長株潭地區建設用地擴張遙感時空特征分析

易鳳佳， 李仁東， 常變蓉， 邱娟

(1.中國科學院測量與地球物理研究所，武漢 430077；2.湖北省環境與災害監測評估重點實驗室,武漢 430077；3.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049)

長株潭地區建設用地擴張遙感時空特征分析

易鳳佳1,2,3， 李仁東1，2， 常變蓉1,2,3， 邱娟1,2,3

(1.中國科學院測量與地球物理研究所，武漢 430077；2.湖北省環境與災害監測評估重點實驗室,武漢 430077；3.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049)

利用遙感、GIS一體化技術，獲取長沙、株洲、湘潭3市(長株潭地區)2000年、2005年和2010年3期陸地衛星圖像，提取建設用地擴張及其空間分布信息。運用擴張速度指數和強度指數分別對2000—2010年間10 a變化以及2005年為界的前后兩個5 a區域建設用地時序特征進行分析；利用優勢度指數分析了區域建設用地擴張的空間趨向性。結果表明：長株潭地區建設用地在不同時期都處于增長的趨勢，其中前5 a建設用地擴張速度和強度都要明顯高于后5 a。2000—2010年間建設用地面積增加約3.94萬hm2，前后2個時期的擴張面積分別占增加總量的57.30%和42.70%。對長株潭地區建設用地擴張進行時空特征分析，認為建設用地擴張引起區域內耕地和林地在數量和空間格局上的變化，城區周圍9～12 km范圍內耕地極易轉入建設用地；2個時期河流附近耕地流入建設用地隨距離變化而呈現不同特征；前5 a城區周圍林地轉入建設用地強度大，距離交通用地3 km附近的林地易轉入建設用地。

長株潭；建設用地擴張；緩沖區；空間趨向性；時空特征

0 引言

建設用地的擴張是經濟發展的必然結果[1]。20世紀90年代以來，我國城鄉建設用地擴張顯著，尤其是城鎮面積的擴展十分明顯，較高的人口密度、較好的基礎設施水平連同較為平坦的地勢，為區域城市化的繼續發展奠定了基礎[2]。建設用地的空間拓展將日益成為現在及未來幾十年中國土地利用變化的主要特征[3]。政策調控和經濟驅動是導致建設用地擴張時空差異的主要原因[2]，從研究方法上看，傳統的建設用地擴張檢測方法有多時相直接分類法、圖像差值法、植被指數法、主成分分析法以及定量變化檢測法等[4-6]。隨著遙感(RS)、地理信息系統技術(GIS)的發展與應用，更加科學高效的變化檢測技術和方法也隨之產生，如變化向量分析法和馬爾科夫隨機場模型等。從研究內容來看，主要集中在對我國大中城市擴張的時空特征及其驅動力分析、建設用地與其他土地利用類型間的結構變化、建設用地與經濟發展的定量關系以及建設用地擴張的生態效益等研究方面。

本文選擇我國中部地區經濟發展相對緩慢的非傳統熱點區域作為研究對象，分析湖南省長沙、株洲、湘潭3市(下文簡稱長株潭地區)建設用地擴張遙感時空特征，找出近10 a來建設用地擴張的時空規律，具有理論意義和實踐意義。

1 研究區概況

研究區位于湖南省東北部(N 26°03′～28°40′，E 111°53′～114°15′)，包括長沙、株洲、湘潭3市。3市沿湘江呈“品”字形分布，其行政界線呈“T”字形，總面積約28.07萬hm2，占全省總面積的13.23%；人口1 320.28萬人(2007年人口統計)，占全省的19.31%，人均土地面積0.21 hm2。湘江是湖南省流域面積最大的河流，是長江最重要支流之一，由南向北在研究區穿流而過。研究區為湘中丘陵與洞庭湖沖積平原過渡地帶，東部以羅霄山為屏障，南部直抵衡山，中西部以丘陵地形為主，土地覆蓋類型復雜多樣。從社會經濟發展角度看，研究區位于我國經濟不斷崛起的中部地區，是我國中部經濟的核心增長區之一，也是全國“兩型社會”建設示范區，是湖南省新型工業化與城市化的引導區。隨著城市化進程的加劇，區內建設用地面積呈逐步增長態勢。開展對這種新型經濟綜合體建設用地擴張的研究具有現實意義，可為區域經濟持續快速發展提供決策支持。

