安徽省碭山縣土地利用動(dòng)態(tài)變化研究（1994～2014）

付海珊

摘要：由于遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展到一定程度，人們常常使用遙感影像對(duì)城市的土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，這種研究已經(jīng)成為當(dāng)前遙感和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問題，也是進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土地利用變化的重要手段。文章以碭山縣為例，借助遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，使用1994年和2014年碭山縣的兩期TM影像進(jìn)行土地利用人機(jī)交互解譯，獲取高精度的兩期土地利用圖，再利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)在空間分析，管理屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)和成圖輸出等功能，可得出碭山縣近1994年到2014年的土地利用的動(dòng)態(tài)變化。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng) ；遙感；土地利用；動(dòng)態(tài)變化；碭山縣

一、研究區(qū)概況

碭山縣位于安徽省的最北端，處于北緯34°16′～34°39′，東經(jīng)116°29′～116°38′。碭山縣是安徽、江蘇、山東、河南四省七縣的交界處，隴海鐵路、310國道貫穿全境，黃河故道橫臥其間。碭山縣的總面積達(dá)到了1193㎞2 ，總?cè)丝跒?6萬人，全縣總共轄13個(gè)鎮(zhèn)、1個(gè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、1個(gè)高鐵新區(qū)和薛樓板材加工園。

二、數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)初步處理

首先我們需要對(duì)研究區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并對(duì)收集到的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行匹配和裁剪，裁剪出研究區(qū)域的遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，可把研究區(qū)域分為水域、居民地、林地、耕地等幾類并以不同的幾種顏色加以區(qū)分。并把分類好的遙感影響做圖像的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)格式能進(jìn)行疊加分析，并可計(jì)算出各類土地利用面積。最后進(jìn)行分析總結(jié)。

（一）原始資料

本文采用的數(shù)據(jù)為安徽省1994年和2014年的兩期遙感影像圖和碭山縣區(qū)劃圖。其中碭山縣影像由安徽省行政區(qū)劃圖上截取。

此次研究我們所使用的是遙感圖像?？墒怯?jì)算機(jī)能夠完成由光學(xué)圖像到矢量圖像的轉(zhuǎn)換，這就是圖像的掃描。在掃描過程中難免會(huì)出現(xiàn)誤差，因此掃面的安徽省行政區(qū)劃圖的分辨率不太高，需要一定的預(yù)處理以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。為了提高效率，預(yù)先從安徽省影像大致裁剪出碭山縣所處的區(qū)域。

（二）研究方法

遙感影像是由多種遙感獲得信息集合成的產(chǎn)物，解譯人員可以從中獲取地理目標(biāo)的大小、空間分布、形狀、屬性、動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)等信息。遙感影像這樣的特點(diǎn)也是區(qū)別于普通影像的重要方面。本文對(duì)碭山縣1994年和2014年兩期的遙感影像進(jìn)行校正和匹配各種圖件資料，確定遙感解譯標(biāo)志，通過目視解譯法進(jìn)行監(jiān)督分類可獲得1994年和2014年土地利用分類圖。將處理后的影像圖轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)到ArcGIS中進(jìn)行坐標(biāo)變換。再將坐標(biāo)變換后的圖像再轉(zhuǎn)換成柵格圖像進(jìn)行疊加分析，從而比較1994年和2014年之間的土地利用變化。

1. 影像預(yù)處理

為了使傳感器所記錄的數(shù)據(jù)更加接近于真實(shí)值，我們需要對(duì)進(jìn)行影像預(yù)處理從而消除伴隨數(shù)據(jù)獲得的過程中的變形及誤差。所以我們需要對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正和輻射校正以及光譜增強(qiáng)等操作已消除誤差對(duì)研究所造成的影響。

（1）根據(jù)地形圖或利用GPS采集的控制點(diǎn)對(duì)1994年和2014 年的TM 圖像進(jìn)行幾何校正， 采用二次多項(xiàng)式函數(shù)方法進(jìn)行影像的幾何校正，處理過程如圖1所示。

在幾何糾正過程中，要用到配準(zhǔn)公式，見式（1）。

（2）對(duì)遙感影像灰度值進(jìn)行重采樣， 重采樣的方法很多本次研究我們可選擇最鄰近法進(jìn)行重采樣， 也就是將原來到影像上的像素灰度值轉(zhuǎn)化為校正后影像的灰度值。

