基于RS和GIS的太原市土地利用变化和城市扩展研究

李冰 孙秀恒 董宝磊 刘闯 韩瑞

摘 要：该文以太原市市区及其边缘地区为研究区域，利用Erdas及ArcGIS软件，采用1980、1990、2000及2010年的太原遥感图像数据，结合1∶10万土地利用图研究了太原市土地利用变化类型，并着重分析了市区建筑用地的扩展情况。首先经过诸项处理对遥感图像进行分类，根据分类结果和空间分析工具得出不同时期各个土地利用类型的面积和土地利用转移矩阵，分析建筑用地扩展速度、扩展强度以及扩展的弹性系数。结果表明：截至2010年，所研究区域内主要土地利用类型为耕地、林地、草地、建筑用地，占总面积的98.06%，水体和未利用土地相对很少，仅占1.94%；耕地、林地、草地、未利用土地的面积都有所减少，而水域和建筑用地的面积均有所增加，其中尤以耕地面积的减少和建筑用地面积的增加最为显著，其减少面积和增加面积分别为22.68km2和27.24km2。

关键词：太原市；GIS；RS；土地利用；城市扩展

中图分类号 F301；F299.27 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）18-0005-04

Study on Land Use Change and Urban Expansion in Taiyuan City Based on RS and GIS

Li Bing et al.

（Benxi Meteorological Bureau，Benxi 117000，Chin）

Abstract：In this paper，urban area of Taiyuan City and its fringe areas（excluding the subordinate cities and counties）as the study area，using Erdas and ArcGIS software to Taiyuan in 1980，1990，2000 and 2010 remote sensing image as data sources，combined with 1∶100000 scale land use maps to study land use changes in Taiyuan，and focus on urban area expansion of construction land.First of all，through all these pieces of processing of remote sensing image classification，according to the classification results and spatial analysis tools to calculate the various land use types areas and land-use transfer matrix in different periods，and analyzed the area of construction land expansion speed，strength and expansion of the elastic expansion coefficient.The results showed that：by 2010，in the study area，the major land use type are farmland，woodland，grassland，construction land，98.06% of the total area，but water and unused land is relatively little，only 1.94%；Farmland，woodland，grassland，unused land has been reduced in size，while the area of both of water and construction land has been increased，especially among cultivated land decreased and building land area increased most significantly，reducing area and increasing its area by 22.68km2 and 27.24km2.

Key words：Taiyuan City；GIS；RS；Land use；Urban expansion

1 前言

城市是一个人口、资金、科学技术、信息等高度集中的人工生态系统，随着城市的发展，城市土地利用方式和土地覆盖类型也发生着剧烈的变化。城市变化过程引起土地利用及土地覆盖的剧烈变化，进而影响区域生态环境或全球生态环境，或通过影响区域生态环境以累积方式进一步影响全球生态环境，因此，城市成为地球表层系统中人类行为对自然生态系统作用最频繁和最剧烈的区域，也是使自然生态系统发生变化最为明显的区域，更是自然生态系统较为脆弱的区域之一。城市人口的一切行为都是以城市土地为承载场所，表现为对城市土地的利用方式及其引起的土地覆盖状况的巨大影响作用[1]。

目前国内有关城市土地利用变化的研究主要集中在对城市用地扩展或城市空间扩展的研究，以及城市用地扩展变化的原因和机制的分析等几个方面。如顾朝林利用SPOT卫星遥感资料，在对北京市的土地利用/覆盖变化进行分析的基础上，阐述了北京市近30年来城市化进程的特点[2]。刘盛和等根据北京市l∶10万土地利用现状图，利用GIS技术进行了不同时期的用地变化分析，并提出年均扩展强度指数，对北京市土地利用的扩展模式作了总结[3]。何流等利用南京市不同时期的城建图和城市规划资料以及城市土地利用资料，论述了南京市的城市空间扩展的时空变化特征，并对南京市城市空间扩展的动力机制和存在的问题进行了分析[4]。张镱锂等以地形图、航片为基础，根据实地调查和历史文献相结合的方法，对拉萨市近50年来的城市用地变化进程，以及由此产生的生态和环境问题[5]。对于城市土地利用分类和变化研究方面，史培军等[6]在对深圳市土地利用变化机制进行分析时，曾参照Andersen的分类体系，对不同时期的土地利用变化的转移矩阵进行了分析，得出了其变化特征，分析了深圳土地利用变化的驱动力机制。

