趙倩， 柴旭榮

山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000

土地利用/覆被變化(LUCC)對(duì)全球變化有著舉足輕重的影響，與全球氣候波動(dòng)、生態(tài)系統(tǒng)演變、生物多樣性變化等密切相關(guān)[1].土地利用規(guī)劃是實(shí)施土地可持續(xù)利用戰(zhàn)略的重要調(diào)控措施[2].土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是為了達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)的最優(yōu)目標(biāo)，依據(jù)土地資源的自身特性和適宜性評(píng)價(jià)，對(duì)區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型進(jìn)行更加合理的數(shù)量安排和空間布局，從而提高土地利用的效率和效益，維持土地生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用[3].事實(shí)上，土地利用變化研究在國(guó)內(nèi)外自20世紀(jì)就受到很多學(xué)者的關(guān)注：英國(guó)在1930年成立了土地利用調(diào)查所并在后續(xù)的幾年中完成了一系列成果[4]；美國(guó)的Lee在1992年發(fā)表了《從空間中看到的地球表面》，論述了自然景觀和人類活動(dòng)的關(guān)系[5].國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)六七十年代進(jìn)行了第一、第二次土壤普查，為現(xiàn)如今開(kāi)展耕地研究提供了起始資料并奠定了基礎(chǔ).耕地作為土地中的精華，其動(dòng)態(tài)變化無(wú)疑是影響地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題.因此，加強(qiáng)耕地動(dòng)態(tài)變化研究，分析耕地變化的時(shí)空分布規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)合理利用耕地資源、控制耕地進(jìn)一步減少具有重要意義[6].改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和人口增長(zhǎng)，中國(guó)的耕地資源表現(xiàn)出總面積持續(xù)減少的態(tài)勢(shì)[7].近年來(lái)，我國(guó)土地利用變化研究一個(gè)比較重要的技術(shù)特征就是把衛(wèi)星遙感技術(shù)下的影像解譯與地理信息系統(tǒng)技術(shù)下的空間分析有機(jī)結(jié)合.

1 研究區(qū)域概況

臨汾市地處山西省西南部，總面積約20 275 km2，地理坐標(biāo)為35°23′N～36°57′N，110°22′E～112°34′E.地勢(shì)的起伏變化非常明顯：東側(cè)為霍山，西側(cè)為羅云山，臨汾盆地縱貫中部，地形輪廓大致呈現(xiàn)“凹”字形.土地資源和后備耕地資源都很豐富且大多在汾河附近.臨汾市的經(jīng)濟(jì)總量居全省前列.行政區(qū)劃包括1個(gè)市轄區(qū)，14個(gè)縣，2個(gè)縣級(jí)市，75個(gè)鎮(zhèn)，76個(gè)鄉(xiāng)，20個(gè)街道辦事處.全市有28個(gè)少數(shù)民族，共約1萬(wàn)人，2016年常住人口約81萬(wàn)人，GDP約25億元，固定資產(chǎn)合計(jì)約13億元，公共財(cái)政收入約1.6億元.

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

研究中采用的方法主要是RS和GIS.RS技術(shù)即遙感技術(shù)(Remote Sensing)，是通過(guò)遙感器等一系列對(duì)電磁波敏感的儀器，接收來(lái)自遠(yuǎn)離目標(biāo)的高空或外層空間的地球表層各地物的電磁波信號(hào)并對(duì)其加以處理和分析應(yīng)用，從而對(duì)地表地物進(jìn)行遠(yuǎn)距離識(shí)別和控測(cè)的當(dāng)代科學(xué)技術(shù).使用Envi軟件對(duì)遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后裁剪出研究區(qū)域并進(jìn)行影像的目視解譯、監(jiān)督分類及后處理，最后利用GIS技術(shù)提取耕地資源并統(tǒng)計(jì)面積.GIS技術(shù)即地理信息系統(tǒng)技術(shù)(Geographic Information Systems)，是指綜合采集、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示等一系列功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[8].基于地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的空間信息處理與分析功能以及土地利用規(guī)劃對(duì)于空間信息的需求,將GIS應(yīng)用于耕地資源的動(dòng)態(tài)分析中具有很大的優(yōu)越性[9].研究中應(yīng)用的數(shù)據(jù)主要是由地理空間數(shù)據(jù)云高級(jí)檢索下載得來(lái)，數(shù)據(jù)集為L(zhǎng)andsat 8 OLI_TRIS 衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品，行政區(qū)為山西省臨汾市堯都區(qū).三期數(shù)據(jù)時(shí)間分別為2013年、2014年、2015年.

