土地尺度研究知識圖譜分析

李 婷，段建南，李 萍，侯 磊，張 霞

(湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410128)

0 前言

尺度是指在研究某一物體或現象時所采用的空間或時間單位，同時又可指某一現象或過程在空間上所涉及到的范圍和發生的頻率[1]。在土地科學的研究中，尺度通常以粒度和幅度來表達。尺度的選擇，關系到土地學科研究中的信息采集與試驗設計，是進行相關研究的起點與基礎。

土地尺度研究的核心問題是對土地構成要素及其利用格局與過程尺度特征的探索問題，這也是地學、地理學和生態學相關領域研究的基礎與熱點問題，通過尺度特征關于尺度的計算與確定等研究的方法主要有回歸分析、空間自相關分析法、分形分析、尺度方差分析、小波分析、遙感和地理信息系統技術等。但關于土地尺度領域研究的綜述性文章較少，尤其是缺乏基于計量方法的文獻歸納與總結。文獻計量方法在分析研究內容、方法、熱點與趨勢上具有較為宏觀、全面的優勢，可以對特定時間范圍內某一研究領域的發展趨勢采用數學和統計學方法進行定量化分析[3]。

本研究運用Cite Space V可視化文獻分析工具，對1998～2018年國內土地尺度相關研究成果進行階段性分析，構建與識別土地尺度的知識圖譜與聚類，把握該研究領域的研究態勢與未來發展趨勢，為土地尺度領域研究的前沿與熱點問題的挖掘提供思路。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

以中國學術期刊(CNKI)的“核心期刊”和“CSSCI”數據庫作為數據源，該庫集中了國內相關研究的前沿和核心的研究成果，可確保數據的全面性與權威性[4]。在中國知網數據庫中，檢索條件以“主題”為“尺度”并含“土地”進行高級精確檢索，文獻檢索時間統一限定為1998～2018年，文獻分類目錄選擇“自然地理學和測繪學”“資源科學”“農業資源及環境保護”。對檢索結果進行去重、整理、剔除會議述評、簡訊等文獻，在此基礎上進行文獻梳理，剔除與研究主題不相干的文獻，最終篩選出212篇。

1.2 研究方法

使用Chen C M等[5]研發的Cite Space V軟件作為主要分析工具(這是一個引文分析JAVA程序)，依靠數據庫及分析軟件的結合使用，將信息可視化方法、文獻計量方法和數據挖掘算法集成，能夠發現關鍵點，繪制知識圖譜，從而實現信息可視化分析，展示科學知識的宏觀結構及其發展脈絡，并在圖譜中能夠顯示出一個學科或知識領域在一定時期發展的趨勢與動向，形成若干研究前沿領域的演進歷程。本研究借助Cite Space V軟件的關鍵詞共現分析、作者分析、機構分析和強大的可視化與統計功能，直觀地分析土地領域尺度研究的熱點領域及發展前沿。具體操作流程為：啟用5.0 R1版本的CNKI和CSSCI數據分析版塊，時間切割分區設置為1年，設置時間跨度為1998～2018年，聚類啟來源為系統默認，選擇每個時間分區中出現頻次最高的前50個數據，生成可視化知識圖譜。

2 結果與分析

2.1 發文作者分析

使用Cite Space對發文作者進行分析以獲取共引作者圖譜(圖1)，共有491個節點，645個連接，網絡密度為0.0054，作者發文數量越多，圖中的節點越大。出現次數最多的作者是傅伯杰、陳利頂、廖順寶，達到4次，其次是張鳳榮、蔡運龍、彭建、丁建麗等發文次數達到3次。從作者群角度來看，土地領域尺度研究出于“整體分散，部分集中”的狀態，各研究學者之間的相互關系較弱，圖中顯示的發文次數較多的研究學者通常是由同一機構的作者組成。

根據土地尺度領域研究發文作者前20名統計(表1)，發文量在4篇以上的作者有3人。發文量前10位的作者發文次數占所有作者發文總數的5.66%，發文次數在3次以上的作者發文次數占所有作者發文總數的15.57%。這表明在土地尺度領域研究作者集中度較高，核心作者的相關研究奠定了中國土地領域尺度研究的研究基礎，尤其是中國科學院的研究學者，對土地尺度領域研究理論體系的建立與發展及其實踐做出了突出貢獻。

