李鵬飛，李向新

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650051)

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基于TM影像的縣域土地利用變化研究
——以四川省蓬溪縣為例

李鵬飛，李向新

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650051)

摘要根據(jù)1993、2001和2009年蓬溪縣TM遙感影像，采用RS和GIS技術(shù)相結(jié)合對(duì)研究區(qū)域地物的光譜特性、紋理特征和地形信息進(jìn)行提取和分析，采用最佳波段分類和監(jiān)督分類相結(jié)合對(duì)遙感影像進(jìn)行分類，獲取不同土地利用類型統(tǒng)計(jì)情況，并結(jié)合GIS空間分析工具對(duì)各期的分類圖像進(jìn)行了解析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)土地利用類型變化信息的提取和分析。結(jié)果表明，1993～2009年蓬溪縣土地利用類型發(fā)生了較大變化，其中耕地和林草地面積明顯減少，建筑用地增加幅度較大，且具有持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)?；赥M影像的土地利用信息提取可為縣域土地利用變化監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞最佳波段；轉(zhuǎn)移矩陣；土地利用；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

隨著對(duì)全球環(huán)境和變化研究的深入，土地利用與土地覆蓋變化及其引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題受到人類的廣泛關(guān)注[1]。國(guó)際組織擬定并發(fā)布了對(duì)環(huán)境研究的土地利用變化科學(xué)研究，并采用空間采樣的方式進(jìn)行實(shí)證研究[2]，與此同時(shí)，美國(guó)、英國(guó)等國(guó)也相繼出臺(tái)了有關(guān)土地利用研究計(jì)劃[3]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)土地利用/土地覆被變化的研究也相繼展開(kāi)，但主要研究集中在對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大的土地利用變化的生態(tài)響應(yīng)[4]和生態(tài)評(píng)價(jià)[5]等方面，并對(duì)國(guó)內(nèi)土地利用動(dòng)態(tài)區(qū)劃圖和土地利用動(dòng)態(tài)區(qū)域單元進(jìn)行了劃分[6]。筆者根據(jù)1993、2001和2009年蓬溪縣TM遙感影像，采用RS和GIS技術(shù)相結(jié)合，對(duì)研究區(qū)土地利用信息進(jìn)行提取和分析，為縣域土地利用變化監(jiān)測(cè)提供參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)域蓬溪縣位于四川盆地中部以東，地處105°03′24″～105°59′48″E、30°22′17″～30°56′18″N，幅員面積1 261 km2。該區(qū)地勢(shì)四周高，中部較低，北部高于南部，由北向南呈波狀緩傾。境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，源短水急。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充足，光照充分，氣候暖和，環(huán)境優(yōu)美。土壤主要由肥沃的紫色土和黃壤土組成，適宜不同農(nóng)作物生長(zhǎng)。

2研究區(qū)TM影像數(shù)據(jù)解譯

該研究選擇相同季節(jié)的3期遙感數(shù)據(jù)，時(shí)間分別為1993年5月、2001年5月和2009年5月，分辨率為30 m的TM/ETM+衛(wèi)星遙感影像。數(shù)據(jù)的選擇避免了由于季節(jié)差而產(chǎn)生的土地利用變化信息，保證了土地利用分析中對(duì)數(shù)據(jù)和圖像質(zhì)量的要求。

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)后期土地利用變化分析起重要作用，影像經(jīng)過(guò)了幾何校正和影像配準(zhǔn)，然后對(duì)研究區(qū)矢量圖進(jìn)行裁剪、掩膜和重采樣等。以2001年的影像為基準(zhǔn)，分別對(duì)1993和2009年的遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)和校正。由于研究區(qū)域山區(qū)面積比例較大，而遙感影像在山區(qū)變形較大，所以采用了二次多項(xiàng)式和橡皮拉伸2種幾何校正模型相結(jié)合的方法達(dá)到最終精確配準(zhǔn)[7]。以蓬溪縣地形圖為準(zhǔn)，通過(guò)ArcGIS數(shù)字化獲取研究區(qū)域的行政邊界，根據(jù)研究區(qū)域行政界限掩膜裁剪蓬溪縣3期的遙感影像。

2.2最佳波段的選擇進(jìn)行遙感影像分類之前，需要對(duì)遙感影像進(jìn)行必要的目視解譯和判讀，因而如何選擇不同波段進(jìn)行數(shù)據(jù)的彩色合成，并使其所含的地物信息量最大且相互影響最小，就成為波段融合的重要過(guò)程[8]。對(duì)此，根據(jù)遙感影像不同波段的相關(guān)信息和波段之間的相關(guān)性，基于最佳指數(shù)原則通過(guò)GIS對(duì)不同波段進(jìn)行融合分析，最終選擇融合后最優(yōu)組合。最佳指數(shù)(OIF)公式為：

(1)

