基于RS和GIS的土地利用时空动态变化分析----------以重庆永川区为例

唐家荣,张世熔,吴光碧,田进

1.重庆文理学院软件工程学院,重庆永川402160

2.四川农业大学资源环境学院,四川雅安625014

3.重庆文理学院文化与传媒学院,重庆永川402160

基于RS和GIS的土地利用时空动态变化分析
----------以重庆永川区为例

唐家荣1,张世熔2,吴光碧3,田进1

1.重庆文理学院软件工程学院,重庆永川402160

2.四川农业大学资源环境学院,四川雅安625014

3.重庆文理学院文化与传媒学院,重庆永川402160

根据重庆永川区2002年到2008年遥感影像图，基于RS和GIS技术、ArcGIS9.2平台，对Landsat7、Landsat5卫星的ETM+和TM影像数据进行解译，得到该区研究时段的土地利用类型图。应用土地利用类型转移模型、土地利用类型面积的变化过程及土地利用程度时空演变模型，定性和定量相结合的方法分析了研究区7年间土地利用时空变化特征。研究表明:该区土地利用变化以耕地和园地为主。其中，耕地减少面积最大，变化率为-1.65%；园地增加面积最大，变化率为11.18%。耕地因区位条件和比较经济效益的差异不断向其他土地利用类型流转，耕地减少的去向主要是居民点及工矿用地，分别占各地类总面积的1.6%和3.4%。园地面积的增加主要来源于其他农用地及耕地的转化。研究区2002至2005年土地利用处于调整期或衰退期，2005至2008年土地利用处于发展期。

永川区;土地利用变化;遥感;地理信息系统

1 引言

土地是人类赖以生存的基本自然资源,是社会得以持续发展的基础，是劳动对象、人工生态环境改造的基本载体。全球环境变化已成为国际社会关注的焦点，国际社会采取了一系列防范措施防止环境日益恶化。土地利用/土地覆盖变化（简称LUCC）在全球环境变化中显得尤为突出。土地根据自然因素和社会因素的影响而发生利用覆盖变化，但同时具有土地的原始性和位置的固定性，是全球土地利用变化研究的重点。计算机技术和信息技术的广泛应用，促进地理信息系统软件的发展，诸如ARCgis软件为研究分析土地利用变化数据的处理提供了可靠的平台，可快速分析变化结果[1]。

本文通过对重庆永川区近几年土地利用变化情况进行研究，以期为永川区未来合理配置和利用土地资源、推进区域经济健康快速可持续发展提供参考。

2 研究区域与研究方法

2.1研究区概况

永川区位于重庆西部，东距重庆56 km，西离成都276 km。位于长江上游北岸，东邻江津区，东北靠壁山县，北界铜梁县，西接荣昌县，南与四川省合江县、泸县接壤。永川交通便利，成渝铁路干线、成渝高速公路横贯全境。水路交通便利，长江流经南端近临朱沱镇，离永川市区21 km。永川是渝西地区和川东南部的交通、商业贸易、文化交流、金融保险、矿产能源中心。地处东经105°38′～106°05′、北纬28°56′～29°34′。幅员面积1576 km2，辖区19个镇、3个街道，45个社区居委会、210个行政村。2006年10月22日，国务院（国函2006 110号）批准：撤销永川市，设立重庆市永川区，以原永川市的行政区域为永川区的行政区域，永川区人民政府驻中山路街道[2]。截止2008年底，全区出生人口16435人，出生率14.96‰，人口自然增长率5.2‰。年末总户数356855户，总人口1101814人，增长0.62%，其中非农业人口297158人，增长4.19%，农业人口804656人，下降0.64%。非农业人口比重由上年的26.05%上升到26.97%[3]。

