基于TM与OLI影像的石家庄市土地利用变化分析

底凯，许中旗

(河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

基于TM与OLI影像的石家庄市土地利用变化分析

底凯，许中旗

(河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

为了了解近年来石家庄土地利用变化趋势，基于Landsat TM/OLI影像数据，运用ENVI空间分析与土地利用动态度模型对石家庄1987-2015年的土地利用时空变化特征进行了分析。结果表明，高密度建筑用地面积从1987年的24.51 km2扩张到2015年的168.44 km2，低密度建筑用地面积从92.22 km2减少到86.93 km2，绿地面积从250.78 km2下降到111.29 km2；各土地类型变化差异显著，石家庄单一土地利用动态度在-4%～14%之间，各时间段综合土地利用动态度分别为0.16%、0.32%和0.38%；人口增加、经济增长和人民生活水平提高是导致石家庄土地利用变化的主要原因。

土地利用/覆盖；Landsat TM/OLI；遥感；驱动力；石家庄

土地利用变化是在一定时间和空间范围内自然过程和人类活动共同驱动的结果[1-3]。自然过程驱动主要表现为生物、物理驱动，而人类活动驱动则主要表现为社会经济、城镇化、人口规模、政策制度等因子的影响[4-5]。土地利用变化是各种驱动力作用下土地利用目的与利用方式的改变[6-7]。这种变化多是由经济和人口变化引起的。在过去的30 a中，我国经历了一个经济快速发展时期，经济结构也发生了剧烈的变化，这也促使土地利用面临更加深刻的变化。城区周边往往是变化最为剧烈的区域。城市化的快速发展使城市建成区周边地区土地利用发生着急剧变化，因此，城区土地利用变化一直是人们研究的重要内容[8]。了解城区土地利用变化对于一个地区的土地利用规划及城市的有序发展具有重要意义。为此，拟以1987年、1995年、2005年和2015年的4期影像数据为基础，对石家庄市土地利用的时空变化特征进行分析，旨在了解过去28 a中石家庄的土地利用变化规律，为该地区的土地利用规划及城市化发展提供科学依据。

1 研究区概况

石家庄市区地处河北省中南部，面积367.82 km2(仅含2014年9月区划调整前，不含井陉矿区的城区5区)。城区北临滹沱河，西临太行山，地势西北高、东南低，海拔高度一般在60～90 m。该区属于温带季风气候，四季分明，雨量集中于夏秋季节，年降水量为401.1～752.0 mm。

2 研究方法

2.1土地使用类型划分

由于遥感影像存在同物异谱、同谱异物和混合像元等现象，使得基于光谱值统计的分类方法会出现误分、错分现象[9]，因此，需要对结果进行二次处理。

参考《民用建筑设计通则(GB 50352-2005)》的层数、楼高分类和《土地利用现状分类标准(GB-T 21010-2007)》的二级分类[10-11]，结合遥感影像特性与本研究实际，将土地利用类型划分为4类：高密度建筑，4层及以上或高于24 m的建筑；绿地，地表覆盖植物的区域；水域，地表被覆着水的区域；低密度建筑，1层至3层或低于24 m的建筑与道路。

2.2 卫星影像采集及处理

采用2010年左右比例尺为1∶440 000的石家庄行政区划图，采用的4期卫星影像分别是1987年7月1日、1995年7月5日、2005年6月14日的Landsat TM影像，云量0，分辨率30 m；2015年7月12日Landsat OLI，云量5，分辨率30 m。

运用ENVI 5.2对卫星影像进行几何校正、ROI裁剪、基于影像的不规则裁剪、监督分类，得出各类型土地面积和动态监测统计结果。

2.3 土地利用动态度的计算

2.3.1 单一土地利用动态度的计算 单一土地利用类型动态度是指某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为:

式(1)中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长。当T的时段设定为年时，K为该研究区某种土地利用类型年变化率。

2.3.2 综合土地利用动态度的计算 综合土地利用动态度反映的是研究区内一定时间范围内土地利用数量总体变化情况，其表达式为

式中：LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；ΔLUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为监测时段长度。当T的时段设定为年时，LC的值就是该研究区土地利用年变化率[12]。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化