3 耕地資源信息提取

3.1 遙感影像預(yù)處理

3.1.1 圖層組合

Envi中多波段圖層疊加步驟第一步是加載波段B1～B8；第二步在Basic Tools中打開(kāi)Layer stacking，選擇B1～B7波段組合；第三步選擇投影UTM和輸出的文件.根據(jù)不同地物對(duì)不同波段的反射率特征,多波段在不同的RGB組合下可以凸顯目標(biāo)地物：5,4,3—標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，用于監(jiān)測(cè)植被和農(nóng)作物；7,6,4—假彩色合成，用于城市監(jiān)測(cè)；6,5,2—假彩色合成，用于農(nóng)作物監(jiān)測(cè)；5,7,1—假彩色合成，用于檢測(cè)植被和水體.

3.1.2 圖像融合

Envi中的融合方法有很多種，研究中采用的是Gram-Schmidt Spectral Sharpening方法，能較好地保留原多光譜圖像的光譜信息，若需要對(duì)影像增強(qiáng)可以使用Enhance中的各種方法.具體步驟如下：(1)在Envi主菜單中，點(diǎn)擊“Transform”→“Image Sharpening”→“Gram-Schmidt Spectral Sharpening”；(2)在Select Low Spatial Resolution Multi Band Input File中選擇多光譜影像；(3)在Select High Spatial Resolution Pan Input Band中選擇B8波段；(4)在Gram-Schmidt Spectral Sharpen Parameters中設(shè)置融合參數(shù)，選擇重采樣模型并保存.

3.1.3 研究區(qū)裁剪

為獲取堯都區(qū)的遙感圖像，需要進(jìn)行掩膜技術(shù)操作.主要步驟：首先統(tǒng)一坐標(biāo)系并加載待裁剪數(shù)據(jù)；其次加載堯都區(qū)矢量數(shù)據(jù)shp，當(dāng)shp文件與被裁剪影像顯示在同一窗口時(shí)，點(diǎn)擊“Apply”；再次將shp文件保存為ROI；最后在Basic Tools中打開(kāi)“Subset Data via ROIs”，完成裁剪.

3.2 影像解譯

3.2.1 樣本選擇

研究區(qū)分類系統(tǒng)主要包括：水體(Ford)、林地(Woodland)、居民用地(Residential land)和耕地(Farmland)四大類.通過(guò)目視解譯圈出各地類樣本并進(jìn)行全圖范圍的圖像處理：打開(kāi)圖像，點(diǎn)擊“Overlay”選擇感興趣的區(qū)域，左鍵點(diǎn)下，右鍵結(jié)束，滑輪鍵刪除.

3.2.2 分離性檢驗(yàn)

樣本選擇完成之后，為了比較和評(píng)價(jià)樣本的精準(zhǔn)程度，需要通過(guò)計(jì)算樣本的基本統(tǒng)計(jì)值來(lái)檢查樣本的代表性和可分離程度.操作流程：“Options”→“Compute ROI Separability”→選擇全部的可分離性樣本，然后點(diǎn)擊“OK”，出現(xiàn)如圖1，最后數(shù)值在1.8～2.0之間說(shuō)明符合要求，小于1.8則說(shuō)明需要修改或者重新選擇.

3.2.3 監(jiān)督分類及后處理

研究中選擇了Envi軟件常用的最大似然法分類.首先在主菜單中，選擇“Classification”→“Supervised”→“Likelihood Classification”設(shè)置參數(shù)，然后單擊“OK”執(zhí)行分類.分類后處理主要包括：剔除、精度印證、改名字、改顏色等，是對(duì)分類結(jié)果的檢查、修改，可提高分類結(jié)果的精度.

3.3 GIS統(tǒng)計(jì)分析

3.3.1 格式轉(zhuǎn)化

為了把數(shù)據(jù)加載到ArcMap中，還需將Envi格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS格式，在ArcGIS中對(duì)格式轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，這一步操作在GIS軟件中的工具箱中完成：“Conversion Tools”→“From Raster”→“Raster to Polygon”.圖2、圖3和圖4為臨汾市通過(guò)圖層組合(Layer stacking)、融合(Gram-Schmidt Spectral Sharpening)、裁剪(Mask)、目視解譯、監(jiān)督分類(Classification)以及格式轉(zhuǎn)化(shp.→tif.)等一系列技術(shù)操作所得結(jié)果.

