基于GLC30数据的近20年海南岛土地利用动态变化研究

戴声佩，罗红霞，胡盈盈，郑 倩，李海亮，李茂芬，禹 萱

(1.中国热带农业科学院科技信息研究所，海南 海口571101；2.海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室，海南 海口571101；3.农业农村部农业遥感重点实验室，北京 100081)

0 引言

与人类社会经济发展密切相关的土地开发利用，以及由此引发的土地覆盖变化，使得土地利用/覆盖变化(land use/cover change，LUCC)成为当前全球变化研究的核心内容和地球系统科学的前沿与热点领域[1]。土地利用/覆盖变化是各种人文、社会经济与自然生态环境等因子在多种时间与空间尺度上综合作用的结果，具有很复杂的格局过程和驱动机理[2-3]。研究土地利用/覆盖变化的时空动态变化格局能更好地揭示地表过程，加深区域土地利用动态变化格局和过程理解，阐明其自然效应和人类响应，有利于预测未来土地利用变化趋势，可为土地利用可持续发展提供科学参考[1]。

海南省于1988年4月正式成为我国最大的经济特区，至2009年12月建设海南国际旅游岛，2020年6月开始建设海南自由贸易港，其间海南自然生态环境、社会经济发展等方面均经历了明显的变化，其中受自然环境和人文社会经济双重影响的土地利用变化尤其显著，特别是近20年来海南岛土地利用的时空动态变化特征及其格局尚不明确。根据国务院2020年6月发布的《海南自由贸易港建设总体方案》，海南自由贸易港的实施范围为海南岛全岛，通过研究分析过去20年海南岛土地利用时空动态变化，可为未来海南自由贸易港建设提供数据依据。因此，本研究基于GIS和全球地表覆盖数据，通过计算海南岛土地利用动态度、综合利用程度，合成土地利用转移信息图谱及转移矩阵，分析海南岛近20年来土地利用时空分布格局、时空动态变化，为海南岛土地利用合理开发及未来海南自由贸易港建设提供科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

海南岛位于我国南海大陆架北端，由大陆岛和海洋岛组成，与广东省雷州半岛隔海相望。海南岛近似“梨”形，地形复杂，地貌多样，土地类型丰富。由于环岛四周多为滨海平原，形成了中部高、四周低的地势特点。海南岛属热带季风海洋性气候，四季不分明，年气温差较小，年平均气温高，冬春干旱，夏秋多雨，干季、雨季明显。海南岛年日照时间1 780～2 600 h，年均气温22.5～25.6 ℃，年降水量1 500～2 500 mm，光、热、水资源丰富，风、旱、寒等气候灾害频繁。海南岛是热带雨林、热带季雨林的生长地，森林植被类型复杂；农田可全年种植，热带动植物资源丰富。

1.2 数据获取及预处理

土地利用数据使用的是国家基础地理信息中心提供的30 m空间分辨率全球地表覆盖数据GlobeLand30(GLC30，http：//www.globallandcover.com)，该数据是由国家基础地理信息中心等18家单位组成的科研团队联合完成，是中国向联合国提供的首个全球地理信息公共产品[4]。该数据共包括2000年、2010年、2020年3期数据，其研制所使用的分类影像主要是30 m多光谱影像，包括美国陆地资源卫星Landsat TM5、ETM+、OLI多光谱影像和中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像，2020版数据还使用了16 m分辨率高分一号(GF-1)多光谱影像，其影像选取原则是在保障影像无云(少云)前提下，择优选择数据生产基准年或更新年度±2年内植被生长季的多光谱影像[5]。对于获取影像困难区域，可放宽影像获取时间，确保影像全球覆盖的完整性。

GLC30数据采用WGS-84坐标系，一级土地利用类型分为耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪。通过数据精度评价，2010版数据的总体精度为83.50%，Kappa系数0.78；2020版数据的总体精度为85.72%，Kappa系数0.82[6]。总体来看，该数据覆盖范围广、时间序列完整、数据精度高，适用于大尺度土地利用/覆盖变化动态分析研究。

本研究中首先选择覆盖海南岛的2000年、2010年、2020年3期GLC30数据；其次，利用研究区矢量边界剪裁获取海南岛2000年、2010年、2020年3期30 m空间分辨率土地利用数据；最后，根据研究区特征，依据土地利用类型对应关系，将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、湿地、水体、建筑、裸地和海域8类，从而获得本研究所需土地利用数据集，并进行下一步时空动态分析。

