基于RS技術的城市土地利用變化研究

容芳芳

(新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院, 新疆 烏魯木齊 830001)

0 引言

人類社會發(fā)展是一個不斷變化的漫長過程,在這個過程中,主要存在四大矛盾,即資源、人口、糧食和環(huán)境矛盾[1],其中資源矛盾主要是資源利用和資源保護矛盾,尤其人類賴以生存的土地資源的利用和保護,對糧食供給和人口生存、環(huán)境改善和經濟的可持續(xù)發(fā)展起著至為重要的作用[2]。土地利用類型主要是指土地利用方式相同的土地資源單元,其實質是將土地的用途、性質、分布進行綜合體現(xiàn)[3]。

隨著全球人口數(shù)量的持續(xù)遞增,土地資源的過度開發(fā)利用,工業(yè)化城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,土地資源短缺,人類賴以生存生活的環(huán)境受到了極為嚴重的威脅[4]。在一定的區(qū)域內,為使土地資源的利用達到最佳生態(tài)效益和經濟效益,對土地利用結構進行優(yōu)化升級,從而實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用,成為土地科學尤其是土地利用學日趨重要的課題。

隨著遙感等技術的不斷發(fā)展,其在城市土地利用變化研究中的應用越發(fā)多樣化,監(jiān)督分類由于具備較為成熟的理論基礎,能夠較好地識別各類地物的特征差異[5],從而對遙感影像數(shù)據(jù)進行有效分類,對比同地區(qū)多時相遙感影像的監(jiān)督分類結果,結合地區(qū)自身因素,能夠對研究區(qū)的土地利用變化進行較為科學合理的研究。通過土地利用變化,從土地合理利用和科學利用的角度,對土地利用總體宏觀調控進行劃分,通過土地利用規(guī)劃最大限度地發(fā)揮土地價值,以創(chuàng)造最大的經濟效益,為社會和諧和生態(tài)穩(wěn)定做出重要貢獻。

1 研究概況

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域總面積達581 km2,常住人口數(shù)為67.08萬,戶籍人口數(shù)為53.36萬,其中漢族人口數(shù)量占97%以上。

1.2 研究方法

本文以研究區(qū)1999年、2008年和2017年的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)為研究基礎,利用遙感影像處理軟件ENVI對遙感影像進行預處理,預處理流程主要包含格式轉換、波段合并、幾何校正、配準、裁切等[6-7];然后依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T Z1010-2019)與《中華人民共和國土地管理法》中規(guī)定的土地利用分類標準,并結合研究區(qū)本地的土地利用類型實際情況,將該地區(qū)土地利用類型分為六類,即耕地、建設用地、園地、林地、牧草地和其他用地。

借助ENVI對遙感影像數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類處理,得到研究區(qū)共計三期的土地分類情況,利用混淆矩陣對分類結果精度評定,分析該地區(qū)土地利用變化規(guī)律及土地可持續(xù)利用狀況,詳細地了解各地所占總用地的百分比,比較變化情況,從而有針對性地給出建議。

2 研究過程

2.1 數(shù)據(jù)源

本文采用該地區(qū)1999年、2008年和2017年的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù),影像數(shù)據(jù)均從地理空間數(shù)據(jù)云中下載,同時結合該地區(qū)的歷史文獻及各類土地利用數(shù)據(jù)資料,對該地區(qū)多年的土地利用變化進行統(tǒng)計分析。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

在對各年度遙感影像進行監(jiān)督分類之前,首先要對其進行預處理工作,使待分類遙感影像滿足監(jiān)督分類的要求?；谶b感空間、光譜及輻射分辨率現(xiàn)狀,使得數(shù)據(jù)質量降低,進而會影響圖像分析及土地利用分類的準確度。使用原始遙感數(shù)據(jù)前需要預處理,即對獲得的原始遙感圖像進行的各種技術性處理,目的是修正原始圖像的幾何和放射線扭曲,改善數(shù)據(jù)品質,盡可能獲得最現(xiàn)實的圖像,提升圖像處理和突出的對象范圍以便更適合的應用。數(shù)據(jù)預處理是為了對信息最大程度上的獲取,遙感影像預處理流程如圖1所示。

