基于地学信息图谱的山东省国土空间转型分析

路 昌 周 浩 张 凤 董光龙 付金山

(1.山东建筑大学管理工程学院， 济南 250101； 2.湖南师范大学地理科学学院， 长沙 410081；3.南京国图信息产业有限公司， 哈尔滨 150036)

0 引言

转型是指不同阶段事物所对应的转变过程，不同转型主体状态及其与客观环境的适应程度决定了转型内容以及方向的多样性[1-3]。国土空间变化表现出时间阶段性、区域差异性以及影响因素多样性等特点，具有转型特征[4]。国土空间结构反映经济结构层次和水平，而经济发展可促使国土空间发生转型，尽管该转型对经济发展有基础支撑作用，但也会导致人居环境变差、生态环境恶化等系列次生问题[5]。在经济社会变革驱动下，开展国土空间转型特征研究对明确区域国土空间变化的特征性规律、实现国土空间综合管理及适应性调整具有现实意义[6-7]。

国内外学者针对不同尺度、不同空间的资源转型进行了大量研究。在研究对象及内容上，主要集中于耕地[8-9]、农村宅基地[10]、城镇建设用地[11-12]的转型时空过程，并涉及资源转型的理论基础和框架[13]、乡村土地转型与城乡发展关系[14]、土地利用转型的生态环境效应[15]等内容。而国土空间开发方式已逐渐由生产空间为主导转型至生产、生活、生态空间相协调的“三生”空间模式[5]。因此，有必要深化国土空间转型研究，探求人类活动与国土空间资源变化系统的耦合规律。在研究尺度上，多集中于市域[16]、省域[17]、流域[18]等宏观尺度，并运用转移矩阵、空间计量回归分析、景观格局指数等[19-22]方法探究资源转型、土地利用转型特点及区域差异。基于遥感、地理信息系统和计算机制图等技术的地学信息图谱论能够将土地利用转型过程以图谱单元的形式形象化、动态化地展示，常应用于土地利用转型的时空复合分析[1]。目前，已有诸多学者借助地学信息图谱论进行了土地利用转型过程研究[23-24]，考虑到国土空间类型多由土地利用数据归并分类得到，因此可尝试引入地学信息图谱论对国土空间转型特征进行研究。

山东省历经多年高强度国土空间利用过程，并已逐渐显露出国土开发时序不尽合理、空间布局尚不完全科学、城乡统筹有待改进等问题，这些问题制约着山东省国土资源的可持续利用[6]。随着山东省国土空间规划编制指南等政策的出台，对构建科学合理的国土空间管控格局提出了更高的要求。基于此，本文以山东省为研究区，基于多期土地利用遥感解译数据，运用地学信息图谱理论，系统揭示该省国土空间的转型特征，以期为编制国土空间规划提供支撑。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

山东省位于我国东部(34°22.9′～38°24′ N，114°47.5′～122°42.3′ E)，北临渤海、东临黄海，辖7个地级市和31个县级市，总面积约15.72万km2，人均国土空间面积不足全国均值的1/5。该省地势较低，中部山地凸起，东部丘陵，北部及西部为平原(图1)。山东省属温带季风气候区，年均气温11～14℃，年均降水量550～950 mm，光照资源充足，年均日照时数2 300～2 890 h。山东省为我国重要的农业大省和粮油生产区，也是主要的经济强省之一，其主要经济指标居全国前列，城镇化进程速度快，建设占用耕地现象突出[6]。

1.2 数据来源与处理

土地利用现状遥感监测数据库为当前我国精度较高的土地利用遥感监测数据产品，该数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)，以6—9月的Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成，目前已应用于多地区土地利用变化及其遥感动态监测研究上，数据的准确率及实用性均较高。本文选用该数据库中30 m数据精度产品作为源数据，对获取的遥感监测数据进行坐标系转换、裁剪等过程处理后，最终形成山东省1980、2000、2018年土地利用现状数据；基础地理信息区划图和全球数字高程模型(DEM)分别来源于国家基础地理信息中心(http:∥www.ngcc.cn/)和SRTM数据集(http:∥gdex.cr.usgs.gov/gdex/)。各图件经投影变换统一转为Albers双标准纬线等积投影。