本文基于RS和GIS技术来研究了太原市土地利用状况和城镇建设用地的时空扩展过程、特征及规律，同时结合太原市社会经济统计数据对太原市城镇建设用地扩展进行了分析和综合评估，以期为城镇建设规划等部门提供相应的宏观管理信息，指导土地利用的合理保护和开发，促进太原城市的可持续发展。

2 研究方法

2.1 研究区域概况 太原位于山西省境中央，太原盆地的北端，华北地区黄河流域中部，西、北、东三面环山，中、南部为河谷平原，全市整个地形北高南低呈簸箕形。地处南北同蒲和石太铁路线的交汇处[7-8]。海拔最高点为2 670m，最低点为760m，平均海拔约800m，地理坐标为111°30′～113°09′E，37°27′～38°25′N。区域轮廓呈蝙蝠形，东西横距约144km，南北纵约107km。黄河的第二大支流——汾河，自北向南横贯太原市全境，流经境内约100km。太原市属温带季风性气候，冬无严寒，夏无酷暑，昼夜温差较大，无霜期较长，日照充足。年平均降雨量456mm，年平均气温9.5℃，1月份最冷，平均气温6.8℃，7月份最热，平均气温23.5℃。全年日照时数

2 808h。本文所研究的区域为太原市市区及其边缘地区（不包括下属市县）。

2.2 数据来源及处理平台

2.2.1 数据来源 本文以太原市市区及其边缘地区为研究区域，探讨1980年、1990年、2000年、2010年间的太原市城市扩展遥感动态监测。本研究所用到的遥感影像如图1所示，用到的辅助数据有1995年和2000年的1∶10万的土地利用图、太原市行政界线图层、山西省太原市卫星地图（Google Earth提供）。

2.2.2 处理平台 本研究所使用的软件平台为美国ERDAS公司开发的Erdas Imagine 9.1专业遥感图像处理与地理信息系统软件和美国ESRI公司开发的ArcGIS 9.0地理信息系统软件。

2.3 研究过程 配准与校正各种图件资料，进行研究区范围裁切，确定遥感解译标志，依照原有1∶10万土地利用图，结合Google Earth细致地观察太原市区及其交错带的土地覆盖状况，在ArcMap支持下以原有1995年和2000年太原市土地利用图为依据，用目视解译法对四期遥感数据进行遥感图像解译，并输入、修改属性代码，解译结果在ArcInfo中进行编辑处理等一系列操作后，可获得不同时期的土地利用图；利用ArcMap平台的Spatial Analysist模块中的Tabulate模块将1980、1990、2000、2010年四期的矢量格式的土地利用数据进行空间叠加分析，求出1980—2010年的30年间土地利用类型的转移矩阵，从而分析太原市土地利用变化的过程。

2.4 遥感影像预处理 本研究对于遥感影像的预处理主要在Erdas Imagine 9.1专业遥感图像处理系统中完成的，经过以上预处理过程得到如图1所示四期的4、3、2波段假彩色合成遥感影像。

2.5 遥感影像的解译 目视判读的优点是可以充分利用判读人员的知识，擅长提取空间相关信息，但是花费时间，并存在个人差异；计算机解译时间短，有重复性，可以提取出物理量及指标，但难以利用人的知识，不擅长提取空间相关信息。鉴于太原市区和太原城市边缘地区的特殊情况，故在本论文中采用人机交互的解译方法。

3 结果与分析

3.1 研究区域不同时期土地覆盖状况分析 按照本论文的技术路线和研究方法，在ArcMap支持下用人机交互的解译方法，先后经过数字化，建立多边形拓扑关系来消除一斑多码、图斑漏码、邻斑同码，最后重新建立多边形拓扑关系，得到1980、1990、2000、2010年四期的土地利用矢量图（如图2），并经过相关运算得到的四期各土地利用类型的面积（见表1）。

