張思佳

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基于RS/GIS的長(zhǎng)沙市土地利用和穩(wěn)定性分析

張思佳

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

土地利用/覆被變化（LUCC）模型的核心內(nèi)容是研究LUCC時(shí)空變化格局，但多數(shù)模型只重視空間變化機(jī)制研究，忽略了模型的時(shí)間變化機(jī)制。本文利用長(zhǎng)沙市1995、2000、2005和2010的土地利用適量數(shù)據(jù)圖，結(jié)合2015年Landset 8遙感影像圖，利用監(jiān)督分類(lèi)和人工解譯相結(jié)合的方法得到土地利用現(xiàn)狀圖，并進(jìn)行疊加分析得到土地利用類(lèi)型的變化數(shù)據(jù)，并建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；利用土地利用變化強(qiáng)度得到土地利用在時(shí)間變化過(guò)程中的穩(wěn)定性指標(biāo)。結(jié)果表明：長(zhǎng)沙市土地利用類(lèi)型變化速度在1995-2005年較低，而2005-2015年間土地利用變化速度加快，土地利用變化在時(shí)間間隔層次上不穩(wěn)定，土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換速度加快。

土地利用/覆被變化；空間變化；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；穩(wěn)定性分析

0 引言

土地利用/覆蓋變化（LUCC）越來(lái)越被認(rèn)為是全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容[1]。LUCC研究的主要內(nèi)容是對(duì)土地利用和覆蓋變化歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查與評(píng)價(jià)，闡明土地利用覆蓋格局與社會(huì)和自然驅(qū)動(dòng)力之間的聯(lián)系，可以為土地利用規(guī)劃制定相應(yīng)的政策并通過(guò)土地利用和覆蓋的變化規(guī)律推斷未來(lái)土地利用和覆蓋的狀況[2]，對(duì)保護(hù)區(qū)域土地資源，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著全球環(huán)境變化研究的深入，各國(guó)科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地承載力的影響[3]。國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃（IGBP）和全球環(huán)境變化的人文領(lǐng)域計(jì)劃（IHDP）于1995年聯(lián)合提出“土地利用/土地覆被變化”研究計(jì)劃，使土地利用變化研究成為目前全球變化研究的前沿和熱點(diǎn)課題[4]；隨后，IGBP和IGDP又于2005年開(kāi)展了全球土地研究計(jì)劃，是繼LUCC計(jì)劃后的又一項(xiàng)具有重要意義的全球性計(jì)劃[5]。我國(guó)由于自改革開(kāi)放以來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境也承受著巨大的壓力，使得對(duì)于中國(guó)城市區(qū)域性LUCC研究領(lǐng)域越來(lái)越受到許多學(xué)者們的關(guān)注。隨著各類(lèi)對(duì)地觀測(cè)遙感儀器的發(fā)展，各部門(mén)從行業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)生產(chǎn)了大量的遙感數(shù)據(jù)[6,7]，我國(guó)在運(yùn)用遙感影像對(duì)土地利用/覆被變化的監(jiān)測(cè)分析、土地利用/覆被變化對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)及全球變化的影響、土地利用/覆被變化驅(qū)動(dòng)力研究和土地利用與土地覆被變化建模等方面取得了新的進(jìn)展。如曹銀貴[8]等利用三峽庫(kù)區(qū)不同時(shí)期的5期遙感影像圖來(lái)分析三峽庫(kù)區(qū)近30年的土地利用類(lèi)型空間分布和變化趨勢(shì)，并總結(jié)了土地利用變化的主要時(shí)空變化特征。毛蔣興等[9]以深圳為研究案例，應(yīng)用定量分析和GIS空間分析技術(shù)從定性與定量的角度系統(tǒng)全面地開(kāi)展了快速城市化背景下城市土地利用變化的人文因素分析研究。

