面向?qū)ο蟮奶行〉陞^(qū)土地利用分類

郭文怡，任 宏，曹艷艷

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810000；2.山西財(cái)經(jīng)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030000)

隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，人類活動(dòng)對(duì)土地利用/覆被變化的影響深遠(yuǎn)而顯著，影響我國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。小店區(qū)是太原市“南移西進(jìn)、擴(kuò)容提質(zhì)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的主要擴(kuò)張區(qū)域，有必要深入分析改革開放以來太原市小店區(qū)土地利用的空間格局及存在的問題，從而為小店區(qū)的土地可持續(xù)利用提供一定的理論支撐。

20世紀(jì)70年代，Ketting R L和Landgrebe D A提出了基于地物影像同質(zhì)性來進(jìn)行分類提取的ECHO分割算法(Extraction and Classification of Homogenous Objects)[1]。Ursula C. Benz等利用世界上第一個(gè)面向?qū)ο蟮挠跋窠庾g軟件eCognition對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯，并采用模糊專家法來對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析[2]。Soe W. Myint等在對(duì)亞利桑那州鳳凰城進(jìn)行城市土地利用覆蓋信息提取中，進(jìn)行了傳統(tǒng)的基于像素分類方法和面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ谋容^實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明面向?qū)ο蠓诸惤Y(jié)果的精度更高[3]。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，學(xué)者們將焦點(diǎn)放在大規(guī)模的土地利用/覆被變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究上，面向?qū)ο蟮挠跋窠庾g技術(shù)的優(yōu)勢得以發(fā)揮。例如對(duì)北京市[4-5]、上海市[6-7]、廈門市[8]、成都市[9]、許昌市[10]、珠海市[11]、威海市[12]等城市的土地利用變化特征、穩(wěn)定性、景觀格局及驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究。這些研究都具有一定的特殊性和代表性， 但是目前有關(guān)太原市的土地利用/覆被變化研究較少。

筆者基于ENVI 5.3軟件的影像多尺度分割技術(shù)和面向?qū)ο蠓诸惙椒?，?duì)太原市小店區(qū)土地利用方式進(jìn)行分類研究，找出其土地利用中存在的問題，提出應(yīng)該如何提高土地利用的效率，來緩解人地矛盾及城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程中面臨的問題。

1 研究數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)概況

小店區(qū)位于112°24′E～112°43′E，37°36′N～37°49′N之間，是山西省省會(huì)太原市的下轄區(qū)，共含7個(gè)街道、1個(gè)鎮(zhèn)和2個(gè)鄉(xiāng)，總面積295 km2。東部是晉中市榆次區(qū)，南部是清徐縣，西部與晉源區(qū)隔一條汾河，最北部是迎澤區(qū)，隨著太原市“南移西進(jìn)、擴(kuò)容提質(zhì)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的提出，小店區(qū)成為其主要擴(kuò)張區(qū)域。第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，全區(qū)常住人口1 357 242人，比第六次人口普查增長了68.70%。

1.2 數(shù)據(jù)及處理

本文以2020年9月18日的Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，包括9個(gè)波段，空間分辨率均為30 m，成像幅寬為(185×185)km2。首先對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，主要借助ENVI圖像處理軟件的Regions of Internet/Subset Data from ROIs工具對(duì)影像進(jìn)行剪裁，提取出小店區(qū)“一張圖”的遙感影像。

1.3 研究方法

本文采用的面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惙椒?，在?duì)地物影像進(jìn)行分析時(shí)，不再以一個(gè)像元為最小單位，而是以一個(gè)對(duì)象為最小單位來進(jìn)行分析，它把目標(biāo)對(duì)象所包含的形狀、紋理、光譜以及空間組合等信息放到不同的分類器中，同時(shí)也可以將已有的GIS數(shù)據(jù)放入分類器之中，大大提高了分類的精度。所以在對(duì)高分辨率遙感影像解譯中，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于像素的分類方法，面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惣夹g(shù)可以很好地避免“椒鹽現(xiàn)象”的產(chǎn)生。

2 土地分類提取結(jié)果及精度評(píng)價(jià)

2.1 提取結(jié)果

通過ENVI 5.3軟件平臺(tái)對(duì)小店區(qū)進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆诸悤r(shí)，首先采用常見的Edge影像分割算法和Full Lambda Schedule合并算法來對(duì)圖像進(jìn)行處理。Edge算法可以根據(jù)臨近像素的形狀特征、灰度、顏色等來檢索出影像的邊界并將邊界曲線記錄下來，然后再把邊界曲線連接起來形成影像對(duì)象的邊界，實(shí)現(xiàn)影像分割。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用分割閾值50，合并閾值90，紋理核大小默認(rèn)為3時(shí)，建設(shè)用地、耕地等土地類型能夠出現(xiàn)相鄰的多邊形，對(duì)其分割較為完整，是本次研究的最佳分割尺度。接著基于樣本進(jìn)行影像分類，通過利用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)識(shí)別其他位置對(duì)象?；跇颖镜姆诸惙椒ㄐ枰x取多個(gè)樣本點(diǎn)來對(duì)整個(gè)影像進(jìn)行信息的提取，十分方便，但是它的難度就在于對(duì)樣本的選擇要求非常高，必須通過實(shí)地考察與分割合并后的樣本對(duì)照選擇，并根據(jù)準(zhǔn)確提取出的樣本從而進(jìn)行分類。影像分割與合并結(jié)束之后，對(duì)不同地物定義樣本，得到的影像分類結(jié)果如圖1所示。

