基于Landsat影像的建設(shè)用地擴展與碳排放關(guān)聯(lián)分析

張元棟，杜芬玲，王 濤，尚曉鵬

（1.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西 西安 710054；2.中煤航測遙感集團有限公司航測工程分公司，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

基于Landsat影像的建設(shè)用地擴展與碳排放關(guān)聯(lián)分析

張元棟1，杜芬玲2，王 濤3*，尚曉鵬1

（1.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西 西安 710054；2.中煤航測遙感集團有限公司航測工程分公司，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

以西安地區(qū)2000～2015年間8期Landsat TM/OLI遙感影像及統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合碳排放計算方法，分析了碳排放與建設(shè)用地、人口、非農(nóng)業(yè)人口、耕地面積、GDP、人均GDP和固定資產(chǎn)投資額6個主要指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：①西安地區(qū)2000～2015年建設(shè)用地面積呈指數(shù)增加；2000～2014年碳排放量呈顯著線性增加，碳排放與建設(shè)用地面積擴展呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系。②2000～2014年西安地區(qū)人口、非農(nóng)業(yè)人口與碳排放呈顯著的線性增加關(guān)系；耕地面積與碳排放呈顯著的線性遞減關(guān)系；GDP、人均GDP和固定資產(chǎn)投資額與碳排放總體呈線性增加關(guān)系，但均可劃分為2000～2006年和2006～2014年2個階段，前一階段線性遞增率高于后一階段，反映出西安地區(qū)隨經(jīng)濟發(fā)展，碳排放量2000～2006年增速較高，而2006～2014年增速減緩。研究表明西安地區(qū)建設(shè)用地擴展與碳排放有密切關(guān)系。

建設(shè)用地擴展；碳排放；相關(guān)分析；遙感影像；西安

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）多次評估報告明確指出氣候變暖毋庸置疑，氣候變暖已成為世界人民關(guān)心的問題。IPCC認為，人類活動尤其是化石能源的燃燒是大氣中溫室氣體的主要來源[1]，而在溫室氣體中，CO2所占比例受到廣泛關(guān)注，減少碳排放成為了當(dāng)前社會面臨的主要問題之一[2]。經(jīng)濟快速發(fā)展引起城市建設(shè)用地擴展并占用耕地、林地和草地等，導(dǎo)致全球陸地表面植被迅速減少，固碳能力下降[3-4]，是碳排放的又一重要原因。

土地利用與碳排放關(guān)系是當(dāng)前研究的熱點，從行政區(qū)劃層面，如國家、省市及縣等層面開展了大量研究工作，結(jié)果表明，經(jīng)濟發(fā)展越好、城市擴展越快，區(qū)域碳排放量越大[5-6]；有的學(xué)者從城市經(jīng)濟結(jié)構(gòu)方面入手，探討城市土地利用、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與碳排放關(guān)系[7]；也有學(xué)者從土地集約利用入手，探索在碳排放約束機制下土地集約利用的方式，或土地集約利用對碳排放的影響等[8]。土地利用與碳排放研究為全球氣候變暖背景下城市空間發(fā)展及經(jīng)濟發(fā)展過程提供了科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)與依據(jù)，有利于發(fā)展中國家尤其是中國城市擴展過程更加科學(xué)和低碳化。

西安是中國中西部地區(qū)的重要城市，2000年以來經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市擴展規(guī)模日益增大。西安地區(qū)土地利用與碳排放研究也受到廣泛的關(guān)注[9-10]。目前西安地區(qū)建設(shè)用地與碳排放研究還缺乏利用遙感數(shù)據(jù)進行分析的視角，本文以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析西安地區(qū)建設(shè)用地擴展與碳排放的相關(guān)關(guān)系，為西安地區(qū)城市的科學(xué)規(guī)劃、低碳發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西安市是陜西省省會，地處107°39′37"E～ 109°49′5"E和33°41′21"N～34°44′54"N之間，包括10個區(qū)和3 個縣，土地面積10 108 km2。西安市2014年GDP為5474．77×109元，人口862．75×104人。全市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冬春寒冷干燥，夏秋炎熱多雨，年平均溫度13．0℃，年平均降水量為560．4 mm。南部為秦嶺山地，其他區(qū)域?qū)訇P(guān)中平原。西安市全境屬黃河流域，主要河流有渭河、灞河、浐河、灃河、黑河等[11]。為了獲取較多年份的研究區(qū)影像，本研究選擇軌道號為p127r36的 Landsat TM/OLI影像所覆蓋的西安地區(qū)范圍作為研究對象。相較于高分辨率遙感影像，Landsat影像較易獲取，時間序列較長，在建設(shè)用地提取方面應(yīng)用廣泛。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

