基于TM與OLI影像的石家莊市土地利用變化分析

底凱，許中旗

(河北農業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000)

基于TM與OLI影像的石家莊市土地利用變化分析

底凱，許中旗

(河北農業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000)

為了了解近年來石家莊土地利用變化趨勢，基于Landsat TM/OLI影像數(shù)據(jù)，運用ENVI空間分析與土地利用動態(tài)度模型對石家莊1987-2015年的土地利用時空變化特征進行了分析。結果表明，高密度建筑用地面積從1987年的24.51 km2擴張到2015年的168.44 km2，低密度建筑用地面積從92.22 km2減少到86.93 km2，綠地面積從250.78 km2下降到111.29 km2；各土地類型變化差異顯著，石家莊單一土地利用動態(tài)度在-4%～14%之間，各時間段綜合土地利用動態(tài)度分別為0.16%、0.32%和0.38%；人口增加、經(jīng)濟增長和人民生活水平提高是導致石家莊土地利用變化的主要原因。

土地利用/覆蓋；Landsat TM/OLI；遙感；驅動力；石家莊

土地利用變化是在一定時間和空間范圍內自然過程和人類活動共同驅動的結果[1-3]。自然過程驅動主要表現(xiàn)為生物、物理驅動，而人類活動驅動則主要表現(xiàn)為社會經(jīng)濟、城鎮(zhèn)化、人口規(guī)模、政策制度等因子的影響[4-5]。土地利用變化是各種驅動力作用下土地利用目的與利用方式的改變[6-7]。這種變化多是由經(jīng)濟和人口變化引起的。在過去的30 a中，我國經(jīng)歷了一個經(jīng)濟快速發(fā)展時期，經(jīng)濟結構也發(fā)生了劇烈的變化，這也促使土地利用面臨更加深刻的變化。城區(qū)周邊往往是變化最為劇烈的區(qū)域。城市化的快速發(fā)展使城市建成區(qū)周邊地區(qū)土地利用發(fā)生著急劇變化，因此，城區(qū)土地利用變化一直是人們研究的重要內容[8]。了解城區(qū)土地利用變化對于一個地區(qū)的土地利用規(guī)劃及城市的有序發(fā)展具有重要意義。為此，擬以1987年、1995年、2005年和2015年的4期影像數(shù)據(jù)為基礎，對石家莊市土地利用的時空變化特征進行分析，旨在了解過去28 a中石家莊的土地利用變化規(guī)律，為該地區(qū)的土地利用規(guī)劃及城市化發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石家莊市區(qū)地處河北省中南部，面積367.82 km2(僅含2014年9月區(qū)劃調整前，不含井陘礦區(qū)的城區(qū)5區(qū))。城區(qū)北臨滹沱河，西臨太行山，地勢西北高、東南低，海拔高度一般在60～90 m。該區(qū)屬于溫帶季風氣候，四季分明，雨量集中于夏秋季節(jié)，年降水量為401.1～752.0 mm。

2 研究方法

2.1土地使用類型劃分

由于遙感影像存在同物異譜、同譜異物和混合像元等現(xiàn)象，使得基于光譜值統(tǒng)計的分類方法會出現(xiàn)誤分、錯分現(xiàn)象[9]，因此，需要對結果進行二次處理。

參考《民用建筑設計通則(GB 50352-2005)》的層數(shù)、樓高分類和《土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB-T 21010-2007)》的二級分類[10-11]，結合遙感影像特性與本研究實際，將土地利用類型劃分為4類：高密度建筑，4層及以上或高于24 m的建筑；綠地，地表覆蓋植物的區(qū)域；水域，地表被覆著水的區(qū)域；低密度建筑，1層至3層或低于24 m的建筑與道路。

2.2 衛(wèi)星影像采集及處理

采用2010年左右比例尺為1∶440 000的石家莊行政區(qū)劃圖，采用的4期衛(wèi)星影像分別是1987年7月1日、1995年7月5日、2005年6月14日的Landsat TM影像，云量0，分辨率30 m；2015年7月12日Landsat OLI，云量5，分辨率30 m。

運用ENVI 5.2對衛(wèi)星影像進行幾何校正、ROI裁剪、基于影像的不規(guī)則裁剪、監(jiān)督分類，得出各類型土地面積和動態(tài)監(jiān)測統(tǒng)計結果。

2.3 土地利用動態(tài)度的計算

2.3.1 單一土地利用動態(tài)度的計算 單一土地利用類型動態(tài)度是指某研究區(qū)一定時間范圍內某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達式為:

