中国历史土地利用变化数量恢复与空间重建

第1章 全球变化与历史土地利用重建 1.1 历史土地利用与土地覆盖变化研究的目的和意义 1.1.1 历史土地利用与土地覆盖变化是全球变化研究的重要组成部分 大量证据表明，地球系统正在发生行星尺度上的重大变化，日益增长的人类活动以温室气体排放、土地利用变化等多种方式表现出来，影响甚至主导着地球环境及其运行的许多方面（IGBP，2001）。土地利用与土地覆盖变化（land use and cover changes，LUCC）是除了工业化之外，人类对自然生态系统的*大影响因素（Turner et al.，1997；Lambin et al.，2001）。农田面积扩大、城市用地增加和森林砍伐等用于满足人类需求的措施正在改变土地利用与覆被的可持续性，相关土地利用变化问题逐步由环境问题上升为生境问题乃至人类的生存问题（Voldoire et al.，2007；葛全胜等，2004；李家洋等，2006），LUCC研究也成为众多国际跨领域研究项目中的重要内容之一。LUCC研究特别将“过去300年中人类的活动是如何改变土地覆被以及在不同历史阶段不同地理单元土地利用变化的主要人文因素是什么”列为重点问题，强调利用各种手段恢复过去土地利用与土地覆盖变化的详细历史（Leemans et al.，2000；Thompson，2000）。 LUCC作为开展长期气候变化模拟、诊断气候形成机制、辨识气候系统对自然和人类强迫敏感性、预测未来气候变化等研究的重要参量，以及分析、模拟并预测全球（区域）生态环境变化的重要基础数据，建立（重建）长时期（近300年甚至更长时段）、全地类（涵盖主要土地利用类型）、连续型（具有一定的时空连续性）、较高分辨率（1～10km空间格网）的数据集成为实现这些科学目标的重要基石（IGBP，2005；Feddema et al.，2005）。在历史土地利用空间格局重建方面，现有研究多集中在耕地。其中，美国威斯康星大学全球环境与可持续发展中心（SAGE）的全球土地利用数据集（global land use database）和荷兰国家公共健康与环境研究所（RIVM）的全球历史环境数据集（historical database of the global environment）都是较为重要的尝试（Goldewijk and Battjes，1997；Goldewijk and Navin，2004；Goldewijk，2001；Goldewijk et al.，2011，2017；Ramankutty and Foley，1999）。在此基础上，有学者对原始土地利用数据进行加工，又得到“土地利用转型”数据集（land use transformation database）（Hurtt et al.，2006）。然而，这些全球数据集中的大部分土地数据是由人口、消费等社会经济参数间接推导而来的，推理过程中有许多假设，增加了数据集的不确定性，导致其成果虽能够反映全球大势，但却相对粗略，数据量和空间分布在局部尺度上都存在较大误差（葛全胜等，2008a；李蓓蓓等，2010）。与此同时，上述研究也为相关学科发展提供了方法借鉴和数据参考，诸多学者利用或改良这些方法进行了更为深入的研究（He et al.，2015；Liu and Tian，2010；Ye et al.，2015；李柯等，2011；李士成等，2014）。但综合而言，大部分重建成果以耕地为主且多为垦殖率类型，空间分辨率较低，这与深入分析全球变化陆地表面过程对土地利用与土地覆盖变化基础数据的要求仍有较大差距。 1.1.2 利用历史文献重建土地利用空间格局 中国历史上形成的丰富文献资料为开展历史LUCC重建创造了良好的条件。利用历史文献资料，采用史料考订、断面定量比较、多时段数据整合等方法确定一定区域下特定土地利用类型的数量，基于土地适宜性评价结果或现代土地利用格局，重建以网格垦殖率为主要表达方式的历史土地利用格局是这一研究领域的典型范式（葛全胜等，2003，2008b）。通过对史志、地方志、笔记、地形图、地籍图等历史资料中包含的地理要素（地名、地物、现象、事件等），按时间、空间进行提取、甄别、修正和空间化，可为定量或半定量分析历史LUCC提供有利证据。同时，借助嵌入表征人类土地利用行为的规则和智能算法，采用网格单元逐次循环迭代的方式“自下而上”地演化历史土地利用格局，也成为提高历史LUCC重建效率并合理解释其变化过程的可能途径。 长江三角洲地区（含今江苏、安徽、浙江及上海）依山负海，跨江越淮，是中国南北方的过渡区和融合区。区内既有平坦、宽阔的江淮平原、苏南平原，也有西部大别山、南部徽州的山地和丘陵地区。长江、淮河、钱塘江三大水系横贯东西，区域内湖泊众多，水域辽阔，海陆变化显著，是一个聚集了众多自然地理要素的综合性区域。该区是中国传统农区的重要组成部分，自古就是中国的主要粮食种植区和经济社会活跃地带，同时繁荣的商业活动也刺激和资助了文化活动，使这里成为明清时期文化极为发达的地区之一。该区近300年来土地覆被变化显著，留存的历史文献资料中也蕴含大量可供挖掘的地理要素信息，在开展结合历史资料进行土地利用格局重建方面具有显著优势。 