基于遥感和GIS 的郑州市区土地利用时空变化研究

李亚丽 秦耀辰

(1.河南大学环境与规划学院，河南开封 475001;2.华北水利水电学院资源与环境学院，河南郑州 450011)

0 引言

城市是人类的聚集地，人类活动加剧了城市的土地利用变化。随着经济的发展，土地利用与覆盖的变化在快速发展的东亚地区具有一定的典型性和代表性，在全球变化研究中占有重要位置［1］。城市土地利用变化是一种非线性动力学过程，具有复杂的自组织、自适应现象。分析研究城市土地利用的变化对于模拟和评价城市演变，掌握人类活动在城市演变中的作用机制，提高土地利用规划的精度具有重要意义。

参数构造法充分利用了GIS技术来构造一些简单的参数，用于刻画土地利用特征以及变化特征［2］。本文以郑州市区为研究区，借助参数构造法对1995年、2002年和2009年三期遥感影像进行解译处理，从而得到较为清楚的土地利用变化信息(陈文波，2007)，从土地利用的构成、变化幅度、变化速度、转变流向及转变分布对郑州市区的土地利用变化进行了分析，获得了近14年来郑州市区的土地利用变化规律，为郑州市区的土地利用规划提供了一定的决策依据。

1 研究区概况

郑州市是河南省的行政中心，地处河南省中部，位于黄河的南岸，空间位置为东经 112°42′～114°14′，北纬 34°16′～ 34°58′。郑州市总面积7 446 km2，辖中原区、二七区、管城区、金水区、惠济区、上街区和荥阳市、巩义市、登封市、新密市、新郑市、中牟县共六区五市一县。交通发达，处于我国陆上交通的咽喉要地，是东西南北物资流通、人员流动的重要通道。是中原城市群的核心，在我国经济建设中具有承东启西、南北襟带的作用，在全国经济和物资交流中具有重要的战略地位。郑州市是重要的内陆城市之一，位列中原第二大城市，是河南省的经济中心。作为研究区的郑州市辖区，东经 113°26′38″～ 113°51′35″，北纬 34°35′55″～34°57′51″。包括中原区、二七区、管城区、金水区、惠济区五区。

2 数据来源与预处理

2.1 数据来源

数据采用的是遥感卫星影像是美国Landsat系列卫星获取的影像产品，共采集了1995年、2002年和2009年三期 TM影像。1995年的遥感影像数据来自美国的马里兰大学网站(http://glcf.umiacs.umd.edu)，2002年和2009年的数据则来自于中科院地理资源所地球系统科学信息共享中心，三个时期的遥感影像空间分辨率均为30 m。

2.2 数据预处理

采用ERDAS IMAGINE 8.6和 ArcGIS 10对1995年、2002年和2009年三期遥感影像进行了预处理。以2002年郑州市TM遥感影像为参考，通过选取控制点将1995年和2009年的投影校正为WGS_1984_UTM_Zone 49。遥感影像分类的方法很多，各有其适用性和优缺点，对于不同的地域特征、不同时相会有不同的分类精度［3］。本文采用监督分类法基于最大似然原理对裁剪后的图像进行分类，在三期图像基本解译完成后进行了聚类分析、去除分析，提高了分类精度。

3 土地利用变化的时空格局

3.1 土地利用的构成与变化幅度

从遥感影像分类图中提取1995年～2009年郑州市各类型用地的面积，求出末期各类型土地利用面积与初期土地面积的差值，即可得到土地利用变化幅度，结果如表1所示。从表中可以看出，1995年～2009年期间各种土地利用类型的面积都发生了变化，其中，建设用地的面积变化值最大，其次是农用地，但是前者的面积是不断增大，而后者则不断减少，除此之外，水体和其他用地的面积变化也比较大，相对来说水体的减少更明显。如果以7年为一阶段将全期分为1995年～2002年和2002年～2009年两个时段进行分析，会发现建设用地的变化率在2002年～2009年间明显比1995年～2002年间高，这与郑州市在2004年开始规划建设郑东新区的现实情形是吻合的。并且由于郑东新区本属于郊区，所以分布大量农田和水体，这直接导致农用地和水体的大量流失。

表1 1995年～2009年郑州市土地利用类型面积变化表 hm2

3.2 土地利用动态度

土地利用动态度是描述区域土地变化的速度及预测未来土地利用变化趋势的常用指标。单一类型的土地利用动态度表示单位时间内某一土地利用类型面积的变化程度［4］，其公式为:

其中，Ua，Ub分别为研究初期和研究末期某一土地利用类型的数量;T为研究时段，T的时段设定为年时，K值反映该时段内某种土地利用类型数量的年变化率，如表2所示。

表2 单一土地利用类型动态度指数表 %

单一土地利用类型动态度指数常用来反映土地利用类型变化的速度，速度高表明该种土地类型变化速度快，但这种类型不一定是变化的主要类型。从表2可以看出，郑州市1995年～2009年期间，各类土地利用类型中建设用地的变化速度最高，其次是水域和其他用地，农用地的速度最低。这是由于自1995年以来随着郑州市经济高速发展，作为城市化中心的市区不得不将越来越多土地资源转为建设用地，而在国家对耕地的严控和市政府要把郑州建为绿城的政策控制下，农用地面积虽然总体上也在减少，但速度却是受限制的。相反，水体和其他用地则基本是自然发展的。

3.3 土地利用转移流向和分布

单纯用任何一种度量方式都不足以完全说明土地利用的变化，近年来更多的学者是采用多种度量方式结合的方法［5］。根据1995年～2009年的土地利用现状变更数据，将不同时期的土地利用图叠合相减，就可以求得该时期内土地类型转化的数据，构造出土地利用转移矩阵。转移矩阵既能够表现研究初期和末期的土地利用结构，还可以反映不同时段内各土地利用类型的转移规律，有助于了解研究初期各类土地的变化方向和研究期末各类土地的来源与构成。

