基于RS技术的城市土地利用变化研究

容芳芳

(新疆维吾尔自治区第二测绘院, 新疆 乌鲁木齐 830001)

0 引言

人类社会发展是一个不断变化的漫长过程,在这个过程中,主要存在四大矛盾,即资源、人口、粮食和环境矛盾[1],其中资源矛盾主要是资源利用和资源保护矛盾,尤其人类赖以生存的土地资源的利用和保护,对粮食供给和人口生存、环境改善和经济的可持续发展起着至为重要的作用[2]。土地利用类型主要是指土地利用方式相同的土地资源单元,其实质是将土地的用途、性质、分布进行综合体现[3]。

随着全球人口数量的持续递增,土地资源的过度开发利用,工业化城镇化的快速发展,土地资源短缺,人类赖以生存生活的环境受到了极为严重的威胁[4]。在一定的区域内,为使土地资源的利用达到最佳生态效益和经济效益,对土地利用结构进行优化升级,从而实现土地资源的可持续利用,成为土地科学尤其是土地利用学日趋重要的课题。

随着遥感等技术的不断发展,其在城市土地利用变化研究中的应用越发多样化,监督分类由于具备较为成熟的理论基础,能够较好地识别各类地物的特征差异[5],从而对遥感影像数据进行有效分类,对比同地区多时相遥感影像的监督分类结果,结合地区自身因素,能够对研究区的土地利用变化进行较为科学合理的研究。通过土地利用变化,从土地合理利用和科学利用的角度,对土地利用总体宏观调控进行划分,通过土地利用规划最大限度地发挥土地价值,以创造最大的经济效益,为社会和谐和生态稳定做出重要贡献。

1 研究概况

1.1 研究区概况

本文研究区域总面积达581 km2,常住人口数为67.08万,户籍人口数为53.36万,其中汉族人口数量占97%以上。

1.2 研究方法

本文以研究区1999年、2008年和2017年的Landsat TM遥感影像数据为研究基础,利用遥感影像处理软件ENVI对遥感影像进行预处理,预处理流程主要包含格式转换、波段合并、几何校正、配准、裁切等[6-7];然后依据《土地利用现状分类》(GB/T Z1010-2019)与《中华人民共和国土地管理法》中规定的土地利用分类标准,并结合研究区本地的土地利用类型实际情况,将该地区土地利用类型分为六类,即耕地、建设用地、园地、林地、牧草地和其他用地。

借助ENVI对遥感影像数据进行监督分类处理,得到研究区共计三期的土地分类情况,利用混淆矩阵对分类结果精度评定,分析该地区土地利用变化规律及土地可持续利用状况,详细地了解各地所占总用地的百分比,比较变化情况,从而有针对性地给出建议。

2 研究过程

2.1 数据源

本文采用该地区1999年、2008年和2017年的Landsat TM遥感影像数据,影像数据均从地理空间数据云中下载,同时结合该地区的历史文献及各类土地利用数据资料,对该地区多年的土地利用变化进行统计分析。

2.2 数据预处理

在对各年度遥感影像进行监督分类之前,首先要对其进行预处理工作,使待分类遥感影像满足监督分类的要求。基于遥感空间、光谱及辐射分辨率现状,使得数据质量降低,进而会影响图像分析及土地利用分类的准确度。使用原始遥感数据前需要预处理,即对获得的原始遥感图像进行的各种技术性处理,目的是修正原始图像的几何和放射线扭曲,改善数据品质,尽可能获得最现实的图像,提升图像处理和突出的对象范围以便更适合的应用。数据预处理是为了对信息最大程度上的获取,遥感影像预处理流程如图1所示。

图1 预处理流程

2.3 监督分类

监督分类的理论依据为有效识别函数的建立统计,以抽样训练方法为基础的分类技术,又称为训练场地法。即根据公开的训练区域提供的样本,选择特征参数,特征参数作为决定规则使用,训练样本要做到具有代表性[8]。当判断标准满足分类正确要求时,将设定采用该标准。否则,需要重新设定分类规则,直到满足要求。

在数据预处理后,将三期影像导入ENVI软件中,利用行政区划图与遥感影像进行影像匹配,后绘制ROI(region of interest)区域,利用其进行原影像的裁剪,然后采用最大似然法对研究区进行监督分类,将之分耕地、建筑用地、林地、园地、牧草地和其他用地,监督分类结果如图2所示。

图2 1999年、2008年和2017年的监督分类图

2.4 精度评定

对监督分类的结果进行精度评定,最为常用的方法就是混淆矩阵,其实质是将监督分类的精度数据,以矩阵的形式展示出来,然后将监督分类的结果与该地区实际土地利用信息进行对比分析[9]。本文利用实地勘察生成地表真实感兴趣区,分别对1999年、2008年和2017年的监督分类结果进行精度评价,得到结果混淆矩阵,混淆矩阵通常所具备的评判参数有:总体分类精度、Kappa系数、用户精度等[10]。本文以Kappa系数和总体分类精度对3组监督分类结果进行精度评判,结果如表1所示。

表1 精度评价

经过验证得到的混淆矩阵数据表明,运用最大似然法得到的1999年、2008年和2017年的分类精度较高,可应用于本次分类中。

2.5 输出结果

土地利用变化主要表现为各土地利用类型面积的变化,而面积变化首先反映在各土地利用类型的总量上的变化,通过对土地利用类型总量变化的分析,可以明确了解土地利用结构的变化趋势。

