基于遙感影像的恩施市土地利用/覆被變化研究

馮鑫 宋鄂平

摘 要：以恩施市2003年和2015年的遙感影像為基礎(chǔ)，本文利用ENVI5.1將影像分成六大土地利用類型：林地、耕地、草地、建設(shè)用地、水域和裸地。同時(shí)，采用土地利用/覆被變化幅度、動態(tài)度的數(shù)學(xué)模型和混淆矩陣的分析方法，研究恩施市2003—2015年土地利用/覆被動態(tài)變化。結(jié)果表明，2003—2015年，恩施市土地利用類型占比最高的為林地和耕地，二者總面積超過恩施市總面積的80%，林地和耕地是土地利用類型變化幅度最大的用地類型;土地利用/覆被變化最劇烈的主要為建設(shè)用地、水域和裸地，土地利用變化過程動態(tài)度[K2]分別達(dá)到28.43%、16.63%和7.74%;土地利用類型相互轉(zhuǎn)化方面，主要是林地和耕地的轉(zhuǎn)化，其次是草地、裸地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：恩施市;遙感影像;ENVI;土地利用/覆被變化;土地利用變化動態(tài)度

中圖分類號：F301文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0136-04

Abstract： Based on the remote sensing images of Enshi City in 2003 and 2015， this paper used ENVI5.1 to divide the images into six land use types： forest land， cultivated land， grassland， construction land， water area and bare land. At the same time， a dynamic model of land use / cover change amplitude and dynamics and an analysis method of confusion matrix were used to study the dynamic changes of land use / cover in Enshi City from 2003 to 2015. The results show that from 2003 to 2015， the highest proportion of land use types in Enshi City was forest land and cultivated land， with the total area of both exceeding 80% of the total area of Enshi City， forest land and cultivated land were the types of land with the largest changes in land use types; the most drastic changes in land use / cover were construction land， water area and bare land， the dynamic degree of land use change process [K2] reached 28.43%， 16.63% and 7.74%， respectively; in terms of mutual conversion of land use types， the conversion was mainly from forest land and cultivated land， followed by the conversion of grassland and bare land to construction land.

Keywords： Enshi;remote sensing images;ENVI;land use /cover;land use and land cover dynamics

遙感影像在土地利用動態(tài)監(jiān)測方面的應(yīng)用已成為環(huán)境保護(hù)的重要手段，本文利用ENVI5.1解譯恩施市2003年和2015年的遙感影像，研究從2003年到2015年恩施市土地利用/覆被的動態(tài)變化，研究恩施市土地利用/覆被的變化趨勢和主要特征。其研究結(jié)果將有利于恩施市土地的可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

恩施市位于湖北省最西端，全市總面積為3 972 km2。東邊與建始、鶴峰相鄰，西與利川、咸豐接壤，北部比鄰重慶奉節(jié)，南接宣恩。恩施市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬暖夏涼，降水充沛。但恩施市內(nèi)山地地形復(fù)雜，海拔高低相差懸殊，相對高差達(dá)1 816 m，所以又表現(xiàn)出明顯的垂直地域差異。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文研究的數(shù)據(jù)為恩施市2003年5月的Landsat-TM影像和2015年9月的Landsat8-OLI影像，均源于地理空間數(shù)據(jù)云。本研究利用ENVI5.1對圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和裁剪等處理，然后監(jiān)督分類，結(jié)合恩施市地形特征以及土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017），將恩施市的土地利用類型分為六類，即耕地、林地、草地、建設(shè)用地、裸地和水域，最終分類結(jié)果如圖1所示。

2.2 分類精度驗(yàn)證

Kappa系數(shù)用來表現(xiàn)分類精確度[1-2]。Kappa系數(shù)值越高，表明精確度越高，0.611～1表示較高的精確度，均能滿足研究需要。由表1、表2可知，兩期影像總體精度均保持在80%以上，Kappa系數(shù)值均超過0.73，滿足研究所需要的精度標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 研究方法

本文主要的研究方法為綜合定性分析法，在ENVI軟件的支持下將恩施市2003年和2015年的遙感影像進(jìn)行地理計(jì)算和空間分析，定量化恩施市各類土地利用類型，再通過分析兩期影像定量化的指標(biāo)以及空間布局，揭示恩施市土地利用/覆被變化的過程以及恩施市土地利用/覆被變化趨勢。動態(tài)變化的分析主要從土地利用類型變化的幅度、土地利用/覆被變化動態(tài)度和土地利用類型相互轉(zhuǎn)化等方面進(jìn)行研究。

3 土地利用/覆被動態(tài)變化分析

3.1 土地利用變化幅度分析

土地利用變化幅度體現(xiàn)了某土地利用類型面積在研究時(shí)間段內(nèi)總量的變化，它能反映出土地利用變化的程度和總體趨勢、人類對土地資源利用的改變程度和土地結(jié)構(gòu)的變化[3]。