2 研究方法

2.1 国土空间分类评价

国土空间为复杂有机地理空间，它以自然资源为载体，汇集了生产、生活与生态“三生”空间为一体的系统关系。“三生”空间是从功能角度确立的国土空间开发格局，与国土空间规划中“三区三线”划定相对应，从而促进构建合理的生产、生活和生态安全格局。生产空间指的是能够给居民提供农产品生产服务、工业品生产服务的区域，生活空间则为主导着提供人类生活居住、休闲消费等区域，生态空间面向对象为生态用地，指的是能够提供以生态产品和生态服务为主导功能的区域。本文借鉴刘继来等[25]和林伊琳等[26]关于我国“三生”空间分类研究成果，构建山东省国土空间分类体系(表1，表中一级类分为生产空间、生活空间和生态空间，二级类在一级类基础上分为农业生产空间、工矿生产空间、城镇生活空间、农村生活空间、绿地生态空间、水域生态空间和其他生态空间，为方便转型图谱的构建与分析，将二级类依次编码为11、12、21、22、31、32和33)。基于该分类体系，分别提取山东省1980、2000、2018年国土空间分类数据(图2)。

表1 山东省国土空间分类体系与土地利用分类的衔接表

2.2 地学信息图谱分析

地学信息图谱论多应用于土地利用变化领域，能够直观反映土地利用变化的过程信息、空间信息和属性信息，本文将其引入国土空间转型特征研究，并在ArcGIS 10.5支持下，对研究时段国土空间信息进行编码融合与计算，以形象化和动态化地反映国土空间转型特点。图谱基本原理为：研究初期的国土空间分类编码为千位数、百位数，而末期的编码设置为十位数、个位数，将二者合成一个新的国土空间分类编码，合成公式为：N=100A+B，N表示新生成的图谱编码，A、B分别表示研究初期和末期的国土空间分类编码。由此得到1980—2000年、2000—2018年山东省国土空间变化信息图谱。

2.3 涨落势图谱分析

国土空间转型包括转入与转出两个动态过程，转入为其他国土空间类型转为本国土空间类型的过程，转出则是本国土空间类型转为其他类型的过程。在研究时段初期和末期数据进行叠加处理基础上，得到某一国土空间类型转型过程中所对应的新增和萎缩信息，即涨势图谱和落势图谱信息。

3 结果与分析

3.1 国土空间数量结构转型

山东省国土以农业生产空间为主，1980、2000、2018年其面积百分比依次为67.24%、65.93%、61.99%，年均变化率0.21%。与之对应的是生活空间持续扩张，山东省为我国主要经济强省之一，1980—2018年，经济快速发展促使城镇生活空间持续扩张，对应面积百分比由1.27%增长至6.22%，年均增长率达到10.24%，显著高于我国同期城镇生活空间的扩张速度[25]。农村生活空间也维持着持续扩张特点，1980年其面积百分比为8.86%，2018年增至10.64%，年均增长率仅为0.53%。生活空间面积变化趋势可在一定程度上表征人口城镇化特点，1980年山东省农村生活空间面积约为城镇生活空间7倍，当年人口城镇化率9.47%，而至2018年该倍数降至1.7，对应人口城镇化率达到61.18%，反映着生活空间内部发展与人口扩张处于脱钩状态的特点。中部和东部为山东省绿地生态空间主要集中区，1980年其面积百分比为15.14%，2018年降低了3.12个百分点，变为12.02%。其他生态空间多为耕地后备资源用地，集中于鲁北黄河三角洲冲积洪积平原区，耕地垦殖开发导致该国土空间类型的面积持续下降，2018年其面积已降至1980年的1/10。研究期内，水域生态空间和工矿生产空间均呈现波动变化特征，其对应面积低值年份分别为1980年和2000年，年均变化率分别为4.81%和1.39%，整体处于面积扩张状态(图2和表2)。