式(1)中，K為研究時段內某一土地利用類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長。當T的時段設定為年時，K為該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率。

2.3.2 綜合土地利用動態(tài)度的計算 綜合土地利用動態(tài)度反映的是研究區(qū)內一定時間范圍內土地利用數(shù)量總體變化情況，其表達式為

式中：LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為監(jiān)測時段長度。當T的時段設定為年時，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率[12]。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空變化

1987-2015年石家莊土地利用時空變化見表1。

表1 1987-2015年石家莊土地利用時空變化Table 1 The data of land-use space-time change in Shijiazhuang (1987-2015)

由表1可以看出，在1987—2015年的28 a間，石家莊市的高密度建筑面積急劇增加。1987年，高密度建筑面積為24.51 km2，僅占總面積的6.66%，到2015年，高密度建筑面積擴展到168.44 km2，占總面積比例增加到45.79%。低密度建筑面積總體呈減小趨勢。1987年，低密度建筑面積為92.22 km2，占總面積的25.07%；2005年低密度建筑面積縮小到78.86 km2，所占比例下降到21.44%；2005-2015年，低密度建筑面積由78.86 km2增加到86.93 km2，所占比例增加到23.63%。從城市建成區(qū)角度看，2005年低密度建筑和高密度建筑面積之和首次超過綠地，共占總體的52.63%。整個市區(qū)從土地面積上已進入城鎮(zhèn)化。同時期，綠地面積則明顯縮小。1987年，石家莊的綠地面積為250.78 km2，所占比例達68.18%，到2015年，綠地面積縮小到111.29 km2，所占比例下降到30.26%。石家莊市區(qū)沒有河流穿過城區(qū)，水域幾乎全是北部滹沱河景觀蓄水所形成，盡管面積和比重穩(wěn)步上升，但是到2015年也只有1.16 km2，占總體比例為0.32%。

3.2 土地利用的轉化

不同時間段土地利用轉化情況見表2、表3、表4。

表2 1987-1995年石家莊土地利用轉移矩陣Table 2 Land-use changing matrix of Shijiazhuang (1987-1995) km2

表3 1995-2005年石家莊土地利用轉移矩陣Table 3 Land-use changing matrix of Shijiazhuang (1995-2005) km2

表4 2005-2015年石家莊土地利用轉移矩陣Table 4 Land-use changing matrix of Shijiazhuang (2005-2015) km2

比較表2、表3、表4的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，1987-1995年，石家莊城區(qū)高密度建筑與低密度建筑的變化量較大。高密度建筑面積的增大多是低密度建筑面積所轉化的，為25.16 km2，占轉化至高密度建筑變化總面積的95.16%。低密度建筑面積的變化多是由綠地轉化而來的，為23.24 km2，占轉化至低密度建筑變化總面積的98.60%。

1995-2005年石家莊城市化處于快速發(fā)展階段。城市聚集效應明顯，高密度建筑變化面積達73.56 km2，同樣主要是來自于低密度建筑面積的轉化，達56.46%，其次是綠地，占43.04%。低密度建筑的變化面積達36.60 km2，有30.15 km2自綠地轉化而來，占82.38%。

2005-2015年，高密度建筑的面積最大，其次是低密度建筑，分別有70.51 km2和52.83 km2，2種變化面積之和占4種土地類型總變化面積的89.23%。

從3組數(shù)據(jù)綜合來看，按照面積增減量由大到小排序依次為綠地、高密度建筑、低密度建筑、水域。高密度建筑和低密度建筑多來自綠地的轉換，此為城市建設向周邊農田擴張的結果；其次，高密度建筑的土地多是由低密度建筑轉換而來，這是土地利用集約化的表現(xiàn)。

3.3土地利用動態(tài)度

土地利用變化速度定量描述了區(qū)域土地利用變化的速度，單一動態(tài)度可解釋某個地類在研究期內平均變化速度的快慢。1987-2015年單一土地利用類型動態(tài)度與綜合土地利用動態(tài)度如表5和表6所示。

表5 1987-2015年單一土地利用類型動態(tài)度Table 5 Single land-use dynamic change of Shijiazhuang (1987-1995) %

表6 1987-2015年綜合土地利用動態(tài)度Table 6 Multiple Land-use dynamic change of Shijiazhuang (1987-1995) %

