基于ENVI的土地利用類型變化分析
——以萊蕪市為例

高俊美，張吉祥

(山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

ENVI （The Environment for Visualizing Images）是采用交互式數(shù)據(jù)語言IDL(Interactive Data Language)開發(fā)的遙感圖像處理軟件，能夠準(zhǔn)確高效地從影像中提取信息。近些年遙感影像空間分辨率提高迅速，數(shù)據(jù)源更新更快更準(zhǔn)確，這使得利用ENVI能更快速高效地分析土地利用類型及變化，為優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。隨著萊蕪市城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，耕地資源流失嚴(yán)重，土地集約利用水平較低，現(xiàn)有土地質(zhì)量下降等問題隨之而來。結(jié)合已有土地利用現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展資料，利用ENVI分析土地利用類型變化，分析萊蕪市土地利用變化驅(qū)動(dòng)力。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)萊蕪市面積2286 km2，地處山東省中部，東臨淄博，北鄰濟(jì)南市，西部與南部緊鄰泰安。春暖多風(fēng)，夏熱多雨，秋高氣爽，冬燥寒冷，屬于四季分明的暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。除西部以外三面環(huán)山，中部是有地形起伏的萊泰平原，整體上是為由南向北逐漸變陡且北邊為弧形的半圓形盆地。

萊蕪市土地利用結(jié)構(gòu)和布局近幾年有巨大改變，這主要是由產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整造成的。城鄉(xiāng)二元化經(jīng)濟(jì)局面被打破，萊蕪市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平快速提高。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究以地理空間數(shù)據(jù)云提供的遙感影像作為數(shù)據(jù)源，具體成像時(shí)間為2009年5月的Landsat4-5影像與2016年10月的 Landsat8影像，研究區(qū)云量均為0%，空間分辨率為30 m。

3 研究方法

選取萊蕪市2009年與2016年的TM影像，經(jīng)過幾何配準(zhǔn)后進(jìn)一步數(shù)據(jù)融合，并進(jìn)行影像裁剪，再利用ENVI監(jiān)督分類，對分類后的結(jié)果分析，再利用ArcGIS進(jìn)行信息提取得到數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1 影像配準(zhǔn)

影像幾何配準(zhǔn)有四種方式：影像到影像配準(zhǔn)、地形圖的配準(zhǔn)、影像到地圖配準(zhǔn)、以及自動(dòng)配準(zhǔn)[1]。本文采用影像到影像配準(zhǔn)。

3.1.2 數(shù)據(jù)融合

研究選用的圖像空間分辨率為30m，由于分辨率不高這將影響影像判讀，使最終數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低。將萊蕪市同一時(shí)相多光譜數(shù)據(jù)與全色波段融合，空間分辨率得到提高。分別將2009年的landsat4-5影像和2016年的landsat8影像與全色波段進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

3.1.3 影像剪裁

影像裁剪是對研究區(qū)域進(jìn)行分析的前提，由此將研究區(qū)的范圍確定才能分析。 本文采用的是按矢量邊界裁剪。將2009年與2016年的真彩色影像分別打開，配準(zhǔn)融合，再將矢量邊界導(dǎo)入影像裁剪后進(jìn)行掩膜，最終獲取萊蕪市范圍影像（圖1、圖2）。

圖1 2009年萊蕪市影像剪裁圖Fig.1 Image clipping map of Laiwu in 2009

3.2 監(jiān)督分類

圖2 2016年萊蕪市影像剪裁圖Fig.2 Image clipping map of Laiwu in 2009

ENVI提供了多種分類方法，本研究采用了最大似然法，根據(jù)研究的需要，將研究區(qū)土地利用類型分為交通運(yùn)輸用地、耕地、林地、水域、建設(shè)用地、和裸地6個(gè)類別。結(jié)合對萊蕪市部分地區(qū)的實(shí)地調(diào)查，考慮地貌地形、土壤、植被等因子，與相應(yīng)的TM影像特征對照驗(yàn)證，根據(jù)影像特征分別建立2期地類影像特征庫，借助 ENVI軟件對2期影像進(jìn)行監(jiān)督分類，得到2期萊蕪市土地利用現(xiàn)狀圖(圖3、圖4)。

圖3 2009年萊蕪市土地利用分類圖Fig.3 Land use classification map of Laiwu in 2009

圖4 2016年萊蕪市土地利用分類圖Fig.4 Land use classification map of Laiwu in 2009

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)萊蕪市2009年與2016年兩個(gè)時(shí)期的分類結(jié)果，如表1、表2所示，可以得出2009年、2016年的土地利用變化結(jié)果如下（圖5、表1）。 研究范圍內(nèi)共計(jì)約2286km2。 結(jié)果表明：耕地、建設(shè)用地、林地、裸地這3種是7年來萊蕪市范圍內(nèi)土地利用主要類型。2009年～2016年，萊蕪市耕地面積從362.65 km2減少到301.48 km2，耕地面積減少了1/6，裸地及未利用地面積減少，建設(shè)用地與交通運(yùn)輸用地面積穩(wěn)定增加，林業(yè)與水域面積也有小幅度增加。從各土地利用類型面積數(shù)據(jù)來看，交通運(yùn)輸用地面積大幅增加，建設(shè)用地面積也增量不少，這反映出近7年來萊蕪市城市化進(jìn)程不斷加快，農(nóng)用地減少凸顯了城市化的進(jìn)程中占用了大量的農(nóng)用地。耕地面積少了1/6，而萊蕪市林地面積增加，這種現(xiàn)象與現(xiàn)實(shí)情況吻合，位于萊蕪市城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)的農(nóng)民不再熱衷于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的種植，進(jìn)而使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定調(diào)整。

