长株潭地区建设用地扩张遥感时空特征分析

易凤佳， 李仁东， 常变蓉， 邱娟

(1.中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077；2.湖北省环境与灾害监测评估重点实验室,武汉 430077；3.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049)

长株潭地区建设用地扩张遥感时空特征分析

易凤佳1,2,3， 李仁东1，2， 常变蓉1,2,3， 邱娟1,2,3

(1.中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077；2.湖北省环境与灾害监测评估重点实验室,武汉 430077；3.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049)

利用遥感、GIS一体化技术，获取长沙、株洲、湘潭3市(长株潭地区)2000年、2005年和2010年3期陆地卫星图像，提取建设用地扩张及其空间分布信息。运用扩张速度指数和强度指数分别对2000—2010年间10 a变化以及2005年为界的前后两个5 a区域建设用地时序特征进行分析；利用优势度指数分析了区域建设用地扩张的空间趋向性。结果表明：长株潭地区建设用地在不同时期都处于增长的趋势，其中前5 a建设用地扩张速度和强度都要明显高于后5 a。2000—2010年间建设用地面积增加约3.94万hm2，前后2个时期的扩张面积分别占增加总量的57.30%和42.70%。对长株潭地区建设用地扩张进行时空特征分析，认为建设用地扩张引起区域内耕地和林地在数量和空间格局上的变化，城区周围9～12 km范围内耕地极易转入建设用地；2个时期河流附近耕地流入建设用地随距离变化而呈现不同特征；前5 a城区周围林地转入建设用地强度大，距离交通用地3 km附近的林地易转入建设用地。

长株潭；建设用地扩张；缓冲区；空间趋向性；时空特征

0 引言

建设用地的扩张是经济发展的必然结果[1]。20世纪90年代以来，我国城乡建设用地扩张显著，尤其是城镇面积的扩展十分明显，较高的人口密度、较好的基础设施水平连同较为平坦的地势，为区域城市化的继续发展奠定了基础[2]。建设用地的空间拓展将日益成为现在及未来几十年中国土地利用变化的主要特征[3]。政策调控和经济驱动是导致建设用地扩张时空差异的主要原因[2]，从研究方法上看，传统的建设用地扩张检测方法有多时相直接分类法、图像差值法、植被指数法、主成分分析法以及定量变化检测法等[4-6]。随着遥感(RS)、地理信息系统技术(GIS)的发展与应用，更加科学高效的变化检测技术和方法也随之产生，如变化向量分析法和马尔科夫随机场模型等。从研究内容来看，主要集中在对我国大中城市扩张的时空特征及其驱动力分析、建设用地与其他土地利用类型间的结构变化、建设用地与经济发展的定量关系以及建设用地扩张的生态效益等研究方面。

本文选择我国中部地区经济发展相对缓慢的非传统热点区域作为研究对象，分析湖南省长沙、株洲、湘潭3市(下文简称长株潭地区)建设用地扩张遥感时空特征，找出近10 a来建设用地扩张的时空规律，具有理论意义和实践意义。

1 研究区概况

研究区位于湖南省东北部(N 26°03′～28°40′，E 111°53′～114°15′)，包括长沙、株洲、湘潭3市。3市沿湘江呈“品”字形分布，其行政界线呈“T”字形，总面积约28.07万hm2，占全省总面积的13.23%；人口1 320.28万人(2007年人口统计)，占全省的19.31%，人均土地面积0.21 hm2。湘江是湖南省流域面积最大的河流，是长江最重要支流之一，由南向北在研究区穿流而过。研究区为湘中丘陵与洞庭湖冲积平原过渡地带，东部以罗霄山为屏障，南部直抵衡山，中西部以丘陵地形为主，土地覆盖类型复杂多样。从社会经济发展角度看，研究区位于我国经济不断崛起的中部地区，是我国中部经济的核心增长区之一，也是全国“两型社会”建设示范区，是湖南省新型工业化与城市化的引导区。随着城市化进程的加剧，区内建设用地面积呈逐步增长态势。开展对这种新型经济综合体建设用地扩张的研究具有现实意义，可为区域经济持续快速发展提供决策支持。

