吉林市土地利用變化遙感監(jiān)測分析

相恒星，劉士瑩，姚 昆，崔桂善,4，朱衛(wèi)紅,4*

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院，吉林 延吉 133000；2.吉林師范大學(xué)，吉林 四平 136000；3.成都理工大學(xué)國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；4. 長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 延吉 133000)

吉林市土地利用變化遙感監(jiān)測分析

相恒星1，劉士瑩2，姚 昆3，崔桂善1,4，朱衛(wèi)紅1,4*

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院，吉林 延吉 133000；2.吉林師范大學(xué)，吉林 四平 136000；3.成都理工大學(xué)國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；4. 長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 延吉 133000)

基于ENVI5.2/ArcGIS10.2軟件以吉林市為研究區(qū)域，采用1995年、2010年、2015年三期遙感影像進(jìn)行土地利用/覆蓋分類.通過對比三期遙感分類土地利用現(xiàn)狀圖，分析吉林市土地利用動態(tài)變化及原因.研究結(jié)果表明，應(yīng)該加大對耕地的保護(hù)力度，加強(qiáng)對城鄉(xiāng)、工礦及居民用地的計(jì)劃和管理，科學(xué)合理地規(guī)劃土地利用，實(shí)行和完善土地管制制度，鼓勵和推進(jìn)土地整理、土地開發(fā)和土地復(fù)墾.除采用強(qiáng)有力的法律、經(jīng)濟(jì)、規(guī)劃等手段外，還需要對土地利用情況進(jìn)行遙感監(jiān)測，實(shí)時(shí)關(guān)注土地利用變化情況，有效預(yù)防土地濫用等現(xiàn)象，保證各用地類型的均衡發(fā)展，促進(jìn)土地利用效率穩(wěn)步提高.

土地利用；目視解譯；遙感監(jiān)測

土地利用是一種動態(tài)過程，指人類對土地自然屬性的利用方式和意圖.自上個(gè)世紀(jì)初，世界人口數(shù)量迅猛增長，人均可使用土地面積隨之縮減，導(dǎo)致我們本來就略顯貧乏的土地資源少之又少，所以，土地利用問題已經(jīng)成為亟待解決的世界難題之一[1,2].尤其是人口向城市集中的趨勢和城市占地面積的日益擴(kuò)大，容易引起城鄉(xiāng)、工礦及居民用地與其他類型用地，特別是與農(nóng)業(yè)用地的矛盾.與此同時(shí)，因?yàn)榧夹g(shù)的不斷革新，人類對于自然環(huán)境可以更好地改造以適應(yīng)逐步增多的利用需求，假設(shè)我們的方式方法不遵循客觀發(fā)展規(guī)律，那么極容易污染環(huán)境，從而導(dǎo)致生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞的狀況，而這些問題大多情況從土地利用上得到體現(xiàn)[3,4].因而開展土地利用遙感監(jiān)測，將對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐.

對于 LUCC 的監(jiān)測,一般在遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的支持下，通過分析遙感數(shù)據(jù)的光譜特征捕捉地表信息,結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率特點(diǎn)監(jiān)測地表動態(tài)變化.目前用于 LUCC 的遙感數(shù)據(jù)主要有 NOAA/AVHRR 數(shù)據(jù)，Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)，SPOT， Quickbird,IKONOS, MODIS, LiDAR, SAR 等.土地覆被分類方法主要可分為利用單一傳感器的遙感數(shù)據(jù)分析方法和多種傳感器相融合的方法.前者，大多是利用中低分辨率的遙感數(shù)據(jù)，以像素為單位的分類方法[5-7].后者主要是通過具有不同光譜特征的光學(xué)影像的融合，或者是光學(xué)影像與 LiDAR、SAR 等微波遙感數(shù)據(jù)間融合的研究方法.雖然高分辨率影像與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)能提高地物分類精度，但是具有費(fèi)用高，覆蓋面積小的局限性[2,4].所以， LUCC 進(jìn)行長期監(jiān)測時(shí)，多選用中低分辨率的影像，采用以像素為單位的分類方法結(jié)合野外考察驗(yàn)證.因此，本文采用Landsat TM/OLI遙感數(shù)據(jù)研究近20年吉林市土地利用情況，為今后地方政府合理利用土地資源，為生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