圖5 土地利用類型面積柱狀圖Fig5 Land use type area histogram

表1 土地利用類型面積及比例Table 1.Land use type area and proportion

表2 2009年～2016年萊蕪市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 2.Land use transfer matrix in Laiwu from 2009 to 2016

4.2 土地利用變化速度分析

土地利用動(dòng)態(tài)度有兩種分別是單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，本文主要用單一土地利用動(dòng)態(tài)度對一段時(shí)間內(nèi)萊蕪市某種土地利用變化的速度進(jìn)行定量描述。 土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式為：

其中 K表示研究時(shí)段內(nèi)某土地利用類型動(dòng)態(tài)度，Ua為研究期初某土地類型的數(shù)量，Ub為研究期末某土地類型的數(shù)量，T為研究時(shí)段長(常以年為單位)[2]。 結(jié)果表明：交通運(yùn)輸用地、裸地和耕地變化速度最快年變化率分別達(dá)到了5.10%、4.27%、2.41%。其次是水域、建設(shè)用地、林地年變化率為2.20%、2.00%、0.80%（如下文表 3）。

表3 2009-2016年萊蕪市土地利用年變化率Table 3.Annual change rate of land use in Laiwu city from 2009 to 2016

從年變化率來看，交通運(yùn)輸用地增速最快，萊蕪市內(nèi)交通運(yùn)輸用地?cái)U(kuò)大的主要原因是由于最近幾年，萊蕪市針對萊城大道、魯中西大街、鳳凰路大道、汶河大道、長勺路等主干道進(jìn)行了修建與拓寬[3]，而由于建設(shè)用地本身的基數(shù)大所以增幅速度相對來說慢。裸地及未利用地年變化率相對較高原因相對復(fù)雜，市區(qū)范圍內(nèi)中的未利用地是由于萊蕪市在2009年以前由于各種政策原因?qū)е禄膹U建設(shè)用地較多，后期由于政府部門的干預(yù)與引導(dǎo)使得市區(qū)范圍內(nèi)的廢棄未利用土地重新得到利用。而萊蕪市北部的村鎮(zhèn)裸地一部分在近幾年得到利用是各項(xiàng)建設(shè)占用、以及對裸露山體的復(fù)林行為。農(nóng)民關(guān)于土地種植利用上的思想近幾年得到轉(zhuǎn)變，在耕地上植樹造林或育苗，使得林地的面積有所增加。另外各項(xiàng)建設(shè)占用使得耕地面積及未利用地面積減少。

5 演變驅(qū)動(dòng)力分析

5.1 自然因素自然因素驅(qū)動(dòng)力

結(jié)合實(shí)際，對萊蕪市土地利用變化較大影響的驅(qū)動(dòng)力因子有地形地貌、礦產(chǎn)資源、水文氣候、植被資源等自然因素。

5.1.1 地形地貌

地形地貌條件造成萊蕪市區(qū)域內(nèi)存在相當(dāng)數(shù)量的難開發(fā)土地。萊蕪市除了平原以外山地 12.67萬 hm2，占 2/3總面積，丘陵約 4萬 hm2，約總面積1/5。即使是平原地區(qū)，也并不能全部利用，主要有近山階地、嶺坡梯田、山前盆地、坑塘、水庫、河谷平原等7種微地貌。

5.1.2 水文氣候

汶河水系中主要干流牟汶河和最大支流嬴汶河均經(jīng)過萊蕪境內(nèi)，另外萊蕪 和莊河屬淄河水系[4]。水文氣候條件對農(nóng)業(yè)發(fā)展十分有利，萊蕪著名的有“三辣一麻”，另外小麥、玉米、大豆、花生等糧食作物也在廣泛種植。

5.1.3 植被

萊蕪市林地資源豐富但主要是人工植被，樹種多為抗旱耐貧瘠類型。自然植被率較小并且次生性質(zhì)較為明顯，個(gè)別山地丘陵和溝谷中可見零星次生落葉、闊葉雜林。

5.1.4 礦產(chǎn)資源

萊蕪市礦產(chǎn)資源多，鐵、煤、石灰?guī)r等儲量豐富。根據(jù)現(xiàn)有資料，萊蕪市鐵礦就有小型礦體 38個(gè)，中型礦體6個(gè)，大型鐵礦體6個(gè)。萊蕪市南部八里溝至顏莊等一片區(qū)域是煤礦主要分布地帶。另外，儲量豐富的石灰?guī)r以及銅、硫等礦產(chǎn)為萊蕪的鋼鐵產(chǎn)業(yè)提供了堅(jiān)強(qiáng)后盾。

