基于遙感和GIS 的鄭州市區(qū)土地利用時(shí)空變化研究

李亞麗 秦耀辰

(1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開封 475001;2.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450011)

0 引言

城市是人類的聚集地，人類活動(dòng)加劇了城市的土地利用變化。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地利用與覆蓋的變化在快速發(fā)展的東亞地區(qū)具有一定的典型性和代表性，在全球變化研究中占有重要位置［1］。城市土地利用變化是一種非線性動(dòng)力學(xué)過程，具有復(fù)雜的自組織、自適應(yīng)現(xiàn)象。分析研究城市土地利用的變化對(duì)于模擬和評(píng)價(jià)城市演變，掌握人類活動(dòng)在城市演變中的作用機(jī)制，提高土地利用規(guī)劃的精度具有重要意義。

參數(shù)構(gòu)造法充分利用了GIS技術(shù)來構(gòu)造一些簡單的參數(shù)，用于刻畫土地利用特征以及變化特征［2］。本文以鄭州市區(qū)為研究區(qū)，借助參數(shù)構(gòu)造法對(duì)1995年、2002年和2009年三期遙感影像進(jìn)行解譯處理，從而得到較為清楚的土地利用變化信息(陳文波，2007)，從土地利用的構(gòu)成、變化幅度、變化速度、轉(zhuǎn)變流向及轉(zhuǎn)變分布對(duì)鄭州市區(qū)的土地利用變化進(jìn)行了分析，獲得了近14年來鄭州市區(qū)的土地利用變化規(guī)律，為鄭州市區(qū)的土地利用規(guī)劃提供了一定的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省的行政中心，地處河南省中部，位于黃河的南岸，空間位置為東經(jīng) 112°42′～114°14′，北緯 34°16′～ 34°58′。鄭州市總面積7 446 km2，轄中原區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、金水區(qū)、惠濟(jì)區(qū)、上街區(qū)和滎陽市、鞏義市、登封市、新密市、新鄭市、中牟縣共六區(qū)五市一縣。交通發(fā)達(dá)，處于我國陸上交通的咽喉要地，是東西南北物資流通、人員流動(dòng)的重要通道。是中原城市群的核心，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有承東啟西、南北襟帶的作用，在全國經(jīng)濟(jì)和物資交流中具有重要的戰(zhàn)略地位。鄭州市是重要的內(nèi)陸城市之一，位列中原第二大城市，是河南省的經(jīng)濟(jì)中心。作為研究區(qū)的鄭州市轄區(qū)，東經(jīng) 113°26′38″～ 113°51′35″，北緯 34°35′55″～34°57′51″。包括中原區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、金水區(qū)、惠濟(jì)區(qū)五區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)采用的是遙感衛(wèi)星影像是美國Landsat系列衛(wèi)星獲取的影像產(chǎn)品，共采集了1995年、2002年和2009年三期 TM影像。1995年的遙感影像數(shù)據(jù)來自美國的馬里蘭大學(xué)網(wǎng)站(http://glcf.umiacs.umd.edu)，2002年和2009年的數(shù)據(jù)則來自于中科院地理資源所地球系統(tǒng)科學(xué)信息共享中心，三個(gè)時(shí)期的遙感影像空間分辨率均為30 m。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用ERDAS IMAGINE 8.6和 ArcGIS 10對(duì)1995年、2002年和2009年三期遙感影像進(jìn)行了預(yù)處理。以2002年鄭州市TM遙感影像為參考，通過選取控制點(diǎn)將1995年和2009年的投影校正為WGS_1984_UTM_Zone 49。遙感影像分類的方法很多，各有其適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于不同的地域特征、不同時(shí)相會(huì)有不同的分類精度［3］。本文采用監(jiān)督分類法基于最大似然原理對(duì)裁剪后的圖像進(jìn)行分類，在三期圖像基本解譯完成后進(jìn)行了聚類分析、去除分析，提高了分類精度。

3 土地利用變化的時(shí)空格局

3.1 土地利用的構(gòu)成與變化幅度

從遙感影像分類圖中提取1995年～2009年鄭州市各類型用地的面積，求出末期各類型土地利用面積與初期土地面積的差值，即可得到土地利用變化幅度，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，1995年～2009年期間各種土地利用類型的面積都發(fā)生了變化，其中，建設(shè)用地的面積變化值最大，其次是農(nóng)用地，但是前者的面積是不斷增大，而后者則不斷減少，除此之外，水體和其他用地的面積變化也比較大，相對(duì)來說水體的減少更明顯。如果以7年為一階段將全期分為1995年～2002年和2002年～2009年兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地的變化率在2002年～2009年間明顯比1995年～2002年間高，這與鄭州市在2004年開始規(guī)劃建設(shè)鄭東新區(qū)的現(xiàn)實(shí)情形是吻合的。并且由于鄭東新區(qū)本屬于郊區(qū)，所以分布大量農(nóng)田和水體，這直接導(dǎo)致農(nóng)用地和水體的大量流失。