本文選取長(zhǎng)沙市1995年至2010年的土地利用矢量數(shù)據(jù)，并結(jié)合2015年的遙感影像圖，運(yùn)用監(jiān)督分類(lèi)和人工目視解譯的方法得到總共5期的土地利用狀況圖。根據(jù)所得的土地利用狀況圖，并利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)進(jìn)行分析，得到各種土地類(lèi)型變化的來(lái)源以及去向。隨后基于強(qiáng)度分析理論[10,11]羅列出5期圖像共4個(gè)階段的時(shí)間間隔元素轉(zhuǎn)移列表，利用公式計(jì)算出每個(gè)階段的變化強(qiáng)度和總的研究時(shí)間內(nèi)的平均變化強(qiáng)度，得出每個(gè)階段的變化在整個(gè)研究時(shí)間段內(nèi)的快慢情況，從而分析得出長(zhǎng)沙市土地利用變化的穩(wěn)定性。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 矢量及遙感數(shù)據(jù)來(lái)源

湖南省省會(huì)長(zhǎng)沙市是長(zhǎng)株潭城市群“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)的核心城市，地處我國(guó)中部長(zhǎng)江以南區(qū)域。長(zhǎng)沙市地勢(shì)東高西低，中西部低平，地處洞庭湖平原南向湘中丘陵盆地延伸過(guò)渡區(qū)。由2010年長(zhǎng)沙市統(tǒng)計(jì)局第六次全國(guó)人口普查的數(shù)據(jù)得知，長(zhǎng)沙市常住人口為704.41萬(wàn)人，約占全省的10.7%。2015年長(zhǎng)沙市經(jīng)濟(jì)總量達(dá)8510.13億元，經(jīng)濟(jì)增速為9.9%，居全國(guó)省會(huì)城市第七位，保持持續(xù)快速增長(zhǎng)。

長(zhǎng)沙市1995年和2000年土地利用矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，以Landsat TM/ETM+遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi)和人工目視解譯形成土地利用矢量數(shù)據(jù)。2005和2010年的遙感數(shù)據(jù)為購(gòu)買(mǎi)的TM遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，分辨率為30 m，土地利用矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于雷師《中國(guó)中部和東南部城市土地利用變化對(duì)比研究-以長(zhǎng)沙市和泉州市為例》。2015年遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站為L(zhǎng)andsat 8 OLI/TIRS遙感影像。1995-2010年為已有的土地利用矢量數(shù)據(jù)，對(duì)于2015年的遙感影像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分類(lèi)及解譯。首先對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括遙感影像幾何校正、波段組合、影像拼接和裁剪等[11-13]。隨后對(duì)遙感影像進(jìn)行分類(lèi)，本文采用最大似然分類(lèi)器和人工解譯相結(jié)合的方法對(duì)預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行分類(lèi)，得到6中土地利用類(lèi)型：耕地、林地、草地（園地）、水域、建設(shè)用地、未利用地。最后得到2015年長(zhǎng)沙市土地利用現(xiàn)狀圖如圖1所示。

1.2 主要研究方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[14]。本文利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)分析1995-2015年這20年間長(zhǎng)沙市土地利用各種地物類(lèi)型變化的來(lái)源以及去向。轉(zhuǎn)移矩陣模型如下：

式中ij表示第行地類(lèi)向第列地類(lèi)轉(zhuǎn)移的面積，行和列分別表示地類(lèi)的去向和來(lái)源。

1.2.2 基于土地利用變化強(qiáng)度的變化穩(wěn)定性分析

本文基于強(qiáng)度分析理論，通過(guò)對(duì)1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年以及2010-2015年，共4個(gè)階段的5期遙感影像解譯結(jié)果的土地利用矢量數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一系列計(jì)算，得出4個(gè)階段的時(shí)間間隔元素轉(zhuǎn)移列表如表1所示。隨后利用公式計(jì)算出每個(gè)階段的變化強(qiáng)度和總的研究時(shí)間內(nèi)的平均變化強(qiáng)度，得出每個(gè)階段的變化在整個(gè)研究時(shí)間段的快慢情況，并與整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均強(qiáng)度作對(duì)比，如果每個(gè)時(shí)間段變化強(qiáng)度與平均強(qiáng)度的大小關(guān)系均一致，那么說(shuō)明該階段土地利用變化穩(wěn)定，不一致則不穩(wěn)定，可進(jìn)一步挖掘不同時(shí)間間隔內(nèi)土地利用變化的信息。