2 數據源與研究方法

2.1 數據源及其處理

選取長株潭地區2000年、2005年和2010年相同或相近時相的Landsat TM衛星圖像，空間分辨率為30 m，時間分辨率為16 d，輻射分辨率為256量級，軌道號為(122-124)/(40-42)。收集整理1∶10萬比例尺地形圖、土地利用分布圖作為遙感圖像解譯輔助資料。用于精度評價的采樣點數據來源于中國科學院戰略性先導科技項目野外調查數據庫。采用基于面向對象的遙感圖像地物信息自動提取方法，對經過預處理的圖像進行多尺度分割，分層分割獲得不同尺度上遙感圖像的分割對象。運用最鄰近值和隸屬度函數的方法構建語義結構，進行地物信息的提取。

以解譯后的研究區2010年遙感數據為本底，基于向量相似性度量方法檢測不同時期圖像的變化對象。在易康軟件平臺上利用Classification算法完成變化區域分類，對分類后的結果輔以手動修改，以提高變化檢測結果的精度。參照生態固碳項目研究中制定的土地覆被分類系統，文中提取的建設用地類型及代碼有居住地(51)、工業用地(52)、交通用地(53)以及采礦場(54)。

在Arc/Info軟件中分別建立研究區2010年建設用地數據庫及2000—2005年、2005—2010年、2000—2010年3期建設用地動態檢測數據庫。

2.2 研究方法

2.2.1 建設用地的提取

建設用地遙感圖像的提取是建設用地擴張遙感時空特征分析的基礎。對于地物信息相對復雜的區域，主要是利用模糊隸屬度函數分別建立各地類的規則集合進行地類提取，其中所涉及的參數有密度指數、形狀指數、單波段信息等，如表1所示。

表1 建設用地提取參數設置Tab.1 Parameter settings of construction land extraction

其中密度指數d(density)為圖像對象面積除其半徑，半徑采用協方差矩陣近似計算；長寬比r(length/width)為協方差矩陣的特征值比值，較大的特征值為分數的分子，它可以近似計算圖像對象外接矩陣的長度和寬度；形狀指數s(shape)為圖像對象的邊界長度除其面積的平方根的4倍，用以描述圖像對象邊界的光滑度，圖像對象越破碎，形狀指數越大。

2.2.2 建設用地擴張的時空特征分析指標

采用擴張速度指數(expansion specd index,ESI)和擴張強度指數(expansion intensity index,EII)描述建設用地擴張的時空特征。ESI表示建設用地變化的速度和趨勢; EII是利用空間單元的面積對擴張速度進行標準化處理，用來衡量單位面積上所能承受的最大強度[7]。ESI和EII值越大，表明擴張趨勢越明顯，不同時期建設用地面積變化越大，其計算公式為

(1)

(2)

式中：△Aij為建設用地從i時期到j時期變化面積；Ai為第i年建設用地面積；△t為時間跨度，a；S為區域面積。

2.2.3 建設用地擴張空間趨向性分析方法

優勢度指數是植物生態學中的重要指標，是對覆蓋度或個體數單一數量的測定度。通過借鑒優勢度指數，測定區域內建設用地擴張在空間上覆蓋對象的個數D，分析建設用地擴張空間趨向性，即

D=Ni/N×100%

(3)

式中:Ni表示各用地類型變化的對象個數；N為區域建設用地對象的個數。

影響度線性模型用于對鄰近對象的影響度隨距離的增大而呈指數形式衰減，分析主體的輻射范圍和影響度，建立周圍一定距離的緩沖區，采用影響度指數模型來計算特定土地利用類型的緩沖區，即

(4)

式中:Fi為主體對鄰近對象的實際影響度；f0為主體自身的綜合規模指數；di為鄰近對象離開主體的實際距離；d0為主體對鄰近對象的最大影響距離；0≤di/d0≤1。

3 精度評價

精度評價是遙感圖像解譯工作的重要組成部分。對解譯結果進行客觀、公正的評估與檢驗是遙感數據能否高效應用到科學研究和實踐工作的關鍵步驟。精度評價指標主要通過混淆矩陣來分別計算用戶精度、生產者精度(制圖精度)、總體分類精度以及Kappa系數。精度評價的方式多種多樣，本文結合研究區土地資源分布圖，利用采樣點數據來進行精度評價，利用混淆矩陣對380個隨機采樣點進行精度評價，建設用地精度評價結果見表2。