吉林市位于吉林省中部偏東，東北腹地長白山脈，長白山向松嫩平原過渡地帶的松花江畔，地理位置介于東經(jīng)125°40′～127°56′，北緯42°31′～44°40′[8,9].東接延邊朝鮮族自治州，西臨長春市、四平市，北與黑龍江省哈爾濱市接壤，南與白山市、通化市、遼源市毗鄰[10].吉林市總土地面積約27799km2，下轄5區(qū)5縣，分別為船營區(qū)、昌邑區(qū)、高新區(qū)、豐滿區(qū)、龍?zhí)秴^(qū)、蛟河市、磐石市、舒蘭市、樺甸市、永吉縣[11].吉林市資源豐富，物產(chǎn)豐饒.土地、水利、礦產(chǎn)、森林、野生動植物資源均高于全國平均水平，特別是水利資源蘊(yùn)藏量較大，是全國平均水平的1.8倍，是全國少有的不缺水城市之一[12].

1.2 數(shù)據(jù)來源

表1 遙感影像一覽表

本文利用中國科學(xué)院數(shù)據(jù)云中Landsat系列數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)，獲取土地利用結(jié)構(gòu)變化的時(shí)序特征并從中選取1995年、2010年及2015年三個(gè)特征年份的Landsat TM和OLI影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息如表1.

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

遵循“全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系”采用一級分類系統(tǒng)的原則，將土地利用類型信息分為六類，解譯標(biāo)志如表2所示，采用432波段判斷，即：耕地，林地，草地，水域，城鄉(xiāng)、工礦及居民用地和未利用土地[13].

通過TM432和OLI764通道進(jìn)行假彩色合成，經(jīng)過圖像增強(qiáng)和幾何精度校正等圖像預(yù)處理方法，對同期影像做圖幅鑲嵌處理，再按研究區(qū)矢量邊界范圍對圖像進(jìn)行裁剪，然后利用ENVI軟件進(jìn)行監(jiān)督分類.利用ArcGIS軟件人機(jī)交互式解譯的方法，提取各土地利用類型信息[14]，最終得到吉林市三期土地利用類型圖(圖1).

表2 遙感解譯標(biāo)志

1995年 2010年 2015年

圖1 1995-2015年吉林市土地利用類型變化情況

2 結(jié)果與分析

2.1 1995-2015年土地利用的分類變化特征

土地利用動態(tài)監(jiān)測，是指把兩個(gè)或兩個(gè)以上不同時(shí)相的土地利用數(shù)據(jù)放在一起對比，對其動態(tài)變化特征和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行空間、數(shù)量兩個(gè)角度的分析[9].因此，本文通過計(jì)算各土地類型面積的變化來進(jìn)行土地利用動態(tài)監(jiān)測.整理結(jié)果如圖2所示.

圖2 1995-2015年吉林市土地利用變化

通過對同一類型土地面積在1995年、2010年和2015年不同時(shí)間下的變化進(jìn)行對比，可以得到吉林市三個(gè)特征年份各用地類型面積的轉(zhuǎn)移矩陣，進(jìn)而探究吉林市土地利用類型變化及發(fā)生改變的原因.

由表3可以看出，1995-2010年林地面積減少，且減少速度較快，大部分轉(zhuǎn)換為耕地；耕地面積增加，主要占用林地；草地由于各種原因退化，面積縮小，且縮減速度相對緩慢；水域面積也在減少，減少速度同樣相對緩慢；城鄉(xiāng)、工礦及居民用地面積減少，大部分轉(zhuǎn)換作為耕地.

