長沙市城市化過程中土地利用變化研究

李軍　張維

摘 要：基于多期Landsat遙感影像，采用最大似然監督分類方法進行長沙市土地利用分類解譯，利用土地利用類型面積占比、土地利用動態度指標對1994—2018年長沙市土地利用變化進行定量分析。結果表明：研究期間，長沙市土地利用發生了較大變化，建設用地持續增加，2009—2013年增長最為顯著。長沙市土地利用變化和城市化發展水平呈顯著線性相關，快速的城市化發展水平導致建設用地增加，農用地減少。

關鍵詞：土地利用變化;城市化;Landsat;長沙市

中圖分類號：F301.24 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0140-03

The Land Use Cover Change of Changsha in the Process of Urbanization

LI Jun1 ZHANG Wei2

（1. Changsha Land Surveying and Mapping Institute，Changsha Hunan 410000;2.College of Municipal and Mapping Engineering， Hunan City University，Yiyang Hunan 413000）

Abstract： Based on multi-stage Landsat remote sensing images， the maximum likelihood supervised classification method was used to interpret the land use classification of Changsha City， and the land use type area proportion and land use dynamic index are used to make quantitative analysis on the land use change of Changsha City from 1994 to 2018. The results show that： during the study period， the land use in Changsha has changed a lot， and the construction land continues to increase， with the most significant increase from 2009 to 2013. There is a significant linear correlation between land use change and urbanization development level in Changsha. Rapid urbanization development level leads to the increase of construction land and decrease of agricultural land.

Keywords： LUCC;urbanization;Landsat;Changsha city

隨著城鎮化進程不斷加快，我國土地利用發生了巨大變化，實時掌握城市土地利用變化情況，才能為城市土地利用的有效改善和城市空間的合理擴展提供充足依據[1]。Landsat遙感數據以其較高的數據質量、適中的分辨率、免費的數據資源在陸地資源調查和環境監測等方面占據著重要地位[2]。利用多時序Landsat遙感數據可實時、快速獲取大范圍區域土地利用信息，從而為分析土地變化特征提供數據支撐[3]。在城市景觀分析、城市土地利用分析等方面，國內外眾多學者利用多源遙感數據，結合目視解譯、人工神經網絡、最大似然法等分類方法進行了土地利用信息提取[4-6]。本文利用多期Landsat遙感影像，采用計算機解譯方法提取長沙市1994—2018年的土地利用類型信息，分析長沙市土地利用數量結構變化特征，研究城市化進程與土地利用變化的相互關系，為長沙市土地利用調控提供科學依據。

1 研究區域與數據處理

1.1 研究區概況

長沙市位于湖南省東部偏北，湘江下游和長沙盆地西緣（27°51′～28°41′N，111°53′～114°15′E），平均海拔44.9m，西、南、北為山地，東北部是崗地，東南部以丘陵為主。下轄9個區縣，2018年常住人口815.47萬人，地區生產總值11 003.41億元。長沙市分區圖如圖1所示。

1.2 數據與預處理

1.2.1 數據來源。本文采用空間分辨率為30m的Landsat數據，包括用1994、1999、2004、2009年的Landsat5 TM 遙感影像數據和2013、2018年Landsat8 OLI遙感影像數據。輔助數據有長沙市界線圖。

1.2.2 數據預處理。首先通過投影變換將Landsat影像和長沙市界線圖轉換到統一UTM坐標系下。其次對Landsat影像數據進行輻射校正、圖像鑲嵌和圖像裁剪等數據預處理。

2 研究方法

2.1 土地利用分類方法

最大似然監督分類方法是一種常用的遙感影像分類方法。該方法在地面實測資料充足時，可有效避免非監督分類對光譜集群組的重新歸類[6]。本文采用最大似然法進行長沙市土地利用分類信息提取，將研究區土地利用類型分為耕地、林地、水體、建設用地和裸地5類。運用混淆矩陣進行精度評價，各年份的土地利用分類總體精度在85%以上，Kappa系數在0.78以上。

2.2 土地利用變化分析方法

2.2.1 土地利用結構變化。統計各年度各類土地利用類型面積和占比，分析研究期間長沙市各類土地利用類型結構變化。

2.2.2 土地利用速率變化。采取土地利用動態度指標進行土地利用動態變化分析，該指標計算見式（1）。

[Rd=Ub-UaUa×1T×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[Ua]、[Ub]為研究初、末期土地利用類型面積;[T]為研究時間。[Rd]值越大，表示該土地類型變化速率越快;[Rd]>0，表示該土地類型在研究期間增長;[Rd]<0，表示該土地類型在研究期間減少。

