基于RS與GIS的城市近郊土地覆蓋/利用時(shí)空分異研究

李炫 李成 謝鋒

摘要選擇上海市青浦區(qū)為研究區(qū)，通過(guò)嚴(yán)格配準(zhǔn)Landsat5 TM遙感影像序列，運(yùn)用PCA-ISODATA方法進(jìn)行影像分類及后處理并進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，制成土地覆蓋/利用圖。結(jié)合相關(guān)資料、年鑒，利用地理信息系統(tǒng)分析了1998—2007年青浦區(qū)土地利用變化的時(shí)空分布特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。結(jié)果表明：新千年后上海青浦區(qū)土地利用變化主要表現(xiàn)在城鎮(zhèn)建成區(qū)的大面積聯(lián)合擴(kuò)展態(tài)勢(shì)，以東北部尤為強(qiáng)烈，深受離市中心的距離驅(qū)動(dòng)，且離道路越近的土地越容易轉(zhuǎn)變?yōu)閺S房建設(shè)用地;耕地面積減少顯著;林地由于植樹造林或林業(yè)經(jīng)濟(jì)有所增加;西部湖區(qū)水面有所增加，受歷史驅(qū)動(dòng)為主，亦受水產(chǎn)養(yǎng)殖所需。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)看，第二產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)的GDP都翻了2番以上，非農(nóng)人口成倍增長(zhǎng)與這種土地利用變化模式相互印證。1998—2007年我國(guó)村鎮(zhèn)城市化、人口向大城市區(qū)域聚集主導(dǎo)著這種土地利用變化模式。

關(guān)鍵詞土地覆蓋/利用;遙感;地理信息系統(tǒng);空間分析;城市化

中圖分類號(hào)TP79文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2018）08-0076-04

Study on the Spatialtemporal Differentiation of Land Cover/Land Use in Suburban Area Based on RS and GIS— Taking Qingpu District，Shanghai City as an Example

LI Xuan，LI Cheng，XIE Feng（School of Rail Transportation，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215131）

AbstractTaking Qingpu District of Shanghai City as study area，based upon the accurate registration of Landsat5 thematic mapper imagery data of the study area，followed with PCAISODATA method for the classification of data and post processing and in situ investigation，the land cover/land use maps of specific years were obtained.Based on the relevant information and yearbook，the spatial and temporal distribution characteristics of land use change in Qingpu District and its driving mechanism during 1998-2007 were analyzed by GIS.The study showed as follows：when entering the new millennium，the main change was that the builtup expands great area and cohesion，especially in northeast of region; the builtup expansion was driven by distance to city center，moreover the closer to the roads，the easier builtup conversion from other landforms would happen.At the meantime，the agricultural land decreased drastically and woodland enhanced as forest planting or economy of forestry.Lakes and river networks in western region mainly driven by history，for the aquiculture，the water area was a litter increased.From social economic statistics，secondary and third industries were over 4 fold and non agricultural population doubled illustrates this change in ten years.Urbanization and the mass population gathering towards big city were leading this change pattern.

Key wordsLand cover/land use;Remote sensing;GIS;Spatial analysis;Urbanization

基金項(xiàng)目江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（BK20130303）。

作者簡(jiǎn)介李炫（1994—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)遙感、遙感應(yīng)用。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事遙感應(yīng)用研究。

收稿日期2017-12-14

土地覆蓋及其變化是人類土地使用、開發(fā)活動(dòng)與自然環(huán)境演化共同作用的結(jié)果。目前，人類活動(dòng)與自然環(huán)境間的相互作用作為全球變化研究的核心主題之一得到了廣泛的研究[1-3]。人類進(jìn)入工業(yè)社會(huì)后，改造自然的能力顯著增強(qiáng)，而地球自身有限的資源，環(huán)境問(wèn)題也伴隨著工業(yè)化進(jìn)程日益突出，因此研究土地覆蓋/利用變化對(duì)環(huán)境的影響，闡明人類活動(dòng)與之的相互關(guān)系，是探求人類與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的必然之路。

隨著快速城市化進(jìn)程，我國(guó)越來(lái)越多的人居住于城市地區(qū)，而且在可見的未來(lái)會(huì)持續(xù)下去。因此，城市及其周邊地區(qū)是人類與自然沖突頻繁的區(qū)域，一方面要大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，另一方面公眾也越來(lái)越認(rèn)識(shí)到不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)。鑒于目前國(guó)內(nèi)外土地覆蓋/利用的變化特征及其驅(qū)動(dòng)的研究對(duì)這種突出人類主導(dǎo)的土地覆蓋改變的綜合研究不足[4-6]，以及以往研究側(cè)重技術(shù)方法的探討[7-10]，筆者利用遙感（RS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證與統(tǒng)計(jì)年鑒，分析2008—2017年上海市青浦區(qū)人類主導(dǎo)下的土地覆蓋/利用變化格局及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，通過(guò)揭示其中規(guī)律，為人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