2. 精確裁剪

由于本次研究的區(qū)域?yàn)榇X山縣，而原始資料所給我的范圍比較大，不僅包括了碭山縣并且還包括了大量的其他地區(qū)的影像，所以使數(shù)據(jù)處理變得更加復(fù)雜，并且隨時(shí)間的變化周邊的地物和碭山縣境內(nèi)的地表都會(huì)發(fā)生改變，這也將影響分析結(jié)果。因而對(duì)影像進(jìn)行精確的裁剪便是不可缺失的一步。此次研究使用ENVI 4.7對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪，ENVI 4.7不僅能進(jìn)行規(guī)則裁剪和不規(guī)則裁剪并且能支持EVF格式的矢量文件。具體的操作方法為：先加載被裁剪的影像，運(yùn)用ENVI中的export layers to ROI功能載入碭山縣的區(qū)劃圖，然后裁剪。

3. 監(jiān)督分類后處理

分類完成后必須對(duì)圖像進(jìn)行后處理，其目的是為了使圖像的分類效果更好。對(duì)分類好的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理主要包括小斑點(diǎn)剔除、樣本精度分析、分類后的統(tǒng)計(jì)生成矢量文件。

當(dāng)在采用遙感影像分類的結(jié)果中，必定會(huì)產(chǎn)生一定面積很小的圖斑，而這些小圖斑會(huì)影響制圖，所以需要對(duì)這些小圖斑進(jìn)行剔除和重新分類。

常用的方法有 Majority/Minority 分析、聚類處理（Clump）和過濾處理（Sieve）。在ENVI4.7的處理具體操作是選擇classification中的post classification選項(xiàng)分別選中Sieve classes和Majority/Minority可以剔除零星分類。下圖是分類后剔除零星分類，很明顯在圖上看到黑色的斑點(diǎn)。

在剔除零星分類的同時(shí)也需要對(duì)驗(yàn)證精度進(jìn)行檢驗(yàn)，本次研究的精度分析如下。

本次試驗(yàn)研究所得到的卡帕系數(shù)分別為0.9215和0.9542，根據(jù)以前的研究所得可以得到當(dāng)實(shí)驗(yàn)總體的準(zhǔn)確率即混淆矩陣的精度達(dá)到80%以上時(shí)其分類精度就能達(dá)到分類要求，很顯然本次實(shí)驗(yàn)的精度完全滿足研究的要求。

4. 圖形轉(zhuǎn)換

目前遙感與地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)技術(shù)的研究應(yīng)用不斷發(fā)展，3S中的每一種技術(shù)都有它不可替代的優(yōu)勢(shì)，三者可以組合在一起能夠完成一些更加復(fù)雜的工程。將利用ENVI分類結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，并利用碭山縣的輪廓的矢量圖對(duì)影像進(jìn)行裁剪，將裁剪后的圖像進(jìn)行投影變換由WGS 84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為Xian 80坐標(biāo)系。將投影后的圖像在Spatial Analyst中的convert選項(xiàng)的Feature to Raster將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù).

三、空間分析

（一）模型的選擇

知道傳統(tǒng)的處理方法通常是用來分析土地利用面積的變化，因?yàn)槊娣e反應(yīng)了土地利用類型變化的總量變化，可以反應(yīng)土地類型變換的方向。

ArcGIS使常用的一款地理信息系統(tǒng)軟件。它不僅擁有靈活、方便用戶使用、可點(diǎn)擊的用戶圖形界面等眾多特點(diǎn)并且ArcGIS還具有管理和編輯數(shù)據(jù)都很方便，完全可以不同層次人的都可使用等優(yōu)點(diǎn)。

（二）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

當(dāng)矢量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格的數(shù)據(jù)其單位是像元，所以我們可以通過計(jì)算柵格的個(gè)數(shù)來統(tǒng)計(jì)面積。

在ArcGIS中的 Open Attributes Table 可查看柵格圖像的 value 和count。

然后通過查看Layer properties 中的cellsize（X，Y）查看柵格圖像的cellsize值。再利用count*cellsize值*cellsize值公式計(jì)算出1994年和2014年碭山縣的水體、林地、居民地、耕地、其他用地的土地面積。如表2、表3。

通過比較1994年和2014年碭山縣的土地利用餅狀圖我們能很明顯的發(fā)現(xiàn)，二十幾年間碭山縣的土地利用有著巨大的變化，首先我們可以發(fā)現(xiàn)居民地的范圍有著明顯的增多，而且耕地面積也不斷增加。然而林地面積卻有大范圍的減少。為了定量、準(zhǔn)確研究本區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化，利用土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣來分析。如表3所示。