2.2.3 土地利用變化和城市化率相關性分析。城市化率即城市化水平，可用來衡量城市發展程度。采用回歸分析方法研究城市化率與土地利用的相互關系，進而揭示城市化進程對土地利用變化的影響。

3 1994—2018年長沙市土地利用變化特征

3.1 土地利用變化

1994—2018年長沙市土地利用類型分布圖（見圖2）顯示，長沙市林地主要分布在東西兩側，耕地和建設用地集中分布在中部。自2004年起，長沙城市化進程明顯加快，城市向外擴張，建設用地面積增加顯著。

長沙市土地利用類型面積占比和變化情況（見圖3）顯示，該地區占比最大的土地利用類型是林地，其次為耕地和建設用地，裸地和水體面積占比較小。林地和耕地面積整體處于下降趨勢，林地面積占比從1994年的52.96%減少到2018年的50.64%;耕地從1994年的34.54%減少到2018年的27.66%。建設用地面積逐年遞增，從1994年的9.06%增長到2018年的19.38%，增長幅度超過兩倍。裸地面積占比呈現先略微增加后減少的趨勢。水體在研究期間變化不明顯，但在后期整體呈現略微減少趨勢。

3.2 土地利用速率變化

從長沙市各類土地利用動態度（見表1）可以看出：林地動態度在1994—1999年期間為正值，1999年以后變為負值，且呈現出減少趨勢;由于研究區水體受季節影響比較大，因此水體動態度變化較大，規律不明顯;建設用地一直處于增長狀態，增長率在2009—2013年期間達到最大，動態度達5.15%;耕地面積在研究期間遞減，但其減少速度逐漸降低，減少率在2013—2018年期間達到最小，僅為-0.47%;裸地變化率是所有用地類型中最大的，其減少率從2004年開始超過10%。

3.3 土地利用變化和城市化發展相關性分析

收集長沙市1994年至2018年的城市化率，通過回歸分析建立一元線性回歸方程（見表2）。

回歸結果顯示，建設用地占總面積比例隨城市化水平的升高而明顯增加，呈現顯著線性正相關。農用地（包括林地、耕地和裸地）占總面積比例隨城市化水平的升高而明顯降低，呈現顯著線性負相關，表明城市化的快速發展直接導致農用地面積的減少。

長沙市城市化水平逐年上升，城市化進程不斷加快，城市人口比重的加重對城市空間提出了更高的要求，城市需要占用周邊其他用地，導致土地利用結構發生變化，建設用地增加，農用地面積減少。

4 結論

本課題利用長沙市多年遙感影像進行了土地利用分類和土地利用變化分析。研究期間，建設用地的面積一直在增長，在2009—2013年增長速率最大。城市化和土地利用變化相關性分析表明，城市化與建設用地顯著正相關，與農用地呈顯著負相關，可見城市化是土地利用頻繁變化的主要因素。

總體來看，國家的某些宏觀調控對土地利用變化盡管已經起到了一定作用，但未來仍需要進一步推進土地改革制度，建立生態補償措施，優化土地利用布局。

參考文獻：

[1]胡瑩潔，孔詳斌，張寶東.30年來北京市土地利用時空變化特征[J].中國農業大學學報，2018（11）：1-14.

[2]徐涵秋，唐菲.新一代Landsat系列衛星：Landsat8遙感影像新增特征及其生態環境意義[J].生態學報，2013（11）：3249-3257.

[3]周國華，賀艷華.長沙城市土地擴張特征及影響因素[J].地理學報，2006（11）：1171-1180.

[4]林目軒，師迎春，陳秧分，等.長沙市區建設用地擴張的時空特征[J].地理研究，2007（2）：265-274.

[5]楊振山，蔡建明，文輝.鄭州市2001～2007年城市擴張過程中城市用地景觀特征分析[J].地理科學，2010（4）：600-605.

[6]王敏，高新華，陳思宇，等.基于Landsat8遙感影像的土地利用分類研究：以四川省紅原縣安曲示范區為例[J].草業科學，2015（5）：694.