表1 1995年～2009年鄭州市土地利用類型面積變化表 hm2

3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度是描述區(qū)域土地變化的速度及預(yù)測(cè)未來土地利用變化趨勢(shì)的常用指標(biāo)。單一類型的土地利用動(dòng)態(tài)度表示單位時(shí)間內(nèi)某一土地利用類型面積的變化程度［4］，其公式為:

其中，Ua，Ub分別為研究初期和研究末期某一土地利用類型的數(shù)量;T為研究時(shí)段，T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K值反映該時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量的年變化率，如表2所示。

表2 單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度指數(shù)表 %

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度指數(shù)常用來反映土地利用類型變化的速度，速度高表明該種土地類型變化速度快，但這種類型不一定是變化的主要類型。從表2可以看出，鄭州市1995年～2009年期間，各類土地利用類型中建設(shè)用地的變化速度最高，其次是水域和其他用地，農(nóng)用地的速度最低。這是由于自1995年以來隨著鄭州市經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，作為城市化中心的市區(qū)不得不將越來越多土地資源轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，而在國家對(duì)耕地的嚴(yán)控和市政府要把鄭州建為綠城的政策控制下，農(nóng)用地面積雖然總體上也在減少，但速度卻是受限制的。相反，水體和其他用地則基本是自然發(fā)展的。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移流向和分布

單純用任何一種度量方式都不足以完全說明土地利用的變化，近年來更多的學(xué)者是采用多種度量方式結(jié)合的方法［5］。根據(jù)1995年～2009年的土地利用現(xiàn)狀變更數(shù)據(jù)，將不同時(shí)期的土地利用圖疊合相減，就可以求得該時(shí)期內(nèi)土地類型轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，構(gòu)造出土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。轉(zhuǎn)移矩陣既能夠表現(xiàn)研究初期和末期的土地利用結(jié)構(gòu)，還可以反映不同時(shí)段內(nèi)各土地利用類型的轉(zhuǎn)移規(guī)律，有助于了解研究初期各類土地的變化方向和研究期末各類土地的來源與構(gòu)成。

1)轉(zhuǎn)移流向。

利用ERDAS軟件得到1995年～2009年轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)移矩陣圖像，如表3，表4所示。從表3中可以看出，鄭州市區(qū)1995年～2009年期間的主要土地轉(zhuǎn)移流向?yàn)榻ㄔO(shè)用地，其次是農(nóng)用地。建設(shè)用地主要由農(nóng)用地和其他用地轉(zhuǎn)移得到，其中以農(nóng)用地為主，這與鄭州市的現(xiàn)實(shí)情況是相符的。鄭州市是河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心，與此相伴，它也成為城市化的中心，商業(yè)集聚、人口集聚等效應(yīng)在此表現(xiàn)的非常集中，并且河南省又是人口大省，因此，鄭州市對(duì)建設(shè)用地的需求度特別高。目前在鄭州的現(xiàn)有土地資源中，能夠符合需求的土地大多屬于農(nóng)用地、林地、草地等等，所以建設(shè)用地的來源絕大多數(shù)是農(nóng)用地。其他用地如鹽堿地等也被改造為建設(shè)用地。除了轉(zhuǎn)為建設(shè)用地外，其他用地還被大量的改造為農(nóng)用地。自1997年國家提倡封山禁牧、退耕還林后，綠城鄭州一直以創(chuàng)建森林城市，提高市民生活質(zhì)量作為生態(tài)建設(shè)的目標(biāo)。先后在黃河大堤周圍和公路、河曲修建多道綠色屏障和長廊，城市周圍也培育了大型的森林組團(tuán)，這直接導(dǎo)致了農(nóng)用地的大量增加。

表3 鄭州市區(qū)1995年～2009年的土地利用轉(zhuǎn)移類型及百分比

在眾多的土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)中，鄭州市市區(qū)四種土地利用類型都存在未發(fā)生變化的部分，如表4所示。其中，農(nóng)用地未發(fā)生變化的比例最高，其次是建設(shè)用地，其他用地和水體的比例比較小，這個(gè)結(jié)構(gòu)表明從整體來說鄭州市的發(fā)展類型符合可持續(xù)發(fā)展的要求，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與周圍自然環(huán)境和諧發(fā)展，人們賴以生存的自然因素如林地、草地、耕地仍然是城市的主體。從時(shí)段分布來看，建設(shè)用地的比例逐年增大，而農(nóng)用地的比例則減小，這也從側(cè)面反映出整個(gè)市區(qū)建設(shè)用地面積逐漸增加的現(xiàn)實(shí)狀況。