1)转移流向。

利用ERDAS软件得到1995年～2009年转移矩阵和转移矩阵图像，如表3，表4所示。从表3中可以看出，郑州市区1995年～2009年期间的主要土地转移流向为建设用地，其次是农用地。建设用地主要由农用地和其他用地转移得到，其中以农用地为主，这与郑州市的现实情况是相符的。郑州市是河南省经济发展的中心，与此相伴，它也成为城市化的中心，商业集聚、人口集聚等效应在此表现的非常集中，并且河南省又是人口大省，因此，郑州市对建设用地的需求度特别高。目前在郑州的现有土地资源中，能够符合需求的土地大多属于农用地、林地、草地等等，所以建设用地的来源绝大多数是农用地。其他用地如盐碱地等也被改造为建设用地。除了转为建设用地外，其他用地还被大量的改造为农用地。自1997年国家提倡封山禁牧、退耕还林后，绿城郑州一直以创建森林城市，提高市民生活质量作为生态建设的目标。先后在黄河大堤周围和公路、河曲修建多道绿色屏障和长廊，城市周围也培育了大型的森林组团，这直接导致了农用地的大量增加。

表3 郑州市区1995年～2009年的土地利用转移类型及百分比

在众多的土地利用转移数据中，郑州市市区四种土地利用类型都存在未发生变化的部分，如表4所示。其中，农用地未发生变化的比例最高，其次是建设用地，其他用地和水体的比例比较小，这个结构表明从整体来说郑州市的发展类型符合可持续发展的要求，经济发展与周围自然环境和谐发展，人们赖以生存的自然因素如林地、草地、耕地仍然是城市的主体。从时段分布来看，建设用地的比例逐年增大，而农用地的比例则减小，这也从侧面反映出整个市区建设用地面积逐渐增加的现实状况。

表4 郑州市1995年～2009年土地利用未变化比例

2)转移分布。

农用地转变为建设用地的速度在土地利用转移图体现的非常清楚，在1995年～2002年的转移矩阵图像上，它只分布在建设用地的北边和南边，以条带状为主，仅占图面很小的比例。但是在2002年～2009年间，转移区域明显扩大，向郑州周边扩散，其中，南部和东部的变化较为突出。南部是郑州市二七区所在的位置，由于北部发展受到制约，所以郑州市市区很多的商业区向南部扩展。而东部是郑州市新建成区郑东新区的位置，它的发展俨然是在郑州市对郑东新区的规划推动下进行的;与建设用地相对的是农用地，很明显随着建设用地的增加，农用地逐渐减少;水体转化为农用地和建设用地的面积较大，主要是分布在金水区。说明国家对于城市过度化的控制起到了一定作用。归根结底，这两个时段的强度差异主要源于国务院在2005年提出了抑制房间过快增长的“国八条”［7］，在一定程度上减缓了建设用地的扩展速度。从1995年～2009年来看，郑州市城市建设用地扩展的速度是23.8%，整体上仍属于高速扩张状态［6］。

4 结论与展望

本文采用ERDAS IMAGINE 8.6和ArcGIS 10对TM遥感影像数据进行解译、处理，获得了1995年、2002年和2009年土地利用分类图，然后基于这三期数据来进行土地利用时空变化的分析。主要研究内容和结论为:

1)郑州市区三期遥感图像的结构均呈现农用地占面积最大，其次是建设用地，水体和其他用地的面积较小。在变化幅度方面，建设用地的变化幅度是最大的，其次是农用地。在土地动态度方面，建设用地的变化最快，动态度最大，农用地的动态度则最小，这说明郑州市对于耕地、林地、草地的保护相当有效。

2)郑州市区1985年～2002年土地转移的流向主要为建设用地和农用地，以建设用地为主，且郑州市农用地转变为建设用地的比例是逐年增加的，建设用地向农用地转变的比例则逐渐降低，这与建设用地逐渐扩大的现实情况是一致的。

3)郑州市在1995年～2002年期间农用地转变为建设用地的区域主要分布在已有建设用地的北边和南边，以条带状为主，仅占图面很小的比例。但是，在2002年～2009年间，农用地转变为建设用地的面积明显扩大，向郑州周边扩散，其中，南部和东部的变化较为突出。相应的，农用地逐渐减少;水体转化为农用地和建设用地的面积较大，主要是分布在金水区。

［1］ 李秀彬.全球环境变化研究的核心领域——土地利用/覆盖的国际研究动向［J］.地理学报，1996，51(6):553－557.

［2］ 陈文波，赵小敏.鄱阳湖区土地利用格局特征与安全格局构建研究［M］.北京:中国农业出版社，2007.

［3］ 赵英时.遥感应用分析原理与方法［M］.北京:科学出版社，2003.

［4］ 刘纪远.中国土地利用变化现代过程时空特征的研究——基于卫星遥感数据［J］.第四纪研究，2000，20(3):229－239.

［5］ 丁 菡.中国沿海经济发达地区土地利用变化及其驱动机制与预测模型研究——以浙江省沿海地区为例［D］.杭州:浙江大学，2006.

［6］ 刘盛和，吴传钧，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用扩展模式［J］.地理学报，2000(4):407－416.

［7］ 国务院办公厅.国务院办公厅关于切实稳定住房价格的通知(国办发明电［2005］8号)［EB/OL］.http://www.gov.cn/ztzl/2006－06/30/content_323694.htm.2006，6，30/2013，4，10.