本书拟从丰富基础数据来源和拓展建模方法入手，一方面充分挖掘历史文献记载中具有地理意义的各类要素，为丰富地理建模提供客观基础数据支撑；另一方面基于“初始全地类配置→单地类历史过程演化→多地类综合协调→近现代数据验证”的整体思路，构建集成“配置-演化-协调”的重建方法，探索长江三角洲地区近300年全地类［含耕地、城市用地、农村聚落、林（草）地、水域和其他用地］利用格局的时空连续重建方法（空间分辨率为1km×1km，时间分辨率为10～20a）。本书力图在理论层面将地理学时空分析、历史学文献解析等学科内容进行交叉融合，增强对历史LUCC驱动机制、变化过程和区域特征的认识。在方法层面，综合“自上而下”的土地利用空间配置与“自下而上”的土地利用空间演化的建模思路，构建贴近历史土地利用变化实际过程的模型方法，为历史LUCC重建提供新的方法探索。在实践层面，通过对明清时期以来近600年长江三角洲地区LUCC时空格局的分析，加深对中国传统农区土地利用变化过程和驱动机制的理解，为长时期、大范围的历史LUCC研究提供参考。 1.2 历史土地利用与土地覆盖变化的研究内容与方法 本书主要包括以下研究内容：①历史文献地理要素的挖掘、解析与空间化；②集成“配置-演化-协调”的历史LUCC重建方法体系构建；③长江三角洲地区明清时期以来建设用地、耕地土地利用及人口、农村居民点等社会经济要素空间格局重建。 1.2.1 历史文献地理要素的挖掘、解析与空间化 历史文献中包含大量与历史时期土地利用数量及空间格局变化有关的信息，为直接或间接研究历史土地利用变化提供了重要的基础数据。本书从档案、地方志、族谱、奏折、调查报告、年鉴、史料汇编和近现代统计资料入手，进行多元、多类型数据采集。明清时期留存的大量文献材料，加之近年来严谨的古籍保护和文献资料数字化工作，使得这些历史文献得以较好地保存和整理加工。历史文献资料种类繁多，内容涵盖行政区划、人口、土地覆被、土地利用等多方面，其中对历史土地利用研究具有较高价值的文献资料主要包括：①档案、奏折、政书、实录，如《清实录》《宫中档乾隆朝奏折》《皖政辑要》《吴煦档案》等；②地方志、一统志、史料汇编，如《江南通志》《苏州文史资料》《江苏省苏州市地名录》等；③族谱、笔记，如《莫厘王氏家谱》《吴中叶氏族谱》等；④年鉴、论著、统计调查，如《明代江南市民经济试探》《江苏各县田亩科则**次调查表》《上海年鉴》等；⑤电子文献资料，如国家图书馆的“数字方志库”、上海图书馆的“家谱数据库”等。部分文献中提及的相关地理要素摘录举例如表1-1所示。 基于历史文献的特性和信息载体的表现形式，可将其分为文本型和地图型两类素材进行分别提取，复原与土地利用有关的制度（如弓尺、原额、折亩、隐匿、嵌田、赋税、户口等）和土地利用方式的名词术语（如田亩、市镇、村落、寺庙、庙学、道路等）。方志、日记、档案等文本型数据有显性、隐性时间之分，地名多异，字体以繁体为主，竖向排版等特点。对显性时间属性构建年号纪元转化数据库、简繁体对照数据库、古今地名映射数据库、数值转录数据库等基础数据库后，采用图片文字识别技术（如光学字符识别OCR），将历史典籍按章节条目款进行文字扫描输入、切行分字预处理、单字识别与连接后建立典籍库，对隐性时间属性建立重大历史事件对照表，显化时间段或时间点，结合布尔检索、截词检索、原文检索、加权检索和聚类检索、扩检与缩检等数据库检索技术按研究所需之关键字词（如田亩、税赋、城郭、集镇、户、丁等名词；多、常、频、勤、繁等频率副词；大、广、垠、阔等程度副词；亩、步、尺等规模副词）、事件（旱、涝、蝗、瘟、疫、灾、战争等重大事件）、地名（镇、集、圩、庄、坊、村、塘、浜、甸、庙、祠、寺、井、楼、湾、坝、园、店、堂、子、口、家、头、城、基、墅、泾、洼、界、埭、墩、巷上、基上、头上等位置地名）进行数据检索、分类导出，建立耕地（田亩）、户数（人口、男丁）、城池（府、县、附郭、步长、里）、森林等原始记录。 针对地形图、景观图等图件型材料，将地名实体抽象成“点”“线”“面”等形状要素。行政区划地名实体、城市建成区、山体、水域等刻画为具有几何形状的面状要素，限定在一定的区域范围；建筑地名实体（如村、庄）刻画成具有明确空间位置的点状要素；河流、道路等地名实体刻画成具有一定长度的线状要素。对于地名实体的空间形态，采用一组有序的地理坐标（Lon，Lat）描述其地理位置；以一连串有序的点的集合构成线要素；以封闭的线要素构成面要素的边界。基于数字化扫描技术，将纸质、胶片等光影信号转化为电信号，经多样点几何校正、投影纠正等处理后制作成具有明确空间定位的电子图片，结合ArcScan的灰度值自动数字化技术，将地名实体转为“点”“线”等形状要素后，再结合目视解译将闭合曲线围合的城市建成区、耕地、山体、水域等几何形态转为面状要素，经几何位置、拓扑关系检查后对形状要素赋予相应的文本属性，如地类、地名、年代等信息。处理过程示意见图1-1。 1.2.2 基于空间配置方法的初始全地类配置 本书拟在历史地理要素深入挖掘的基础上，采用地理建模方法，通过正向演化、逆向纠偏的方式实现对历史时期土地利用时空格局变化的连续重建。