圖1 預處理流程

2.3 監(jiān)督分類

監(jiān)督分類的理論依據(jù)為有效識別函數(shù)的建立統(tǒng)計,以抽樣訓練方法為基礎的分類技術,又稱為訓練場地法。即根據(jù)公開的訓練區(qū)域提供的樣本,選擇特征參數(shù),特征參數(shù)作為決定規(guī)則使用,訓練樣本要做到具有代表性[8]。當判斷標準滿足分類正確要求時,將設定采用該標準。否則,需要重新設定分類規(guī)則,直到滿足要求。

在數(shù)據(jù)預處理后,將三期影像導入ENVI軟件中,利用行政區(qū)劃圖與遙感影像進行影像匹配,后繪制ROI(region of interest)區(qū)域,利用其進行原影像的裁剪,然后采用最大似然法對研究區(qū)進行監(jiān)督分類,將之分耕地、建筑用地、林地、園地、牧草地和其他用地,監(jiān)督分類結果如圖2所示。

圖2 1999年、2008年和2017年的監(jiān)督分類圖

2.4 精度評定

對監(jiān)督分類的結果進行精度評定,最為常用的方法就是混淆矩陣,其實質是將監(jiān)督分類的精度數(shù)據(jù),以矩陣的形式展示出來,然后將監(jiān)督分類的結果與該地區(qū)實際土地利用信息進行對比分析[9]。本文利用實地勘察生成地表真實感興趣區(qū),分別對1999年、2008年和2017年的監(jiān)督分類結果進行精度評價,得到結果混淆矩陣,混淆矩陣通常所具備的評判參數(shù)有:總體分類精度、Kappa系數(shù)、用戶精度等[10]。本文以Kappa系數(shù)和總體分類精度對3組監(jiān)督分類結果進行精度評判,結果如表1所示。

表1 精度評價

經過驗證得到的混淆矩陣數(shù)據(jù)表明,運用最大似然法得到的1999年、2008年和2017年的分類精度較高,可應用于本次分類中。

2.5 輸出結果

土地利用變化主要表現(xiàn)為各土地利用類型面積的變化,而面積變化首先反映在各土地利用類型的總量上的變化,通過對土地利用類型總量變化的分析,可以明確了解土地利用結構的變化趨勢。

根據(jù)監(jiān)督分類圖像結果與原圖像進行匹配后得到輸出矩陣,得出1999年、2008年和2017年土地利用類型面積及占地百分比統(tǒng)計,結果如表2、表3所示。

表2 研究區(qū)各土地利用類型面積表 單位：km2

表3 研究區(qū)土地利用占地百分比 單位：%

1999年、2008年、2017年研究區(qū)土地利用結構如圖3所示。

圖3 1999年、2008年、2017年研究區(qū)土地利用結構

3 土地利用分析優(yōu)化

3.1 結果分析

3.1.1耕地

從表2和表3可以看出,研究區(qū)耕地面積呈總體減少趨勢,18年間減少的面積共達43.756 0 km2,其中2008年比1999年減少了14.835 km2,而2017年比2008年減少了28.921 km2。由于其基數(shù)較大,因此年減少量也較大。耕地面積減少的主要原因是由于該地區(qū)經濟發(fā)展迅猛,城鎮(zhèn)居民的收入水平不斷提升,導致非農業(yè)用地的需求量增大,進而使得國家基建用地、鄉(xiāng)村集體基建占地和農民建房用地等用地面積大幅度增加,房地產經濟發(fā)展迅猛,商業(yè)住宅不斷向城市周邊蔓延,使得城市周邊以往的大量耕地轉化為建設用地。

另一方面主要是由于耕地后備資源相對較少,工業(yè)、交通和城鎮(zhèn)建設占用了一部分耕地,再加上對土地資源利用得不合理,致使耕地面積日益減少。另外,隨著一些經濟作物的價格的提高,人們?yōu)榱双@取更多的收入,將耕地轉為了園地,加之政府于2005年出臺了關于林業(yè)種植及銷售的優(yōu)惠政策,部分耕地被轉換為了林地。

3.1.2園地

由表2和表3可知,土地利用類型轉換面積最大的是耕地向園地的轉化,在2008—2017年,園地面積增加的趨勢持續(xù)發(fā)展,果園、橡膠林、其他園地面積都在不斷增加,達到了6.735 3 km2。