在基于樣本的分類中，通過ENVI軟件中的Class Statistics工具進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，得到農(nóng)用地面積占44%，其中耕地面積約占72.73%，林地、園地面積約占27.27%；建設(shè)用地約占49%，水體約占5%，未利用土地約占2%。通過對(duì)基于規(guī)則的分類進(jìn)行觀察分析，可以得出：①區(qū)域土地利用類型以農(nóng)用地和建設(shè)用地為主，但是耕地所占比例未超過35%，耕地資源較為短缺，且水域和生態(tài)用地比例很小，不利于資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，也不利于居民的居??；②城市和農(nóng)村建設(shè)用地建設(shè)的破碎度是較低的，聚合度較高，說明建設(shè)比較集中，土地利用效益較高。

圖1 基于樣本的影像提取結(jié)果

2.2 精度評(píng)價(jià)

對(duì)面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惥仍u(píng)價(jià)是利用SVM(支持向量機(jī))分類算法，該算法通過在高維空間中構(gòu)造線性判別函數(shù)對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行分類，可以很好地解決當(dāng)維數(shù)大于樣本數(shù)時(shí)產(chǎn)生的“維數(shù)災(zāi)難”問題。它在決策時(shí)只選擇出一部分的訓(xùn)練樣本(也就是支持向量機(jī))，大大降低了占用的內(nèi)存，同時(shí)它還可以使用不同的核函數(shù)來進(jìn)行決策。在對(duì)小店區(qū)面向?qū)ο蟮耐恋乩梅诸惤Y(jié)果的精度分析中，通過使用SVM算法得到分類結(jié)果總體精度達(dá)到86%以上，Kappa系數(shù)達(dá)到0.8，分類結(jié)果較好。

3 土地利用中存在的問題及解決對(duì)策

3.1 存在的問題

3.1.1 生態(tài)用地占土地總面積比例小，土地利用結(jié)構(gòu)不合理。根據(jù)《太原市小店區(qū)土地利用總體規(guī)劃2006—2020年》政府文件，規(guī)定城市中建設(shè)用地約為62.98%；生態(tài)用地包括園地、林地、水域等約占10.12%，其中水域占22.45%；農(nóng)用地約占33%，其中耕地面積約為63%。但在小店區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)中，農(nóng)用地和建設(shè)用地所占比例高達(dá)93%，而生態(tài)用地所占比例只有不到10%，在土地利用結(jié)構(gòu)中所占比例較小。農(nóng)用地面積占44%，比例較大，且農(nóng)業(yè)用地中耕地所占比例較大，占農(nóng)用地面積72.73%，城市建設(shè)力度不夠。

3.1.2 土地利用的集約程度不高。小店區(qū)建設(shè)用地面積已經(jīng)占到土地總面積的49%，其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地已經(jīng)占到了建設(shè)用地總面積的86.28%，土地開發(fā)較為嚴(yán)重。但是在農(nóng)村人口城鎮(zhèn)化的過程中還存在著粗放用地的問題，比如土地被閑置、空閑或低效利用，城鎮(zhèn)公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善等問題，嚴(yán)重制約了城鎮(zhèn)化的發(fā)展。

3.1.3 后備耕地資源不足且整治難度大。耕地?cái)?shù)量關(guān)系到農(nóng)民的生產(chǎn)和生活，在研究區(qū)內(nèi)可開發(fā)的耕地包括其他草地、裸地等后備資源，只占全區(qū)土地總面積的2.25%，耕地的大量減少使得人地矛盾更加突出。全區(qū)可利用的后備土地資源面積很小，在現(xiàn)有的發(fā)展條件下開發(fā)的難度也比較大。在實(shí)驗(yàn)中可以看到小店區(qū)各個(gè)土地利用類型的分維度是處于中等水平的，說明土地斑塊的形狀以及復(fù)雜程度都處于中等水平。一般情況下，土地斑塊的形狀越規(guī)則，越有利于生產(chǎn)用地的生產(chǎn)，因此，好的土地利用方式要求有更完整的土地斑塊，所以這就要求在土地利用中朝著降低土地斑塊的分維度方向發(fā)展。