2.2遥感数据的获取与分析

本次研究采用的数据源分遥感信息源和非遥感信息源两种。遥感信息源选取中国遥感卫星地面站接收的美国Landsat7、Landsat5卫星的ETM+（2002年11月14日）和TM（2008年11月9日）影像数据。两期TM遥感影像，分辨率为30 m，图像清晰，完全满足分析研究要求。非遥感影像数据主要包括：永川区1:50000地形图，用于辅助目视解译；重庆统计年鉴2002～2008年，永川区2002～2008年统计年鉴资料及永川区国土资源局提供的相关资料。本次研究工作主要使用的软件有: ENVI 4.0、ArcGIS9.2和Autocad等。

Landsat对地观测卫星，目前在全球范围内应用最为广泛，源于美国国家航空和航天局（NASA）发射。其性能良好、光谱信息丰富，时效性快，它的主要任务是观察陆地环境和地理资源，在其围绕的轨道上运转数年，获取了数百万幅有价值的遥感影像。其应用领域包括地理、农业、海洋、林业、地质、生态环境、测绘、气象等[4]。观测卫星Landsat7性能可靠，数据质量优越，与Landsat5相比，分辨率、光谱和几何精校等特性基本一致，Landsat7增添了部分新特性，如增加微米全色，ETM+各波段数据见表1。

表1 TM各波段参数及其应用*Table 1 The data of TM wave and it's application

2.3遥感影像预处理及信息提取

遥感影像预处理及信息提取其目的是得到土地利用类型现状图。主要的步骤有土地分类、建立影像解译标志、遥感影像分类、精度分析、栅格图矢量化等步骤，现以精度分析为例详细介绍处理过程，研究结果的准确度，和分类密切相关。分类精度评价是分类结果是否可信的度量，判别分类的必要步骤[5]。以判别分类是否达到分析要求，采用对比的方法。一般是将分类图像中的特定像元和参考像元进行对比，实际研究过程中常将分类数据与地面考察数据、实地调查结果、其他电子纸制图文数据、航空拍摄影像数据等进行对比分析，常用的评价指标有总体精度、影像精度评价及Kappa系数等[6]。

Kappa系数分析采用的是一种离散的多元技术统计数据,是一种测定两幅图之间吻合度或精度的指标，取值在0-1之间。其数学表达式为（公式1）：公式2-1中：K为Kappa系数，n为分类矩阵行数，Vij为第i行第j列的观察值，Vi+为分类误差矩阵的行总和，Vx+i为分类误差矩阵的列总和，N为总观察值。

首先结合原始影像将提取的结果同原始影像叠加，通过目视检验，符合程度较高，总体效果满组足要求。其次，随机选取样本计算Kappa系数分别为0.812和0.826，结果能达到研究精度[7]。永川区土地利用现状图见图1、图2。

图1 2002年永川区地利用现状图Fig.1 The present condition of land use in Yongchuan 2002

图2 2008年永川区土地利用现状图Fig.2 The present condition of land use in Yongchuan 2008

3 土地利用动态变化分析

3.1土地利用变化的幅度

对两个时相的分类结果进行统计，得出永川区2002年和2008年期土地利用和覆盖变化结果及7年间的土地利用变化情况，另外，通过国土资源统计材料，得到2005年土地利用情况，为了体现剃度研究分析[8]，对2002年到2008年土地利用情况进行分析（表2）。

表2 2002～2008年永川区土地利用分类变化表Table 2 The classification-change of land use in Yongchuan 2002～2008(hm2)

3.2单一土地利用变化动态度

LUCC一段时间重点研究变化的速度和趋势，单一土地利用类型动态度是众多学者研究的方法，它在一定程度上首先反映了研究区域某时段土地利用类型面积的变化速度，另一方面也体现了预测未来及土地利用类型差异变化的情况，计算表达式为（公式2）：

公式2中各变量含义：

R:土地利用类型变化率，描述某时间区间研究区单一土地利用类型动态度，反映某一土地时间区间面积变化速率；Va,Vb:研究区间始末土地利用类型数量，年份始末周期要求相同；T：研究时段长，为便于数据分析，该文的研究时长分为2个阶段，2002～2005年和2005～2008年，假设以年为时间单位研究，时间区间永川区某单一土地利用类型年变化率为R[9]。根据公式2计算永川区单一土地利用类型动态度（表3）。