表5、表6數(shù)據(jù)表明，石家莊各類型土地利用動態(tài)度在-3.55%～13.50%之間，高密度建筑和水域始終保持正值，綠地為負值，說明高密度建筑及水域的面積一直呈逐漸增加的趨勢，而綠地則是一直呈逐漸下降的趨勢。綜合土地利用動態(tài)度則反映所有土地類型之間的變化關系，在1987-1995年、1995-2005年、2005-2015年3個時間段內，其綜合土地利用動態(tài)度分別為0.16%、0.32%和0.38%，說明石家莊整體土地利用變化在增速，地表被覆物變化速率越來越快。

3.4 土地利用變化驅動力分析

土地利用變化是一個復雜的過程，受到多種因素的影響和制約，總體來說包括自然因素和社會經(jīng)濟因素。隨著人類社會的發(fā)展，尤其對于人口密集、經(jīng)濟活動高度聚集的城市建成區(qū)域來講，社會經(jīng)濟因素成為引起高密度建筑土地利用變化的主要驅動力[13-17]。

1987-2015年石家莊GDP與人口的變化如表7所示。

表7 1987-2015年石家莊GDP與人口Table 7 GDP and population of Shijiazhuang

由表7可知，從1995到2015年，石家莊的GDP呈快速增長的趨勢，由60.99億元上升到1 230.40億元，20 a間石家莊經(jīng)濟規(guī)模增長了近20倍。GDP的增長帶動了石家莊城市的擴展，城區(qū)面積呈明顯的增加趨勢。

石家莊的建筑面積和高密度建筑面積與人口的關系見圖1和圖2。

圖1 建筑面積與人口的關系

Fig.1 The relationship between construction area and population

圖2 高密度建筑面積與人口的關系

Fig.2 The Relationship between high density building area and population

由圖1和圖2可以看出，石家莊市建筑用地面積及高密度建筑占地面積與人口的增長呈明顯的正相關關系。石家莊人口數(shù)量從1987年的110.60萬人猛增到2015年的314.07萬人，是原來的2.84倍。市區(qū)人口的增加使高密度建筑規(guī)模不斷擴大，城市建設力度不斷加大。1980年，石家莊城市居民人均建筑面積僅為7.53 m2，居住面積嚴重不足；到2007年末市區(qū)實際居民人均建筑面積已經(jīng)達到29.29 m2，比1980年增長了2.9倍[17]。

4 結論

以4個時期的衛(wèi)星影像對石家莊的土地利用進行分析發(fā)現(xiàn)，從1987到2015年的28 a間，石家莊土地利用變化的明顯特征是建筑用地面積明顯增加，而綠地面積明顯下降。高密度建筑用地面積由24.51 km2增加到168.44 km2；綠地面積由250.78 km2下降到111.29 km2。高密度建筑用地主要由綠地和低密度建筑用地轉化而來。

石家莊高密度建筑及水域的單一土地利用動態(tài)度較高，且為正值，而綠地為負值。綜合土地利用動態(tài)度在3個時間段內分別為0.16%、0.32%和0.38%，呈上升趨勢。

人口數(shù)量的增加和GDP的增長是石家莊市土地利用變化，尤其是建筑面積增加和綠地減少的主要驅動力。

[1]Walker B,Steffen W. The terrestrial biosphere and global change:Implication for natural and managed ecosystems [J]. A Syn-thesisof GCTE and Related Research,1997, 400(6744):522-523.

[2]Liu Jiyuan,Liu Mingliang,Tian Hanqinetal. Spatial and temporalpatterns of China’s cropland during 1990-2000: An analysis basedon Landsat TM data[J]. Remote Sensing of Environment,2005,98(4):442-456.

[3]李平，李秀彬，劉學軍.我國現(xiàn)階段土地利用變化驅動力的宏觀分析[J].地理研究，2001，20(2)：129-132.

[4]談明洪，李秀彬，呂昌河.我國城市用地擴張的驅動力分析[J].經(jīng)濟地理，2003，23(5):635-637.

[5]郭程軒，徐頌軍，巫細波.基于地統(tǒng)計學的佛山市土地利用變化驅動力時空分異[M].經(jīng)濟地理， 2009, 29(9):1524-1529.

[6]Sara Brogaard, Zhao Xueyong. Rural reforms and changes in land management and attitudes a case study from Inner Mongolia[J].China Ambio,2002,31(3):212-218.

[7]Lam bin E F. Modeling and monitoring land-cover change processes in tropical regions[J]. Progress in Physical Geography, 1997,21(3):375-393.

[8]鄭興年，胡寶新，崔偉宏.大城市邊緣區(qū)土地利用動態(tài)遙感試驗研究——以北京市朝陽區(qū)為例[J].地理科學，1995,15(1):47-54.