2 数据源与研究方法

2.1 数据源及其处理

选取长株潭地区2000年、2005年和2010年相同或相近时相的Landsat TM卫星图像，空间分辨率为30 m，时间分辨率为16 d，辐射分辨率为256量级，轨道号为(122-124)/(40-42)。收集整理1∶10万比例尺地形图、土地利用分布图作为遥感图像解译辅助资料。用于精度评价的采样点数据来源于中国科学院战略性先导科技项目野外调查数据库。采用基于面向对象的遥感图像地物信息自动提取方法，对经过预处理的图像进行多尺度分割，分层分割获得不同尺度上遥感图像的分割对象。运用最邻近值和隶属度函数的方法构建语义结构，进行地物信息的提取。

以解译后的研究区2010年遥感数据为本底，基于向量相似性度量方法检测不同时期图像的变化对象。在易康软件平台上利用Classification算法完成变化区域分类，对分类后的结果辅以手动修改，以提高变化检测结果的精度。参照生态固碳项目研究中制定的土地覆被分类系统，文中提取的建设用地类型及代码有居住地(51)、工业用地(52)、交通用地(53)以及采矿场(54)。

在Arc/Info软件中分别建立研究区2010年建设用地数据库及2000—2005年、2005—2010年、2000—2010年3期建设用地动态检测数据库。

2.2 研究方法

2.2.1 建设用地的提取

建设用地遥感图像的提取是建设用地扩张遥感时空特征分析的基础。对于地物信息相对复杂的区域，主要是利用模糊隶属度函数分别建立各地类的规则集合进行地类提取，其中所涉及的参数有密度指数、形状指数、单波段信息等，如表1所示。

表1 建设用地提取参数设置Tab.1 Parameter settings of construction land extraction

其中密度指数d(density)为图像对象面积除其半径，半径采用协方差矩阵近似计算；长宽比r(length/width)为协方差矩阵的特征值比值，较大的特征值为分数的分子，它可以近似计算图像对象外接矩阵的长度和宽度；形状指数s(shape)为图像对象的边界长度除其面积的平方根的4倍，用以描述图像对象边界的光滑度，图像对象越破碎，形状指数越大。

2.2.2 建设用地扩张的时空特征分析指标

采用扩张速度指数(expansion specd index,ESI)和扩张强度指数(expansion intensity index,EII)描述建设用地扩张的时空特征。ESI表示建设用地变化的速度和趋势; EII是利用空间单元的面积对扩张速度进行标准化处理，用来衡量单位面积上所能承受的最大强度[7]。ESI和EII值越大，表明扩张趋势越明显，不同时期建设用地面积变化越大，其计算公式为

(1)

(2)

式中：△Aij为建设用地从i时期到j时期变化面积；Ai为第i年建设用地面积；△t为时间跨度，a；S为区域面积。

2.2.3 建设用地扩张空间趋向性分析方法

优势度指数是植物生态学中的重要指标，是对覆盖度或个体数单一数量的测定度。通过借鉴优势度指数，测定区域内建设用地扩张在空间上覆盖对象的个数D，分析建设用地扩张空间趋向性，即

D=Ni/N×100%

(3)

式中:Ni表示各用地类型变化的对象个数；N为区域建设用地对象的个数。

影响度线性模型用于对邻近对象的影响度随距离的增大而呈指数形式衰减，分析主体的辐射范围和影响度，建立周围一定距离的缓冲区，采用影响度指数模型来计算特定土地利用类型的缓冲区，即

(4)

式中:Fi为主体对邻近对象的实际影响度；f0为主体自身的综合规模指数；di为邻近对象离开主体的实际距离；d0为主体对邻近对象的最大影响距离；0≤di/d0≤1。

3 精度评价

精度评价是遥感图像解译工作的重要组成部分。对解译结果进行客观、公正的评估与检验是遥感数据能否高效应用到科学研究和实践工作的关键步骤。精度评价指标主要通过混淆矩阵来分别计算用户精度、生产者精度(制图精度)、总体分类精度以及Kappa系数。精度评价的方式多种多样，本文结合研究区土地资源分布图，利用采样点数据来进行精度评价，利用混淆矩阵对380个随机采样点进行精度评价，建设用地精度评价结果见表2。

