基于RS/GIS的長沙市土地利用和穩(wěn)定性分析

張思佳

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基于RS/GIS的長沙市土地利用和穩(wěn)定性分析

張思佳

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

土地利用/覆被變化（LUCC）模型的核心內(nèi)容是研究LUCC時空變化格局，但多數(shù)模型只重視空間變化機制研究，忽略了模型的時間變化機制。本文利用長沙市1995、2000、2005和2010的土地利用適量數(shù)據(jù)圖，結(jié)合2015年Landset 8遙感影像圖，利用監(jiān)督分類和人工解譯相結(jié)合的方法得到土地利用現(xiàn)狀圖，并進(jìn)行疊加分析得到土地利用類型的變化數(shù)據(jù)，并建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；利用土地利用變化強度得到土地利用在時間變化過程中的穩(wěn)定性指標(biāo)。結(jié)果表明：長沙市土地利用類型變化速度在1995-2005年較低，而2005-2015年間土地利用變化速度加快，土地利用變化在時間間隔層次上不穩(wěn)定，土地利用類型轉(zhuǎn)換速度加快。

土地利用/覆被變化；空間變化；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；穩(wěn)定性分析

0 引言

土地利用/覆蓋變化（LUCC）越來越被認(rèn)為是全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容[1]。LUCC研究的主要內(nèi)容是對土地利用和覆蓋變化歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查與評價，闡明土地利用覆蓋格局與社會和自然驅(qū)動力之間的聯(lián)系，可以為土地利用規(guī)劃制定相應(yīng)的政策并通過土地利用和覆蓋的變化規(guī)律推斷未來土地利用和覆蓋的狀況[2]，對保護(hù)區(qū)域土地資源，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有較強的現(xiàn)實意義。

隨著全球環(huán)境變化研究的深入，各國科學(xué)家逐漸認(rèn)識到人類活動對土地承載力的影響[3]。國際地圈與生物圈計劃（IGBP）和全球環(huán)境變化的人文領(lǐng)域計劃（IHDP）于1995年聯(lián)合提出“土地利用/土地覆被變化”研究計劃，使土地利用變化研究成為目前全球變化研究的前沿和熱點課題[4]；隨后，IGBP和IGDP又于2005年開展了全球土地研究計劃，是繼LUCC計劃后的又一項具有重要意義的全球性計劃[5]。我國由于自改革開放以來國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境也承受著巨大的壓力，使得對于中國城市區(qū)域性LUCC研究領(lǐng)域越來越受到許多學(xué)者們的關(guān)注。隨著各類對地觀測遙感儀器的發(fā)展，各部門從行業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)生產(chǎn)了大量的遙感數(shù)據(jù)[6,7]，我國在運用遙感影像對土地利用/覆被變化的監(jiān)測分析、土地利用/覆被變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)及全球變化的影響、土地利用/覆被變化驅(qū)動力研究和土地利用與土地覆被變化建模等方面取得了新的進(jìn)展。如曹銀貴[8]等利用三峽庫區(qū)不同時期的5期遙感影像圖來分析三峽庫區(qū)近30年的土地利用類型空間分布和變化趨勢，并總結(jié)了土地利用變化的主要時空變化特征。毛蔣興等[9]以深圳為研究案例，應(yīng)用定量分析和GIS空間分析技術(shù)從定性與定量的角度系統(tǒng)全面地開展了快速城市化背景下城市土地利用變化的人文因素分析研究。

本文選取長沙市1995年至2010年的土地利用矢量數(shù)據(jù)，并結(jié)合2015年的遙感影像圖，運用監(jiān)督分類和人工目視解譯的方法得到總共5期的土地利用狀況圖。根據(jù)所得的土地利用狀況圖，并利用轉(zhuǎn)移矩陣來進(jìn)行分析，得到各種土地類型變化的來源以及去向。隨后基于強度分析理論[10,11]羅列出5期圖像共4個階段的時間間隔元素轉(zhuǎn)移列表，利用公式計算出每個階段的變化強度和總的研究時間內(nèi)的平均變化強度，得出每個階段的變化在整個研究時間段內(nèi)的快慢情況，從而分析得出長沙市土地利用變化的穩(wěn)定性。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 矢量及遙感數(shù)據(jù)來源

湖南省省會長沙市是長株潭城市群“兩型社會”試驗區(qū)的核心城市，地處我國中部長江以南區(qū)域。長沙市地勢東高西低，中西部低平，地處洞庭湖平原南向湘中丘陵盆地延伸過渡區(qū)。由2010年長沙市統(tǒng)計局第六次全國人口普查的數(shù)據(jù)得知，長沙市常住人口為704.41萬人，約占全省的10.7%。2015年長沙市經(jīng)濟(jì)總量達(dá)8510.13億元，經(jīng)濟(jì)增速為9.9%，居全國省會城市第七位，保持持續(xù)快速增長。