2.2 發文機構分析

利用Cite Space對212篇文獻進行發文機構共現分析，得到如圖2所示可視化圖譜，共有節點283個，連接數275個，網絡密度0.0069。說明土地領域尺度研究的發文機構聯系較弱，不同機構之間的學術交流有待進一步加強，以促進各科研院校單位之間的交流合作，形成相互融合的學術科研氛圍。按二級研究機構統計，中國科學院地理科學與資源研究所發文數量最多，其次是中國科學院大學、中國科學院研究生院、南京大學地理與海洋學學院、國土資源部土地整治重點實驗室等。從區域角度看，北京市發文最多，說明北京市在本領域研究實力較強。1999年經國務院批準由中國科學院地理研究所和中國科學院自然資源綜合考察委員會整合成立中國科學院地理科學與資源研究所以來，在土地領域尺度研究進行了大量探索，在尺度內涵的認知、尺度的計算方法上都走在科研機構的前列。

圖1 1998～2018年土地尺度領域研究主要研究學者圖譜

序號發文數作者機構序號發文數作者機構14傅伯杰中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室112張新時北京師范大學資源學院24陳利頂中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室122宋宏利河北工程大學資源學院34廖順寶中國科學院地理科學與資源研究所132張景雄武漢大學遙感信息工程學院43張鳳榮中國農業大學資源環境學院142包安明中國科學院新疆生態與地理研究所53蔡運龍北京大學城市與環境學院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室152江紅南新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室63彭建北京大學資源與環境地理學系162趙樹君武漢大學73丁建麗新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室172何瑞珍河南農業大學林學園藝學院83陳曦中國科學院新疆生態與地理研究所182楊寶林武漢大學93張飛新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室192鄧祥征中國科學院地理科學與資源研究所103常學禮魯東大學地理與規劃學院202焦峰中國科學院水利部水土保持研究所

由此可見，土地領域尺度研究的成果數量與研究機構及地區的科研能力、研究水平有較強的關聯性。其次，從各機構的發文量來看(表2)，中國科學院地理科學與資源研究所出現頻率最高，達到了21次，其次是中國科學院大學和中國科學院研究生院，分別是16和11次。發文數量排名前10名的機構發文數量占所有機構發文總量的36.79%，可見土地領域尺度研究的相關研究成果在全國不同機構之間的差異較為懸殊。

2.3 基于關鍵詞的近20年土地尺度領域分時段研究趨勢分析

通過對發文時間及發文數量的統計，得到圖3所示發文數量趨勢圖。依據發文數量增長速度，將發文時間大致分為3個時段：(1)緩慢增長階段(1998～2006年)，(2)平穩增長階段(2007～2012年)，(3)快速增長階段(2013～2018年)。

2.3.1 緩慢增長階段(1998～2006年) 1998～2006年時段，土地尺度領域相關研究文獻較少，數量為26篇，約占近20年發文總數的12%。其中最早的文章是中國科學院蘭州沙漠研究所董光榮等1998年發表的“中國北方半干旱和半濕潤地區沙漠化的成因”[6]，該文主要運用時間尺度作為計量尺度研究導致中國北方半干旱和半濕潤地區出現和逆轉沙漠化的主導因素。從本時段的知識圖譜(圖4)可知，本時段的研究熱點較為分散，主要研究重點為土地利用、景觀格局、土地覆蓋、土地利用變化以及土地資源可持續利用5個方面。

圖2 1998～2018年土地尺度領域研究發文機構圖譜

表2 1998～2018年土地尺度領域研究發文量前10的機構

圖3 1998～2018年土地尺度領域研究發文數量

在土地利用研究和土地資源可持續利用研究中，湯慶新等[7](2016)采用不同的分析方法，對土地利用數據不同尺度的地形、土壤等因素進行了計算，建立了土地利用評價的適宜模型方法。張曉萍等[8](1999)從不同角度對地塊尺度土地可持續性發展進行了評價，并初步建立了適宜的評價方法與模型。在景觀格局研究中，常捷等[9](2004)運用景觀格局指數的計算，探討了研究區域景觀格局演變的驅動力，總結景觀格局演變的驅動機制。在土地覆蓋研究和土地利用變化研究中，張秋菊等[10](2003)運用遙感數據在大尺度范圍內計算不同時間尺度的景觀格局變化驅動因子。李小建等[11](2001)運用不同的技術方法，提取了不同時間尺度土地利用數據，總結其變化結果及其驅動力。

本時段處于土地尺度研究的起步階段，學者們對于尺度的研究關注主要通過借助尺度的方法來解決土地利用變化過程中研究邊界的確定問題，即通過對現實地物集合的空間特征來獲取研究范圍的大小、研究年限的跨度等。說明土地學科已開始初步利用和重視土地尺度這一概念，土地學科在尺度這一領域的研究內容和對象逐步擴展，逐漸趨向綜合。