1.3 土地利用动态度

1.3.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度用于表达区域内一定时间内某一土地利用类型数量的速度变化。可以表达为

(1)

式中K——某一研究时段某一土地利用类型的动态度

Ua——某一研究时段初期某一土地利用类型的面积

Ub——某一研究时段末期某一土地利用类型的面积

T——某一时段的长度，当T设定为年时，K的值就为研究区某种土地利用类型的年变化率

1.3.2 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度用于表征整个研究区土地利用的变化速度，其公式为

(2)

式中Kt——某一研究时段某一土地利用类型的动态度

Uai——某一研究时段初期i土地利用类型的面积

Ubi——某一研究时段末期i土地利用类型的面积

n——某一研究时段内土地利用类型数

T——某一时段的长度

1.4 土地利用综合程度指数

土地利用程度是反映人类对土地利用开发程度的指标。参照刘纪远等[7]提出的数量化土地利用程度分析方法，即将土地利用度按照土地自然综合体在社会经济因素影响下自然平衡保持状态分为4级(表1)，并结合研究区自身特征分级赋于指数，从而给出土地利用程度的定量表达。

表1 土地利用程度分级赋值Tab.1 Grade assignment of land use degree

研究区的土地利用综合程度指数可定量表示为

(3)

式中L——土地利用综合指数

Ai——第i级土地利用程度分级指数

Ci——第i级土地利用程度分级面积百分比

n——土地利用程度分级数

1.5 土地利用转移信息图谱

1.5.1 土地利用信息图谱概念模型

土地利用信息图谱是进行“空间与过程”研究的时空复合体，对它的描述可以通过同时反映土地空间差异和时序变化过程的状态变量来实现[8]。设状态变量为P(P1，P2，P3，…，Pn)，则其集合P是空间位置r与时间t的函数，即

P=f(r，t)

(4)

其中P(P1，P2，P3，…，Pn)代表土地的性质。当t一定时，建立P(P1，P2，P3，…，Pn)随r的变化函数关系可实现对于土地属性的空间描述；当r一定时，建立P(P1，P2，P3，…，Pn)随t变化的函数可实现对于土地属性的过程描述。以上两种函数结合起来就形成了土地利用信息图谱的概念模型，实现了土地空间与过程的复合研究[9]。

1.5.2 土地利用转移信息图谱合成

土地利用转移信息图谱是由土地利用图谱时空复合体图谱和转移矩阵表组成。土地利用转移图谱的合成是在空间、过程与属性特征的地学分析基础上，既包含了土地利用状况的空间差异性信息，又包含着地理过程时序变化的信息，它能够将时空变化研究复合为一体，是“格局与过程集成研究”的有效途径[10]。其步骤和方法如下。

(1)确定土地利用图谱单元，包括地理空间单元(空间分辨率)和时间尺度单元(采样时间间隔)。本研究利用土地利用类型数据空间分辨率30 m作为土地利用图谱的空间单元，时间尺度单元受数据源的限制设置为10年(2000—2010年、2010—2020年)和20年(2000—2020年)。

(2)转移图谱代码融合。通过对前后两期采样时刻的土地利用类型的图谱单元代码按照地图代数叠加运算实现转移图谱代码的融合[11]。具体方法是把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，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，融合成一个新的图谱单元代码，该代码记录了图谱单元的演化过程，在土地利用类型编码<10时适用[12]。具体合成为

C=10A+B

(5)

式中C——表征研究时段土地利用方式演化特征的图谱单元代码

A——记录前一时刻土地利用类型的图谱单元代码

B——记录后一时刻土地利用类型的图谱单元代码

对于土地利用转移信息图谱的构建，利用ArcGIS 10软件中的Spatial Analyst模块，进行地图代数运算，利用研究区3个时期的土地利用类型图数据，生成2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年3个不同时段研究区土地利用转移信息图谱，同时，通过对土地利用转移图谱单元的属性数据进行统计分析，生成土地利用转移矩阵表，统计转移图谱的类型、变化面积信息，定量分析土地利用类型图谱的变化情况。

2 结果与分析

2.1 土地利用时空分布格局

研究区2000、2010和2020年土地利用/覆盖空间分布如图1所示。由图1可以看出，海南岛土地利用/覆盖类型以耕地和林地为主，耕地主要分布在沿海地区，2000、2010和2020年面积分别为9 091.09、7 813.95和8 290.61 km2(表2)，占总面积比例分别为26.82%、23.05%和24.46%(图1d和表2)；林地主要分布在中部山区，2000、2010和2020年面积分别为21 718.26、24 147.55和22 192.68 km2(表2)，占总面积比例分别为64.06%、71.23%和65.46%(图1d和表2)。