長沙市1995年和2000年土地利用矢量數(shù)據(jù)來源于中國資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫，以Landsat TM/ETM+遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過計算機自動分類和人工目視解譯形成土地利用矢量數(shù)據(jù)。2005和2010年的遙感數(shù)據(jù)為購買的TM遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，分辨率為30 m，土地利用矢量數(shù)據(jù)來源于雷師《中國中部和東南部城市土地利用變化對比研究-以長沙市和泉州市為例》。2015年遙感影像數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站為Landsat 8 OLI/TIRS遙感影像。1995-2010年為已有的土地利用矢量數(shù)據(jù)，對于2015年的遙感影像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分類及解譯。首先對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括遙感影像幾何校正、波段組合、影像拼接和裁剪等[11-13]。隨后對遙感影像進(jìn)行分類，本文采用最大似然分類器和人工解譯相結(jié)合的方法對預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行分類，得到6中土地利用類型：耕地、林地、草地（園地）、水域、建設(shè)用地、未利用地。最后得到2015年長沙市土地利用現(xiàn)狀圖如圖1所示。

1.2 主要研究方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[14]。本文利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來分析1995-2015年這20年間長沙市土地利用各種地物類型變化的來源以及去向。轉(zhuǎn)移矩陣模型如下：

式中ij表示第行地類向第列地類轉(zhuǎn)移的面積，行和列分別表示地類的去向和來源。

1.2.2 基于土地利用變化強度的變化穩(wěn)定性分析

本文基于強度分析理論，通過對1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年以及2010-2015年，共4個階段的5期遙感影像解譯結(jié)果的土地利用矢量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一系列計算，得出4個階段的時間間隔元素轉(zhuǎn)移列表如表1所示。隨后利用公式計算出每個階段的變化強度和總的研究時間內(nèi)的平均變化強度，得出每個階段的變化在整個研究時間段的快慢情況，并與整個時間段內(nèi)的平均強度作對比，如果每個時間段變化強度與平均強度的大小關(guān)系均一致，那么說明該階段土地利用變化穩(wěn)定，不一致則不穩(wěn)定，可進(jìn)一步挖掘不同時間間隔內(nèi)土地利用變化的信息。

圖1 2015年長沙市土地利用現(xiàn)狀圖

表1 [Y，Y+1]時間間隔元素轉(zhuǎn)移列聯(lián)表

Tab.1 Time interval element transfer contingence table

如下所示，公式（2）定義了S是在時間間隔[Y,Y+1]中觀察到的變化強度，表示為占域的年均百分比；公式（3）定義了是在所有時間間隔中的假想均衡變化強度，表示全域的年均百分比。

1.3 研究區(qū)土地利用時空變化

本研究將解譯所得的長沙市土地利用數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到1995、2000、2005、2010及2015年的土地利用類型的數(shù)量結(jié)構(gòu)表，如表2所示。

表2表示了1995年至2015年長沙市土地利用面積變化狀況以及每一年每種地類在總面積中所占比例。通過土地利用類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表，做出的分析如下：

1995-2015年期間,長沙市建設(shè)用地顯著增加，1995年建設(shè)用地面積僅為30237ha，占總面積2.56%，而20年后建設(shè)用地為86109ha，占總面積的7.31%，增長近三倍，并且每五年的平均增加面積約13968 ha。通過圖2的折線可明顯看出2000年以前建設(shè)用地面積增長趨勢較為平穩(wěn)，自2000年以后建設(shè)用地面積的增長速度愈發(fā)劇烈。

表2 1995-2015年長沙市土地利用類型的數(shù)量結(jié)構(gòu)表

Tab.2 The quantity structure table of land use type in changsha in the past 1995-2015 years

由圖3可以看出，1995-2015年長沙市建設(shè)用地有很明顯的增加，且整體呈現(xiàn)出由中心向四周擴散的趨勢，建設(shè)用地分布多集中于湘江東岸的長沙市區(qū)，該地區(qū)作為長沙市的中心區(qū)域由來已久，不僅有得天獨厚的自然條件，也有政府的政策支持。相對而言，在其他市縣建設(shè)用地分布都比較零散，說明政府對于城市的規(guī)劃與農(nóng)村的發(fā)展協(xié)調(diào)度還有待進(jìn)一步提高。

