基于RS和GIS的土地利用現(xiàn)狀分析

李 丹，徐 珊，韓冬冰，王曉琳

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；3.哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150025)

基于RS和GIS的土地利用現(xiàn)狀分析

李 丹1，徐 珊2，韓冬冰3，王曉琳1

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；3.哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150025)

以黑龍江省大慶市為例，在RS與GIS技術(shù)的支持下，通過對研究區(qū)2009年遙感影像進(jìn)行解譯，建立土地利用數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用土地利用現(xiàn)狀分析數(shù)學(xué)模型，分析大慶市土地利用空間結(jié)構(gòu)、空間布局及土地利用程度。研究結(jié)果表明：2009年大慶市土地利用結(jié)構(gòu)總體上具有農(nóng)業(yè)型的特點(diǎn)，耕地面積最大，其次為草地；各土地利用類型在各行政區(qū)均有不同程度的分布，但不同區(qū)域的分布類型不同；土地利用程度總體上比較高，并且在各行政區(qū)表現(xiàn)不同。

RS；GIS；土地利用；空間結(jié)構(gòu)；大慶市

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地資源的需求量日益加劇，與過去相比，土地利用現(xiàn)狀發(fā)生了巨大的變化，因此，作為土地利用規(guī)劃和土地優(yōu)化配置的重要內(nèi)容，土地利用現(xiàn)狀分析研究顯得尤為重要[1-3]。在對土地利用數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)、利用程度等分析的基礎(chǔ)上，分析目前土地利用的現(xiàn)狀特點(diǎn)，有助于土地資源的合理開發(fā)利用，充分發(fā)揮土地資源在社會經(jīng)濟(jì)中的重要作用，進(jìn)而為土地利用規(guī)劃、土地資源的優(yōu)化配置提供科學(xué)的依據(jù)[4-8]。利用遙感數(shù)據(jù)宏觀性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，以及GIS技術(shù)強(qiáng)大的空間分析功能，不僅能夠?qū)崟r(shí)快速地獲取土地利用類型信息，同時(shí)還能準(zhǔn)確地反映出研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀[9-10]，本文綜合運(yùn)用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，選擇哈大齊工業(yè)走廊中典型的資源型城市——黑龍江省大慶市為研究區(qū)，對2009年TM遙感影像進(jìn)行解譯，獲得土地利用數(shù)據(jù)，利用GIS空間分析功能，綜合運(yùn)用多種土地利用現(xiàn)狀分析數(shù)學(xué)模型對研究區(qū)土地利用空間結(jié)構(gòu)和空間數(shù)量分布進(jìn)行分析，其結(jié)果可反映研究區(qū)內(nèi)土地資源的特點(diǎn)，診斷土地利用合理程度，為城市的土地利用規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境改善及資源的優(yōu)化配置提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

大慶市地處黑龍江省西部，位于北緯45°46′～46°55′，東經(jīng)124°19′～125°12′之間，是哈大齊工業(yè)走廊的核心城市之一。氣候類型屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地勢東北高、西南低，市域包括大同區(qū)、紅崗區(qū)、龍鳳區(qū)、讓胡路區(qū)、肇源縣、肇州縣、薩爾圖區(qū)、杜蒙縣、林甸縣，全市總面積2.1萬km2，總?cè)丝?80.2萬。大慶市具有豐富的石油資源、地?zé)豳Y源、濕地資源。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和城市建設(shè)，土地利用空間布局及利用程度均發(fā)生了一些變化。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文數(shù)據(jù)來源主要為2009年研究區(qū)Landsat TM遙感影像，以及《大慶市土地利用總體規(guī)劃(2006-2020年 )》、《大慶市統(tǒng)計(jì)年鑒2009》為輔助資料，數(shù)據(jù)處理軟件主要為ENVI4.8及ArcGIS10.0，遙感影像通過幾何校正、鑲嵌和裁剪等預(yù)處理后得到本研究所需影像。