社會經(jīng)濟(jì)因素可以在短期之內(nèi)可以使土地利用類型變化明顯。

5.2.1 人口增長帶來的耕地資源壓力上升

面積不大的萊蕪市2009-2016年人口數(shù)量持續(xù)增長，使得人均耕地資源愈加匱乏。 由于萊蕪市當(dāng)?shù)剌^小的生活壓力，國家開放二胎政策以后，萊蕪市新生人數(shù)更是激增。結(jié)合萊蕪市實(shí)際，當(dāng)前的人均耕地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家耕地面積以及世界人均耕地面積，應(yīng)該合理控制人口增長。

5.2.2 政府對經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行引導(dǎo)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來的土地利用變化

近幾年來，萊蕪市相應(yīng)國家政策，堅(jiān)持以建設(shè)國家旅游城市為方針，加強(qiáng)了旅游景點(diǎn)的建設(shè)，根據(jù)調(diào)查，萊蕪市形成了的自西向東的生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)，分布于王石門、吊蘭山原”、華山林場、雪野鎮(zhèn)以及茶業(yè)口鎮(zhèn)等，由此帶來的土地利用類型的轉(zhuǎn)變就是建設(shè)用地與林地的增加，裸地的減少。工業(yè)方面，鋼鐵生產(chǎn)、深加工仍為萊蕪市工業(yè)核心，城市化水平與工業(yè)化水平提高，因此工礦用地增加導(dǎo)致建設(shè)用地增加。農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)民群眾思想有了改變，不再以種植糧食作為為主，耕地上植樹造林或育苗，并且更好的利用了萊蕪市數(shù)量巨大的丘陵地與山地，提高山地地區(qū)土地利用的集約化水平，由此帶來了林地面積的增加以及耕地的減少。

5.2.3 投資情況帶來的影響

2008年以前由于各種原因，萊蕪市市區(qū)范圍內(nèi)有大量廢棄閑置地，除去難以開發(fā)的土地，還有相當(dāng)一部分是由于盲目的向外擴(kuò)張建設(shè)用地而占用農(nóng)業(yè)用地，投資失敗后造成的廢棄閑置裸地。而近年來政府的合理引導(dǎo)以及恰當(dāng)?shù)恼猩桃Y，對土地的重新進(jìn)行整理、改造將閑置以及利用率較低的土地盤活，轉(zhuǎn)換到效益高的用途上去，這也是造成裸地這個(gè)土地類型大幅減少的原因之一。

5.2.4 集約化用地影響萊蕪市土地利用變化

今后萊蕪市在農(nóng)業(yè)方面，對于農(nóng)業(yè)用地應(yīng)當(dāng)采取一定的保護(hù)措施，例如進(jìn)行必要的休耕與輪更措施，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)地不誤用地，保護(hù)好土地生態(tài)系統(tǒng)。更為重要的一點(diǎn)是加大科技水平的投入，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式從放任自由型向集約化經(jīng)營型轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?jīng)營轉(zhuǎn)變。

6 結(jié)語

文章利用監(jiān)督分類并采用最大似然法得出萊蕪市兩個(gè)時(shí)期的土地利用類型面積變化數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：萊蕪市類型中耕地和林業(yè)用地占據(jù)比例最大，建設(shè)用地和水域面積以及林地有所增加，而耕地面積大幅減少。 另外，裸地及未利用地面積有一定幅度的減少。 近7年來萊蕪市城市化進(jìn)程的持續(xù)加快更是帶來了交通運(yùn)輸用地的大面積增加。農(nóng)用地減少凸顯了城市化的進(jìn)程中占用了大量的農(nóng)用地。 耕地面積少了1/6，而萊蕪市林地面積增加，這種并存的現(xiàn)象與現(xiàn)實(shí)情況吻合，位于萊蕪市城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)的農(nóng)民群眾對于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的種植積極性降低，從而使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定調(diào)整。 目前萊蕪市面臨一系列土地利用的問題，如耕地資源短缺以及建設(shè)用地盲目擴(kuò)張等問題。 解決這些問題需從根本上控制城市用地規(guī)模，宏觀上進(jìn)行調(diào)控，城市用地結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化才能使土地利用趨于合理。

[1]付佳,黃海軍,楊曦光.基于ENVI的唐山灣三島土地利用遙感分類方法的比較分析[J].海洋科學(xué),2014,38(1)：20-26.

[2]魯春陽,齊磊剛,桑超杰.土地利用變化的數(shù)學(xué)模型解析[J].資源開發(fā)與市場,2007,(1)：27-29.

[3]亓月.萊蕪市區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)研究與對策[J].山東國土資源,2012,(09)：63-65.

[4]田慶中,尹延群,田茂勤,治淮.萊蕪市水文化建設(shè)探索[J].治淮,2013，(01)：50-51.