由表2可知，本文方法提取的建設用地總體精度達到了86.05%，分類結果達到了中國科學院戰略性先導科技專項中對于土地利用類型二級類分類結果的標準。

4 建設用地擴張的時空特征

4.1 建設用地擴張的時序特征

分別以5 a的時間尺度和10 a的時間尺度檢測建設用地擴張的時序特征，以2000—2005年間為前期(前5 a)，2005—2010年間為后期(后5 a)。2個時期建設用地擴張面積分別為2.25 萬hm2和1.68萬 hm2，分別占10 a擴張總量的57.3%和42.7%。前期擴張速度指數和擴張強度指數分別為6.69%和0.04%，后期為2.6%和0.03%。2個時期建設用地面積都處于增長的狀態，其中居住地與交通用地擴張面積總和占變化總面積的比重相對較大，分別為92%和95%，建設用地擴張面積主要體現在居住地面積的增加以及交通用地等基礎設施用地量的增長。2個時期對比來看，前期建設用地擴張速度和強度變化明顯高于后期，即10 a間，研究區建設用地擴張呈減速狀態，具體數據見表3。

表3 研究區建設用地擴張速度與強度指數Tab.3 ESI and EII of construction land in study area

單從建設用地擴張速度來看，前5 a建設用地擴張速度工業用地>采礦場>居住地>交通用地。工業用地相對其他地類擴張速度最為明顯，ESI為12.39%，前5 a工業用地量呈爆炸式增長；采礦場增速也達到了7.78%。后5 a按建設用地擴張速度排序為工業用地>交通用地>居住地>采礦場。后期各類建設用地增長速度較前期趨于均衡化，擴張速度在2%～3%之間。

2000—2010年間，長株潭地區建設用地擴張面積約為3.94萬hm2，約占整個湖南省10 a間建設用地變化的21%，居住地和交通用地變化面積比重大，分別占長株潭地區建設用地擴張總面積的74%和19.88%。工業用地和采礦用地增速明顯，居住地和交通用地處于穩定增長的趨勢。2000—2005年間建設用地擴張區域見圖1; 2005—2010年間建設用地擴張區域見圖2。

圖1 2000—2005年建設用地擴張區域Fig.1 Area of construction land expansion

圖2 2005—2010年建設用地擴張區域Fig.2 Area of construction land expansion

4.2 建設用地擴張空間趨向性

通過建立2000—2010年間建設用地數據庫，獲得長株潭地區建設用地與其他土地利用類型間的轉入轉出情況及其空間分布特征，并從中提取主要地類轉入建設用地引起擴張的變化類型。根據優勢度指數計算可知，2000—2005年間和2005—2010年間2期轉入建設用地的土地類型主要為耕地，其次是林地。前期耕地和林地優勢度指數分別為49%和40%，后期分別為71%和21%。

4.2.1 耕地向建設用地的轉變

耕地向建設用地轉變是城市用地不斷向郊區擴展，土地利用類型由農用地向工業用地轉變的過程。由于我國的城市大都毗連農業區，使得耕地成為我國城鎮化建設最重要的土地轉變來源。丘陵地區和平原區的地勢平坦，交通條件便利，耕地更容易轉入建設用地。2000—2005年間，長株潭地區耕地向建設用地轉變約1.45 萬hm2，約占區域建設用地擴張總面積的64%，占5 a間土地利用變化面積的33%。水田和旱地主要轉入居住地，其次是交通用地。

2005—2010年間，耕地向建設用地的轉變面積約為1.11萬 hm2，比前期類間變化面積有減少，占區域建設用地擴張總面積的46%，占5 a間土地利用變化面積的25%。同前5 a一致，水田和旱地主要轉入居住地，其次是交通用地。

耕地向建設用地轉變在空間上呈現3種模式: 以老城區為中心呈散射狀向外擴展、河流沿線以一定的影響距離擴展及點狀新增建設用地均勻散布整個區域。以長株潭地區現有城區空間分布為中心，本文計算了耕地被征用為建設用地的緩沖區范圍，以及空間方位上的分布趨勢。

為分析老城區對周圍耕地的吸收作用，分析變化對象的聚集分布情況，分別以2000和2005年3市老城區的中心點位置為圓心。以3 km為步長建立了6個緩沖區。將緩沖區和2個時期耕地轉入建設用地的變化對象進行疊加分析，統計并計算各緩沖區內耕地流失強度指數。圖3中顯示了2個時期各緩沖區內耕地流入建設用地強度情況。

圖3 距城區中心耕地流失強度Fig.3 Land erosion intensity of different

由圖3可知，2個時期距城區中心耕地流失強度均呈山峰狀變化，而且前5 a區域內耕地流入建設用地強度明顯高于后5 a，2期耕地轉入建設用地平均強度分別為0.24%和0.12%。在[0,12) km緩沖區范圍內，耕地流入建設用地強度隨距離變遠而不斷增大，一方面說明距離城市中心位置的耕地總量小，耕地流轉的強度也越??；另一方面建設用地對耕地的吸收作用在一定范圍內，隨距離增大而不斷增大。在[9,12) km緩沖區范圍內，2期耕地流失強度指數分別為0.41%和0.23%，強度達到了最大，并出現拐點。在[12,15) km緩沖區內，2期強度都處于減弱狀態。在[12,15) km緩沖區內，前期強度減少較明顯，強度指數減少約0.06%；后期指數減少幅度很小，處于比較穩定的狀態。