2.3.2 平穩增長階段(2007～2012年) 2007～2012年時段，土地尺度領域相關研究文獻數量為51篇，約占近20年發文總數的24%。本時段研究已初步形成研究體系(圖5)，可分為三大研究方向：土地利用研究領域、尺度效應研究領域及景觀格局研究領域。而根據博特的結構洞理論可發現[12]，景觀指數位于這三大研究領域形成的結構洞中，說明景觀指數計算的這一方法，在本階段的研究中具有較大優勢。即本階段在這三大領域的研究中，這一方法使用頻率較高，也為大多學者所認可。

圖4 1998～2006年土地尺度領域研究關鍵詞圖譜

圖5 2007～2012年土地尺度領域研究關鍵詞圖譜

(1)來源于數學、物理學等多學科的計量方法開始運用到土地尺度的計算中來。傅麗華等[13](2012)運用小波分析的方法計算特征尺度，得到時間及位置變化對土地利用特征尺度值的差異。吳健生等[14](2012)研究發現CLUE-S模型可以全面考慮自然和人文因子，通過迭代方法綜合空間分析和非空間分析，較好地模擬小尺度范圍內土地利用變化情景，具有綜合性、開放性、空間性、競爭效率性等特點，已經在國內外多個地區的土地利用變化研究中得到廣泛應用，形成了較為成熟的研究方法。

(2)景觀格局方法的廣泛應用，不僅有助于選擇揭示規律性的最適測量尺度，而且有助于探討景觀空間異質性的成因。連杰等[15](2012)對位于科爾沁沙地腹地的奈曼旗近30年來土地利用/覆被信息中水域類型的景觀格局指數進行了時空組合分析，得出不同尺度研究區的景觀格局差異和驅動原因。朱開群等[16](2011)利用景觀格局分析法，分析了土地整理項目區景觀格局粒度效應，探討了粒度變化對土地整理前后景觀格局變化的影響并得出對于小尺度范圍上的平原型整理項目區，選擇10～25 m粒度較為適宜。王計平等[17](2010)從定量化分析、時空特征和尺度效應等方面對黃土高原地區景觀格局演變研究進展進行了闡述，深入分析了當前研究在景觀數據選擇與應用、尺度依賴性分析和標準確定等方面的現狀特征與不足之處。

(3)尺度效應的概念被廣泛引入與土地相關的不同問題研究中。擺萬奇等[18](2009)生成40種粒度的格網，然后利用景觀指數方法，對大渡河上游地區土地覆被隨尺度變化的動態規律進行了分析，得出800 m粒度是典型特征的理想空間尺度。劉耀林等[19](2009)從尺度效應和土地利用景觀格局影響2個層面研究了土地利用數據綜合的宏觀和微觀指標，設計土地利用數據綜合的指標體系和指標定量化描述模型。葉靖等[20](2010)以浙江省義烏市為例，利用CBERS、IRS-P5衛星影像，提取了研究區土地利用信息，生成20 m～1 km系列的格網人口數據；通過比較不同格網人口與鄉鎮統計人口的誤差，分析人口數據空間化的格網尺度效應。

這一時段土地尺度研究處于穩步發展階段，一系列理論和概念逐漸成熟，對土地尺度的本質和特征有了越來越廣泛的認識，對于尺度的計算方法也不斷更新，土地尺度的研究已經成為眾多研究的基礎。另一方面，隨著遙感和地理信息系統等技術以及景觀生態理論、區域經濟學理論在土地利用領域的應用，使我國在土地尺度的研究全面深化，尺度的計算對象與手段更加多樣化。

2.3.3 快速增長階段(2013～2018年) 2013～2018年時段，土地尺度領域相關研究文獻數量為135篇，約占近20年發文總數的64%。本時段土地尺度的研究已逐漸為人們所關注，發文量每年均保持在20篇左右。本時段的研究熱點與上一時段相比，大方向較為類似(圖6)，但是分支較上階段更為豐富。其中最為明顯的是多尺度與土地覆被這2個領域。

(1)在多尺度研究領域，吳瀚等[21](2017)通過研究土地更新調查復合要素空間匹配與差異判別技術，提出了一種基于緩沖區膨脹的多尺度矢量空間數據匹配方法。宋曉陽等[22](2018)融合了DOM和DSM作為數據源。在面向對象分類方法的基礎上，DSM分別被用于多尺度分割過程中像元融合的最終閾值和地物分類過程中的地物高度特征。王俊海等(2018)對影像進行多尺度分割，在典型樣本分析的基礎上創建多尺度的影像分類特征集，利用多尺度拓撲的分類方法，有效提高遙感影像的分類精度[23]。還有部分學者從景觀格局角度對不同尺度的土地變化特征進行了分析[24-34]。