根据监督分类图像结果与原图像进行匹配后得到输出矩阵,得出1999年、2008年和2017年土地利用类型面积及占地百分比统计,结果如表2、表3所示。

表2 研究区各土地利用类型面积表 单位：km2

表3 研究区土地利用占地百分比 单位：%

1999年、2008年、2017年研究区土地利用结构如图3所示。

图3 1999年、2008年、2017年研究区土地利用结构

3 土地利用分析优化

3.1 结果分析

3.1.1耕地

从表2和表3可以看出,研究区耕地面积呈总体减少趋势,18年间减少的面积共达43.756 0 km2,其中2008年比1999年减少了14.835 km2,而2017年比2008年减少了28.921 km2。由于其基数较大,因此年减少量也较大。耕地面积减少的主要原因是由于该地区经济发展迅猛,城镇居民的收入水平不断提升,导致非农业用地的需求量增大,进而使得国家基建用地、乡村集体基建占地和农民建房用地等用地面积大幅度增加,房地产经济发展迅猛,商业住宅不断向城市周边蔓延,使得城市周边以往的大量耕地转化为建设用地。

另一方面主要是由于耕地后备资源相对较少,工业、交通和城镇建设占用了一部分耕地,再加上对土地资源利用得不合理,致使耕地面积日益减少。另外,随着一些经济作物的价格的提高,人们为了获取更多的收入,将耕地转为了园地,加之政府于2005年出台了关于林业种植及销售的优惠政策,部分耕地被转换为了林地。

3.1.2园地

由表2和表3可知,土地利用类型转换面积最大的是耕地向园地的转化,在2008—2017年,园地面积增加的趋势持续发展,果园、橡胶林、其他园地面积都在不断增加,达到了6.735 3 km2。

3.1.3林地

1999—2017年,林地面积总体呈减少趋势，林地面积减少大约42.563 6 km2。其中1999—2008年,共减少25.199 8 km2。其主要原因为该地区建设了几个大型苗圃基地,其中有部分林地转化为苗圃,使苗圃的面积增加到一倍左右。

受气候的影响,苗木资源紧张,供不应求。省林业局出台了一系列的优惠政策,将浆纸林增收标准从20%降至5%。该优惠政策大大增加了农民种植浆纸林的积极性,但是由于人口增长,住房紧张,征用一些林地作为建筑用地,从而导致林地面积在2008—2017年整体呈减少趋势。

3.1.4牧草地

1999—2017年牧草地面积也在不断减少,但整体来说相对较小,共减少了0.363 8 km2。牧草地面积减少的主要原因是随着经济的不断发展,种植橡胶、浆纸林苗木其他经济作物收益较好,所以人们逐渐将一些牧草地陆续转为收益较高的园地和林地;同时由于人类对生态环境的破坏,导致一些天然牧草地慢慢退化,进而减少了牧草地面积。

3.1.5其他用地

其他用地面积变化比较平稳,1999—2001年减少了5.019 5 km2。交通用地增加较快,其主要原因是为了城市经济发展以及城镇居民的日常出行,大力修建城市道路以及城际间的各类交通要道,以及对原有道路进行改建和扩建,大大提高了交通用地的面积。

3.1.6建筑用地

建筑用地主要包含了居民居住用地、工矿企业用地以及水利设施建筑用地等。建筑用地增长速度较快,1999—2008年增长了27.151 km2,2008—2017年增长了84.315 3 km2。在所有的土地利用类型中,建筑用地面积增速最快,增长面积最多,18年间增长了11.25%。主要原因是人口的快速增长,人均可支配收入的不断提高及城市化进程的加快,导致住房需求量大,房价一路飙升,建筑商基于利益的驱使不断征地建房,再加上农村人口不断向城市转移,加大了对住房及公共用地的需求,所以许多农用地及村庄的闲置地都大量转为城镇的建设用地。

3.2 土地利用优化

随着我国城市化进程的不断加快,可用耕地的面积大幅度下降,所以,对土地资源的合理利用和有效保护就显得日趋重要。对合理有效地利用土地资源,最大限度地发挥土地的利用价值,提出以下几点建议:

(1)加强耕地保护,特别是农田保护,根据土地利用总体规划,并结合当地实际情况,因地制宜,划分出基本农田保护区,保持耕地资源的占补平衡;

(2)充分利用建设用地,将闲置未利用的土地以及各类劣地进行综合利用,确保此类土地能够得到有效利用,进而提高土地利用率,同时对于建设用地进行综合把控,提高建设用地利用效率,控制其用地规模;

(3)着重保护生态环境,尤其是具有特殊生态功能的天然林地、湿地等,更应当加强保护,建立自然保护区,任何用地都不能以破坏生态环境为代价。在保护生态环境的前提下,对各类土地资源进行合理开发利用,同时不断推进生态防护林的建设工作,不断扩大城市绿化面积,提高城市绿化水平。

4 结束语

在经济和社会不断发展的过程中,城市建设总是会不可避免的占用农用地甚至耕地。然而为了确保城市健康和谐发展,就必须全面分析影响和制约土地利用类型变化因素,通过利用最大似然法对不同时期城市遥感影像进行监督分类,得到各土地利用类型的变化规律,结合当地的生态规律和社会经济发展规律,因地制宜,确定符合当地可持续发展的合理的土地利用方向,从而实现土地资源的合理分配与可持续利用。普遍的研究工作均是从宏观尺度研究城市土地利用变化,而微观尺度的研究有利于实现微观经济主体土地利用行为的解读,通过研究微观经济主体活动对城市土地利用变化的影响,能够进一步揭示城市土地利用变化的内在机理,这或许是今后研究的重要方向。