利用程度分為4個(gè)等級(jí)。1級(jí)：未（難）利用地；2級(jí)：林草水用地（林地、草地、水域）；3級(jí)：農(nóng)業(yè)用地（耕地、園地、人工草地）；4級(jí)：建設(shè)用地（居民點(diǎn)、工礦及交通用地）。③土地利用演化單元的土地利用程度賦值問題。每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)往往是4種程度等級(jí)的土地利用方式各自占據(jù)一定的面積份額，共同對(duì)該樣區(qū)內(nèi)的土地利用程度做出自己的貢獻(xiàn)[28]。因此，可以采用一定的數(shù)學(xué)方法對(duì)格網(wǎng)內(nèi)的土地利用程度指數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合，抽象出一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)表征該格網(wǎng)的綜合土地利用程度。計(jì)算方法為：

式中I表示第個(gè)格網(wǎng)的土地利用程度綜合指數(shù)；A為第級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；S為第級(jí)土地利用面積；為該格網(wǎng)內(nèi)土地總面積；為土地利用程度分級(jí)數(shù)。

進(jìn)行空間采樣后的數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)化為賦值土地利用程度的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，為了提取出土地利用程度在10年間的時(shí)空演變過(guò)程，需要將三維的時(shí)空過(guò)程壓縮到二維平面上展示，同時(shí)將格網(wǎng)的屬性賦值給格網(wǎng)對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)，以便于進(jìn)行后續(xù)的點(diǎn)模式分析。采用“求鄰期之間變化累積和”的方法，將每一期數(shù)據(jù)的格網(wǎng)按照相對(duì)位置一一對(duì)應(yīng)，對(duì)相鄰期各對(duì)應(yīng)格網(wǎng)的土地利用程度屬性求差，獲得土地利用程度的變化值，再對(duì)所有的求差結(jié)果求和，即獲得10期數(shù)據(jù)的土地利用程度變化累積值，得出的每一個(gè)值都對(duì)應(yīng)了一類時(shí)空過(guò)程，值不同說(shuō)明代表的是不同的時(shí)空演變過(guò)程。

2.2 基于土地利用程度累積變化度的時(shí)空過(guò)程提取

土地利用程度累積變化度（cumulative value of land use intensity change，CVLUIC）即對(duì)研究時(shí)段內(nèi)所有相鄰年份的兩期數(shù)據(jù)土地利用程度進(jìn)行差值運(yùn)算并取絕對(duì)值后再求和所得到的結(jié)果。CVLUIC的大小可反映樣區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)土地利用程度的變化劇烈程度。在研究中需要對(duì)CVLUIC進(jìn)行分類，通過(guò)分析CVLUIC不同類型的樣本的分布特征，可以得出相應(yīng)的規(guī)律。本文對(duì)CVLUIC的分類采用K-means聚類方法，通過(guò)聚類讓每一個(gè)簇內(nèi)土地利用演化單元之間的CVLUIC差異最小。

2.3 NNI指數(shù)

最鄰近距離分析法（Nearest Neighbor Analysis）是基于空間距離的方法，將其離得最近點(diǎn)的平均距離與隨機(jī)分布模式下的預(yù)期最近鄰距離進(jìn)行比較，用最近鄰指數(shù)（NNI）來(lái)判斷“點(diǎn)”的空間聚集性。而本文利用NNI指數(shù)分析不同類型的CVLUIC在整體上的時(shí)空分布特點(diǎn)以及在不同道路緩沖區(qū)范圍內(nèi)的分布情況。

式中d是指第個(gè)格網(wǎng)與其最近鄰格網(wǎng)之間的距離，是CVLUIC分級(jí)后每一級(jí)的格網(wǎng)數(shù)，是研究區(qū)面積。當(dāng)近鄰指數(shù)接近1時(shí)要素呈隨機(jī)分布；當(dāng)近鄰指數(shù)小于1時(shí)要素呈集聚分布；近鄰指數(shù)大于1時(shí)均勻分布。為了更好地反映實(shí)測(cè)平均距離和預(yù)期平均距離偏離程度，用正態(tài)分布檢驗(yàn)得出值及其置信水平。值為負(fù)且值越小時(shí)，要素分布越趨于集聚分布；正值且越大則要素顯著偏向均勻分布；位于二者之問則隨機(jī)分布。