2 遙感影像土地利用分類

2.1 土地利用分類方案

本文結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，參照《土地利用現(xiàn)狀分類(GAHIOIO-007)》，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以土地利用現(xiàn)狀分析為目的，確定研究區(qū)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，把地物特征明顯、面積較大，能表現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀典型作用特點(diǎn)的地物作為分類對象，設(shè)定研究區(qū)土地利用類型為耕地、林地、草地、鹽堿地、沼澤濕地、建設(shè)用地、水域七類，具體分類標(biāo)準(zhǔn)和解譯標(biāo)志見表1。

2.2 遙感影像土地利用類型提取

本文的遙感分類方法主要以監(jiān)督分類為主，采用最大似然法，并在其分類結(jié)果基礎(chǔ)上采用人工目視解譯的方法進(jìn)行修改來完成。在ENVI主菜單中，選擇Classification-Supervised分類器，執(zhí)行監(jiān)督分類后，對分類結(jié)果進(jìn)行疊加。通過對比、糾正、掩膜和再分類，將錯誤的地類從影像上掩膜掉，重復(fù)對比和掩膜，最后將正確分類后的所有地類拼接在一起。分類過程中不可避免地在結(jié)果中產(chǎn)生一些面積很小的圖斑，應(yīng)用ENVI的聚類處理(Clump)和Majority/Minority分析對分類圖像進(jìn)行處理，將這些小圖斑合并或去除掉。執(zhí)行監(jiān)督分類之后，為保證解譯精度，對分類結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。本文在高分辨率影像上，通過目視解譯獲取各個(gè)分類的地表真實(shí)感興趣區(qū)，將地表真實(shí)感興趣區(qū)文件與分類結(jié)果文件相匹配，輸出混淆矩陣。本文分類精度Overall Accuracy= (3 211/3 223)=99.627 7%，Kappa Coefficient=0.995 0，符合分類精度要求。最終把成果轉(zhuǎn)成矢量數(shù)據(jù)，生成土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。

表1 土地利用遙感分類標(biāo)準(zhǔn)及解譯標(biāo)志

3 土地利用現(xiàn)狀分析

3.1 土地利用空間結(jié)構(gòu)分析

將解譯后的土地利用數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入Arcgis，利用Arcgis空間統(tǒng)計(jì)和空間分析功能將大慶市行政區(qū)劃圖與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加，計(jì)算出2009年大慶市土地利用結(jié)構(gòu)(見表2)。通過表2可以看出：大慶市耕地在各行政區(qū)均有不同程度的分布，主要分布在肇州、林甸、肇源、杜蒙縣和大同區(qū)，其中肇源縣耕地面積最大，占耕地總面積的24.23%，薩爾圖區(qū)耕地面積最小，占全市耕地總面積的0.55%。林地分布不均勻，集中分布在杜蒙縣，占全市林地總面積的40.49%，其次為大同區(qū)、林甸縣、讓胡路區(qū)，分別占林地總面積的13.42%、11.72%、11.37%。為大慶市主要用地類型之一，所占面積僅次于耕地的草地主要分布在杜蒙縣南部、林甸縣南部、肇源縣西部和大同區(qū)北部，其中杜蒙縣所占全市草地面積最大，為30.02%。鹽堿地主要集中在杜蒙、肇源縣，分別占全市鹽堿地面積的20.89%、24.42%，其次為大同區(qū)和紅崗區(qū)。其中沼澤濕地主要集中于杜蒙縣，占全市沼澤濕地面積的46.87%，其次為林甸縣，為全市沼澤濕地面積的28.26%。建設(shè)用地分布比較均勻，主要集中在大同區(qū)，占全市建設(shè)用地面積的12.85%。水域分布極不均勻，主要分布在杜蒙縣，其次為大同區(qū)、肇源縣。

表2 研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)和空間分布 hm2/%

注：A表示各行政區(qū)的各土地利用類型的面積，B表示某一行政區(qū)的某種土地利用類型占該行政區(qū)總面積的比例，C表示某一行政區(qū)的某種土地利用類型占該土地利用類型總面積的比例。