使用數(shù)據(jù)包括2000～2015年間8期Landsat TM/ OLI影像和西安市2000～2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)。遙感影像下載自中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www．gscloud．cn），詳細信息見表1。統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于西安市統(tǒng)計年鑒，用于獲取研究區(qū)2000～2014年的能源消耗（僅指規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)）、人口數(shù)量、非農(nóng)業(yè)人口、GDP、人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、耕地面積、固定資產(chǎn)投資額數(shù)據(jù)。

表1 遙感影像信息

遙感影像解譯過程包括：①影像融合。TM影像的5、4、3波段與OLI影像的6、5、4波段相對應(yīng)，分別為中紅外、紅外和紅光波段，543/654波段配合紅綠藍顏色融合生成的假彩色圖像類似于自然色，符合人們的視覺習(xí)慣，便于分類，主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)土地利用的區(qū)分。②影像校正、配準。以2015年遙感影像為基準，對其他年份影像進行配準，誤差在1個像元以內(nèi)。③影像裁切。用西安地區(qū)行政邊界對遙感影像進行裁切。④監(jiān)督分類。在ENVI中利用支持向量機（support vector machine，SVM）方法進行監(jiān)督分類，并結(jié)合實地調(diào)查及高分辨率遙感影像（小于1 m）對解譯結(jié)果進行分類精度評價，8期影像分類精度均在85%以上，能夠滿足研究需求。⑤獲取8期建設(shè)用地數(shù)據(jù)。將分類后的柵格數(shù)據(jù)在ArcGIS中轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，僅保留建設(shè)用地類型，統(tǒng)計各年份建設(shè)用地面積。

1.3 研究方法

土地利用碳排放中耕地、林地、草地碳排放可直接通過用地類型面積與碳排放系數(shù)計算得到，而建設(shè)用地碳排放通過能源消耗間接估算[12]，即將煤炭、石油、天然氣等能源消耗轉(zhuǎn)為碳排放量，計算公式如下[13]：

式中，EC為建設(shè)用地碳排放總量；eci為第i種能源消耗產(chǎn)生的碳排放量；Eni為第i種能源消耗量（噸標(biāo)準煤）；σi為第i種能源碳排放系數(shù)（tC/t標(biāo)準煤）。由于2001～2015年西安統(tǒng)計年鑒中給出了所有能源消耗轉(zhuǎn)為t標(biāo)準煤的總額，根據(jù)文獻[12-14]確定煤炭的碳排放系數(shù)為0．747 6 tC/t標(biāo)準煤。

2 結(jié)果分析

2.1 建設(shè)用地擴展分析

西安地區(qū)建設(shè)用地包括西安市及其所轄區(qū)、縣政府所在地及鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村建設(shè)用地。遙感影像解譯結(jié)果表明，2000～2015年西安地區(qū)建設(shè)用地面積由286．76 km2增加至1 217．05 km2，共增加了930．29 km2，增加3．24倍（圖1）。

西安地區(qū)建設(shè)用地擴展過程呈指數(shù)函數(shù)變化，可劃分為2000～2006年和2006～2015年2個階段，其中2000～2006年建設(shè)用地由286．76 km2增加至462．57 km2，增加175．81 km2，增加61．3%；2006～2015年建設(shè)用地增加754．48 km2，增加163%?？梢?，西安地區(qū)建設(shè)用地擴展主要集中在2006～2015年間。