2.4 Ripley’s k指數(shù)

多距離空間聚類分析Ripley’s k函數(shù)是空間點(diǎn)模式分析的常用方法之一。傳統(tǒng)的進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析的方法（例如NNI指數(shù)）只能分析單一尺度的空間分布規(guī)律，而Ripley’s k函數(shù)卻可以描述不同空間尺度下，不同CVLUIC類型的分布特征，最大限度的利用了空間點(diǎn)的信息。Ripley’s k函數(shù)公式如下：

式中為點(diǎn)的數(shù)量；表示空間尺度；u表示點(diǎn)和點(diǎn)之間的距離；當(dāng)u≤時(shí)，I(u)=1，當(dāng)u>時(shí)，I(u)=0；為了更好地解釋實(shí)際空間格局，提出了函數(shù)代替函數(shù)，由此可得：

式中是距離；k,j時(shí)候權(quán)重，如果沒有邊校正，當(dāng)和之間的距離小于時(shí)，則k,j=1，反之k,j=0。在()變換下，“預(yù)期值”等于“距離”。

如果特定距離的觀測(cè)值大于預(yù)期值，該CVLUIC類型在觀測(cè)尺度服從聚集分布；如果觀測(cè)值等于預(yù)期值，該CVLUIC類型在觀測(cè)尺度服從隨機(jī)分布；如果觀測(cè)值小于預(yù)期值，該CVLUIC類別在觀測(cè)尺度服從均勻模式。通過(guò)在研究區(qū)域中隨機(jī)分布點(diǎn)并計(jì)算該分布的值來(lái)構(gòu)建置信區(qū)間。如果觀測(cè)值大于置信區(qū)間上限值，則該距離的空間聚類具有統(tǒng)計(jì)顯著性；反之，如果觀測(cè)值小于置信區(qū)間下限值，則該距離的空間離散具有統(tǒng)計(jì)顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用遙感解譯結(jié)果

在監(jiān)督分類過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算訓(xùn)練樣本的可分離度對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行精度評(píng)估，選取的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為各類別間的樣本可分離度達(dá)到1.8以上的樣本符合條件，否則重新選擇樣本再次計(jì)算直至可分離度達(dá)到1.8以上。由于數(shù)據(jù)的可得性的限制，本文只能使用2013—2017年的研究區(qū)同期2 m分辨率的高分遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，通過(guò)隨機(jī)采樣點(diǎn)，將高分影像的分類結(jié)果與同期的Landsat監(jiān)督分類結(jié)果對(duì)應(yīng)點(diǎn)的土地利用類型進(jìn)行比較，獲得轉(zhuǎn)換矩陣，最后計(jì)算出Kappa系數(shù)為79.3%。

3.2 基于CVLUIC的時(shí)空過(guò)程提取結(jié)果

表1描述了研究區(qū)的CVLUIC分布情況。按照K-means聚類方法，并結(jié)合研究區(qū)CVLUIC的分布特征，將CVLUIC值在4.02～13.25之間的為類型I（共2 275個(gè)時(shí)空演化樣本），表示土地利用程度變化劇烈；CVLUIC值在1.92～4.01之間的為類型II（共7 651個(gè)時(shí)空演化樣本），表示土地利用程度變化較為劇烈；CVLUIC值在0～1.91的為類型III，表示土地利用程度的變化平緩（共5 742個(gè)時(shí)空演化樣本）（結(jié)果如圖1所示）。

表1 2008—2017年淮南市土地利用程度累積變化度

圖1 2008—2017年淮南市CVLUIC的分類結(jié)果

Fig.1 Classification results of CVLUIC in Huainan city from 2008 to 2017

3.3 研究區(qū)土地利用程度的總體時(shí)空演化特征

為了考察研究區(qū)過(guò)去10a的土地利用程度總體時(shí)空演化特征，本文通過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)的Kringing插值方式制作表面模型，從而得到2008年至2017年淮南市每一年的土地利用程度的空間分布，以及2008—2017年淮南市CVLUIC的空間分布。結(jié)合淮南市的城鎮(zhèn)分布情況以及主要交通干道分布情況可以發(fā)現(xiàn)：整體而言，土地利用程度變化劇烈程度受城鎮(zhèn)分布以及主要交通分布的影響，在各行政中心以及鐵路、省道等主要道路附近土地利用程度變化累積值較高。觀察10年土地利用程度序列數(shù)據(jù)可見，對(duì)不同區(qū)域而言，中部地區(qū)土地利用程度等級(jí)較高，南部和北部地區(qū)土地利用程度等級(jí)均居中；北部地區(qū)土地利用程度有下降趨勢(shì)，南部地區(qū)較為穩(wěn)定，東部地區(qū)的變化較大。