表4 鄭州市1995年～2009年土地利用未變化比例

2)轉(zhuǎn)移分布。

農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的速度在土地利用轉(zhuǎn)移圖體現(xiàn)的非常清楚，在1995年～2002年的轉(zhuǎn)移矩陣圖像上，它只分布在建設(shè)用地的北邊和南邊，以條帶狀為主，僅占圖面很小的比例。但是在2002年～2009年間，轉(zhuǎn)移區(qū)域明顯擴(kuò)大，向鄭州周邊擴(kuò)散，其中，南部和東部的變化較為突出。南部是鄭州市二七區(qū)所在的位置，由于北部發(fā)展受到制約，所以鄭州市市區(qū)很多的商業(yè)區(qū)向南部擴(kuò)展。而東部是鄭州市新建成區(qū)鄭東新區(qū)的位置，它的發(fā)展儼然是在鄭州市對(duì)鄭東新區(qū)的規(guī)劃推動(dòng)下進(jìn)行的;與建設(shè)用地相對(duì)的是農(nóng)用地，很明顯隨著建設(shè)用地的增加，農(nóng)用地逐漸減少;水體轉(zhuǎn)化為農(nóng)用地和建設(shè)用地的面積較大，主要是分布在金水區(qū)。說明國家對(duì)于城市過度化的控制起到了一定作用。歸根結(jié)底，這兩個(gè)時(shí)段的強(qiáng)度差異主要源于國務(wù)院在2005年提出了抑制房間過快增長的“國八條”［7］，在一定程度上減緩了建設(shè)用地的擴(kuò)展速度。從1995年～2009年來看，鄭州市城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的速度是23.8%，整體上仍屬于高速擴(kuò)張狀態(tài)［6］。

4 結(jié)論與展望

本文采用ERDAS IMAGINE 8.6和ArcGIS 10對(duì)TM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯、處理，獲得了1995年、2002年和2009年土地利用分類圖，然后基于這三期數(shù)據(jù)來進(jìn)行土地利用時(shí)空變化的分析。主要研究內(nèi)容和結(jié)論為:

1)鄭州市區(qū)三期遙感圖像的結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)農(nóng)用地占面積最大，其次是建設(shè)用地，水體和其他用地的面積較小。在變化幅度方面，建設(shè)用地的變化幅度是最大的，其次是農(nóng)用地。在土地動(dòng)態(tài)度方面，建設(shè)用地的變化最快，動(dòng)態(tài)度最大，農(nóng)用地的動(dòng)態(tài)度則最小，這說明鄭州市對(duì)于耕地、林地、草地的保護(hù)相當(dāng)有效。

2)鄭州市區(qū)1985年～2002年土地轉(zhuǎn)移的流向主要為建設(shè)用地和農(nóng)用地，以建設(shè)用地為主，且鄭州市農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的比例是逐年增加的，建設(shè)用地向農(nóng)用地轉(zhuǎn)變的比例則逐漸降低，這與建設(shè)用地逐漸擴(kuò)大的現(xiàn)實(shí)情況是一致的。

3)鄭州市在1995年～2002年期間農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的區(qū)域主要分布在已有建設(shè)用地的北邊和南邊，以條帶狀為主，僅占圖面很小的比例。但是，在2002年～2009年間，農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的面積明顯擴(kuò)大，向鄭州周邊擴(kuò)散，其中，南部和東部的變化較為突出。相應(yīng)的，農(nóng)用地逐漸減少;水體轉(zhuǎn)化為農(nóng)用地和建設(shè)用地的面積較大，主要是分布在金水區(qū)。

［1］ 李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域——土地利用/覆蓋的國際研究動(dòng)向［J］.地理學(xué)報(bào)，1996，51(6):553－557.

［2］ 陳文波，趙小敏.鄱陽湖區(qū)土地利用格局特征與安全格局構(gòu)建研究［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.

［3］ 趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［4］ 劉紀(jì)遠(yuǎn).中國土地利用變化現(xiàn)代過程時(shí)空特征的研究——基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)［J］.第四紀(jì)研究，2000，20(3):229－239.

［5］ 丁 菡.中國沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制與預(yù)測(cè)模型研究——以浙江省沿海地區(qū)為例［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［6］ 劉盛和，吳傳鈞，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用擴(kuò)展模式［J］.地理學(xué)報(bào)，2000(4):407－416.

［7］ 國務(wù)院辦公廳.國務(wù)院辦公廳關(guān)于切實(shí)穩(wěn)定住房價(jià)格的通知(國辦發(fā)明電［2005］8號(hào))［EB/OL］.http://www.gov.cn/ztzl/2006－06/30/content_323694.htm.2006，6，30/2013，4，10.