面向對象的太原市小店區土地利用分類

郭文怡，任 宏，曹艷艷

(1.青海師范大學 地理科學學院，青海 西寧 810000；2.山西財經大學 資源環境學院，山西 太原 030000)

隨著中國社會經濟的快速發展及城市化進程的加快，人類活動對土地利用/覆被變化的影響深遠而顯著，影響我國“雙碳”目標的實現。小店區是太原市“南移西進、擴容提質”城市發展戰略的主要擴張區域，有必要深入分析改革開放以來太原市小店區土地利用的空間格局及存在的問題，從而為小店區的土地可持續利用提供一定的理論支撐。

20世紀70年代，Ketting R L和Landgrebe D A提出了基于地物影像同質性來進行分類提取的ECHO分割算法(Extraction and Classification of Homogenous Objects)[1]。Ursula C. Benz等利用世界上第一個面向對象的影像解譯軟件eCognition對遙感影像進行解譯，并采用模糊專家法來對研究結果進行分析[2]。Soe W. Myint等在對亞利桑那州鳳凰城進行城市土地利用覆蓋信息提取中，進行了傳統的基于像素分類方法和面向對象的分類方法的比較實驗，結果表明面向對象分類結果的精度更高[3]。隨著我國城市化進程的加快，學者們將焦點放在大規模的土地利用/覆被變化及驅動機制研究上，面向對象的影像解譯技術的優勢得以發揮。例如對北京市[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、穩定性、景觀格局及驅動機制的研究。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和面向對象分類方法，對太原市小店區土地利用方式進行分類研究，找出其土地利用中存在的問題，提出應該如何提高土地利用的效率，來緩解人地矛盾及城鄉一體化進程中面臨的問題。

1 研究數據及方法

1.1 研究區概況

小店區位于112°24′E～112°43′E，37°36′N～37°49′N之間，是山西省省會太原市的下轄區，共含7個街道、1個鎮和2個鄉，總面積295 km2。東部是晉中市榆次區，南部是清徐縣，西部與晉源區隔一條汾河，最北部是迎澤區，隨著太原市“南移西進、擴容提質”城市發展戰略的提出，小店區成為其主要擴張區域。第七次人口普查數據顯示，全區常住人口1 357 242人，比第六次人口普查增長了68.70%。

1.2 數據及處理

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

1.3 研究方法

本文采用的面向對象的影像分類方法，在對地物影像進行分析時，不再以一個像元為最小單位，而是以一個對象為最小單位來進行分析，它把目標對象所包含的形狀、紋理、光譜以及空間組合等信息放到不同的分類器中，同時也可以將已有的GIS數據放入分類器之中，大大提高了分類的精度。所以在對高分辨率遙感影像解譯中，相對于傳統的基于像素的分類方法，面向對象的影像分類技術可以很好地避免“椒鹽現象”的產生。

2 土地分類提取結果及精度評價

2.1 提取結果

通過ENVI 5.3軟件平臺對小店區進行面向對象的分類時，首先采用常見的Edge影像分割算法和Full Lambda Schedule合并算法來對圖像進行處理。Edge算法可以根據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象的邊界，實現影像分割。經過多次實驗，發現采用分割閾值50，合并閾值90，紋理核大小默認為3時，建設用地、耕地等土地類型能夠出現相鄰的多邊形，對其分割較為完整，是本次研究的最佳分割尺度。接著基于樣本進行影像分類，通過利用訓練樣本數據識別其他位置對象?；跇颖镜姆诸惙椒ㄐ枰x取多個樣本點來對整個影像進行信息的提取，十分方便，但是它的難度就在于對樣本的選擇要求非常高，必須通過實地考察與分割合并后的樣本對照選擇，并根據準確提取出的樣本從而進行分類。影像分割與合并結束之后，對不同地物定義樣本，得到的影像分類結果如圖1所示。

在基于樣本的分類中，通過ENVI軟件中的Class Statistics工具進行分類統計，得到農用地面積占44%，其中耕地面積約占72.73%，林地、園地面積約占27.27%；建設用地約占49%，水體約占5%，未利用土地約占2%。通過對基于規則的分類進行觀察分析，可以得出：①區域土地利用類型以農用地和建設用地為主，但是耕地所占比例未超過35%，耕地資源較為短缺，且水域和生態用地比例很小，不利于資源環境的可持續發展，也不利于居民的居?。虎诔鞘泻娃r村建設用地建設的破碎度是較低的，聚合度較高，說明建設比較集中，土地利用效益較高。

圖1 基于樣本的影像提取結果

2.2 精度評價

對面向對象的影像分類精度評價是利用SVM(支持向量機)分類算法，該算法通過在高維空間中構造線性判別函數對訓練樣本進行分類，可以很好地解決當維數大于樣本數時產生的“維數災難”問題。它在決策時只選擇出一部分的訓練樣本(也就是支持向量機)，大大降低了占用的內存，同時它還可以使用不同的核函數來進行決策。在對小店區面向對象的土地利用分類結果的精度分析中，通過使用SVM算法得到分類結果總體精度達到86%以上，Kappa系數達到0.8，分類結果較好。