結(jié)合研究基期淮南市市轄區(qū)2008年土地利用程度圖（圖2a）和2008—2017年淮南市CVLUIC圖（圖2b），得出表2所示分析：

表2 研究區(qū)10a土地利用變化過(guò)程與研究基期的特征分析

圖2 2008年淮南市土地利用程度和2008—2017年CVLUIC

3.4 淮南市土地利用程度的時(shí)空聚集性

從NNI指數(shù)和Ripley’s指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（分別見表 3和圖3）可得，類型I呈聚集分布，且在整個(gè)研究區(qū)域范圍內(nèi)呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)顯著性；而類型II和類型III呈均勻分布，也具有統(tǒng)計(jì)顯著性。

表3 3類土地利用變化時(shí)空過(guò)程N(yùn)NI總體特征

a. 類型Ib. 類型IIc. 類型III a. Type Ib. Type IIc. Type III

圖3 各類在總體上的Ripley’s指標(biāo)

Fig.3 Various Ripley'sindicators in general

對(duì)于類型I、II、III，結(jié)合淮南市公路網(wǎng)，分別計(jì)算道路沿線不同緩沖區(qū)（300、600、900 m）下的NNI值。從表4所示的結(jié)果中，我們可以發(fā)現(xiàn)，在距離道路較近的范圍內(nèi)（300和600 m緩沖區(qū)），類型I、類型II、類型III均呈聚集分布，但是隨著緩沖區(qū)范圍的增加，分布就會(huì)向著無(wú)緩沖區(qū)時(shí)的分布類型進(jìn)行變化，而且變化的速度也各不相同，說(shuō)明土地利用程度的變化過(guò)程受到距離道路遠(yuǎn)近的顯著影響，但影響程度和范圍也有差異。

計(jì)算類型I、II、III在道路沿線不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)的Ripley’s指數(shù)（圖4為類型I、II、III在各級(jí)緩沖區(qū)下的Ripley’s指數(shù)結(jié)果），并結(jié)合NNI指標(biāo)，得出以下結(jié)果：在99%的置信度水平下，類型I在整個(gè)距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)出聚集性具有統(tǒng)計(jì)顯著性，表明土地利用程度的劇烈變化具有顯著的時(shí)空聚集性，隨著緩沖區(qū)范圍增大，土地利用程度的劇烈變化的聚集程度逐漸下降（在距離相同的情況下，觀測(cè)值和預(yù)期值相距越遠(yuǎn)聚集程度越高）；類型II在整個(gè)距離范圍內(nèi)未呈現(xiàn)出離散統(tǒng)計(jì)顯著性；類型III在整個(gè)距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)出聚類統(tǒng)計(jì)顯著性，且伴隨著緩沖區(qū)范圍增大，聚類程度逐漸下降，且下降速度和類型I相比更快，表明土地利用程度的平緩變化受尺度的影響更為突出。

表4 道路沿線不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)各類型的NNI指標(biāo)

圖4 類型I、II和III在各緩沖區(qū)下的Ripley’s K指數(shù)結(jié)果

4 討 論

土地利用變化過(guò)程是一個(gè)多因素驅(qū)動(dòng)的能量、物質(zhì)和信息轉(zhuǎn)移的復(fù)雜過(guò)程。本文從土地利用程度的時(shí)空變化入手開展土地利用變化的時(shí)空模式研究，以揭示不同時(shí)空尺度上的土地利用變化過(guò)程的潛在規(guī)律。眾所周知，地理事件或地理現(xiàn)象的空間統(tǒng)計(jì)模式存在尺度依賴。因此本文得出的結(jié)論只是在特定的采樣尺度下的特定結(jié)論，是該尺度下土地利用變化時(shí)空規(guī)律的表征。同時(shí)，土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子和影響因素眾多。本文選取道路因子進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論了道路的不同鄰近性對(duì)土地利用程度變化的影響。這種隨著道路鄰近性的隨機(jī)/聚集模式是否還受到其他因素的影響還需要后續(xù)研究的進(jìn)一步論證。