表3 1995-2010年吉林市土地利用類型面積轉(zhuǎn)換情況 km2

表4 2010-2015年吉林市土地利用類型面積轉(zhuǎn)換情況 km2

由表4可以看出，2010-2015年林地面積擴(kuò)大，大部分占用農(nóng)用地；耕地面積縮小，關(guān)鍵是因?yàn)槌青l(xiāng)、工礦及居民用地的擴(kuò)張占用了農(nóng)用地；草地面積呈穩(wěn)定縮減態(tài)勢；水域面積雖然沒有變動，但是總體呈減少趨勢；城鄉(xiāng)、工礦及居民用地面積擴(kuò)增，其中有大部分都是占用耕地.

表5 1995-2015年吉林市土地利用類型面積轉(zhuǎn)換情況 km2

總體來說，在2015年土地利用情況中，由于退耕還林工程工作的全面實(shí)施開展，吉林市林地面積進(jìn)一步增加，與此同時(shí)耕地面積進(jìn)一步減少，并且城鄉(xiāng)、工礦及居民用地面積隨著城市經(jīng)濟(jì)水平提高也在急速增加.因此，應(yīng)加大對耕地的保護(hù)力度，合理規(guī)劃各用地資源.

2.2 主要土地利用類型變化的原因

吉林市土地利用類型齊全，其中林地和耕地類型為全市的主要土地利用類型，所以用地格局以農(nóng)用地為主.1995-2015年耕地面積的發(fā)展趨勢是先增加后減少，隨著人民對生活質(zhì)量水平要求的提高，日益增長的人口數(shù)量使得我們對糧食的需求大大增加，在政府鼓勵和利益的驅(qū)動下，不斷地開墾草地和林地，使這些土地大面積地變?yōu)楦?之后，隨著城市化進(jìn)程的提速，城市化與耕地保護(hù)的矛盾越來越明顯，其中導(dǎo)致耕地面積減少的主要原因就是城鄉(xiāng)、工礦及居民用地的擴(kuò)大，同時(shí)21世紀(jì)初開始開展的例如以林、草為主的植被恢復(fù)工程也是耕地面積持續(xù)減少的原因.林地面積先是持續(xù)減少，在2000年發(fā)生轉(zhuǎn)折，此后變?yōu)橹鸩皆黾?2000年前林地面積減少的關(guān)鍵性因素是林地的砍伐和耕地的擴(kuò)張，2000年后林地面積增加則是因?yàn)橥烁€林工程的開展.同期，城鄉(xiāng)、工礦及居民用地面積逐漸擴(kuò)大，主要占用農(nóng)耕區(qū).草地面積持續(xù)減少，以開墾為耕地為主.未利用地面積逐漸減少，主要開墾為耕地.

3 結(jié)論

土地利用/土地覆被變化(LUCC)是人類活動與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式，土地利用變化的空間格局表征了該時(shí)段人—地關(guān)系在不同地域空間上的作用強(qiáng)度與作用模式[15,16].本文通過ENVI和ArcGIS軟件及目視解譯方法對吉林市土地利用進(jìn)行了遙感監(jiān)測，利用吉林市三個(gè)特征年份的影像數(shù)據(jù)對土地利用的動態(tài)變化進(jìn)行了分析研究.

研究結(jié)果表明，吉林市耕地面積持續(xù)減少，實(shí)質(zhì)上是城鄉(xiāng)、工礦及居民用地面積占用了農(nóng)耕區(qū)，這一舉措積極響應(yīng)國家號召實(shí)施退耕還林政策，林地面積逐漸增加，草地面積持續(xù)減少.在此之外，吉林市市區(qū)的土地利用程度較高，隨著城市化發(fā)展階段性穩(wěn)步提升，人口數(shù)量也在相應(yīng)增加，經(jīng)濟(jì)水平較為發(fā)達(dá).其東南部多為山區(qū)，其土地利用類型大部分為林地和耕地，城鄉(xiāng)、工礦及居民用地較少，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)，實(shí)施天然林保護(hù)等工程，合理有序開發(fā)耕地資源.其西北部地勢相對較低，以耕地為主，同時(shí)城鄉(xiāng)、工礦及居民用地的比重明顯提高，工業(yè)較發(fā)達(dá)，要提高耕地質(zhì)量，積極推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè).