3.2 解決對(duì)策

3.2.1 制定科學(xué)的土地利用總體規(guī)劃?？茖W(xué)合理的土地利用總體規(guī)劃是進(jìn)行土地資源合理利用的前提。在編制規(guī)劃時(shí)，要充分利用遙感、GIS等先進(jìn)的技術(shù)手段，及時(shí)獲取土地資源信息的變化情況，對(duì)土地資源實(shí)施控制，確保土地后備資源、建設(shè)用地規(guī)模等符合要求，實(shí)現(xiàn)土地管理的科學(xué)化與信息化。加強(qiáng)對(duì)規(guī)劃審查、批準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的管理，制定和執(zhí)行嚴(yán)格的土地利用的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所有不符合土地利用總體規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)做出及時(shí)的修改和調(diào)整。

3.2.2 控制土地的無序擴(kuò)張，切實(shí)保護(hù)耕地。應(yīng)充分保護(hù)和利用土地后備資源，控制土地的無序擴(kuò)張，嚴(yán)格土地用途的管制，走集約化的用地模式。耕地?cái)?shù)量關(guān)系到糧食安全問題，要嚴(yán)格限制建設(shè)用地占用耕地，強(qiáng)化耕地保護(hù)責(zé)任機(jī)制，建立健全基本農(nóng)田保護(hù)制度。保證耕地?cái)?shù)量的同時(shí)，大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)對(duì)污染進(jìn)行治理并推廣機(jī)械化在農(nóng)業(yè)中的利用規(guī)模，同時(shí)，對(duì)可耕種的荒草地進(jìn)行適度的開發(fā)利用，加強(qiáng)土地的復(fù)墾和治理工作，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

3.2.3 提高土地資源利用效率。通過加大對(duì)農(nóng)業(yè)的投資力度，提高農(nóng)民收入的同時(shí)發(fā)展技術(shù)或進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高土地資源的利用率。比如小店區(qū)的林地、園地面積較小，我們可以加大對(duì)低效林地和園地的整治改造力度，從而提高土地的生產(chǎn)力和土地利用的效益。通過對(duì)土地利用進(jìn)行結(jié)構(gòu)性調(diào)整，把農(nóng)用地、建設(shè)用地等各類用地結(jié)合起來，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)和二、三產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系，使得土地能夠獲得更高的經(jīng)營效益。

3.2.4 在城市化進(jìn)程中開展“兩舊”改造。①對(duì)小店區(qū)的城鎮(zhèn)化水平進(jìn)行合理預(yù)測，制定合理的城鎮(zhèn)化策略，使小店區(qū)城鎮(zhèn)化粗放發(fā)展的局面得到改善；②通過對(duì)城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施、社會(huì)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)籌安排和調(diào)控，使其能夠更好地滿足區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展、城市空間布局和城鎮(zhèn)建設(shè)的需要；③在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，要切實(shí)加大城中村和舊城改造力度，進(jìn)一步消除城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)，盤活城中村的土地使用效益，使得城市土地資源得到高效利用。

3.2.5 大力保護(hù)生態(tài)環(huán)境資源。嚴(yán)格執(zhí)行城市“三線”控制管理措施，嚴(yán)格遵守城市耕地的最低標(biāo)準(zhǔn)。大力發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，以生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)林業(yè)、生態(tài)旅游為開發(fā)重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)土地資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。加強(qiáng)對(duì)小店區(qū)山林湖草系統(tǒng)的治理工作，嚴(yán)格遵守生態(tài)保護(hù)紅線的范圍并執(zhí)行相關(guān)生態(tài)保護(hù)的管理制度。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文以小店區(qū)為例，通過利用ENVI軟件對(duì)小店區(qū)進(jìn)行面向?qū)ο蟮挠跋窠庾g，提取出小店區(qū)主要的用地類型并對(duì)精度進(jìn)行分析，得出小區(qū)土地利用的現(xiàn)狀及存在的問題，得到以下結(jié)論：①在遙感影像的提取過程中，通過基于樣本的分類方法對(duì)影像進(jìn)行分割和分類后得到，小店區(qū)農(nóng)用地面積約占44%，其中耕地面積約占72.73%，林地、園地面積約占27.27%，建設(shè)用地約占49%，水體約占5%，未利用土地約占2%，并不符合小店區(qū)的土地利用總體規(guī)劃相關(guān)要求。存在生態(tài)用地占土地總面積比例小，土地利用結(jié)構(gòu)不合理，土地利用的集約程度不高，后備耕地資源不足且整治難度大等問題。②根據(jù)小店區(qū)土地利用中存在的問題，提出要制定科學(xué)的土地利用總體規(guī)劃、嚴(yán)格遵守耕地紅線以防止土地的無序擴(kuò)張、提高土地資源利用效率、在城市化進(jìn)程中加大“兩舊”改造的力度、大力保護(hù)生態(tài)環(huán)境資源等對(duì)策來進(jìn)行解決。

4.2 討論

一方面，在影像的提取過程中，雖然最終精度較高，但是由于樣本選取的不足，依然會(huì)有某些地物被錯(cuò)分或漏分的狀況出現(xiàn)。另一方面，本文以較為主觀的目視觀察結(jié)果對(duì)比得出的分割尺度來進(jìn)行遙感影像的分割，宜在日后的研究中進(jìn)行改進(jìn)。