由表2可知，本文方法提取的建设用地总体精度达到了86.05%，分类结果达到了中国科学院战略性先导科技专项中对于土地利用类型二级类分类结果的标准。

4 建设用地扩张的时空特征

4.1 建设用地扩张的时序特征

分别以5 a的时间尺度和10 a的时间尺度检测建设用地扩张的时序特征，以2000—2005年间为前期(前5 a)，2005—2010年间为后期(后5 a)。2个时期建设用地扩张面积分别为2.25 万hm2和1.68万 hm2，分别占10 a扩张总量的57.3%和42.7%。前期扩张速度指数和扩张强度指数分别为6.69%和0.04%，后期为2.6%和0.03%。2个时期建设用地面积都处于增长的状态，其中居住地与交通用地扩张面积总和占变化总面积的比重相对较大，分别为92%和95%，建设用地扩张面积主要体现在居住地面积的增加以及交通用地等基础设施用地量的增长。2个时期对比来看，前期建设用地扩张速度和强度变化明显高于后期，即10 a间，研究区建设用地扩张呈减速状态，具体数据见表3。

表3 研究区建设用地扩张速度与强度指数Tab.3 ESI and EII of construction land in study area

单从建设用地扩张速度来看，前5 a建设用地扩张速度工业用地>采矿场>居住地>交通用地。工业用地相对其他地类扩张速度最为明显，ESI为12.39%，前5 a工业用地量呈爆炸式增长；采矿场增速也达到了7.78%。后5 a按建设用地扩张速度排序为工业用地>交通用地>居住地>采矿场。后期各类建设用地增长速度较前期趋于均衡化，扩张速度在2%～3%之间。

2000—2010年间，长株潭地区建设用地扩张面积约为3.94万hm2，约占整个湖南省10 a间建设用地变化的21%，居住地和交通用地变化面积比重大，分别占长株潭地区建设用地扩张总面积的74%和19.88%。工业用地和采矿用地增速明显，居住地和交通用地处于稳定增长的趋势。2000—2005年间建设用地扩张区域见图1; 2005—2010年间建设用地扩张区域见图2。

图1 2000—2005年建设用地扩张区域Fig.1 Area of construction land expansion

图2 2005—2010年建设用地扩张区域Fig.2 Area of construction land expansion

4.2 建设用地扩张空间趋向性

通过建立2000—2010年间建设用地数据库，获得长株潭地区建设用地与其他土地利用类型间的转入转出情况及其空间分布特征，并从中提取主要地类转入建设用地引起扩张的变化类型。根据优势度指数计算可知，2000—2005年间和2005—2010年间2期转入建设用地的土地类型主要为耕地，其次是林地。前期耕地和林地优势度指数分别为49%和40%，后期分别为71%和21%。

4.2.1 耕地向建设用地的转变

耕地向建设用地转变是城市用地不断向郊区扩展，土地利用类型由农用地向工业用地转变的过程。由于我国的城市大都毗连农业区，使得耕地成为我国城镇化建设最重要的土地转变来源。丘陵地区和平原区的地势平坦，交通条件便利，耕地更容易转入建设用地。2000—2005年间，长株潭地区耕地向建设用地转变约1.45 万hm2，约占区域建设用地扩张总面积的64%，占5 a间土地利用变化面积的33%。水田和旱地主要转入居住地，其次是交通用地。

2005—2010年间，耕地向建设用地的转变面积约为1.11万 hm2，比前期类间变化面积有减少，占区域建设用地扩张总面积的46%，占5 a间土地利用变化面积的25%。同前5 a一致，水田和旱地主要转入居住地，其次是交通用地。