在此期間，其耕地的面積總體呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，自1995年至2015年，由374352 ha降至333811 ha，平均每五年以10135 ha的速度在遞減，所占土地總面積的比例由研究時期初的31.67%降至28.33%。而2015年的耕地面積減少得最為明顯，相對于2010年減少了24040 ha，但占總面積的比重均在30%左右。城市迅速發(fā)展的今天，城市擴張劇烈，越來越多的農(nóng)村人口因城市發(fā)展需求，遷移至城鎮(zhèn)，導(dǎo)致部分耕地因此閑置或轉(zhuǎn)為他用。草地、園地面積在1995-2015年間呈現(xiàn)出波動的趨勢，但最終區(qū)域平穩(wěn)狀態(tài)，林地、水域以及沼澤地、未開墾荒地等組成的未利用地所占比例基本上處于一個穩(wěn)態(tài)。

圖3 1995-2015年長沙市建設(shè)用地分布圖

因此，研究區(qū)域內(nèi)土地利用時空變化不要表現(xiàn)為：20年來長沙市建設(shè)用地面積處于持續(xù)增加的狀態(tài)；耕地面積自1995年-2015年間緩慢減少；草地/園地所占面積呈小幅度波動趨勢，但最終歸于平穩(wěn)狀態(tài)；林地面積是占長沙市總面積最大的一種地類，1995-2015年來面積呈小幅度減少的形勢；水域面積只有極小幅度的波動；未利用地所占面積極小，且變化程度最低，只有2005-2010年未利用地面積減少程度很大，其他時間段的未利用地均相差不大。

1.4 研究區(qū)土地利用穩(wěn)定性分析

根據(jù)土地利用變化強度理論公式，計算出每個時間段內(nèi)的土地利用變化強度以及整個研究時間內(nèi)的平均變化強度，比較兩者的大小關(guān)系，從而分析該時間段內(nèi)的土地利用變化的快慢及活躍程度，從而進(jìn)一步討論研究其時間間隔層次的土地利用變化的穩(wěn)定性，例如第一階段土地利用變化強度小于平均變化強度即為變化慢，而后三個階段均大于平均強度即為快，由慢至快，得出總的研究時間段內(nèi)土地利用變化在時間間隔層次是不穩(wěn)定的。

根據(jù)強度分析理論公式計算出S和，S為每個階段的土地利用變化強度，為1995-2015年整個研究時間內(nèi)的土地利用變化的平均強度。計算結(jié)果如表3所示：

表3 1995-2015年長沙市土地利用變化強度數(shù)據(jù)表

Tab.3 Changsha City Land Use Change Intensity Data Table in 1995-2015

由圖4可以看出，每一個階段的變化強度與平均變化強度的大小關(guān)系，從而分析其土地利用變化的快慢及活躍度，結(jié)合四個階段的分析結(jié)果進(jìn)一步研究其變化的穩(wěn)定性。

圖4 St-U對比圖

結(jié)合之前的數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及表3，圖4對長沙市1995-2015年土地利用變化穩(wěn)定性，做出以下分析：

（1）1995-2000年（第一階段）

變化強度遠(yuǎn)小于平均變化強度，可以推斷出該階段土地利用變化較其他階段顯得最不活躍。二十世紀(jì)末期，黨中央針對我國發(fā)展?fàn)顩r對奔小康戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行了新設(shè)定，成為我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的一個新起點。長沙市位于我國中部，城市發(fā)展起步較沿海城市晚，在改革開放后建設(shè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)來帶動城市的發(fā)展，而2000年前還處于為創(chuàng)建品牌、吸引項目的階段，對于經(jīng)濟(jì)的帶動作用還不明顯。由之前的分析可以看出該階段已建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入最為明顯，而其他地類表現(xiàn)的很不活躍，整體呈現(xiàn)出不活躍的狀態(tài)。

（2）2000-2005年（第二階段）

變化強度幾乎與平均強度持平，略高于平均強度，較第一階段變化強度明顯增大，但較其他階段還是表現(xiàn)為較不活躍。2000年，二十一世紀(jì)伊始，也是“十一五”計劃開始實施的一年，“全面建成小康社會”被確定為二十一世紀(jì)前20年的奮斗目標(biāo)。長沙市作為湖南中部重點發(fā)展的城市，長株潭三市一體化進(jìn)一步推進(jìn)，使得長沙市經(jīng)濟(jì)得到了迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化得到了進(jìn)一步推進(jìn)，各地類的變化也更加活躍，但最主要的還是建設(shè)用地，所以從整體上看還是較為不活躍。