本文對(duì)時(shí)空過(guò)程的模式研究是基于對(duì)時(shí)空過(guò)程的規(guī)則格網(wǎng)采樣實(shí)現(xiàn)的。采樣的方式和格網(wǎng)單元的取值方法不同，或會(huì)對(duì)土地利用過(guò)程時(shí)空模式的結(jié)論產(chǎn)生影響。一方面隨著規(guī)則格網(wǎng)的采樣尺度不同，空間的聚集/隨機(jī)的結(jié)論會(huì)因?yàn)榇嬖诔叨纫蕾嚩a(chǎn)生差異；另一方面對(duì)格網(wǎng)內(nèi)的土地利用類型的賦值，可能存在類似混合類型單元的情況。針對(duì)這類情況，常用的手段有中心法、重要性法、面積占優(yōu)法和百分比法等多種賦值方式。到底采用哪一種方式合適，取決于哪一種賦值方式對(duì)時(shí)空模式的結(jié)論影響最小。這種影響的規(guī)律性需要進(jìn)一步的定量研究。

CVLUIC是本文概化土地利用變化時(shí)空過(guò)程的核心手段。如何對(duì)土地利用程度累積變化度進(jìn)行分級(jí)，是影響時(shí)空模式挖掘的關(guān)鍵。無(wú)論是采用頻率圖的方式，亦或是采用聚類的方式，不同的分級(jí)結(jié)果都會(huì)對(duì)土地利用變化的時(shí)空模式的度量產(chǎn)生影響。同樣的，不同分級(jí)方法產(chǎn)生影響的大小和趨勢(shì)需要系統(tǒng)而全面的分析，才能為分級(jí)提供更加科學(xué)的依據(jù)。本文采用CVLUIC將土地利用變化的時(shí)序特征壓縮為了一個(gè)時(shí)點(diǎn)狀態(tài)。這種方式雖然便于研究土地利用過(guò)程的時(shí)空模式，卻忽視了土地利用過(guò)程在演化的時(shí)間序列上的差異。例如，這種方式無(wú)法度量土地利用程度在整個(gè)過(guò)程中是先高后低還是先低后高。

本文采用的是均勻的時(shí)空格網(wǎng)進(jìn)行土地利用時(shí)空過(guò)程采樣。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是易行高效；不足之處在于，這種均勻的格網(wǎng)無(wú)法差異化地表達(dá)土地利用單元的形狀、周長(zhǎng)、鄰居的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特征[29-30]。然而，一塊土地利用圖斑從一個(gè)狀態(tài)向另一狀態(tài)的演化必然受到以上這些因素的影響和制約。眾所周知，一個(gè)狹長(zhǎng)的耕地與一個(gè)規(guī)則的矩形耕地地塊向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率顯然是不同的。一個(gè)優(yōu)異的時(shí)空過(guò)程模型應(yīng)當(dāng)是簡(jiǎn)潔性和精確性的統(tǒng)一，要能夠剔除與研究目標(biāo)關(guān)系不緊密的因素的影響的同時(shí)，盡可能保持對(duì)影響時(shí)空演變的各種因素的差異性的表達(dá)和度量。

5 結(jié) 論

LUCC研究已經(jīng)從“格局導(dǎo)向”向著“過(guò)程導(dǎo)向”轉(zhuǎn)變。本文以序列快照間的土地利用變化過(guò)程為研究對(duì)象，以時(shí)空柵格為基本的建模手段、以土地利用程度累積變化度為時(shí)空過(guò)程的基本度量工具、利用時(shí)空統(tǒng)計(jì)的方法，定量探討淮南市土地利用變化的時(shí)空模式。結(jié)果表明，在全局的時(shí)空模式上，過(guò)去10a淮南市土地利用程度的劇烈變化和土地利用程度的平緩變化均呈現(xiàn)顯著的聚集性特征，而較為劇烈的土地利用程度變化則呈均勻分布模式，但并不顯著；在局部的時(shí)空模式上，呈現(xiàn)聚集分布模式的區(qū)域在距離道路一定范圍內(nèi)體現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)顯著性聚類，而呈現(xiàn)均勻分布的區(qū)域則沒有體現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)顯著性；在距離道路較近的范圍內(nèi)（300 m），10年間土地利用程度變化的無(wú)論是劇烈變化還是平緩變化區(qū)域均呈顯著的聚集分布；隨著分析范圍的擴(kuò)大（從300到600 m）聚集程度逐漸下降；到距離道路900m范圍內(nèi)，較為劇烈的土地利用程度變化的土地利用變化過(guò)程開始呈現(xiàn)不顯著的均勻分布。本文通過(guò)土地利用程度累積變化度將土地利用單元的時(shí)空演化過(guò)程映射為一期的時(shí)空快照，從而為土地利用變化的時(shí)空模式挖掘提供了可能。本研究的結(jié)果證明了該方法的可行性，也為土地利用變化的時(shí)空過(guò)程研究提供了一個(gè)新穎的思路。