本文研究区域的总面积为1 358.65km2。根据遥感图像的解译结果（表1和图3），所研究区域内主要土地利用类型为耕地、林地、草地、建筑用地，而水体和未利用土地相对很少，截至2010年，前四者占总面积的98.06%，后两者仅占总面积的1.94%。耕地主要分布在研究区域的南部和北部，沿着汾河两侧分布于河谷平原之上，其中南部耕地相对多于北部；林地和草地主要分布在研究区域东、西两侧，河谷平原上也有很少一部分林地和草地分布；水域主要是由黄河的第二大支流——汾河和华北最大人工湖——晋阳湖两部分构成，汾河自北向南横贯太原市全境，晋阳湖位于太原市南端金胜镇内；建筑用地主要围绕太原市市区向外扩展成近椭圆形分布；面积很少的未利用土地主要分布在研究区域的北部，汾河两侧（图3）。

结合表1、表2和表3可以看出，2010年本研究区域内，耕地面积为489.90km2，占研究区域总面积的36.06%；林地面积为286.06km2，占总面积的21.05%；草地面积210.44km2，占总面积的15.49%；水域（河流水面和湖泊水面）面积为26.12km2，占总面积的1.92%；建筑用地面积为345.96km2，占总面积的25.46%；未利用土地面积为0.16km2，占总面积的0.01%。

耕地、林地、草地、未利用土地的面积都有所减少，面积减少程度由高到低依次是耕地、草地、未利用土地、林地，其中耕地面积减少的最为剧烈，1980—2010年的30年间减少了22.68km2，年均递减0.76km2；从纵向来看，1990—2000年耕地面积减少的程度比其他3个时段都剧烈，10年间耕地面积减少了16.49km2，年均递减1.65km2，占耕地30年间总递减面积的72.71%，可以说耕地面积的减少主要是在1990—2000年间发生的。

水域和建筑用地的面积均有所增加，其中建筑用地面积增加幅度最大，1980—2010年的30年间共增加了27.24km2，年均递增0.91km2，而水域面积的增加屈指可数，基本上处于相对平稳的状态，1980—2010年的30年间仅增加了0.01km2；从纵向来看，1990—2000年建筑用地面积的增加程度相对其他3个时段最为剧烈，10年间建筑用地面积增加了17.28km2，年均递增1.73km2，占建筑用地30年间总递增面积的63.44%，而水域面积则是呈现波动式的微弱增加，依目前看来有减少的趋势（表3）。

从横向来看，耕地、林地、草地、未利用土地面积的减少，正是由于水域和建筑用地面积的增加所导致的。1980—2010年的30年间水域和建筑用地共增加了27.25km2，主要增加来源占用了大量的耕地，30年间耕地减少的面积占这两者增加的面积的83.23%。

3.2 研究区域不同时期的土地利用转化分析 利用ArcMap平台的Spatial Analysist模块中的Tabulate模块将1980、1990、2000、2010年四期的矢量格式的土地利用数据进行空间叠加分析，求出1980—2010年的30年间土地利用类型的转移矩阵列于表4。

表4是研究区1980—2010年的30年间土地利用类型转移矩阵，从表4可以看出，研究区域中有0.29km2的水域和1.81km2的建筑用地转化为了耕地；转化为林地最多的是耕地0.59km2，其次为建筑用地，为0.08km2；转化为草地面积的只有未利用土地，为0.21km2；转化为水域的只有耕地，转化了0.35km2；转化为建设用地最多的是耕地24.41km2，其次为林地、草地、未利用土地，分别为2.16km2、1.84km2、0.77km2；未利用土地只是减少，没有向其他类型的土地转化。

4 结论

本文以太原市市区及其边缘地区为研究区域，基于GIS技术和遥感影像数据，探讨了1980年、1990年、2000年、2010年间的太原市城市扩展遥感动态监测，进行了历史状况重建和监测，结果表明：本文研究区域的总面积为1 358.65km2。根据遥感图像的解译结果，所研究区域内主要土地利用类型为耕地、林地、草地、建筑用地，水体和未利用土地相对很少。此外，本研究从数量变化、类型变化、空间格局3个方面分析研究了太原市土地利用动态变化的过程，结果表明：太原市耕地、林地、草地、未利用土地的面积不断减少，建筑用地面积不断增加，水域面积趋于平稳，耕地不断被建筑用地侵占，且不同时期土地类型之间转化的空间分布又有自身的特点，其中尤其以1990—2000年最为明显，10年间耕地面积减少了16.49km2，年均递减1.65km2，占耕地30年间总递减面积的72.71%；10年间建筑用地面积增加了17.28km2，年均递增1.73km2，占建筑用地30年间总递增面积的63.44%。

参考文献

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