國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要依靠城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)，而城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要積極有力的社會活動來體現(xiàn)，那么城市土地就是所謂的物質(zhì)載體.它不僅可以為一個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)水平的提升提供有力支持，還影響著這座城市的方方面面[17,18].而不合理的土地開發(fā)活動多是以犧牲環(huán)境為代價(jià)，因此，針對吉林市土地利用現(xiàn)狀和存在的問題，應(yīng)該加大對耕地的保護(hù)力度，嚴(yán)格控制非農(nóng)建設(shè)占用農(nóng)耕區(qū)，加強(qiáng)對基本農(nóng)田的保護(hù)和建設(shè)，穩(wěn)定數(shù)量，提高質(zhì)量.同時(shí)，為了更好地利用土地資源，應(yīng)該合理制定土地利用計(jì)劃，完善土地利用宏觀調(diào)控制度，嚴(yán)格控制城鄉(xiāng)、工礦及居民用地規(guī)模，加強(qiáng)對城鄉(xiāng)、工礦及居民用地的計(jì)劃和管理，為有效規(guī)避土地濫用等情況出現(xiàn)，建立建設(shè)完善的土地管理信息系統(tǒng)，充分利用遙感數(shù)據(jù)可以大面積長時(shí)間序列獲取的優(yōu)勢，定期對吉林市土地利用動態(tài)監(jiān)測，對土地利用動態(tài)變化進(jìn)行分析，不僅優(yōu)化用地結(jié)構(gòu)還要做到掌握布局，達(dá)到每一寸土地都合理有效利用的要求.在吉林市未來的發(fā)展中，不僅要把土地利用達(dá)到集約高效，同時(shí)土地利用結(jié)構(gòu)也要達(dá)到相對有序，從而促進(jìn)土地利用效率穩(wěn)步提高.

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(責(zé)任編校：晴川)

Remote Sensing Monitoring of Land Use Change in Jilin

XIANG Hengxing1, LIU Shiying2, YAO Kun3, CUI Guishan1,4, ZHU Weihong1,4*

(1.College of Science, Yanbian University, Yanji Jilin 133000，China; 2.Jilin Normal University, Siping Jilin 136000，China; 3. Key Laboratory of Geological Spatial Information Technology of Ministry of land and Resources,Chengdu University of Technology, Chengdu Sichun 610059，China; 4.Changbai Mountain Key Laboratory of Biological Resources and Functional Molecules, Yanji Jilin 133000，China)

Based on ENVI5.2 / ArcGIS10.2 software and taking Jilin city as the research area, the paper used three remote sensing images of the year of 1995, 2010 and 2015 for land use/cover classification. By comparing the remote sensing classification charts of the three periods, it analyzed land utilization changes and the causes in Jilin. The findings indicate several aspects. Firstly, the farmland protection is supposed to be enlarged. Secondly, what should be strengthened are the plans and managements to the cities and countryside, the industry and mining area, as well as the residential land. It is essential to manage land utilization scientifically and reasonably, implement and perfect land management system, as well as encourage and advance land consolidation, land development and land rehabilitation. In addition to adopting powerful means of laws, economy, management and so on, it is of great necessity to carry out remote sensing monitoring to the land utilization situation, pay attention to the changing situations of land utilization, prevent the land from being abused effectively, ensure a balanced development of all types of land, and promote the steady improvement of land utilization efficiency.

land utilization; visual interpretation; remote sensing monitoring

2017-03-20

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：31500400、41361015)資助項(xiàng)目；吉林省科技廳項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：20170622018JC).

相恒星(1993— ),女,吉林白山人，延邊大學(xué)理學(xué)院碩士生.研究方向：資源環(huán)境遙感.

P272

A

1008-4681(2017)02-0011-04

*通訊作者：朱衛(wèi)紅(1972— )，女，吉林延吉人，延邊大學(xué)理學(xué)院教授，博士.研究方向：濕地保護(hù)、生態(tài)遙感.