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Spatiotemporal evolution characteristics of land use intensity change process of Huainan

Liang Ming1,2, Nie Pin3, Lu Yinhao1,2, Sun Xiaojuan4

(1.,,230601,; 2.,,230601,; 3.,,210023,; 4.,,430079,)

Land use and coverage change (LUCC) is an important research field of global change. Currently, land use and coverage change research focuses on the analysis of land use structures during the same period, and structure changes in the overall quantity of land use between time-series periods. While, the study of quantitative analysis of land use evolution process in different periods is deficient, which results difficulty to profoundly reveal the temporal and spatial patterns and evolution laws that may exist in the process of land change. Therefore, in this paper, we proposed a spatiotemporal pattern analysis of land use change based on the spatiotemporal process of land use. In this paper, the spatiotemporal variation sequence data of land use was the study object. Firstly, the spatiotemporal variation sequence of land use intensity in the study area was extracted by the spatiotemporal network. Secondly, as the basic measurement tool, the cumulative value of land use intensity change (CVLUIC) of different spatiotemporal variation sequences of land use was calculated. Thirdly, the CVLUIC is divided into three grades by K-means clustering. Finally, the spatiotemporal clustering analysis of different land use change grades was carried out. From the global perspective, the spatiotemporal pattern of land use change process was measured by the nearest neighbor distance analysis method. On the other hand, based on Ripley's k function, the multi-scale impact of traffic network on land use temporal and spatial change patterns was analyzed. The results showed that the dramatic land use intensity change (Type I) and the gradual land use intensity change (Type III) over the 10-year period from 2008 to 2017 in the study area showed significant clustering characteristics.While, the spatiotemporal clustering characteristics of the more severe land use intensity change (Type II) between Type I and Type III was not significant,The results showed that the human disturbance activities have obvious spatiotemporal heterogeneity during the study period. Additionally, the traffic network had a strong influence on land use and coverage change. The three types of land use intensity were clustered in the range close to the traffic network (in the range of 300 m and 600 m), and tend to be randomly distributed in the farther distance (within 900 m), which showed that the transportation network had a strong impact on land use change. At different spatial scales from the transportation network, the dramatic land use intensity change (Type I) and the gradual land use intensity change (Type III) showed significant significance on the small spatial scale, while the more severe land use intensity change (Type II) at multiple scales was not significant. This indicated that there were scale differences in the impact of transportation network on spatial and temporal changes of land use degree, and more extreme land use change processes (Type I and Type III) were more likely to show spatial and temporal aggregation. Through analyzing the land use change from the perspective of the spatiotemporal evolution process, our work will be useful supplement to the LUCC research.

land use; remote sensing; spatiotemporal process; spatiotemporal clustering; land use intensity; nearest neighbor distance

梁 明，聶 拼，陸胤昊，孫曉娟. 淮南市土地利用程度變化過(guò)程的時(shí)空演化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(22)：99－106. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.011 http://www.tcsae.org

Liang Ming, Nie Pin, Lu Yinhao, Sun Xiaojuan. Spatiotemporal evolution characteristics of land use intensity change process of Huainan[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 99－106. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.011 http://www.tcsae.org

2019-01-02

2019-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（41602173，41771188）；安徽省自然科學(xué)基金（1908085QD164）；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2019A0046）；安徽省國(guó)土廳科技項(xiàng)目（2016-K-12）

梁 明，講師，博士，主要從事時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘和3D GIS研究。Email：lming@mail.ccnu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.011

P208

A

1002-6819(2019)-22-0099-08