青浦區(qū)位于上海市西郊，太湖下游，黃浦江上游，地理位置位于120°53′～121°17′ E，30°59′～31°16′N，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，溫和濕潤(rùn)，四季分明，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)。境內(nèi)地勢(shì)平坦，海拔在2.8～3.5 m。地貌類型為平原，境內(nèi)轄有上海市最大的淡水湖泊（淀山湖），河道眾多，屬于典型的平原感潮水網(wǎng)地區(qū)，境內(nèi)河港下受黃浦江潮汐影響，上承江、浙兩省客水，最終入浦歸海。

青浦區(qū)地理位置與上海市中心城區(qū)相鄰（圖1），改革開放以來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，對(duì)土地資源的需求也日益增加，一部分農(nóng)業(yè)用地配合城市化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展轉(zhuǎn)為城建用地。同時(shí)，由于青浦區(qū)地處黃埔江上游，其水環(huán)境保護(hù)也至關(guān)重要，關(guān)系到整個(gè)上海地區(qū)飲用水安全。因此，青浦區(qū)是一個(gè)既有土地覆蓋變化的社會(huì)需求，又有土地覆蓋變化可能與環(huán)境保護(hù)發(fā)生沖突的區(qū)域，探明不同土地覆蓋/利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及造成的影響尤顯重要。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

采集的存檔數(shù)據(jù)為1998—2007年上海青浦區(qū)Landsat 5 TM影像，研究區(qū)影像面積約670 km2 。選用的影像研究區(qū)內(nèi)基本無(wú)云層覆蓋。此外，搜集了上海青浦市政區(qū)圖、土地利用現(xiàn)狀圖和上海青浦區(qū)相應(yīng)年份的統(tǒng)計(jì)年鑒作為地理輔助資料。所采用的分析軟件為ERDAS 8.7、ENVI 4.5以及ArcGIS 9.2。

1.3研究方法

將所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字化后的上海青浦行政邊界作為掩模，裁剪出研究區(qū)域的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。然后對(duì)裁剪出的遙感圖像進(jìn)行如下處理。

1.3.1圖像配準(zhǔn)。

利用上海青浦的1∶5萬(wàn)地圖上選取的控制點(diǎn)，用二次多項(xiàng)式將所有年份的影像配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系統(tǒng)中，使它們具有相同的投影信息?？刂泣c(diǎn)要盡量選一些比較明顯的地物點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選最后共選取13個(gè)控制點(diǎn)4個(gè)檢查點(diǎn)，選擇的同名點(diǎn)精度盡量小，誤差應(yīng)控制在0.5個(gè)像元內(nèi)，若超限則應(yīng)重新調(diào)整點(diǎn)位，同時(shí)控制點(diǎn)的選取要求均勻分布、易辨認(rèn)，如選擇道路交叉處等明顯地物點(diǎn)。

1.3.2影像分類。

在TM432、453假彩色合成影像上進(jìn)行人工初步判讀，結(jié)合上海青浦區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖和同季節(jié)實(shí)地調(diào)查。根據(jù)初步判讀和實(shí)地考察，確定區(qū)域內(nèi)土地覆蓋/利用類型，分為水域、林地、城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)、農(nóng)業(yè)用地、其他（包括未利用開發(fā)地、裸地、零星雜、草地）5類。

所收集的TM數(shù)據(jù)，每個(gè)通道為光譜特征記錄，因此影像每個(gè)位置的p個(gè)波段值就能構(gòu)造一個(gè)p維特征向量x=（x1，x2，…，xp）T（其中，T代表矩陣的轉(zhuǎn)置），則遙感影像可以表示成p行c=m×n列的遙感特征數(shù)據(jù)矩陣，即

X=[xij]p×c=x11x21…xc1

x12x22…xc2

x1px2p…xcp

將6波段（除TM6熱紅外波段）遙感數(shù)據(jù)表示成特征矢量后，編程進(jìn)行主成分變換，得到6個(gè)主分量。通過(guò)對(duì)各主分量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，后2個(gè)PCA 主分量所含的信息量極少，只代表了一些隨機(jī)變化。因此，保留前4 個(gè)PCA 主分量作為分類數(shù)據(jù)，而且從信息量的角度看，這4個(gè)主分量包含原始信息量的絕大部分。