表2 山东省1980—2018年国土空间类型的转型统计

城镇生活空间长期维持着较快面积增长速度，1980—2000年面积年均变化率为5.22%，而2000—2018年，该变化率变为7.74%。其他生态空间多为耕地后备资源的来源性用地，2000—2018年其他生态空间面积持续减少特点(面积年均变化率-4.48%)并未有效控制农业生产空间面积的减少速度，该现象反映了新增垦殖耕地已难以满足当前城镇建设占用耕地的需求，因此耕地占补平衡仍需持续推行。除工矿生产空间和水域生态空间外，山东省国土空间呈现延续性变化特点，国土空间的扩张与衰减方向一致。随着国家集约节约用地相关政策推行以及废弃矿产资源复垦整治等措施，2000—2018年工矿生产空间面积以年均0.51%的速度下降。自21世纪初以来，随着东平湖和黄河三角洲等湿地生态修复工程、微山湖“三退三还”工程、《山东省湿地保护办法》(省政府令第257号)等一系列生态湿地保护工程政策的推行与实施，山东省水域生态空间表现出显著的面积扩张趋势，2000—2018年间以年均3.92%的速率上升。

3.2 国土空间转型图谱分析

3.2.11980—2000年国土空间转型图谱分析

1980—2000年山东省共有41类具有时间异质性的国土空间转型图谱单元，总面积9 720.23 km2，占国土总面积的6.30%。将以上图谱单元按照面积进行排序，得出低于90%累积变化比率的图谱单元共有13类，如表3(表中变化比率是指该图谱单元占国土空间总面积的百分比，累积变化比率是指按照变化比率进行排序之后的累加)所示，且在空间上表现出明显的空间异质性特点。

表3 山东省1980—2000年主要国土空间转型图谱单元排序

自改革开放以来，山东省处于经济生产建设快速发展时期，1980—2000年间存在大量农业生产空间转型至生活空间的现象，与之对应的转型图谱单元为“农业生产空间→城镇生活空间”(编码：1121)和“农业生产空间→农村生活空间”(编码：1122)，对应转型面积依次为1 638.50 km2和1 477.92 km2，分别占总图谱单元面积的16.86%和15.20%。对于该时段而言，山东省各地域经济发展多围绕主要城市进行，以上2类图谱单元在空间上均衡分布于各市县，但同时也表现出较为显著的团状分布特点(图3a)。生态空间主要的转型流向为生产空间，“水域生态空间→工矿生产空间”(编码：3212)、“其他生态空间→工矿生产空间”(编码：3312)、“绿地生态空间→农业生产空间”(编码：3111)和“水域生态空间→农业生产空间”(编码：3211)4个转型图谱单元占总图谱单元面积的31.92%，其中转型至工矿生产空间的水域生态空间和其他生态空间变化比率达到17.24%，以上图谱单元主要集中于鲁东丘陵区、鲁中南山地丘陵区以及鲁中南山丘区与鲁西平原接触带的主要湖泊区，为山东省传统生态空间集中区。其余图谱单元的面积变化比率均小于5%，也主要体现在生态空间与生产空间的相互转换上。

3.2.22000—2018年国土空间转型图谱分析

2000—2018年，山东省国土空间变化更为强烈，该时间段内拥有时间异质性特点的国土空间转型图谱单元为42类，其对应的图谱单元总面积为1980—2000年的3.15倍，达到30 586.08 km2。同样也对以上图谱单元面积进行排序，低于90%累积变化比率的图谱单元为13类，但图谱类型与1980—2000年存在较大差异(表4和图3)。

表4 山东省2000—2018年主要国土空间转型图谱单元排序

山东省为我国重要的粮油生产基地，自21世纪以来其农村居民点占用耕地以及近年来挂钩政策下农村居民点整理项目的实施，影响着该省国土空间格局，其对应转型图谱单元“农业生产空间→农村生活空间”(编码：1122)面积为5 661.37 km2，占总图谱单元面积的18.51%，“农村生活空间→农业生产空间”(编码：2211)也占到总图谱单元面积的12.63%，图谱面积为3 862.60 km2，反映了以农村居民点为代表的国土生活空间和以耕地为代表的国土生产空间相互频繁转换的特点。该时段内存在大量城镇化建设占用耕地的情形，对应图谱单元“农业生产空间→城镇生活空间”(编码：1121)面积变化比率为11.55%，图谱面积3 532.71 km2。国土生产空间与生态空间的相互转型也是该时间段国土空间格局主要特点，其中“绿地生态空间→农业生产空间”(编码：3111)图谱单元面积处于第2位序，占总图谱单元面积的14.02%。相对于1980—2000年而言，该时间段内“农村生活空间→城镇生活空间”(编码：2221)图谱单元面积变化比率更高，达到4.21%，但仍维持着依托中心城镇区周边原有农村进行建设扩张的特点。