图1 海南岛土地利用类型Fig.1 Land use map in Hainan Island

2000—2020年研究区土地利用变化面积、比例及幅度如图2和表3所示。2000—2010年，海南岛林地面积增加较多，增加面积为2 429.29 km2，增加比例为7.17%，变化幅度为11.19%；耕地和草地面积减少较多，面积分别减少1 277.14和1 006.43 km2，减少比例分别为3.77%和2.97%，变化幅度分别为-14.05%和-62.26%；湿地、水体、建筑、裸地和海域的面积变化较小，但是其中水体和海域的土地利用变化幅度较大，分别达到-24.72%和-35.61%。2010—2020年，海南岛耕地和建筑用地明显增加，增加面积分别为476.66和1 151.48 km2，增加比例分别为1.41%和3.40%，变化幅度分别为6.10%和186.79%；林地面积显著减少，减少面积为1 954.86 km2，减少比例为5.77%，变化幅度为-8.10%；草地、湿地、水体、裸地和海域的面积变化较小，其中水体和海域的土地利用变化幅度也较大，分别达到67.13%和-51.03%。2000—2020年，海南岛林地和建筑用地面积显著增加，增加面积分别为474.42和1 225.93 km2，增加比例分别为1.40%和3.62%，变化幅度分别为2.18%和226.19%；耕地和草地明显减少，减少面积分别为800.48和1 092.22 km2，减少比例分别为2.36%和3.22%，变化幅度分别为-8.81%和-67.5%；湿地、水体、裸地和海域的面积变化较小。

图2 海南岛土地利用变化幅度Fig.2 Amplitude of land use change in Hainan Island

2.2 土地利用动态度分析

从海南岛土地利用类型的单一土地利用动态度(表4)来看，各个土地利用类型的变化规律差异较大。耕地在2000—2020年呈先明显减少、后缓慢增加的变化趋势，总体呈减少趋势，变化速率为-0.88%，在2000—2010年明显减少，减少速率为-2.81%，但是在2010—2020年增加速率较快，达到1.22%。草地和海域在2000—2020年一直呈较快速率的减少趋势，变化速率分别为-6.76%和-6.85%。湿地和水体在2000—2020年呈先缓慢减少、后明显增加的变化趋势，总体呈增加趋势，变化速率分别为2.09%和2.58%，在2000—2010年缓慢减少，减少速率分别为-0.92%和-4.94%，但是在2010—2020年增加速率较快，增加速率分别为5.33%和13.43%。建筑用地和裸地在2000—2020年一直呈较快速率的增加趋势，变化速率分别为22.62%和1.55%。林地在2000—2020年呈先增加、后减少的变化趋势，总体呈增加趋势，变化速率为0.22%。

从海南岛综合土地利用动态度(表4)来看，2000—2020年海南岛土地利用综合动态度为0.28%，2000—2010年的土地利用类型变化速率要高于2010—2020年时段，土地利用类型变化的速率存在前快后慢的趋势。在2000—2010年和2010—2020年的土地利用综合动态度分别为0.74%和0.61%，均高于近20年(2000—2020年)的平均水平0.28%。

表4 海南岛土地利用动态度Tab.4 Dynamic degree of land use in Hainan Island

2.3 土地利用程度

从海南岛各个时期土地利用综合程度指数(表5)可以看出，2000年、2010年和2020年海南岛土地利用综合程度指数分别为232.03、228.20和237.70。海南岛土地利用程度在各个时期变化较小，总体数值处于中间偏上水平，表明海南岛土地利用/覆盖变化的稳定性较高，人类对土地的开发强度适中。