3 土地利用中存在的問題及解決對策

3.1 存在的問題

3.1.1 生態用地占土地總面積比例小，土地利用結構不合理。根據《太原市小店區土地利用總體規劃2006—2020年》政府文件，規定城市中建設用地約為62.98%；生態用地包括園地、林地、水域等約占10.12%，其中水域占22.45%；農用地約占33%，其中耕地面積約為63%。但在小店區土地利用結構中，農用地和建設用地所占比例高達93%，而生態用地所占比例只有不到10%，在土地利用結構中所占比例較小。農用地面積占44%，比例較大，且農業用地中耕地所占比例較大，占農用地面積72.73%，城市建設力度不夠。

3.1.2 土地利用的集約程度不高。小店區建設用地面積已經占到土地總面積的49%，其中城鄉建設用地已經占到了建設用地總面積的86.28%，土地開發較為嚴重。但是在農村人口城鎮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，城鎮公共基礎設施建設不完善等問題，嚴重制約了城鎮化的發展。

3.1.3 后備耕地資源不足且整治難度大。耕地數量關系到農民的生產和生活，在研究區內可開發的耕地包括其他草地、裸地等后備資源，只占全區土地總面積的2.25%，耕地的大量減少使得人地矛盾更加突出。全區可利用的后備土地資源面積很小，在現有的發展條件下開發的難度也比較大。在實驗中可以看到小店區各個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雜程度都處于中等水平。一般情況下，土地斑塊的形狀越規則，越有利于生產用地的生產，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展。

3.2 解決對策

3.2.1 制定科學的土地利用總體規劃?？茖W合理的土地利用總體規劃是進行土地資源合理利用的前提。在編制規劃時，要充分利用遙感、GIS等先進的技術手段，及時獲取土地資源信息的變化情況，對土地資源實施控制，確保土地后備資源、建設用地規模等符合要求，實現土地管理的科學化與信息化。加強對規劃審查、批準機構的管理，制定和執行嚴格的土地利用的規劃標準，對所有不符合土地利用總體規劃標準做出及時的修改和調整。

3.2.2 控制土地的無序擴張，切實保護耕地。應充分保護和利用土地后備資源，控制土地的無序擴張，嚴格土地用途的管制，走集約化的用地模式。耕地數量關系到糧食安全問題，要嚴格限制建設用地占用耕地，強化耕地保護責任機制，建立健全基本農田保護制度。保證耕地數量的同時，大力發展科學技術對污染進行治理并推廣機械化在農業中的利用規模，同時，對可耕種的荒草地進行適度的開發利用，加強土地的復墾和治理工作，實現土地資源的可持續利用，從而促進農業的生產經營，保護農業生態環境。

3.2.3 提高土地資源利用效率。通過加大對農業的投資力度，提高農民收入的同時發展技術或進行土地利用結構的調整，提高土地資源的利用率。比如小店區的林地、園地面積較小，我們可以加大對低效林地和園地的整治改造力度，從而提高土地的生產力和土地利用的效益。通過對土地利用進行結構性調整，把農用地、建設用地等各類用地結合起來，加強農業和二、三產業之間的聯系，使得土地能夠獲得更高的經營效益。

3.2.4 在城市化進程中開展“兩舊”改造。①對小店區的城鎮化水平進行合理預測，制定合理的城鎮化策略，使小店區城鎮化粗放發展的局面得到改善；②通過對城鄉基礎設施、社會設施進行統籌安排和調控，使其能夠更好地滿足區域產業發展、城市空間布局和城鎮建設的需要；③在城鎮化進程中，要切實加大城中村和舊城改造力度，進一步消除城鄉二元結構，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 大力保護生態環境資源。嚴格執行城市“三線”控制管理措施，嚴格遵守城市耕地的最低標準。大力發展生態產業，以生態農業、生態林業、生態旅游為開發重點，實現土地資源的循環利用和可持續發展。加強對小店區山林湖草系統的治理工作，嚴格遵守生態保護紅線的范圍并執行相關生態保護的管理制度。

4 結論與討論

4.1 結論

本文以小店區為例，通過利用ENVI軟件對小店區進行面向對象的影像解譯，提取出小店區主要的用地類型并對精度進行分析，得出小區土地利用的現狀及存在的問題，得到以下結論：①在遙感影像的提取過程中，通過基于樣本的分類方法對影像進行分割和分類后得到，小店區農用地面積約占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%，并不符合小店區的土地利用總體規劃相關要求。存在生態用地占土地總面積比例小，土地利用結構不合理，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根據小店區土地利用中存在的問題，提出要制定科學的土地利用總體規劃、嚴格遵守耕地紅線以防止土地的無序擴張、提高土地資源利用效率、在城市化進程中加大“兩舊”改造的力度、大力保護生態環境資源等對策來進行解決。

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，依然會有某些地物被錯分或漏分的狀況出現。另一方面，本文以較為主觀的目視觀察結果對比得出的分割尺度來進行遙感影像的分割，宜在日后的研究中進行改進。