1987-2015年石家庄土地利用时空变化见表1。

表1 1987-2015年石家庄土地利用时空变化Table 1 The data of land-use space-time change in Shijiazhuang (1987-2015)

由表1可以看出，在1987—2015年的28 a间，石家庄市的高密度建筑面积急剧增加。1987年，高密度建筑面积为24.51 km2，仅占总面积的6.66%，到2015年，高密度建筑面积扩展到168.44 km2，占总面积比例增加到45.79%。低密度建筑面积总体呈减小趋势。1987年，低密度建筑面积为92.22 km2，占总面积的25.07%；2005年低密度建筑面积缩小到78.86 km2，所占比例下降到21.44%；2005-2015年，低密度建筑面积由78.86 km2增加到86.93 km2，所占比例增加到23.63%。从城市建成区角度看，2005年低密度建筑和高密度建筑面积之和首次超过绿地，共占总体的52.63%。整个市区从土地面积上已进入城镇化。同时期，绿地面积则明显缩小。1987年，石家庄的绿地面积为250.78 km2，所占比例达68.18%，到2015年，绿地面积缩小到111.29 km2，所占比例下降到30.26%。石家庄市区没有河流穿过城区，水域几乎全是北部滹沱河景观蓄水所形成，尽管面积和比重稳步上升，但是到2015年也只有1.16 km2，占总体比例为0.32%。

3.2 土地利用的转化

不同时间段土地利用转化情况见表2、表3、表4。

表2 1987-1995年石家庄土地利用转移矩阵Table 2 Land-use changing matrix of Shijiazhuang (1987-1995) km2

表3 1995-2005年石家庄土地利用转移矩阵Table 3 Land-use changing matrix of Shijiazhuang (1995-2005) km2

表4 2005-2015年石家庄土地利用转移矩阵Table 4 Land-use changing matrix of Shijiazhuang (2005-2015) km2

比较表2、表3、表4的数据可以发现，1987-1995年，石家庄城区高密度建筑与低密度建筑的变化量较大。高密度建筑面积的增大多是低密度建筑面积所转化的，为25.16 km2，占转化至高密度建筑变化总面积的95.16%。低密度建筑面积的变化多是由绿地转化而来的，为23.24 km2，占转化至低密度建筑变化总面积的98.60%。

1995-2005年石家庄城市化处于快速发展阶段。城市聚集效应明显，高密度建筑变化面积达73.56 km2，同样主要是来自于低密度建筑面积的转化，达56.46%，其次是绿地，占43.04%。低密度建筑的变化面积达36.60 km2，有30.15 km2自绿地转化而来，占82.38%。

2005-2015年，高密度建筑的面积最大，其次是低密度建筑，分别有70.51 km2和52.83 km2，2种变化面积之和占4种土地类型总变化面积的89.23%。

从3组数据综合来看，按照面积增减量由大到小排序依次为绿地、高密度建筑、低密度建筑、水域。高密度建筑和低密度建筑多来自绿地的转换，此为城市建设向周边农田扩张的结果；其次，高密度建筑的土地多是由低密度建筑转换而来，这是土地利用集约化的表现。

3.3土地利用动态度

土地利用变化速度定量描述了区域土地利用变化的速度，单一动态度可解释某个地类在研究期内平均变化速度的快慢。1987-2015年单一土地利用类型动态度与综合土地利用动态度如表5和表6所示。

表5 1987-2015年单一土地利用类型动态度Table 5 Single land-use dynamic change of Shijiazhuang (1987-1995) %

表6 1987-2015年综合土地利用动态度Table 6 Multiple Land-use dynamic change of Shijiazhuang (1987-1995) %

表5、表6数据表明，石家庄各类型土地利用动态度在-3.55%～13.50%之间，高密度建筑和水域始终保持正值，绿地为负值，说明高密度建筑及水域的面积一直呈逐渐增加的趋势，而绿地则是一直呈逐渐下降的趋势。综合土地利用动态度则反映所有土地类型之间的变化关系，在1987-1995年、1995-2005年、2005-2015年3个时间段内，其综合土地利用动态度分别为0.16%、0.32%和0.38%，说明石家庄整体土地利用变化在增速，地表被覆物变化速率越来越快。