耕地向建设用地转变在空间上呈现3种模式: 以老城区为中心呈散射状向外扩展、河流沿线以一定的影响距离扩展及点状新增建设用地均匀散布整个区域。以长株潭地区现有城区空间分布为中心，本文计算了耕地被征用为建设用地的缓冲区范围，以及空间方位上的分布趋势。

为分析老城区对周围耕地的吸收作用，分析变化对象的聚集分布情况，分别以2000和2005年3市老城区的中心点位置为圆心。以3 km为步长建立了6个缓冲区。将缓冲区和2个时期耕地转入建设用地的变化对象进行叠加分析，统计并计算各缓冲区内耕地流失强度指数。图3中显示了2个时期各缓冲区内耕地流入建设用地强度情况。

图3 距城区中心耕地流失强度Fig.3 Land erosion intensity of different

由图3可知，2个时期距城区中心耕地流失强度均呈山峰状变化，而且前5 a区域内耕地流入建设用地强度明显高于后5 a，2期耕地转入建设用地平均强度分别为0.24%和0.12%。在[0,12) km缓冲区范围内，耕地流入建设用地强度随距离变远而不断增大，一方面说明距离城市中心位置的耕地总量小，耕地流转的强度也越小；另一方面建设用地对耕地的吸收作用在一定范围内，随距离增大而不断增大。在[9,12) km缓冲区范围内，2期耕地流失强度指数分别为0.41%和0.23%，强度达到了最大，并出现拐点。在[12,15) km缓冲区内，2期强度都处于减弱状态。在[12,15) km缓冲区内，前期强度减少较明显，强度指数减少约0.06%；后期指数减少幅度很小，处于比较稳定的状态。

河流沿岸一定范围内的耕地类型流入建设用地的情况明显。选取长沙市内的浏阳河、沩水河以及株洲境内的湘江段沿线作为考察对象，仅考虑河流作为变化驱动因素，分析河流沿线变化对象的分布情况。以2 km为步长在河流周围建立4个缓冲区域，统计各缓冲区内耕地流失面积，计算耕地流入建设用地强度指数(图4)。

图4 河流周围耕地流失强度Fig.4 Farmland erosion intensity around the river

由图4可知，2个时期河流周围耕地利用情况发生了巨大的变化，前期耕地转入建设用地强度最大的区域为[0,2) km缓冲区内，达到0.41%; 而后期的最大值落在[6,8) km缓冲区内，耕地流转强度指数为0.25%。从整体强度来看，前期河流附近耕地流入建设用地强度大于后期。结果表明，前5 a在河流附近建设用地扩张随距离的增大逐渐减弱，后5 a却随着距离的增大逐渐增强。一方面显示河流附近的耕地得到了有效保护，另一方面说明10 a间河流附近建设用地扩张范围将进一步加大。

4.2.2 林地向建设用地的转变

林地向建设用地的转变反映了林地退化的逆行演替过程，以及人为活动对森林生态系统的干扰和破坏[8]。长株潭地区前期(2000—2005年间)和后期(2005—2010年间)林地向建设用地转变规模分别为0.75万hm2和0.14万hm2。从数据上来看，国家严格控制林地流转政策得到了有效的响应，砍伐林地、占用林地等不合理的土地使用行为得到了抑制，森林覆盖状况得到了修复。在转出的林地类型中，以常绿针叶林为主，其次是灌木林地，转出林地主要用于居住地和交通用地的建设。前期居住地约占林地转建设用地的73%，交通用地占19%；后期林地转出数量较小，仍然以转入居住地和交通用地为主，2者比例分别为46%和39%。为分析2期林地转建设用地的空间趋向性，将2期林地转建设用地变化数据分别与居住地、交通用地和河流等要素进行叠加分析，直观地分析出林地变化区域主要分布在居住地周围以及交通用地沿线。

对长株潭3市城区进行林地转建设用地的缓冲区分析，以城市中心点为缓冲中心，3 km为步长，在城市周围建立8个缓冲区，将缓冲区和变化图斑进行叠加分析，计算各缓冲区内林地转入建设用地强度指数(图5)。