圖1 西安地區(qū)建設(shè)用地變化過程

2.2 建設(shè)用地碳排放分析

西安地區(qū)碳排放過程可劃分為3個階段，分別是2000～2003年、2004～2008年以及2009～2015年（圖2）。2000～2003年碳排放量平均值為3 952．2 kt，2004～2008年平均值增加為6 206．3 kt，2009～2015年增至7 624．0 kt?？傮w上，2000～2014年西安地區(qū)碳排放量由3 247．2 kt增加至7 720．3 kt，增加了4 473．1 kt，增加1．38 倍。西安地區(qū)碳排放呈線性增加趨勢，線性遞增率為357．47 kt/a，通過0．05顯著性水平檢驗（P＜0．001），反映出研究區(qū)碳排放未來仍將呈線性增加趨勢。

圖2 西安地區(qū)碳排放變化過程

2.3 建設(shè)用地與碳排放關(guān)聯(lián)分析

2000～2014 年西安地區(qū)建設(shè)用地呈指數(shù)增加趨勢，碳排放量呈線性增加趨勢，以對應(yīng)年份建設(shè)用地與碳排放量形成散點圖（圖3）。圖3表明建設(shè)用地與碳排放量之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系（P＜0．05），并且呈線性增加趨勢。隨著建設(shè)用地的擴展，碳排放量線性遞增，遞增率為6．82 kt/km2，即西安地區(qū)建設(shè)用地每增加1 km2，則碳排放量增加6．82 kt。

圖3 碳排放與建設(shè)用地擴展關(guān)系

2.4 主要建設(shè)用地擴展指標(biāo)與碳排放關(guān)聯(lián)分析

政府政策、人口、經(jīng)濟因素是建設(shè)用地擴展的主要驅(qū)動因素[15]。本文選擇2000～2014年人口、非農(nóng)業(yè)人口、耕地面積、GDP、人均GDP和固定資產(chǎn)投資額6個統(tǒng)計指標(biāo)表征政策、人口、經(jīng)濟因素，并與對應(yīng)年份碳排放量形成散點圖（圖4）。

圖4表明，西安地區(qū)碳排放與人口、非農(nóng)人口、GDP、人均GDP、耕地面積和固定資產(chǎn)投資額均呈顯著的相關(guān)關(guān)系，具體表現(xiàn)為碳排放與人口呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，即隨著人口的增加，碳排放量逐步增加，線性遞增率為35．64 kt/萬人（P＜0．001）（圖4a）。碳排放與非農(nóng)業(yè)人口也呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，即隨著非農(nóng)業(yè)人口的增加，西安地區(qū)碳排放逐步增加，線性遞增率為34．14 kt/萬人（P＜0．001）（圖4b）。碳排放與耕地面積呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，即隨著耕地面積的減少，碳排放呈增加趨勢（圖4c）；實際情況表明，2000～2014年西安地區(qū)耕地面積呈減少趨勢，并且碳排放顯著增加（圖2）；西安地區(qū)耕地面積減少與建設(shè)用地增加相對應(yīng)，大量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，故建設(shè)用地與碳排放呈正相關(guān)的情況下，耕地面積與碳排放呈負相關(guān)關(guān)系，線性遞減率為93．98 kt/（103 ha）。

圖4 主要建設(shè)用地擴展指標(biāo)與碳排放關(guān)系

碳排放與經(jīng)濟因素如GDP、人均GDP和固定資產(chǎn)投資額均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，具體表現(xiàn)為碳排放與GDP總體呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0．001），但變化過程可以劃分為2個階段，分別是2000～2006年和2006～2014年，前一階段碳排放隨GDP增長呈快速的線性增加過程，線性遞增率為3．29 kt/億元（P＜0．05），后一階段碳排放隨GDP增長，線性增長速率減緩，為0．51 kt/億元。碳排放與人均GDP總體也呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0．001），變化過程也劃分為2個階段，即2000～2006年和2006～2014年，前一階段碳排放隨人均GDP的線性遞增速率為0．269 kt/（元/人）（P＜0．05），后一階段線性遞增率下降為0．042 kt/（元/人）（P＜0．05）。碳排放與GDP、人均GDP的相關(guān)關(guān)系表明，2000～2006年西安地區(qū)碳排放增速較快，2006～2015年增速減緩。西安地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與固定資產(chǎn)投資之間關(guān)系密切，碳排放與固定資產(chǎn)投資額的相關(guān)關(guān)系總體表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系（P＜0．001），變化過程也分為2000～2006年和2006～2015年兩個階段，前一階段碳排放與固定資產(chǎn)投資額的線性遞增率為3．423 kt/億元（P＜0．05），后一階段線性遞增率減緩，為0．438 kt/億元（P＜0．01）。