圖1 2015年長(zhǎng)沙市土地利用現(xiàn)狀圖

表1 [Y，Y+1]時(shí)間間隔元素轉(zhuǎn)移列聯(lián)表

Tab.1 Time interval element transfer contingence table

如下所示，公式（2）定義了S是在時(shí)間間隔[Y,Y+1]中觀察到的變化強(qiáng)度，表示為占域的年均百分比；公式（3）定義了是在所有時(shí)間間隔中的假想均衡變化強(qiáng)度，表示全域的年均百分比。

1.3 研究區(qū)土地利用時(shí)空變化

本研究將解譯所得的長(zhǎng)沙市土地利用數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到1995、2000、2005、2010及2015年的土地利用類(lèi)型的數(shù)量結(jié)構(gòu)表，如表2所示。

表2表示了1995年至2015年長(zhǎng)沙市土地利用面積變化狀況以及每一年每種地類(lèi)在總面積中所占比例。通過(guò)土地利用類(lèi)型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表，做出的分析如下：

1995-2015年期間,長(zhǎng)沙市建設(shè)用地顯著增加，1995年建設(shè)用地面積僅為30237ha，占總面積2.56%，而20年后建設(shè)用地為86109ha，占總面積的7.31%，增長(zhǎng)近三倍，并且每五年的平均增加面積約13968 ha。通過(guò)圖2的折線可明顯看出2000年以前建設(shè)用地面積增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平穩(wěn)，自2000年以后建設(shè)用地面積的增長(zhǎng)速度愈發(fā)劇烈。

表2 1995-2015年長(zhǎng)沙市土地利用類(lèi)型的數(shù)量結(jié)構(gòu)表

Tab.2 The quantity structure table of land use type in changsha in the past 1995-2015 years

由圖3可以看出，1995-2015年長(zhǎng)沙市建設(shè)用地有很明顯的增加，且整體呈現(xiàn)出由中心向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)，建設(shè)用地分布多集中于湘江東岸的長(zhǎng)沙市區(qū)，該地區(qū)作為長(zhǎng)沙市的中心區(qū)域由來(lái)已久，不僅有得天獨(dú)厚的自然條件，也有政府的政策支持。相對(duì)而言，在其他市縣建設(shè)用地分布都比較零散，說(shuō)明政府對(duì)于城市的規(guī)劃與農(nóng)村的發(fā)展協(xié)調(diào)度還有待進(jìn)一步提高。

在此期間，其耕地的面積總體呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)，自1995年至2015年，由374352 ha降至333811 ha，平均每五年以10135 ha的速度在遞減，所占土地總面積的比例由研究時(shí)期初的31.67%降至28.33%。而2015年的耕地面積減少得最為明顯，相對(duì)于2010年減少了24040 ha，但占總面積的比重均在30%左右。城市迅速發(fā)展的今天，城市擴(kuò)張劇烈，越來(lái)越多的農(nóng)村人口因城市發(fā)展需求，遷移至城鎮(zhèn)，導(dǎo)致部分耕地因此閑置或轉(zhuǎn)為他用。草地、園地面積在1995-2015年間呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì)，但最終區(qū)域平穩(wěn)狀態(tài)，林地、水域以及沼澤地、未開(kāi)墾荒地等組成的未利用地所占比例基本上處于一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

圖3 1995-2015年長(zhǎng)沙市建設(shè)用地分布圖

因此，研究區(qū)域內(nèi)土地利用時(shí)空變化不要表現(xiàn)為：20年來(lái)長(zhǎng)沙市建設(shè)用地面積處于持續(xù)增加的狀態(tài)；耕地面積自1995年-2015年間緩慢減少；草地/園地所占面積呈小幅度波動(dòng)趨勢(shì)，但最終歸于平穩(wěn)狀態(tài)；林地面積是占長(zhǎng)沙市總面積最大的一種地類(lèi)，1995-2015年來(lái)面積呈小幅度減少的形勢(shì)；水域面積只有極小幅度的波動(dòng)；未利用地所占面積極小，且變化程度最低，只有2005-2010年未利用地面積減少程度很大，其他時(shí)間段的未利用地均相差不大。