對(duì)約簡(jiǎn)后的主分量進(jìn)行分類。該研究使用的ISODATA非監(jiān)督分類法，通過(guò)調(diào)整各參數(shù)，最終得到15個(gè)類別。但這些類別只是按各光譜波段的空間分布特征被計(jì)算機(jī)加以區(qū)分的“點(diǎn)群”，其對(duì)應(yīng)于地面實(shí)際的利用變化意義尚未明確，需要對(duì)各類別的屬性進(jìn)一步加以確定。

1.3.3分類后處理。類別歸并與整飭的步驟如下：①疊加顯示分類圖、各年多波段假彩色合成的圖像，以及數(shù)字化并經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)的研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖等并結(jié)合實(shí)調(diào)資料;②利用ENVI 軟件提供的動(dòng)態(tài)鏈接功能將上述所有圖像進(jìn)行鏈接，使其顯示完全相同的地理區(qū)域;③采用分層顯示各個(gè)類別的方法，通過(guò)改變圖像閾值來(lái)依次單獨(dú)顯示某種或幾種類別;④類別歸并為前述的5個(gè)類：水域、林地、建成區(qū)（城鄉(xiāng)工礦和居民用地）、農(nóng)田、其他（未利用地、雜、草地等）;⑤以鼠標(biāo)交互式劃定與實(shí)地有差異類別區(qū)，并結(jié)合資料進(jìn)行修正到真實(shí)類別;⑥進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，達(dá)到精度要求后才能最終編碼為5類土地類型。

2土地覆蓋/利用變化分析

2.110年土地利用

最后將通過(guò)嚴(yán)格配準(zhǔn)的不同時(shí)期土地覆蓋/利用圖做差分，并做前后2期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)即得到各種變化結(jié)果。土地覆蓋/利用變化的本質(zhì)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)以及國(guó)家與地方政策等外在驅(qū)動(dòng)力，它們決定土地利用的方向和趨勢(shì)[11-12]。地形地貌、土地覆蓋/利用的歷史等作為內(nèi)因也會(huì)產(chǎn)生不小的影響。該研究以1998和2007年的土地覆蓋/利用圖為例（圖2），得到土地覆蓋/利用轉(zhuǎn)移矩陣（表1），期間主要土地覆蓋/利用轉(zhuǎn)化情況見表2。

結(jié)果表明，青浦區(qū)面積減少的地類有農(nóng)田、其他（未利用地、雜草地等），分別減少49.8%與19.3%，同時(shí)建成區(qū)、水域、林地面積分別增加了154.9%、34.5%與14.5%（表2）。其中建成區(qū)（城鄉(xiāng)工礦和居民用地）的面積增速最快，2007年比1998年翻了1.3番。農(nóng)田面積減少幅度最大，面積縮水近50%。土地利用變化的主要特點(diǎn)是建成區(qū)（城鄉(xiāng)工礦和居民用地），是各類用地第一轉(zhuǎn)化型，水域的增加主要是水面養(yǎng)殖坑塘以及與拆遷規(guī)劃有關(guān)的其他（未利用地、雜草地等），林地由于植樹造林及提供木材等因素有所增加。

2.2空間分布

20世紀(jì)末至今，青浦區(qū)土地利用空間變化以耕地變化為代表（圖3），其中：①中、北部的農(nóng)田大部分變?yōu)槌擎?zhèn)用地，以東北部臨近閔行區(qū)尤為劇烈;②區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地不同程度來(lái)源于耕地，除中北部之外，東南練塘鎮(zhèn)附近的城鎮(zhèn)擴(kuò)張也很顯著;③以原有鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心向外擴(kuò)展，并合并相鄰建設(shè)用地斑塊形成更大的斑塊;④造林的點(diǎn)狀均勻分布，但成大片規(guī)模的很少;⑤西南太北片區(qū)歷史河網(wǎng)坑塘眾多，退田還塘發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖;⑥其他類型用地，主要包含未利用土地、裸地、雜、草地等，零星草地散布于公園或人工景觀中（如淀山湖東岸的東方綠舟），等待開發(fā)的土地中亦有少量雜草地;裸地或未利用土地主要分布于道路兩側(cè)準(zhǔn)備建筑的區(qū)域和城建帶周圍耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的過(guò)渡區(qū)。

3驅(qū)動(dòng)力分析

土地覆蓋/利用變化的基本動(dòng)因是人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文化需求對(duì)土地進(jìn)行有利于滿足這種需求的方向改造。

3.1外驅(qū)動(dòng)力[13]