图5 城区周围林地转入建设用地强度指数Fig.5 Forest loss intensity around the city from forest to construction land

由图5可见，2期林地的变化呈现了截然不同的趋势，前5 a城区附近林地变化波动明显，后5 a城区附近林地几乎没有向建设用地转变，并维持不变，只是在远城区有少量林地转入建设用地中。从整体来看，林地得到了有效的保护，建设用地占用林地的行为得到了抑制。在前5 a中，距离市区中心12 km内，随着与城市中心距离拉大林地转入建设的情况变得逐渐明显；在[9,12) km处，林地变化节奏最为活跃，林地转入建设用地强度为0.22%；在[12,24] km内，林地流入建设用地强度随距离拉大而逐渐变弱。

长株潭地区交通发达，铁路、高速公路、城际干道构成了长株潭地区的交通脉络。为分析交通用地附近林地转入建设用地强度，将2期林地转建设用地图斑和交通用地本底数据进行叠加分析，选取长株潭境内京珠高速、平汝高速、岳临高速和沪昆高速路段作为考察对象，以3 km为步长，在交通用地沿线建立4个缓冲区，计算各缓冲区内林地转入建设用地强度指数(图6)。

图6 公路附近林地转入建设用地强度指数Fig.6 Forest loss intensity around the road from forest to construction land

由图6可知，在距离公路不同缓冲区内林地流失强度呈指数分布。前期林地转入强度高于后期，在距离公路[3,6) km内强度最大，为0.25%；6 km以外，随着距离的增加，林地转入建设用地强度逐渐减弱。后期在距离公路[0,3) km内，林地转入建设用地强度最大，为0.18%，且随着距离的增大转变强度逐渐减弱。

5 结论

1)长株潭地区建设用地面积在2000—2010年间处于持续增长的趋势，建设用地扩张主要体现在居住地面积的增加以及交通用地的增长。10 a间居住地面积增加了2.91万hm2，交通用地面积增长了0.78万hm2，分别占建设用地扩张面积的74%和19.88%。2个时期对比来看，前期(前5 a)建设用地扩张速度和强度明显高于后期(后5 a)。扩张速度最快的为工业用地，前期工业用地扩张速度达到了12.39%，远远高于居住地和交通用地的增速。建设用地中扩张强度最大的为居住地，前期居住地扩张强度为0.12%，后期为0.08%。

2)长株潭地区建设用地的扩张与耕地、林地类型的转变关系密切。2000—2010年间耕地向建设用地转变约2.55万hm2，占区域建设用地扩张总面积的64.72%；林地流入建设用地面积约为0.78 万hm2，占区域建设用地扩张面积的20%。不同时期耕地和林地流失的速度和强度不同，从整体上来看，前期耕地和林地流失速度和强度明显高于后期。

3)城区周围以及河流沿线的耕地极易转入建设用地。在距离城市中心[0,12) km缓冲区范围内，耕地流入建设用地强度随距离变远而不断增大，在[9,12) km缓冲区范围内，强度达到了最大，并出现拐点。河流沿线耕地转入建设用地强度最大的区域为[0,2) km缓冲区内，达到0.41%。

4)城市周围以及交通用地沿线的林地易转入建设用地。在距离城市中心[9,12) km处，林地变化最为活跃，林地转入建设用地强度达到最大。林地转入建设用地与交通布局有着显著的关系，交通线路附近[3,6) km内林地流失强度最为明显，6 km以外，随着距离的拉大，林地转入建设用地强度逐渐减弱。

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(责任编辑：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

国家重大专项“中国科学院战略性先导科技专项”(编号：XDA0505107)资助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.25

易凤佳，李仁东，常变蓉,等.长株潭地区建设用地扩张遥感时空特征分析[J].国土资源遥感,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

易凤佳(1985-)，女，博士研究生，主要从事遥感、GIS应用研究。Email: fengjia06@163.com。

李仁东(1962-)，男，研究员，博士生导师，主要从事遥感应用研究。Email：lrd@asch.whigg.ac.cn。