1.4 研究區(qū)土地利用穩(wěn)定性分析

根據(jù)土地利用變化強(qiáng)度理論公式，計(jì)算出每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的土地利用變化強(qiáng)度以及整個(gè)研究時(shí)間內(nèi)的平均變化強(qiáng)度，比較兩者的大小關(guān)系，從而分析該時(shí)間段內(nèi)的土地利用變化的快慢及活躍程度，從而進(jìn)一步討論研究其時(shí)間間隔層次的土地利用變化的穩(wěn)定性，例如第一階段土地利用變化強(qiáng)度小于平均變化強(qiáng)度即為變化慢，而后三個(gè)階段均大于平均強(qiáng)度即為快，由慢至快，得出總的研究時(shí)間段內(nèi)土地利用變化在時(shí)間間隔層次是不穩(wěn)定的。

根據(jù)強(qiáng)度分析理論公式計(jì)算出S和，S為每個(gè)階段的土地利用變化強(qiáng)度，為1995-2015年整個(gè)研究時(shí)間內(nèi)的土地利用變化的平均強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3 1995-2015年長(zhǎng)沙市土地利用變化強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

Tab.3 Changsha City Land Use Change Intensity Data Table in 1995-2015

由圖4可以看出，每一個(gè)階段的變化強(qiáng)度與平均變化強(qiáng)度的大小關(guān)系，從而分析其土地利用變化的快慢及活躍度，結(jié)合四個(gè)階段的分析結(jié)果進(jìn)一步研究其變化的穩(wěn)定性。

圖4 St-U對(duì)比圖

結(jié)合之前的數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及表3，圖4對(duì)長(zhǎng)沙市1995-2015年土地利用變化穩(wěn)定性，做出以下分析：

（1）1995-2000年（第一階段）

變化強(qiáng)度遠(yuǎn)小于平均變化強(qiáng)度，可以推斷出該階段土地利用變化較其他階段顯得最不活躍。二十世紀(jì)末期，黨中央針對(duì)我國(guó)發(fā)展?fàn)顩r對(duì)奔小康戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行了新設(shè)定，成為我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展的一個(gè)新起點(diǎn)。長(zhǎng)沙市位于我國(guó)中部，城市發(fā)展起步較沿海城市晚，在改革開(kāi)放后建設(shè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)來(lái)帶動(dòng)城市的發(fā)展，而2000年前還處于為創(chuàng)建品牌、吸引項(xiàng)目的階段，對(duì)于經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)作用還不明顯。由之前的分析可以看出該階段已建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入最為明顯，而其他地類(lèi)表現(xiàn)的很不活躍，整體呈現(xiàn)出不活躍的狀態(tài)。

（2）2000-2005年（第二階段）

變化強(qiáng)度幾乎與平均強(qiáng)度持平，略高于平均強(qiáng)度，較第一階段變化強(qiáng)度明顯增大，但較其他階段還是表現(xiàn)為較不活躍。2000年，二十一世紀(jì)伊始，也是“十一五”計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施的一年，“全面建成小康社會(huì)”被確定為二十一世紀(jì)前20年的奮斗目標(biāo)。長(zhǎng)沙市作為湖南中部重點(diǎn)發(fā)展的城市，長(zhǎng)株潭三市一體化進(jìn)一步推進(jìn)，使得長(zhǎng)沙市經(jīng)濟(jì)得到了迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化得到了進(jìn)一步推進(jìn)，各地類(lèi)的變化也更加活躍，但最主要的還是建設(shè)用地，所以從整體上看還是較為不活躍。

（3）2005-2010年（第三階段）

變化強(qiáng)度明顯大于平均強(qiáng)度，土地利用變化較為快速，較第一、第二階段更加活躍，所以整體呈現(xiàn)為較活躍。中部崛起戰(zhàn)略進(jìn)一步推動(dòng)湖南省的發(fā)展，2006年湖南省對(duì)長(zhǎng)株潭城市群擴(kuò)容形成“3+5”格局，此舉措有利于優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有利于城鄉(xiāng)聯(lián)動(dòng)發(fā)展、推動(dòng)新農(nóng)村建設(shè)，推動(dòng)新型城市化的進(jìn)程。城市擴(kuò)張隨之而來(lái)的是建設(shè)用地對(duì)其他地類(lèi)的侵占，該階段各種地類(lèi)都比上一階段活躍很多。