據(jù)青浦年鑒與地方志等[14]社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，1998—2007年總?cè)丝趶?5.6萬(wàn)人增加至87.2萬(wàn)人，人口迅速膨脹了91%;1998年農(nóng)業(yè)人口34.2萬(wàn)人，非農(nóng)業(yè)人口11.4萬(wàn)人;2007年農(nóng)業(yè)人口59.1萬(wàn)人，非農(nóng)業(yè)人口28.1萬(wàn)人，同比在籍總戶數(shù)只從14.6萬(wàn)戶增到15.5萬(wàn)戶，增加了6%。數(shù)據(jù)表明，非農(nóng)業(yè)人口增加率是農(nóng)業(yè)人口增加率的2倍，建成區(qū)擴(kuò)展為1998年的2.5倍多，這說(shuō)明城鎮(zhèn)建設(shè)及城市化吸納了大量人口與勞動(dòng)力，同時(shí)非戶籍人口的大量涌入更促進(jìn)了這種發(fā)展。

1998—2007年，青浦區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極快，GDP由96.6億元增加到415.5億元，增幅330%，同期第一產(chǎn)業(yè)從8.1億元減少為7.7億元，第二、三產(chǎn)業(yè)由56.7億、31.8億元增加到258.8億、149.1億元。10年來(lái)青浦區(qū)第二、第三產(chǎn)業(yè)有大幅增長(zhǎng)，都翻了2番以上，建成區(qū)工廠設(shè)施等直接帶動(dòng)這種跨越式發(fā)展，也是第一轉(zhuǎn)化型的直接動(dòng)因。

在政府區(qū)域規(guī)劃政策下，10年來(lái)進(jìn)行的青浦新城，青浦工業(yè)園區(qū)等建設(shè)，直接促進(jìn)了中北部工業(yè)廠房林立，建成區(qū)大片毗連的空間格局。同時(shí)，隨著生態(tài)意識(shí)的增強(qiáng)，水域與林地面積也有大幅增加。

3.2內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力

由圖1、3可知：①東北部各土地類型大量轉(zhuǎn)變?yōu)榻ǔ蓞^(qū)明顯受到距離影響，該地離中心城區(qū)更近;②靠近交通線（道路）兩旁的土地更易轉(zhuǎn)化為建筑用地，或處于過(guò)渡地塊——未利用的裸地等，這在圖3中北部有良好體現(xiàn)（空白的條帶地物為20世紀(jì)存在的主要道路）;與此同時(shí)，小的建成區(qū)斑塊就近連接形成大規(guī)模斑塊;③西南太北片由于歷史上水網(wǎng)坑塘眾多，由歷史驅(qū)動(dòng)的就近進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，使得水域有所增加;④由于整片地區(qū)屬于平原感潮水網(wǎng)區(qū)，高程在2.8～4.8 m，起伏不大，林地受坡度的影響很小，多是木材經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)或是人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的植樹造林生態(tài)意識(shí)使得林地有所增加[15]。

4結(jié)論

20世紀(jì)末至21世紀(jì)是我國(guó)快速城市化時(shí)期，上海市青浦區(qū)在這個(gè)大背景下，從一個(gè)農(nóng)業(yè)縣轉(zhuǎn)變成一個(gè)城鎮(zhèn)化區(qū)，遙感監(jiān)測(cè)到農(nóng)田大面積減少的數(shù)量，GIS空間分析發(fā)現(xiàn)農(nóng)田首要轉(zhuǎn)化為建成區(qū)，且各種土地類型的第一轉(zhuǎn)化型都為建成區(qū)。建成區(qū)的大面積擴(kuò)張，中北部各建成區(qū)小斑塊逐漸聯(lián)合成更大的塊，這種現(xiàn)象受離上海市中心距離遠(yuǎn)近驅(qū)動(dòng)，且離道路越近的土地越有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖS房，隨著更多的工廠、房屋建成，更多的人投入到非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中，除第一產(chǎn)業(yè)外，其他產(chǎn)業(yè)都翻了2番以上，經(jīng)濟(jì)建設(shè)顯得欣欣向榮。西部太北片主要受歷史地理驅(qū)動(dòng)，毗連淀山湖，水網(wǎng)坑塘遍布，舍田發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖是因地制宜。隨著人們植樹造林或林

業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，林地有所增加，全區(qū)呈點(diǎn)狀分布。

自然與人類社會(huì)共同造就了現(xiàn)今的土地覆蓋/利用格局，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市面貌日新月異的當(dāng)代中國(guó)，歷史與變革造就了復(fù)雜的土地覆蓋/利用模式，其變化緊密聯(lián)系生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展整個(gè)過(guò)程，而且我國(guó)的政策（如新農(nóng)村建設(shè)[16]）向來(lái)對(duì)這種格局造成嚴(yán)重影響。筆者基于RS與GIS技術(shù)，結(jié)合土地覆蓋/利用變化的內(nèi)外驅(qū)動(dòng)力分析，以變化的視角進(jìn)行探討，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)快速城市化背景下人與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的有效途徑。

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