碳排放與建設(shè)用地擴展重要指標(biāo)的相關(guān)分析表明，隨著2000年來西安地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，建設(shè)用地規(guī)模不斷擴大，大量農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)為城市人口，城鎮(zhèn)化率不斷提高，受建設(shè)用地擴展影響，西安地區(qū)耕地面積持續(xù)下降，而西安地區(qū)的碳排放量持續(xù)增加，并且表現(xiàn)出與人口數(shù)量、非農(nóng)業(yè)人口數(shù)量及耕地面積變化的線性相關(guān)關(guān)系，同時與GDP、人均GDP和固定資產(chǎn)投資額的相關(guān)關(guān)系反映了西安地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與碳排放的階段性差異。

3 結(jié) 語

基于2000～2015年間8期Landsat TM/OLI影像及2000～2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對西安地區(qū)建設(shè)用地擴展與碳排放進行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明：

1）西安地區(qū)2000～2015年建設(shè)用地面積呈指數(shù)增加，建設(shè)用地擴展主要集中在2006～2015年間。2000～2014年碳排放量呈顯著線性增加趨勢，線性遞增率為357．47 kt/a，碳排放與建設(shè)用地面積擴展呈顯著的線性增加關(guān)系，線性遞增率為6．82 kt/km2。

2）西安地區(qū)2000～2014年人口、非農(nóng)業(yè)人口與碳排放呈顯著的線性增加關(guān)系，線性遞增率分別為35．64 kt/萬人和34．14 kt/萬人；耕地面積與碳排放呈顯著的線性遞減關(guān)系，線性遞減率為93．98 kt/（103ha）；GDP、人均GDP和固定資產(chǎn)投資額與碳排放總體呈線性增加關(guān)系，但均可劃分為2000～2006年和2006～2014年兩個階段，前一階段線性遞增率高于后一階段，反映出西安地區(qū)隨經(jīng)濟發(fā)展碳排放量2000～2006年增速較高，而2006～2014年增速減緩。

Landsat影像僅能用于建設(shè)用地總體的區(qū)分，無法區(qū)分建設(shè)用地構(gòu)成，如工業(yè)用地、商業(yè)用地等，因此在研究建設(shè)用地總體與碳排放關(guān)系時，Landsat影像有優(yōu)勢；而在深入研究建設(shè)用地構(gòu)成與碳排放關(guān)系時，高分辨率遙感影像更具優(yōu)勢。統(tǒng)計方法尤其是線性相關(guān)分析方法能夠給出建設(shè)用地與碳排放在統(tǒng)計學(xué)上的相關(guān)關(guān)系。同時，也應(yīng)看到任何兩組數(shù)據(jù)之間均存在數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計關(guān)系，故在選擇建設(shè)用地及其相關(guān)指標(biāo)方面，應(yīng)選擇與碳排放具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)性的指標(biāo)。由于數(shù)據(jù)獲取的限制，文章僅從西安地區(qū)整體對建設(shè)用地與碳排放關(guān)系進行了分析，下一步可以結(jié)合縣級行政單元數(shù)據(jù)，分析更小區(qū)域的建設(shè)用地與碳排放相關(guān)關(guān)系，可為城市科學(xué)規(guī)劃與發(fā)展提供依據(jù)。

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P208

B文章編號：1672-4623（2017）06-0099-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.031

張元棟，碩士，工程師，從事3S與測量應(yīng)用研究。

2016-02-06。

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（41271103）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目（2015JQ4110）；西安科技大學(xué)培育基金項目（2014007）。（*為通訊作者）