3.1.3林地

1999—2017年,林地面積總體呈減少趨勢，林地面積減少大約42.563 6 km2。其中1999—2008年,共減少25.199 8 km2。其主要原因為該地區(qū)建設了幾個大型苗圃基地,其中有部分林地轉化為苗圃,使苗圃的面積增加到一倍左右。

受氣候的影響,苗木資源緊張,供不應求。省林業(yè)局出臺了一系列的優(yōu)惠政策,將漿紙林增收標準從20%降至5%。該優(yōu)惠政策大大增加了農民種植漿紙林的積極性,但是由于人口增長,住房緊張,征用一些林地作為建筑用地,從而導致林地面積在2008—2017年整體呈減少趨勢。

3.1.4牧草地

1999—2017年牧草地面積也在不斷減少,但整體來說相對較小,共減少了0.363 8 km2。牧草地面積減少的主要原因是隨著經濟的不斷發(fā)展,種植橡膠、漿紙林苗木其他經濟作物收益較好,所以人們逐漸將一些牧草地陸續(xù)轉為收益較高的園地和林地;同時由于人類對生態(tài)環(huán)境的破壞,導致一些天然牧草地慢慢退化,進而減少了牧草地面積。

3.1.5其他用地

其他用地面積變化比較平穩(wěn),1999—2001年減少了5.019 5 km2。交通用地增加較快,其主要原因是為了城市經濟發(fā)展以及城鎮(zhèn)居民的日常出行,大力修建城市道路以及城際間的各類交通要道,以及對原有道路進行改建和擴建,大大提高了交通用地的面積。

3.1.6建筑用地

建筑用地主要包含了居民居住用地、工礦企業(yè)用地以及水利設施建筑用地等。建筑用地增長速度較快,1999—2008年增長了27.151 km2,2008—2017年增長了84.315 3 km2。在所有的土地利用類型中,建筑用地面積增速最快,增長面積最多,18年間增長了11.25%。主要原因是人口的快速增長,人均可支配收入的不斷提高及城市化進程的加快,導致住房需求量大,房價一路飆升,建筑商基于利益的驅使不斷征地建房,再加上農村人口不斷向城市轉移,加大了對住房及公共用地的需求,所以許多農用地及村莊的閑置地都大量轉為城鎮(zhèn)的建設用地。

3.2 土地利用優(yōu)化

隨著我國城市化進程的不斷加快,可用耕地的面積大幅度下降,所以,對土地資源的合理利用和有效保護就顯得日趨重要。對合理有效地利用土地資源,最大限度地發(fā)揮土地的利用價值,提出以下幾點建議:

(1)加強耕地保護,特別是農田保護,根據(jù)土地利用總體規(guī)劃,并結合當?shù)貙嶋H情況,因地制宜,劃分出基本農田保護區(qū),保持耕地資源的占補平衡;

(2)充分利用建設用地,將閑置未利用的土地以及各類劣地進行綜合利用,確保此類土地能夠得到有效利用,進而提高土地利用率,同時對于建設用地進行綜合把控,提高建設用地利用效率,控制其用地規(guī)模;

(3)著重保護生態(tài)環(huán)境,尤其是具有特殊生態(tài)功能的天然林地、濕地等,更應當加強保護,建立自然保護區(qū),任何用地都不能以破壞生態(tài)環(huán)境為代價。在保護生態(tài)環(huán)境的前提下,對各類土地資源進行合理開發(fā)利用,同時不斷推進生態(tài)防護林的建設工作,不斷擴大城市綠化面積,提高城市綠化水平。

4 結束語

在經濟和社會不斷發(fā)展的過程中,城市建設總是會不可避免的占用農用地甚至耕地。然而為了確保城市健康和諧發(fā)展,就必須全面分析影響和制約土地利用類型變化因素,通過利用最大似然法對不同時期城市遙感影像進行監(jiān)督分類,得到各土地利用類型的變化規(guī)律,結合當?shù)氐纳鷳B(tài)規(guī)律和社會經濟發(fā)展規(guī)律,因地制宜,確定符合當?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展的合理的土地利用方向,從而實現(xiàn)土地資源的合理分配與可持續(xù)利用。普遍的研究工作均是從宏觀尺度研究城市土地利用變化,而微觀尺度的研究有利于實現(xiàn)微觀經濟主體土地利用行為的解讀,通過研究微觀經濟主體活動對城市土地利用變化的影響,能夠進一步揭示城市土地利用變化的內在機理,這或許是今后研究的重要方向。