式中，∑Sn表示遙感圖像中n個(gè)不同波段的標(biāo)準(zhǔn)差的集合；Rnm表示第n波段和第m波段之間的相關(guān)系數(shù)。

圖1　典型地物波譜特征曲線 Fig.1　Characteristic curve of the typical ground objects spectrum

根據(jù)最佳指數(shù)(OIF)公式可知，不同波段地物特性不同，通過(guò)典型地物均值計(jì)算最佳指數(shù)值，各個(gè)波段中地物特性相差較大且相互影響較小的組合為選擇融合的最佳選擇。在波段選擇時(shí)，OIF值越大不一定是最好組合選擇，還必須考慮波段間地物之間的相互影響，以便減少后續(xù)波段融合出現(xiàn)的大量冗余信息。經(jīng)過(guò)ArcGIS軟件選擇不同波段組合進(jìn)行融合計(jì)算，繪制波譜特征折線圖(圖1)，最終通過(guò)波普特征折線圖的20個(gè)組合指數(shù)中選擇3-4-5組合為最佳波段組合，然后融合3期遙感數(shù)據(jù)的最優(yōu)波段以便后期數(shù)據(jù)解譯。

2.3數(shù)據(jù)解譯為了實(shí)時(shí)了解研究區(qū)的土地類型變化情況，以及真實(shí)掌握土地類型的結(jié)構(gòu)變化和變化程度。通過(guò)對(duì)研究區(qū)域的土地利用類型做初步了解和分析，結(jié)合地物特征、土地利用方式和年鑒將該研究區(qū)的土地利用類型作初步的分類，主要分為林地、耕地和建筑用地等5類。再通過(guò)ArcGIS和ERDAS對(duì)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，獲得研究區(qū)3期土地利用矢量數(shù)據(jù)和3期主要土地利用類型分布圖和面積百分比( 圖2、3 )。

圖2　1993、2001和2009年蓬溪縣土地利用變化Fig.2　Land use change of Pengxi County in 1993，2001 and 2009

圖3　1993～2009年蓬溪縣各土地利用類型面積百分比Fig.3　Area percentage of land use type in Pengxi County in 1993-2009

由圖2和圖3可知，研究區(qū)域主要土地類型以林草地和耕地為主，其中林草地約占40%，耕地約為30%；隨著城市的發(fā)展，建設(shè)用地呈明顯的上升趨勢(shì)，從而導(dǎo)致該區(qū)域的未利用地、耕地和林草地逐年減少并有增大趨勢(shì)；而水體面積無(wú)顯著變化，基本保持不變。

蓬溪縣面積相對(duì)較大，各土地分類類型面積分布不均勻。從上述數(shù)據(jù)可知，僅對(duì)研究區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行研究，難以詳細(xì)地表現(xiàn)土地分類變化幅度，應(yīng)對(duì)研究區(qū)域的土地類型的相互轉(zhuǎn)化做深度分析，從而對(duì)研究區(qū)的土地利用類型變化做出更明顯的解析。

3土地利用變化分析

3.1轉(zhuǎn)移矩陣轉(zhuǎn)移矩陣可以分析不同類別間的相互轉(zhuǎn)化聯(lián)系[9]。根據(jù)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，利用ArcGIS空間疊加分析功能，對(duì)蓬溪縣1993、2001和2009年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)1993～2001年和2001～2009 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表1、2)。

表1　1993～2001年蓬溪縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表2　2001～2009年蓬溪縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

分析表1、2可知：

(1)1993～2001年，林草地是轉(zhuǎn)化面積最大的土地類型，主要轉(zhuǎn)化為耕地、未利用地和建設(shè)用地，其轉(zhuǎn)化面積分別為34.22、26.01和25.45 km2。

臨床教學(xué)重視理論、實(shí)踐相結(jié)合，教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)疾病基礎(chǔ)知識(shí)。因婦產(chǎn)科學(xué)實(shí)踐性和理論性較強(qiáng)，婦產(chǎn)科患者疾病涉及隱私部位，患者自我保護(hù)意識(shí)較強(qiáng)，普遍存在讓抗拒帶教學(xué)生進(jìn)行檢查現(xiàn)象，加大治療難度[7]。傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性下降，重復(fù)學(xué)習(xí)情況嚴(yán)重，學(xué)生探究性不強(qiáng)；老師教授什么知識(shí)就學(xué)什么，學(xué)習(xí)較為隨意，沒(méi)有意識(shí)到婦產(chǎn)科學(xué)學(xué)習(xí)的重要性；傳統(tǒng)教學(xué)模式也是以老師為主的“填鴨式”教學(xué)，老師為主導(dǎo)，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，獨(dú)立學(xué)習(xí)意識(shí)和思考意識(shí)缺乏。該種教學(xué)方式培養(yǎng)出的醫(yī)師已經(jīng)不能適應(yīng)多變的臨床情況和復(fù)雜的醫(yī)療環(huán)境，可能出現(xiàn)診斷失誤或其他醫(yī)療事故，嚴(yán)重威脅患者安全[8]。