[9]王圓圓，李京.遙感影像土地利用/覆蓋分類方法研究綜述[J].遙感信息，2004(1):52-59.

[10]中華人民共和國建設部.GB 50352-2005民用建筑設計通則[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007:9-10.

[11]國土資源部.GB-T21010-2007土地利用現(xiàn)狀分類標準[S]. 北京：中國標準出版社，2017：3-6.

[12]王秀蘭，包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展，1999，18(1):81-87.

[13]史利江，王圣云，姚曉軍，等.1994-2006年上海市土地利用時空變化特征及驅動力分析[J].長江流域資源與環(huán)境， 2012，21(12)：1468-1479.

[14]裕華區(qū)人民政府.石家莊裕華區(qū)2016年政府工作報告[EB/OL].[2016-03-16].http://www.yuhuaqu.gov.cn/col/1389 844423031/2016/03/23/1458697842114.html.

[15]馬文剛.石家莊長安區(qū)2016年政府工作報告[EB/OL]. [2016-03-18].http://www.sjzca.gov.cn/Info.aspx?ModelId=1&Id=4684..

[15]劉軍志.石家莊橋西區(qū)2016年政府工作報告[EB/OL].[20160-03-25].http://www.sjzqx.gov.cn/web_zfgkxxxx.jsp ZID=14588705968023893.

[16]劉建芳.石家莊新華區(qū)2016年政府工作報告[EB/OL]. [2016-02-01].http://121.28.35.251/content.jsp code=0002502 37/2016-01917&name=%E7%BB%BC%E5%90%88%E6%94%BF%E5%8A%A1 .

[17]王巍，張碩敏.石市去年人均住房建筑面積27.78平方米[N].石家莊日報，2008-04-16.

(編輯 潘秀華)

歡迎訂閱《河北林果研究》

《河北林果研究》是河北農業(yè)大學主辦的學術性期刊，曾獲第五屆中國高校特色科技期刊、全國高校優(yōu)秀學報、中國高校編輯出版質量科技期刊、河北省高校優(yōu)秀學報、河北省優(yōu)秀科技期刊等獎勵，2004年被收錄為國家科技部中國科技核心期刊。

《河北林果研究》主要刊登林業(yè)、果樹園藝、園林、蠶桑、林業(yè)經(jīng)濟管理等專業(yè)及有關基礎學科的學術論文、研究報告和簡報、專題綜述等。讀者對象是林業(yè)、果樹、園林、蠶桑等專業(yè)及生物、環(huán)境等學科的科研、規(guī)劃設計、生產開發(fā)等部門的科技工作者，以及農林院校師生、科技管理工作者和其他人員。

本刊為季刊，國內外公開發(fā)行，大16開本，每期定價10.00元，全年定價40.00元。全國各地郵局均可訂閱，郵發(fā)代號18-256。如錯過訂閱時間，請直接與本刊編輯部聯(lián)系。

聯(lián)系電話：(0312)7526750，7526751

E-mail:xuebaolin@hebau.edu.cn linguoyanjiu@163.com

《河北林果研究》編輯部

A study on land-use change of Shijiazhuang city based on landsat TM/OLI

DI Kai，XU Zhongqi

(CollegeofForestry,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071000,China)

For understanding land-use changes in Shijiazhuang, the temporal-spatial changes of land use in Shijiazhuang was analyzed based on landsat TM/OLI image, using Envi space and land-use dynamic change model as the method. The result shows that the land of high building density area expanded from 24.51 km2to 168.44 km2from 1987 to 2015, the land of low building density area reduced from 92.22 km2to 86.93 km2, and the greenland area reduced from 250.78 km2to 111.29 km2at the same time. All kinds of land-use dynamic change were significant. The single land-use dynamic change of Shijiazhuang was kept between-4% and 14%, and the multiple land-use dynamic changes during each time period were 0.16%，0.32% and 0.38% respectively.The population increase, economic growth and the improvement of living conditions play important roles in the land-use change of Shijiazhuang.

land use/cover; landsat TM/OLI; remote sense; driving force; Shijiazhuang

1007-4961(2017)01-0022-06

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0005

2016-11-20；

2016-12-25

河北省人力資源和社會保障廳“河北省區(qū)域生態(tài)資源現(xiàn)狀分析與評價”(B2014010001)。

底凱(1990-)，男，河北石家莊人，在讀碩士研究生，主要研究方向：森林生態(tài)學。

許中旗(1971-)，男，河北饒陽人，博士，教授，主要從事有關森林生態(tài)學研究。

F 301.24

A