表5 海南岛土地利用程度Tab.5 Comprehensive land use index in Hainan Island

2.4 土地利用时空变化格局

不同时段海南岛土地利用转移信息图谱和土地利用类型转移矩阵如图3和表6～8所示。由图3a、3b可见，2000—2010年海南岛土地利用时空变化格局以林地面积增加为主，主要由耕地、草地、湿地和水体转化而来(表6)；2010—2020年海南岛土地利用时空变化格局以耕地和建筑用地显著增加为主，耕地增加主要来源于林地的转化，建设用地的增加则来源于耕地和林地(表7)。由图3c和表8可知，近20年来，耕地增加的区域主要分布在海南昌江、东方、乐东、保亭和陵水等市县，主要来源于林地和建筑用地的转换；其面积减少明显，主要是转化为林地，分布在海南海口、昌江、琼海和万宁等市县。林地面积增加明显，主要分布在海南岛中部山区及东北部文昌市，大部分由草地转化而来，另外昌江、东方、乐东、保亭和陵水等市县的耕地也有较大面积转化为林地；林地的减少主要是转变为草地、水体，以及沿海城市的建筑用地，面积较小。草地的增加数量较少，主要是由耕地和林地转化而来；其减少区域主要分布在海南岛中部山区，转化为林地。湿地/水体的增加主要是由分布在其周边的耕地、林地和草地转化而来；湿地/水体减少面积较小。建筑用地面积增加显著，主要来自于耕地、林地和草地的转化，另一部分则来自于湿地、水体和海域的开发，主要分布在海南岛沿海城镇居民点的周边地区；其减少面积很小。裸地和海域面积很小，裸地部分转化为草地，海域部分转化为建筑用地。

表6 2000—2010年海南岛土地利用转移矩阵Tab.6 Land use transfer matrix of Hainan Island from 2000 to 2010 单位：km2

表7 2010—2020年海南岛土地利用转移矩阵Tab.7 Land use transfer matrix of Hainan Island from 2010 to 2020 单位：km2

表8 2000—2020年海南岛土地利用转移矩阵Tab.8 Land use transfer matrix of Hainan Island from 2000 to 2020 单位：km2

图3 海南岛土地利用转移信息图谱Fig.3 Land use transfer map of Hainan Island during 2000—2010

3 结论与讨论

基于GIS和全球地表覆盖数据，通过计算海南岛土地利用动态度、综合利用程度，合成土地利用转移信息图谱及转移矩阵，分析海南岛近20年来土地利用时空分布格局、时空动态变化，为海南岛土地利用合理开发及未来海南自由贸易港建设提供科学参考，得出主要结论如下。

(1)海南岛土地利用/覆盖类型空间分布格局以耕地和林地为主，耕地主要分布在沿海地区，林地主要分布在中部山区。

(2)2000年、2010年和2020年海南岛土地利用程度在各个时期变化较小，总体数值处于中间偏上水平，表明海南岛土地利用/覆盖变化的稳定性较高，人类对土地的开发强度适中。

(3)2000—2010年海南岛土地利用时空变化格局以林地面积增加为主，主要由耕地、草地、湿地和水体转化而来。2010—2020年海南岛土地利用时空变化格局以耕地和建筑用地显著增加为主，耕地增加主要来源于林地的转化，建设用地的增加则来源于耕地和林地。2000—2020年，海南岛林地和建筑用地面积显著增加，耕地和草地明显减少；湿地、水体、裸地和海域的面积变化较小。林地增加的区域主要分布在海南岛中部山区及东北部文昌市，大部分由草地转化而来；建筑用地主要来自于耕地、林地和草地的转化，另一部分则来自于湿地、水体和海域的开发，主要分布在海南岛沿海城镇居民点的周边地区；耕地减少主要是转化为林地，分布在海南海口、昌江、琼海和万宁等市县；草地减少区域主要分布在海南岛中部山区，转化为林地。

本研究中使用的土地利用数据(GLC30)是中国向联合国提供的首个全球地理信息公共产品，该数据覆盖范围广、时间序列完整、数据精度高，适用于大尺度土地利用/覆盖变化动态分析研究，但在使用过程中，需要根据研究区土地利用特征，重新划分土地利用类型，以满足实际研究需求[4]。基于地学信息图谱的方法分析区域的土地利用时空变化过程，与传统的统计分析及静态表达空间格局系列图表方法比较，其方法可利用空间—属性—过程一体化格网单元上记忆的信息，在图上查询到研究时段内任意土地利用转移变化类型发生的空间分布位置，未来需要进一步应用多学科、多数据源和现代技术，加强空间数据挖掘和知识发现，完善土地利用信息图谱研究方法[8]。当前，地球科学研究已经进入了大数据时代，利用地球大数据平台开展区域或全球土地利用研究成为发展趋势[13-14]。与国内的PIE-Engine、日本的Tellus等遥感云计算服务平台和海南遥感大数据平台相比，谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)发展迅速，可以快速、批量处理海量的遥感大数据，未来通过GEE可以快速进行长时间序列、大范围土地利用变化遥感监测研究和应用[15-16]。