(2)在土地覆被研究領域，徐凱健等[35](2018)基于準同步的衛星傳感器影像，以福建省長汀縣河田盆地為研究區，結合野外調查的實驗樣本，依次采用最大似然法(MLC)、支持向量機(SVM)和人工神經網絡(ANN)3種分類器，分析土地覆被分類結果在中高空間尺度序列(1～50 m)下的變化響應特征。廖順寶等[36](2017)以全國1∶25萬土地覆被數據、全國公里網格DEM數據和縣級行政區劃數據為基礎，在不同行政區劃尺度中分析地形因子對土地覆被類型空間分布格局的影響。宋宏利等[37](2017)以我國區域為研究對象，分析了不同分辨尺度下Open Street Map土地覆被信息的時空特征，為未來大尺度土地覆被遙感產品生產及驗證過程中訓練、參考數據的選擇，特別是人工地表和水體，提供了一定參考。還有部分學者運用不同尺度的思想對土地覆被中的分類、提取問題等進行了研究[38-48]。

這一時段，土地尺度研究處于快速發展階段，學者們的尺度研究在理論、方法和研究手段上逐漸向研究尺度本身轉變，即探究不同尺度下的實體或現象所具有的不同特征，集成在各尺度上所獲得的信息和認知，揭示其相互關系，從土地的格局、過程轉向了土地尺度，實現尺度綜合。

圖6 2013～2018年土地尺度領域研究關鍵詞圖譜

3 結論與討論

3.1 結論

(1)從土地尺度研究作者群角度來看，土地尺度領域研究者處于“整體分散，部分集中”的狀態，各研究學者之間的相互關系較弱，發文次數較多的研究學者通常是由同一機構的作者組成。從發文量來看，相關研究作者集中度較高，核心作者的相關研究奠定了中國土地領域尺度研究的基礎。

(2)從發文區域角度看，北京地區發文量最多。從發文量角度來看，土地領域尺度的相關研究成果在全國不同機構之間的差異較為懸殊。研究的成果數量與研究機構及地區的科研能力、研究水平有較強的關聯性。

(3)從關鍵詞角度來看，尺度的應用已成為土地空間分析的重要研究過程，尺度的研究方法和計算手段趨向多樣化和多學科特征，研究者一方面注重將尺度結合格局—過程成為土地空間的研究基礎，另一方面發展出對土地尺度自身的計算及理論體系，多尺度體系成為土地空間分異的研究載體。

3.2 討論

土地尺度研究問題產生的根源在于地理現象的異質性、土地系統的等級性與層次性、研究響應與反饋的非線性、干擾因素的影響以及主觀認識的局限性等[49]。土地尺度的研究應當研究影響土地格局的各因素及其過程的空間和時間特征，并由此作為土地持續利用研究的基礎。因此，將時空尺度研究融入土地科學，強化土地資源本質屬性的認知，對土地學科發展極為重要。

我國學者對土地領域尺度的研究，已得到長足發展。具體表現在：(1)借助行政區劃空間尺度，對土地的相關問題進行分析評價，探討動態變化等，能夠發現土地利用變化的地域分異特征。(2)利用時間尺度，探析土地變化的階段性特征、變化規律及其驅動力。(3)引進新的計算方法，研究土地特征尺度問題，研究逐漸深入基礎理論與方法，探索土地學科基礎理論薄弱的問題。

目前存在的不足主要表現在：(1)在研究內容方面，許多學者從不同學科領域涉及土地，而非土地作為研究主體，各自研究主體內容不相同，導致結論難以吻合，尚未形成土地學科尺度問題研究的理論方法體系。(2)在技術方面，相關學者對土地尺度研究的計算方法及工具開發不多，缺乏土地學科自身的尺度計算工具，對此問題的關注明顯不足。(3)在研究方向上，大多學者是在設定尺度內尋找特征，可稱為研究“尺度特征”，而未考慮土地屬性本質變化的時間跨度和空間范圍，即“特征尺度”問題。土地屬性的特征尺度作為影響時空格局或格局過程的尺度，為自然所固有，所有實體或現象都存在自身的時空尺度，只有充分認識其特征尺度，方可發現事物的本質特征及演變規律。例如在設計耕地質量評價指標體系過程中，如果對影響耕地質量的土地屬性的特征尺度有明確的認知，即可分別選中不同尺度條件下真正影響耕地質量的重要因素，實現不同尺度耕地質量評價指標具有科學依據的差別。還可按照影響耕地質量評價重要因素的特征尺度進行耕地質量分區，揭示耕地質量影響因素空間分布規律、為耕地質量的科學推繹提供理論支撐。建議今后土地科學的尺度研究，以特征尺度為導向，深入探討土地屬性本身的時空尺度問題，開拓土地科學基礎研究新局面，提供土地本質屬性的新知識和新的技術方法。