本文對2003年和2015年遙感影像進(jìn)行處理，獲得的數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，恩施市主要的土地利用類型是林地、耕地和草地，2003—2015年，恩施市土地利用總趨勢為：林地、建設(shè)用和水域用地面積增加，耕地、草地和裸地用地面積減少。從土地利用的面積總量來看，2003—2015年，恩施市土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了改變，其中，林地、耕地和裸地是面積變化最多的用地類型。林地變化幅度最大，12年間用地面積增加163.74 km2;其次是耕地，12年間總用地面積減少了129.66 km2;裸地變化量較大，2003—2015年有85%以上的裸地轉(zhuǎn)變成其他用地。總的來看，林地、耕地變化幅度最大，而面積基數(shù)較小的裸地和建設(shè)用地等變化速率較快。

3.2 土地利用/覆被變化動態(tài)度分析

本文運(yùn)用兩種土地利用類型變化動態(tài)度模型來監(jiān)測恩施市土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用變化速度的情況。一種為土地利用變化總體動態(tài)度[K1]，反映土地利用類型變化的年變化率;另一種為土地利用變化過程動態(tài)度[K2]，反映土地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出[4-5]。[K1]的表達(dá)式為：

式中，[K2]為土地利用變化過程動態(tài)度指數(shù);[ΔU1]為[T]年內(nèi)某土地利用類型面積增加的絕對值;[ΔU2]為[T]年內(nèi)某土地利用類型面積減少的絕對值;[T]為研究時(shí)間間隔;[Ua]為研究區(qū)內(nèi)某土地利用類型在研究時(shí)間初期的初始面積。

2003—2015年，恩施市土地利用面積轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入情況如表5所示。

通過表4可知，耕地變化程度是比草地變化程度大的，而表5將空間區(qū)位性和相關(guān)屬性考慮進(jìn)去之后，可以得出草地的變化程度實(shí)際比耕地的變化程度更加劇烈。由表5可以得出，恩施市土地利用變化劇烈程度順序?yàn)椋航ㄔO(shè)用地>水域>裸地>草地>耕地>林地。

3.3 土地利用/覆被轉(zhuǎn)移矩陣分析

在ENVI軟件的支持下，對恩施市2003年和2015年的土地利用分類圖進(jìn)行混淆矩陣統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示，表中的第一行表示2003年恩施市土地利用類型，第一列表示2015年恩施市土地利用類型，行列相交處表示恩施市2003到2015年某類土地利用類型轉(zhuǎn)化成其他土地利用類型的面積。

從表6可以看出，耕地轉(zhuǎn)變成林地面積為295.18 km2，是轉(zhuǎn)變面積最多的;其次是林地轉(zhuǎn)變成為耕地，轉(zhuǎn)變面積為182.31 km2。從耕地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出來看，耕地轉(zhuǎn)入面積為248.55 km2，轉(zhuǎn)出面積為378.2 km2，轉(zhuǎn)出量比轉(zhuǎn)入量多了50%，呈遞減趨勢，轉(zhuǎn)出的主要土地利用類型為林地，占所有耕地轉(zhuǎn)出面積的48.2%。轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐耐恋乩妙愋椭饕辛值亍⒉莸睾吐愕?。從林地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出總量來看，其轉(zhuǎn)入量比轉(zhuǎn)出量多70%，呈遞增趨勢。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的增加，恩施市未利用土地資源（裸地）被極大效率利用，城鎮(zhèn)面積擴(kuò)張。耕地逐漸減少，轉(zhuǎn)變成為林地，對于耕地逐漸減少的趨勢，應(yīng)當(dāng)制定相關(guān)的規(guī)劃，劃定基本農(nóng)田紅線范圍，防止基本農(nóng)田被非法侵占。在如今發(fā)展迅速的現(xiàn)代社會，既要增加人民生活水平，又要保證生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，因此土地利用的合理性至關(guān)重要。土地利用/覆被變化遙感監(jiān)測的建立，將有效地為恩施市土地利可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷鳴，田衛(wèi)新，任東，等.基于對象分類的遙感影像森林變化檢測方法[J].森林與環(huán)境學(xué)報(bào)，2019（6）：641-646.

[2]楊帆，王博.基于決策樹的遙感圖像分類方法研究[J].測繪與空間地理信息，2019（7）：1-4.

[3]崔曉慶，于泉洲，湯慶新，等.1975—2016年濟(jì)南市南部山區(qū)土地利用及其地形控制特征[J].中國水土保持，2019（8）：51-55.

[4]郭少壯.1980—2015年秦嶺地區(qū)土地覆被變化及其驅(qū)動因素[D].西安：西北大學(xué)，2019.

[5]王國玲，李艷紅，蘇志珠，等.2008—2013年晉北地區(qū)土地利用/覆被變化研究[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2019（5）：38-43.