3.2 土地利用空間布局分析

為了體現(xiàn)區(qū)域土地利用的主導(dǎo)方面，本文通過采用衡量區(qū)位熵的值來分析區(qū)域土地利用的主導(dǎo)方面和土地利用現(xiàn)狀的空間布局，區(qū)位熵又稱專門化率，根據(jù)區(qū)位熵值的大小來衡量其專門化率。土地利用類型區(qū)位熵的計(jì)算公式為某一行政區(qū)的某種土地利用類型面積占整個(gè)區(qū)域該土地利用類型面積的比值與該行政區(qū)的土地總面積占整個(gè)大區(qū)域的土地總面積的比例之比，公式為

(1)

式中：Q表示某一行政區(qū)的某種土地利用類型面積，a為整個(gè)區(qū)域該土地利用類型總面積，b為該行政區(qū)土地面積，B為整個(gè)大區(qū)域的土地利用總面積。

如果區(qū)位熵大于1，則該區(qū)域土地利用類型在該區(qū)域的集中程度大于全區(qū)域的平均水平，區(qū)位熵的值越大，則該區(qū)域越具有優(yōu)勢；反之，區(qū)位熵小于1，表明該土地利用類型在該區(qū)域的集中程度小于全區(qū)域的平均水平，集中程度越小。通過式(1)計(jì)算出研究區(qū)2009年各地區(qū)區(qū)位熵(見表3)。

大慶市各行政區(qū)耕地區(qū)位熵大于l的行政區(qū)有肇源、肇州和林甸縣，分別為1.25、1.53和1.22，表明耕地在這3個(gè)行政區(qū)的集中程度高于全市平均水平。在肇州縣的各種土地利用類型中，肇州縣耕地區(qū)位熵最大，說明耕地是該縣的優(yōu)勢類型。其他6個(gè)行政區(qū)的耕地區(qū)位熵均小于l，表明這些行政區(qū)在耕地上不具優(yōu)勢，其中耕地區(qū)位熵最小的是龍鳳區(qū)，為0.28。

表3 研究區(qū)2009年各行政區(qū)區(qū)位熵

各行政區(qū)林地區(qū)位熵大于1的有大同區(qū)、讓胡路區(qū)和杜蒙縣，區(qū)位熵分別為1.2、2.02和1.43，表明林地在這3個(gè)行政區(qū)的集中程度高于全市平均水平，具有區(qū)域優(yōu)勢。其余各地區(qū)均不具備優(yōu)勢，均低于全市平均水平，其中肇源縣的區(qū)位熵最小，表明林地在肇源縣的集中程度較弱，不具備優(yōu)勢。草地區(qū)位熵大于1的行政區(qū)有3個(gè)，分別為讓胡路區(qū)、杜蒙縣和林甸縣，表明草地在這3個(gè)行政區(qū)的集中程度較高，具有優(yōu)勢。建設(shè)用地區(qū)位熵最大的是龍鳳區(qū)，為2.04，表明建設(shè)用地在龍鳳區(qū)具有較高的優(yōu)勢，而在杜蒙縣區(qū)位熵最低，僅為0.2，區(qū)域優(yōu)勢低于全市的平均水平，建設(shè)用地在杜蒙縣具有明顯劣勢。水域區(qū)位熵大于1的行政區(qū)有大同區(qū)、龍鳳區(qū)、薩爾圖區(qū)和杜蒙縣，其他五個(gè)行政區(qū)集中程度均低于全市平均水平。紅崗區(qū)鹽堿地區(qū)位熵最大，為4.8。在紅崗區(qū)的各土地利用類型區(qū)位熵中位于第一位，表明鹽堿地在該區(qū)較為集中。薩爾圖沼澤濕地區(qū)位熵最大，在各土地利用類型區(qū)位熵中位于第一位，表明沼澤濕地在該區(qū)比較集中。

3.3 土地利用程度分析

土地利用程度反映了人類對土地利用的影響程度，本文用土地利用程度綜合指數(shù)來研究土地利用程度，土地利用程度綜合指數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化從100～400之間連續(xù)變化的指標(biāo)，因此，土地利用綜合指數(shù)的大小反應(yīng)土地利用程度的高低[11]。具體計(jì)算公式為

(2)

式中：Ld為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i類土地利用分級指數(shù)；Ci為第i類土地利用程度面積百分比；n為土地利用程度分級數(shù)。