3.3 国土空间涨落势图谱分析

3.3.1国土空间涨势图谱分析

1980—2000年，山东省新增国土总面积9 720.24 km2，占国土总面积的6.30%。对于各子国土空间类型而言，新增工矿生产空间面积最大，为2 145.55 km2，占新增国土总面积的22.07%，主要分布于山东省北部以及东北部的东营市、滨州市、潍坊市和威海市，该地区拥有大量以石油和岩矿为代表的非金属矿产资源。其次为新增农业生产空间和新增城镇生活空间，但二者与新增工矿生产空间面积差异较小，分别为2 111.68 km2和2 081.05 km2，对应面积百分比依次为21.72%和21.41%。新增农村生活空间多来源于农业生产空间，农业生产空间影响着农村生活空间的涨势图谱特征，1980—2000年，新增农村生活空间多分布于核心粮食产区，且空间上表现为中部至南部条带区、东北部以及北端等地区的新增农村生活空间分布密度显著小于西部和东部。生态空间中水域生态空间面积增量达到最大的5 129.47 km2，对应面积百分比为11.27%，绿地生态空间和其他生态空间的面积百分比依次为6.24%和1.36%，多分布于山东省中部至南部条带区以及主干河流沿岸(图4)。

2000—2018年，新增国土总面积为1980—2000年3.42倍，达到33 290.24 km2。农业生产空间新增面积达到最大的9 788.09 km2，对应面积百分比为32.01%。2018年以来，山东省国土生产建设处于高速发展时期，使得生活空间快速扩张，与1980—2000年相比，该时间段新增农村生活空间和城镇生活空间面积分别增长至4.29倍和2.65倍，对应面积依次为6 654.58 km2和5 518.86 km2，面积百分比分别达到21.76%和18.04%，东南部临沂市、西部以及西北部的济南、淄博、东营、潍坊片区和东部青岛市为生活空间主要增长极。在新时期国家资源战略转型以及当地矿产资源开发规模化与集约化政策背景下，工矿生产空间增长缓慢，工矿生产空间新增面积与1980—2000年处于同一水平，为2 114.86 km2，但占新增国土总面积百分比为6.91%，远低于1980—2000年。水域生态空间增长了5 129.47 km2，占国土新增总面积的16.77%，但绿地生态空间和其他生态空间面积百分比均有所下降，反映了生态空间涨势趋于单一化特点。

3.3.2国土空间落势图谱分析

农业生产空间开发条件优越、分布广，使得萎缩农业生产空间为最主要的落势图谱类型，1980—2000年共萎缩农业生产空间4 187.94 km2，占落势图谱总面积的43.08%，空间分布广泛。同时，由于生态空间稳定性偏低，国土空间开发易导致生态空间萎缩，20年间共萎缩生态空间用地4 866.94 km2，其中其他生态空间萎缩了1 885.03 km2，占落势图谱总面积的19.39%，空间上主要分布于山东省西北部的滨州市和东营市境内，该地区为山东省滩涂盐碱地的主要集中区。萎缩绿地生态空间类型占落势图谱总面积11.73%，对应面积1 140.60 km2，空间上主要集中于山东省中南山地丘陵区以及东部山地丘陵区，为主要的山地林业集中区。生活空间拥有地表配套建筑设施，其难以向其他国土空间类型转换，1980—2000年，仅10.51 km2的城镇生活空间发生萎缩，且空间分布零碎，而农村生活空间萎缩面积较大，该类型图谱占落势图谱总面积的6.16%，空间分布极其广泛。矿山整理及复垦为工矿生产空间萎缩的主要原因，20年间工矿生产空间萎缩面积为55.84 km2，其对应图谱主要集中于东北部以及北部的工矿用地集中区(图5)。