3.3.2 信息提取及統(tǒng)計(jì)

通過(guò)矢量化轉(zhuǎn)換的柵格數(shù)據(jù)可以利用GIS軟件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的疊加處理和統(tǒng)計(jì)分析，研究中利用GIS技術(shù)提取耕地信息并統(tǒng)計(jì)耕地面積：在加載數(shù)據(jù)后打開(kāi)屬性表添加字段“Area”并計(jì)算面積；再點(diǎn)擊“Select by Attributes”，計(jì)算GRIDCODE=唯一數(shù)值；最后統(tǒng)計(jì)已提取的“GRIDCODE”中同一類別的地物得出耕地面積.

4 結(jié)果與分析

圖1 樣本可分離性報(bào)告Fig.1 Samples separability report

圖2 2013年堯都區(qū)監(jiān)督分類耕地結(jié)果矢量圖Fig.2 Yaodu district supervision classification of cultivated land result vector in 2013

4.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用類型動(dòng)態(tài)度，是某研究區(qū)一定時(shí)間和范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[10].在RS和GIS技術(shù)的支持下，用相同的手段提取并統(tǒng)計(jì)了居民用地面積和林地面積,并與耕地進(jìn)行相關(guān)性分析(表1).

表1 堯都區(qū)土地利用類型統(tǒng)計(jì)表 (單位：km2)Tab.1 Statistics of Land Use Types in Yaodu District

本文利用“土地利用動(dòng)態(tài)度”來(lái)研究臨汾市堯都區(qū)在2013年到2015年間某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[11]

圖3 2014年堯都區(qū)監(jiān)督分類耕地結(jié)果矢量圖Fig.3 Yaodu district supervision classification of cultivated land result vector in 2014

圖4 2015年堯都區(qū)監(jiān)督分類耕地結(jié)果矢量圖Fig.4 Yaodu district supervision classification ofcultivated land result vector in 2015

K=(Ub-Ua)/Ua*1/T*100 %

式中,K=研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua=研究初期某一種土地利用類型的數(shù)量；Ub=研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量；T=時(shí)間段.帶入數(shù)字計(jì)算可以得出：K居民用地=13 %；K林地=15%；K耕地=-6 %.2014年居民用地面積比2013年增加了86 km2，增長(zhǎng)幅度為17.95 %；2015年比2014年增加了44 km2，增幅為7.79 %.林地面積從2013年到2015年分別增加了58 km2和53 km2，增幅分別為15.93 %、12.56 %，所以K居民用地值和K林地值均為正，而耕地面積從2013年到2015年呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，分別減少了21 km2和25 km2，所以動(dòng)態(tài)度為負(fù)值.

4.2 原因及措施

在RS和GIS技術(shù)的支持下，得出以下結(jié)論：臨汾市2013年～2015年耕地資源總量逐漸減少且主要流向?yàn)榫用裼玫睾土值?影響耕地面積變化的因子錯(cuò)綜復(fù)雜，歸納起來(lái)有社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然因素兩個(gè)方面[12]，主要有以下幾點(diǎn)：第一，隨著人口逐年增長(zhǎng)，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，房地產(chǎn)房屋施工面積等建設(shè)用地的占用使耕地資源不斷減少；第二，面對(duì)資源日益匱乏、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的局面，臨汾市制定并實(shí)施了退耕還林、退耕還草的政策，也導(dǎo)致了耕地資源的逐年減少；第三，近幾年來(lái)隨著城市化的發(fā)展，資源型城市的生態(tài)環(huán)境達(dá)到臨界狀態(tài)，加之黃土高原水土流失嚴(yán)重，土地荒漠化造成了耕地資源的減少.推進(jìn)耕地利用良性發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容主要包括：(1)建立基于綜合效益評(píng)價(jià)和充分體現(xiàn)效率的指標(biāo)體系；(2)在結(jié)合生態(tài)指標(biāo)的基礎(chǔ)上建立與耕地和承載功能相適應(yīng)的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[13]；(3)研究耕地資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)的協(xié)調(diào)技術(shù).如耕地經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展技術(shù)等[14]；(4)加強(qiáng)配套政策的研究和多部門(mén)協(xié)作的分層管理機(jī)制以及基本農(nóng)田保護(hù)等政策的落實(shí)；(5) 建立農(nóng)戶可持續(xù)利用耕地的激勵(lì)和約束機(jī)制,維護(hù)并促進(jìn)耕地質(zhì)量和生態(tài)水平的提高[15].