（4）2010-2015年（第四階段）

變化強(qiáng)度約為平均強(qiáng)度的10倍，與前三個(gè)階段相比較，其土地利用變化十分活躍。2010年長(zhǎng)沙經(jīng)開(kāi)區(qū)進(jìn)入了一個(gè)新的歷史階段，不論是創(chuàng)新還是發(fā)展都取得了豐碩的成果，帶動(dòng)了長(zhǎng)沙市綜合實(shí)力的增強(qiáng)。退耕還林工作進(jìn)一步得到了鞏固，耕地、林地面積變化也因此變得活躍起來(lái)。新型城市化建設(shè)的步伐加快，政府不斷加大對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資金力量投入，基礎(chǔ)設(shè)施的迅速發(fā)展，使得各種土地類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化更加活躍。

綜上所述，1995-2015年這20年間，長(zhǎng)沙市土地利用變化強(qiáng)度逐漸加大，2005年后增加趨勢(shì)尤為突出，表明第一階段土地利用變化不活躍，第二階段土地利用變化較不活躍，第三階段較活躍，第四階段十分活躍。由于第一階段土地利用變化強(qiáng)度小于平均強(qiáng)度，其余階段均大于平均強(qiáng)度，所以這20年內(nèi)，長(zhǎng)沙市土地利用變化在時(shí)間間隔層次上表現(xiàn)為不穩(wěn)定。

2 結(jié)論

本文以長(zhǎng)沙市作為研究對(duì)象，以1995、2000、2005、2010以及2015年共5期遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)長(zhǎng)沙市的土地利用變化進(jìn)行了分類(lèi)、解譯和研究，運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用強(qiáng)度分析理論對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：（1）長(zhǎng)沙市在1995-2015年間，土地利用類(lèi)型發(fā)生了巨大變化，集中表現(xiàn)為建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張，增加面積達(dá)59186ha，林地整體呈現(xiàn)緩慢減少趨勢(shì)。土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換明顯，但整體表現(xiàn)為其他地類(lèi)轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其他包括林地與耕地之間的相互轉(zhuǎn)換，以及建設(shè)用地少量轉(zhuǎn)為其他地類(lèi)等。（20研究時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)沙市土地利用變化強(qiáng)度逐漸增大，1995-2000年土地利用變化很不活躍，2000-2005土地利用變化較不活躍，2005-2010年土地利用變化較活躍，2010-2015年土地利用變化很活躍，總結(jié)得出，在1995-2015年間，長(zhǎng)沙市土地利用變化在時(shí)間間隔層次上是不穩(wěn)定的。選用了長(zhǎng)沙市作為研究區(qū)域，而對(duì)于湖南省來(lái)說(shuō)，“長(zhǎng)株潭”城市群的存在更為重要，今后可以擴(kuò)大研究范圍，會(huì)更加具備研究?jī)r(jià)值。

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Land use and Stability Analysis of Changsha City Based on RS/GIS

ZHANG Si-jia

(Institute of land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

The core of land use/cover change (LUCC) model is to study the temporal and spatial pattern of LUCC. And the development of the current model is experiencing the process from single non-spatial model to the fusion of non-spatial model and spatial model. However, most models only focus on spatial change mechanism, ignoring the time variation mechanism of LUCC model. In this paper, some land-use data maps of 1995, 2000, 2005 and 2010 of Changsha, as well as remote sensing image of Landset 8 in 2015 are used, then the final land-use map is obtained by combining supervised classification with manual interpretation. Then the 5 period of land use map sare superimposed and analyzed to obtain the change data of land use types, then the land use transfer matrix is established for analyzing the situation and the trend of change of land use in Changsha. At the same time, this paper also makes use of the change intensity of land use to analyze the change speed of land use on level of time interval in Changsha, getting the stability index of land use in the process of time change. The final conclusion shows that: the speed of land use change in Changsha is lower from1995 to 2005.While, the speed of land use change was accelerated and it was unstable as for time interval in the past ten years from 2005 to 2015, which suggested that Changsha entered the rapid development stage, and the type conversion of land use speeded up.

Land use/cover change (LUCC); Spatial change; Land use transfer matrix stability analysis

TP753

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.026

張思佳，學(xué)士，主要研究土地利用規(guī)劃。

本文著錄格式：張思佳. 基于RS/GIS的長(zhǎng)沙市土地利用和穩(wěn)定性分析[J]. 軟件，2018，39（7）：124-129