由于农业生产空间是其他国土空间类型变化的主要来源性用地，2000—2018年萎缩农业生产空间仍为主要的国土空间落势图谱，相对于1980—2000年其面积增长了9 315.52 km2，变为13 503.46 km2，对应面积百分比为44.15%。由于生态空间开发易受政策条件影响，国家生态空间用地开发方式转型政策推行以及黄河三角洲等湿地生态修复工程实施，改变了生态空间的开发利用模式，使得前后时间段生态空间萎缩结构比例存在较大差异。2000—2018年绿地生态空间面积减小了6 079.45 km2，占总萎缩量的19.88%，空间上多分布于山东省中部至东南部的枣庄市、临沂市和日照市以及东北部的烟台市、威海市等地区，其他生态空间相对萎缩量均偏小，水域生态空间面积减小了1 165.04 km2，其他生态空间减小1 353.48 km2，对应面积百分比分别为3.81%和4.43%。受自主城镇化、农村撤村并点以及农村居民点整理工程影响，2000—2018年农村生活空间萎缩现象突出，与上一时间段相比萎缩量增至8.18倍，变为5 497.07 km2。城镇生活空间的萎缩特点反映了城市化扩张战略的转变方向，该时间段内城镇生活空间共萎缩了431.20 km2，占总萎缩量的1.41%，空间上广泛分布于各集镇周边地区。

4 讨论

运用地学信息图谱论方法，能够联动表现区域国土空间变化格局的“图”和国土空间变化过程的“谱”，进而实现国土空间变化格局与过程的耦合。本文通过归并现有土地利用遥感监测数据，来实现国土空间分类评价，但考虑到生产、生活和生态“三生”空间更强调从功能角度来确定国土空间开发格局，后续应继续深化国土空间类型提取工作，并尝试开展国土空间功能转型研究，以服务于新时期国土空间多功能综合利用与国土空间规划工作。另外，国土三生空间转型及涨落势特征分析结果显示，与中部、南部其他省份“极化”发展不同的是[8,23,26]，山东省国土生产和生活空间所呈现出的“多点开花”变化特点表征着各地区国土空间多处于不同程度的协同开发与利用状态，未来该省国土空间规划应均衡统筹各地区实际发展状况，实现经济的同步可持续发展。

5 结论

(1)山东省经济及其发展条件较好，多年来该省农业生产空间面积百分比高于60%，城镇生活空间与农村生活空间均处于同步扩张状态，但城镇生活空间扩张幅度显著高于农村生活空间，且除工矿生产空间和水域生态空间外，其他国土空间均呈现延续性变化特点。

(2)山东省长期处于高强度三生空间转型状态，且各地区多围绕主要城镇生活区进行。不同时间段表现出不同的国土空间转型特点，2000—2018年比1980—2000年转型更为强烈。1980—2000年转型图谱总面积占国土总面积的6.30%，以农业生产空间转型至生活空间、生态空间转型至生产空间为主，农业生产空间转型至生活空间在空间上呈现团状分布特点；2000—2018年转型图谱总面积为1980—2000年的3.15倍，主要为生活空间与生产空间、生产空间与生态空间的交互转型，城镇生活空间的主要转型来源为农业生产空间，其面积百分比为11.55%。

(3)1980—2000年涨势图谱主要为工矿生产空间、农业生产空间和城镇生活空间，2000—2018年新增国土总面积为1980—2000年的3.42倍，农村和城镇生活空间面积分别增长至4.29倍和2.65倍，农业生产空间新增面积百分比为32.01%，工矿生产空间面积增长缓慢；1980—2000年城镇生活空间萎缩缓慢，农村生活空间萎缩面积百分比则达到6.16%，空间分布极其广泛；2000—2018年农业生产空间仍是主要落势图谱类型，绿地生态空间急剧萎缩，面积百分比为19.88%，而农村生活空间萎缩面积增长至1980—2000年的8.18倍。