河流沿岸一定范圍內的耕地類型流入建設用地的情況明顯。選取長沙市內的瀏陽河、溈水河以及株洲境內的湘江段沿線作為考察對象，僅考慮河流作為變化驅動因素，分析河流沿線變化對象的分布情況。以2 km為步長在河流周圍建立4個緩沖區域，統計各緩沖區內耕地流失面積，計算耕地流入建設用地強度指數(圖4)。

圖4 河流周圍耕地流失強度Fig.4 Farmland erosion intensity around the river

由圖4可知，2個時期河流周圍耕地利用情況發生了巨大的變化，前期耕地轉入建設用地強度最大的區域為[0,2) km緩沖區內，達到0.41%; 而后期的最大值落在[6,8) km緩沖區內，耕地流轉強度指數為0.25%。從整體強度來看，前期河流附近耕地流入建設用地強度大于后期。結果表明，前5 a在河流附近建設用地擴張隨距離的增大逐漸減弱，后5 a卻隨著距離的增大逐漸增強。一方面顯示河流附近的耕地得到了有效保護，另一方面說明10 a間河流附近建設用地擴張范圍將進一步加大。

4.2.2 林地向建設用地的轉變

林地向建設用地的轉變反映了林地退化的逆行演替過程，以及人為活動對森林生態系統的干擾和破壞[8]。長株潭地區前期(2000—2005年間)和后期(2005—2010年間)林地向建設用地轉變規模分別為0.75萬hm2和0.14萬hm2。從數據上來看，國家嚴格控制林地流轉政策得到了有效的響應，砍伐林地、占用林地等不合理的土地使用行為得到了抑制，森林覆蓋狀況得到了修復。在轉出的林地類型中，以常綠針葉林為主，其次是灌木林地，轉出林地主要用于居住地和交通用地的建設。前期居住地約占林地轉建設用地的73%，交通用地占19%；后期林地轉出數量較小，仍然以轉入居住地和交通用地為主，2者比例分別為46%和39%。為分析2期林地轉建設用地的空間趨向性，將2期林地轉建設用地變化數據分別與居住地、交通用地和河流等要素進行疊加分析，直觀地分析出林地變化區域主要分布在居住地周圍以及交通用地沿線。

對長株潭3市城區進行林地轉建設用地的緩沖區分析，以城市中心點為緩沖中心，3 km為步長，在城市周圍建立8個緩沖區，將緩沖區和變化圖斑進行疊加分析，計算各緩沖區內林地轉入建設用地強度指數(圖5)。

圖5 城區周圍林地轉入建設用地強度指數Fig.5 Forest loss intensity around the city from forest to construction land

由圖5可見，2期林地的變化呈現了截然不同的趨勢，前5 a城區附近林地變化波動明顯，后5 a城區附近林地幾乎沒有向建設用地轉變，并維持不變，只是在遠城區有少量林地轉入建設用地中。從整體來看，林地得到了有效的保護，建設用地占用林地的行為得到了抑制。在前5 a中，距離市區中心12 km內，隨著與城市中心距離拉大林地轉入建設的情況變得逐漸明顯；在[9,12) km處，林地變化節奏最為活躍，林地轉入建設用地強度為0.22%；在[12,24] km內，林地流入建設用地強度隨距離拉大而逐漸變弱。

長株潭地區交通發達，鐵路、高速公路、城際干道構成了長株潭地區的交通脈絡。為分析交通用地附近林地轉入建設用地強度，將2期林地轉建設用地圖斑和交通用地本底數據進行疊加分析，選取長株潭境內京珠高速、平汝高速、岳臨高速和滬昆高速路段作為考察對象，以3 km為步長，在交通用地沿線建立4個緩沖區，計算各緩沖區內林地轉入建設用地強度指數(圖6)。

圖6 公路附近林地轉入建設用地強度指數Fig.6 Forest loss intensity around the road from forest to construction land

由圖6可知，在距離公路不同緩沖區內林地流失強度呈指數分布。前期林地轉入強度高于后期，在距離公路[3,6) km內強度最大，為0.25%；6 km以外，隨著距離的增加，林地轉入建設用地強度逐漸減弱。后期在距離公路[0,3) km內，林地轉入建設用地強度最大，為0.18%，且隨著距離的增大轉變強度逐漸減弱。