（3）2005-2010年（第三階段）

變化強度明顯大于平均強度，土地利用變化較為快速，較第一、第二階段更加活躍，所以整體呈現(xiàn)為較活躍。中部崛起戰(zhàn)略進(jìn)一步推動湖南省的發(fā)展，2006年湖南省對長株潭城市群擴容形成“3+5”格局，此舉措有利于優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有利于城鄉(xiāng)聯(lián)動發(fā)展、推動新農(nóng)村建設(shè)，推動新型城市化的進(jìn)程。城市擴張隨之而來的是建設(shè)用地對其他地類的侵占，該階段各種地類都比上一階段活躍很多。

（4）2010-2015年（第四階段）

變化強度約為平均強度的10倍，與前三個階段相比較，其土地利用變化十分活躍。2010年長沙經(jīng)開區(qū)進(jìn)入了一個新的歷史階段，不論是創(chuàng)新還是發(fā)展都取得了豐碩的成果，帶動了長沙市綜合實力的增強。退耕還林工作進(jìn)一步得到了鞏固，耕地、林地面積變化也因此變得活躍起來。新型城市化建設(shè)的步伐加快，政府不斷加大對于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資金力量投入，基礎(chǔ)設(shè)施的迅速發(fā)展，使得各種土地類型之間的相互轉(zhuǎn)化更加活躍。

綜上所述，1995-2015年這20年間，長沙市土地利用變化強度逐漸加大，2005年后增加趨勢尤為突出，表明第一階段土地利用變化不活躍，第二階段土地利用變化較不活躍，第三階段較活躍，第四階段十分活躍。由于第一階段土地利用變化強度小于平均強度，其余階段均大于平均強度，所以這20年內(nèi)，長沙市土地利用變化在時間間隔層次上表現(xiàn)為不穩(wěn)定。

2 結(jié)論

本文以長沙市作為研究對象，以1995、2000、2005、2010以及2015年共5期遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，對長沙市的土地利用變化進(jìn)行了分類、解譯和研究，運用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用強度分析理論對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：（1）長沙市在1995-2015年間，土地利用類型發(fā)生了巨大變化，集中表現(xiàn)為建設(shè)用地的不斷擴張，增加面積達(dá)59186ha，林地整體呈現(xiàn)緩慢減少趨勢。土地利用類型轉(zhuǎn)換明顯，但整體表現(xiàn)為其他地類轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其他包括林地與耕地之間的相互轉(zhuǎn)換，以及建設(shè)用地少量轉(zhuǎn)為其他地類等。（20研究時間內(nèi)，長沙市土地利用變化強度逐漸增大，1995-2000年土地利用變化很不活躍，2000-2005土地利用變化較不活躍，2005-2010年土地利用變化較活躍，2010-2015年土地利用變化很活躍，總結(jié)得出，在1995-2015年間，長沙市土地利用變化在時間間隔層次上是不穩(wěn)定的。選用了長沙市作為研究區(qū)域，而對于湖南省來說，“長株潭”城市群的存在更為重要，今后可以擴大研究范圍，會更加具備研究價值。

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Land use and Stability Analysis of Changsha City Based on RS/GIS

ZHANG Si-jia

(Institute of land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

The core of land use/cover change (LUCC) model is to study the temporal and spatial pattern of LUCC. And the development of the current model is experiencing the process from single non-spatial model to the fusion of non-spatial model and spatial model. However, most models only focus on spatial change mechanism, ignoring the time variation mechanism of LUCC model. In this paper, some land-use data maps of 1995, 2000, 2005 and 2010 of Changsha, as well as remote sensing image of Landset 8 in 2015 are used, then the final land-use map is obtained by combining supervised classification with manual interpretation. Then the 5 period of land use map sare superimposed and analyzed to obtain the change data of land use types, then the land use transfer matrix is established for analyzing the situation and the trend of change of land use in Changsha. At the same time, this paper also makes use of the change intensity of land use to analyze the change speed of land use on level of time interval in Changsha, getting the stability index of land use in the process of time change. The final conclusion shows that: the speed of land use change in Changsha is lower from1995 to 2005.While, the speed of land use change was accelerated and it was unstable as for time interval in the past ten years from 2005 to 2015, which suggested that Changsha entered the rapid development stage, and the type conversion of land use speeded up.

Land use/cover change (LUCC); Spatial change; Land use transfer matrix stability analysis

TP753

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.026

張思佳，學(xué)士，主要研究土地利用規(guī)劃。

本文著錄格式：張思佳. 基于RS/GIS的長沙市土地利用和穩(wěn)定性分析[J]. 軟件，2018，39（7）：124-129