(2)2001～2009 年，林草地主要轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化面積分別為22.43和23.22 km2，分別占2001年耕地面積的5.76%和13.7%。未利用地主要轉(zhuǎn)化為建筑用地，轉(zhuǎn)化面積為22.13 km2，占2001 年草地面積的13.06%。

3.2地覆蓋變化統(tǒng)計(jì)通過(guò)對(duì)土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的初步分析，數(shù)據(jù)雖然可以清楚地展示不同類型的數(shù)據(jù)變化情況，卻無(wú)法詳細(xì)地體現(xiàn)出土地利用類型的變化面積和變化比例。因此，需要對(duì)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)進(jìn)行深沉的統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)域土地利用變化幅度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其公式表達(dá)為：

(2)

式中，RL為研究時(shí)段內(nèi)各類土地利用類型的變化幅度；Ua、Ub分別表示研究區(qū)不同時(shí)段初始階段和結(jié)束階段的土地利用類型變化面積。

根據(jù)公式(2)，對(duì)蓬溪縣1993、2001和2009年3期轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到該縣土地利用面積和變化幅度(表3)。

表3　蓬溪縣1993、2001和2009年土地利用變化情況統(tǒng)計(jì)

由表3可知：

(1)1993～2001年，建設(shè)用地面積增加66.58 km2，增長(zhǎng)比例約5.28%，增長(zhǎng)比例遠(yuǎn)超過(guò)其他土地類型，而林草地面積加劇減少，減少45.52 km2。水體面積相對(duì)穩(wěn)定，耕地面積減少6.18 km2，減少約為0.49%，未利用地減少14.50 km2，減少約為1.15%。

(2)2001～2009年，建筑用地繼續(xù)保持增加趨勢(shì)，面積增加45.90 km2，增加率為3.64%，由于政府的保護(hù)和退耕還林政策的實(shí)施，林草地面積有所增加，面積增加20.30 km2。其中，耕地和未利用地減少面積分別為30.39、34.93 km2，減少率分別為2.41%和2.77%，水體略有減少。

(3)1993～2009年，隨著研究區(qū)城市人口的增加，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，建設(shè)用地面積呈直線趨勢(shì)快速上漲，導(dǎo)致耕地和未利用地快速減少。2009年與1993年相比較，建筑用地面積由102.90 km2增加到215.38 km2，耕地面積減少36.57 km2，2009年水體比1993年減少1.27 km2。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)合遙感與GIS技術(shù)具有速度快、高效率、范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)四川省蓬溪縣土地利用分類、土地轉(zhuǎn)移和土地覆蓋度的變化進(jìn)行分析，得到不同土地類型的利用發(fā)展趨勢(shì)。該方法在研究區(qū)土地利用變化研究中發(fā)揮著顯著的作用，可為該區(qū)域制定長(zhǎng)期、可持續(xù)的土地利用管理和規(guī)劃提供參考。對(duì)研究區(qū)各時(shí)期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類、轉(zhuǎn)移矩陣和分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：隨著我國(guó)城市化快速發(fā)展，研究區(qū)的土地利用狀況也受到影響，其中隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的縣城區(qū)域土地利用發(fā)生顯著變化。隨著城鎮(zhèn)化步伐加快，人口大量涌入城市，導(dǎo)致城鎮(zhèn)不斷擴(kuò)張，建筑用地加劇增長(zhǎng)，政府的監(jiān)管力度不足，導(dǎo)致人類對(duì)土地?zé)o節(jié)制的開(kāi)墾，林草地和耕地急劇減少，生態(tài)結(jié)構(gòu)和人文文化嚴(yán)重破壞。因此，在該地區(qū)未來(lái)的土地利用變化監(jiān)測(cè)中，應(yīng)該著重對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的縣城區(qū)域和變化較快的沿河區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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Land Use Change at County Level Based on TM Image—A Case of Pengxi County in Sichuan Province

LI Peng-fei, LI Xiang-xin

(College of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650051)

AbstractAccording to the TM remote sensing image in Pengxi County in 1993, 2001 and 2009, spectral characteristics, texture features and topographic information were extracted and analyzed in research region by combining RS with GIS. Remote sensing image was classified based on the optimal band classification and supervised classification, so as to obtain the statistics of different land use types. Combining with the GIS spatial analyst tools, classification images in different stages were analyzed, so as to extract and analyze the change information of land use type in research region. Results showed that the land use type in Pengxi County from 1993 to 2009 had relatively great changes. Among them, areas of farmland and forest and grass land reduced significantly. Construction land enhanced relatively greatly with sustained growth trend. Land use information based on TM image provided technical support for the monitoring of land use change at county level.

Key wordsOptimal band; Transfer matrix; Land use; Dynamic monitoring

作者簡(jiǎn)介李鵬飛(1989- )，男，四川遂寧人，碩士研究生，研究方向：地理信息系統(tǒng)。

收稿日期2016-03-10

中圖分類號(hào)S 127

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)08-293-03