四、結(jié)果分析

（一）土地利用變化的總體特征

從表1和表2可以看出1994～2014年碭山縣耕地面積增加了50.602095km2，居民地面積也有了一定程度的增加，增加了81.056253km2，而林地面積卻有了大幅度的減少，由原來的384.320444km2減少到了現(xiàn)在的216.633869km2，減少了167.686575km2。其他用地也有少許增加。從土地利用類型統(tǒng)計(jì)圖來看，從1994年到2014年見碭山縣的農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整中林地調(diào)整為耕地。

（二）土地利用變化的動(dòng)態(tài)分析

從表1和表2中可以看出1994～2014 五種土地利用類型面積變化。通過總結(jié)我們可以得知其中土地利用類型中耕地、居民地和林地的變化相對(duì)還是比較大，耕地和居民地分別為3.982%和6.773%，兩者都出現(xiàn)了正值現(xiàn)象，是由于城市化進(jìn)程而導(dǎo)致的。林地減少幅度是最大的為-14.44%，是由于城市的擴(kuò)張，用地的緊張導(dǎo)致了林地面積的大幅度的減少。

（三）土地利用的驅(qū)動(dòng)因素分析

影響研究區(qū)域的土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力主要包括人文驅(qū)動(dòng)力和自然驅(qū)動(dòng)力這兩種。人文驅(qū)動(dòng)力是指人口，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及等。而自然驅(qū)動(dòng)力主要是指地形、氣候等，而自然地理?xiàng)l件的影響相對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)變化的影響相對(duì)來說還是較小得，而人文活動(dòng)占據(jù)著更加重要的低位。

1. 人口增長與土地利用變化的關(guān)系

人口問題仍然是中國需要解決的一個(gè)大問題，對(duì)土地利用變化也起著舉足輕重的作用。一方面人口的增加必然使對(duì)糧食的需求的增加，這也直接導(dǎo)致了耕地面積的增加。另一方面人口的增加也會(huì)導(dǎo)致人們對(duì)住房的需求，從而引起了居民地面積的急劇增加，由1994年的186.818406km2增長到2014年的267.874659km2。

2. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地利用變化的關(guān)系

土地是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的載體。經(jīng)濟(jì)發(fā)展不僅給社會(huì)帶來了巨大的貢獻(xiàn)，與此同時(shí)也占用了一定面積的土地資源。因此經(jīng)濟(jì)發(fā)展也是引起土地利用變化的一個(gè)重要因素。隨著城鎮(zhèn)化水平的加速和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平也大幅度上升，紛紛開始改善自己的生活條件，開始建房，從而導(dǎo)致居民地面積的迅速增加。同時(shí)社會(huì)的競爭壓力也明顯增大，人們不得不更多的勞作，從而引起了耕地面積的增加。當(dāng)耕地面積和居民地面積增加時(shí)必然會(huì)有林地面積的減少。

五、結(jié)論

通過本次對(duì)1994年和2014年碭山縣的兩期遙感影像的分析和研究發(fā)現(xiàn)在總體特征中，耕地面積所占比重最大，反映了農(nóng)耕在碭山縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中的主要地位。我們很容易發(fā)現(xiàn)碭山縣這十幾年間土地利用類型變化較大。居民地面積和耕地面積的增長，而林地面積的減少說明了城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。需要引起注意的是，林地的快速的減少雖然加快了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是破壞環(huán)境。我們應(yīng)該響應(yīng)國家號(hào)召，走可持續(xù)發(fā)展的道路，把我們的家園變得越來越美麗。

相對(duì)于傳統(tǒng)的土地利用動(dòng)態(tài)分析，RS和GIS相結(jié)合的技術(shù)在效率有很大的提高，減少了人力和物力。雖然數(shù)據(jù)源比較容易獲取，但在數(shù)字化（掃描）過程中，受到紙質(zhì)地圖變形、掃描過程中光線等的影響，會(huì)出現(xiàn)較大誤差。由于方便數(shù)據(jù)處理要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換，也會(huì)有相應(yīng)的誤差。在分類時(shí)也會(huì)有一些邊緣地帶出現(xiàn)分類錯(cuò)誤。但總體來說GIS和RS技術(shù)在未來有關(guān)方面的研究前景相當(dāng)廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅新安，等.遙感導(dǎo)論[M].高等教育出版社，2001.

[2]孫景楠.基于遙感影像的巴楚縣土地開墾分析[J].水土保持通報(bào)，2010（06）.

[3]杜培軍，等.遙感原理與應(yīng)用[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2014.

（作者單位：宿州市土地勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院）