5 結論

1)長株潭地區建設用地面積在2000—2010年間處于持續增長的趨勢，建設用地擴張主要體現在居住地面積的增加以及交通用地的增長。10 a間居住地面積增加了2.91萬hm2，交通用地面積增長了0.78萬hm2，分別占建設用地擴張面積的74%和19.88%。2個時期對比來看，前期(前5 a)建設用地擴張速度和強度明顯高于后期(后5 a)。擴張速度最快的為工業用地，前期工業用地擴張速度達到了12.39%，遠遠高于居住地和交通用地的增速。建設用地中擴張強度最大的為居住地，前期居住地擴張強度為0.12%，后期為0.08%。

2)長株潭地區建設用地的擴張與耕地、林地類型的轉變關系密切。2000—2010年間耕地向建設用地轉變約2.55萬hm2，占區域建設用地擴張總面積的64.72%；林地流入建設用地面積約為0.78 萬hm2，占區域建設用地擴張面積的20%。不同時期耕地和林地流失的速度和強度不同，從整體上來看，前期耕地和林地流失速度和強度明顯高于后期。

3)城區周圍以及河流沿線的耕地極易轉入建設用地。在距離城市中心[0,12) km緩沖區范圍內，耕地流入建設用地強度隨距離變遠而不斷增大，在[9,12) km緩沖區范圍內，強度達到了最大，并出現拐點。河流沿線耕地轉入建設用地強度最大的區域為[0,2) km緩沖區內，達到0.41%。

4)城市周圍以及交通用地沿線的林地易轉入建設用地。在距離城市中心[9,12) km處，林地變化最為活躍，林地轉入建設用地強度達到最大。林地轉入建設用地與交通布局有著顯著的關系，交通線路附近[3,6) km內林地流失強度最為明顯，6 km以外，隨著距離的拉大，林地轉入建設用地強度逐漸減弱。

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(責任編輯：李瑜)

Spatial-temporal features of construction land expansion in Changzhutan(Changsha-Zhuzhou-Xiangtan) area based on remote sensing

YI Fengjia1,2,3,LI Rendong1,2,CHANG Bianrong1,2,3,QIU Juan1,2,3

(1.InstituteofGeodesyandGeophysicsChineseAcademyofSciences,Wuhan430077,China; 2.KeyLaboratoryforEnvironmentandDisasterMonitoringandEvaluation,Wuhan430077,China; 3.FacultyofEarthSciences,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Construction land expansion will increasingly become a main feature of land-use and land-cover change in China. The study of construction land expansion can provide sustained support for the development of the local economy. The authors used RS and GIS integrated technology to acquire Landsat TM data in 2000,2005 and 2010 respectively and,on such a basis,obtained land expansion and its spatial distribution information. ESI (expansion speed index) and EII (expansion intensity index) were used to analyze the spatial-temporal features at time scales of 10 years and 5 years. The DI (dominance index) was used to analyze the spatial trends of construction land expansion. The result shows that the quantity of construction land was increasingly growing in different periods,of which theESIandEIIin the first 5 years were obviously higher than those in the last 5 years. Construction land area increased by about 39 400 hm2,and the construction land expansion area accounted for the total change of 57.3% and 42.7% respectively. Construction land expansion caused the change of the quantities and spatial patterns of cultivated land and forest region. The cultivated land that was changed into construction land had three modes in space: a radial outward expansion with the old city as the center,the extension of the influencing range along the river,the even spreading of new construction land throughout the region. In addition,forest land was changed into construction land,which was mainly distributed around the residence and along the traffic area.

Changsha-Zhuzhou-Xiangtan area; construction land expansion; buffer area; spatial trends; spatial-temporal features

2014-03-20；

2014-06-23

國家重大專項“中國科學院戰略性先導科技專項”(編號：XDA0505107)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.25

易鳳佳，李仁東，常變蓉,等.長株潭地區建設用地擴張遙感時空特征分析[J].國土資源遙感,2015,27(2): 160-166.(Yi F J,Li R D,Chang B R,et al.Spatial-temporal features of construction land expansion in Changzhutan (Changsha-Zhuzhou-Xiangtan) area based on remote sensing[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2): 160-166.)

TP 75

A

1001-070X(2015)02-0160-07

易鳳佳(1985-)，女，博士研究生，主要從事遙感、GIS應用研究。Email: fengjia06@163.com。

李仁東(1962-)，男，研究員，博士生導師，主要從事遙感應用研究。Email：lrd@asch.whigg.ac.cn。