3.4 土地利用变化驱动力分析

土地利用变化是一个复杂的过程，受到多种因素的影响和制约，总体来说包括自然因素和社会经济因素。随着人类社会的发展，尤其对于人口密集、经济活动高度聚集的城市建成区域来讲，社会经济因素成为引起高密度建筑土地利用变化的主要驱动力[13-17]。

1987-2015年石家庄GDP与人口的变化如表7所示。

表7 1987-2015年石家庄GDP与人口Table 7 GDP and population of Shijiazhuang

由表7可知，从1995到2015年，石家庄的GDP呈快速增长的趋势，由60.99亿元上升到1 230.40亿元，20 a间石家庄经济规模增长了近20倍。GDP的增长带动了石家庄城市的扩展，城区面积呈明显的增加趋势。

石家庄的建筑面积和高密度建筑面积与人口的关系见图1和图2。

图1 建筑面积与人口的关系

Fig.1 The relationship between construction area and population

图2 高密度建筑面积与人口的关系

Fig.2 The Relationship between high density building area and population

由图1和图2可以看出，石家庄市建筑用地面积及高密度建筑占地面积与人口的增长呈明显的正相关关系。石家庄人口数量从1987年的110.60万人猛增到2015年的314.07万人，是原来的2.84倍。市区人口的增加使高密度建筑规模不断扩大，城市建设力度不断加大。1980年，石家庄城市居民人均建筑面积仅为7.53 m2，居住面积严重不足；到2007年末市区实际居民人均建筑面积已经达到29.29 m2，比1980年增长了2.9倍[17]。

4 结论

以4个时期的卫星影像对石家庄的土地利用进行分析发现，从1987到2015年的28 a间，石家庄土地利用变化的明显特征是建筑用地面积明显增加，而绿地面积明显下降。高密度建筑用地面积由24.51 km2增加到168.44 km2；绿地面积由250.78 km2下降到111.29 km2。高密度建筑用地主要由绿地和低密度建筑用地转化而来。

石家庄高密度建筑及水域的单一土地利用动态度较高，且为正值，而绿地为负值。综合土地利用动态度在3个时间段内分别为0.16%、0.32%和0.38%，呈上升趋势。

人口数量的增加和GDP的增长是石家庄市土地利用变化，尤其是建筑面积增加和绿地减少的主要驱动力。

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(编辑 潘秀华)

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《河北林果研究》编辑部

A study on land-use change of Shijiazhuang city based on landsat TM/OLI

DI Kai，XU Zhongqi

(CollegeofForestry,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071000,China)

For understanding land-use changes in Shijiazhuang, the temporal-spatial changes of land use in Shijiazhuang was analyzed based on landsat TM/OLI image, using Envi space and land-use dynamic change model as the method. The result shows that the land of high building density area expanded from 24.51 km2to 168.44 km2from 1987 to 2015, the land of low building density area reduced from 92.22 km2to 86.93 km2, and the greenland area reduced from 250.78 km2to 111.29 km2at the same time. All kinds of land-use dynamic change were significant. The single land-use dynamic change of Shijiazhuang was kept between-4% and 14%, and the multiple land-use dynamic changes during each time period were 0.16%，0.32% and 0.38% respectively.The population increase, economic growth and the improvement of living conditions play important roles in the land-use change of Shijiazhuang.

land use/cover; landsat TM/OLI; remote sense; driving force; Shijiazhuang

1007-4961(2017)01-0022-06

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0005

2016-11-20；

2016-12-25

河北省人力资源和社会保障厅“河北省区域生态资源现状分析与评价”(B2014010001)。

底凯(1990-)，男，河北石家庄人，在读硕士研究生，主要研究方向：森林生态学。

许中旗(1971-)，男，河北饶阳人，博士，教授，主要从事有关森林生态学研究。

F 301.24

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