根據(jù)式(2)計(jì)算出大慶市土地利用程度綜合指數(shù)為241.77。各行政區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)見表4。

表4 研究區(qū)各行政區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)

由表4可以得出大慶市土地利用程度比較高，這是由于該市集中了大部分的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)及工礦用地，相應(yīng)的建設(shè)用地比重較高，從而導(dǎo)致土地利用綜合指數(shù)較高。大同區(qū)、龍鳳區(qū)、肇源縣、肇州縣和林甸縣土地利用綜合指數(shù)均高于大慶市土地利用綜合指數(shù)。這是由于這5個(gè)行政區(qū)的建設(shè)用地所占比例均高于全市平均水平，而其他4個(gè)行政區(qū)建設(shè)用地均低于全市平均水平。

4 結(jié) 論

本文通過對大慶市遙感影像解譯，建立土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫，通過地理信息系統(tǒng)空間分析與統(tǒng)計(jì)，結(jié)合土地利用分析數(shù)學(xué)模型，對大慶市土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論如下：

1)2009年大慶市土地利用結(jié)構(gòu)中耕地面積最大，占總土地面積的41.88%，其次為草地，占總土地面積的19.23%，林地、水域、沼澤濕地、建設(shè)用地、鹽堿地分別占總土地面積的8.04%、9.53%、5.87%、7.07%、8.37%，大慶市土地利用結(jié)構(gòu)總體上具有農(nóng)業(yè)型的特點(diǎn)。

2)各土地利用類型在各行政區(qū)均有不同程度的分布，但不同區(qū)域的分布類型不同，耕地主要分布在肇州、林甸、肇源、杜蒙縣和大同區(qū)；林地分布不均勻，集中分布在杜蒙縣；草地主要分布于杜蒙縣南部、林甸縣南部、肇源縣西部和大同區(qū)北部，其中杜蒙縣所占草地面積最大；建設(shè)用地分布比較均勻，大同區(qū)最大；水域分布極不均勻，集中分布在杜蒙縣；鹽堿地主要集中在杜蒙、肇源縣；沼澤濕地主要集中于杜蒙縣。

3)各土地利用類型土地利用程度在各行政區(qū)表現(xiàn)不同，耕地在肇源、肇州和林甸縣土地集中程度高于全市平均水平；林地主要集中于大同區(qū)、讓胡路區(qū)和杜蒙縣；草地在讓胡路區(qū)、杜蒙縣和林甸

縣集中程度高于全市平均水平；建設(shè)用地集中程度龍鳳區(qū)高于全市平均水平；水域在大同區(qū)、龍鳳區(qū)、薩爾圖區(qū)和杜蒙縣集中程度高于全市平均水平。

4)大慶市總體土地利用程度比較高，大同區(qū)、龍鳳區(qū)、肇源縣、肇州縣和林甸縣土地利用綜合指數(shù)均高于大慶市土地利用綜合指數(shù)，這5個(gè)行政區(qū)的建設(shè)用地比重高于全市平均水平。

通過本文研究證明遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)可以準(zhǔn)確地反映土地利用空間分布狀況，如何進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)手段的優(yōu)勢，研究土地利用問題將是下一步研究的重點(diǎn)。

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PresentsituationanalysisoflandusebasedonRSandGIS

LI Dan1,XU Shan2,HAN Dong-bing3,WANG Xiao-lin1

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China;2.College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China;3.Harbin Normal University, Harbin 150025)

Taking Daqing City in Heilongjiang province as an example, with the support of RS and GIS technology, based on the deciphering of remote sensing images in 2009,a land use database is established. A mathematical model is used to analyze the spatial structure, spatial layout and land use degree of Daqing City. The results show that in 2009 Daqing land use structure had the characteristics of agriculture on the whole, among which the cultivated land area was the largest, then followed by grass. Each land use type in each administrative region had different distribution, but different area in different distribution types. A high degree of land use is concluded, and performance in each administrative region is different.

RS；GIS；land use；spatial structure；Daqing City

2013-07-05

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531567)

李 丹(1982-)，女，講師，博士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)遙感與土地利用.

TP79；P208.2

A

1671-4679(2014)01-0023-04

郝麗英]