表3 2002-2008年永川区土地利用变化率Table 3 The change rate of land use in Yongchuan 2002～2008(hm2)

3.3土地利用转移分析

根据不同时期的土地利用类型矢量图，利用Arcgis软件的空间叠加分析模块Tabu late A rea功能，得出2002年到2008年永川区土地利用类型转移矩阵（表4）。

表4 永川区2002～2008年土地利用转移矩阵Table 4 The transfer matrix of land use in Yongchuan 2002～2008(hm2)

表4中，列表示2002年各土地类型面积，行表示2008年各土地类型面积，行列交叉处为各地类面积的变化值，同地类交叉处表示地类没有发生变化的面积，其中牧草地各年均未发生变化。例如行中62658.4 hm2为耕地没有发生变化的面积，行中3250.6、3174.1、688.7分别为园地、林地、其他农用地转化成耕地的面积[10]。

3.4土地利用变化时空建模

3.4.1 土地利用程度综合指数模型LUCC研究由于因素众多变得纷繁复杂，建立模型有利于掌握其变化本质。土地利用程度趋势的研究，掌握扩展变化的规律及主要驱动因子，是土地覆盖变化自然属性的表现，定性分析不能满足复杂变化的趋势，本文模型建立定量分析土地覆盖变化即土地利用程度综合指数从多角度描述了土地变化的趋势及特点。土地覆盖变化的研究必须从变化的广度和深度，研究人类改造土地因素和自然演化过程等因素的综合效应的影响。根据土地利用的基本属性和研究区域遥感影像解译结果，结合研究区的土地利用类型将土地分为若干等级，为了方便研究，未利用地和其他土地合并为未利用地。根据刘纪远先生等对土地利用程度分级的研究成果结合实际略作修改[11]，将土地利用程度分为4级，并赋予分级指数（表5）[12]。

在实际的应用过程中，土地分级要根据具体情况而定，如果把此模型应用到该区域，还不够完善。首先，为了提高研究的精准度，需要细化的分级，按照表5的利用分级，该模型分级范围大，不能细致和充分的反应利用程度的特点。其次，模型分类不符合该区域的实际情况，例如，草地的面积非常小，未利用地和其他土地利用用途不明晰，分析指向性不明确。而且土地的分类标准发生过变化。因此，合理的修正此模型，使分级能够兼容土地利用类型，更接近事实，更加详细地进行土地利用程度的分析[13]。研究区域的土地利用程度综合指数表达为（公式3）：

表5 土地利用程度分级表Table 5 The land use degree classification

公式3中各变量含义：

Kz:研究区域土地利用程度综合指数，数值大小可以反映出变化趋势，其值的范围是100～400之间连续变化的；Xi:研究区第i级分级指数，根据表5赋予的分级指数为1到4；n:表示分级数，该文为4；Yi:为土地利用程度研究区第i级的分级面积百分比；根据公式3，将土地统计数据输入计算机后得到永川区土地利用程度的综合指数，如表6所示。

表6 永川区土地利用程度变化综合指数Table 6 The comprehensive change index of land use in Yongchuan

从表6中可以看出，永川区从2002年至2008年的土地利用变化综合指数都在290至291之间，为研究取近似值为291，综合来看土地利用程度已经超过平均值。综合指数更进一步说明了该研究区永川的土地利用程度基本呈平稳状态，微乎其微的变化，或者可以认为几乎没有提高的趋势。该区域从2002年到2008年期间，城市及乡镇建筑大面积扩展，但利用程度不高，表明应采取措施，切实有效地提高土地利用程度[14]。

3.4.2 土地利用程度变化模型在规定的研究区间，本文以重庆永川区为例，通过定量分析，建立模型。土地的利用覆盖情况可以用土地利用程度的变化来综合反映。与以上综合指数模型分析相比，既有区别又相互相承，该研究区园地、林地等各种土地类型的变化，之间的转移及转化，以及特定地类内部的变化都是其程度变化的诱因。土地利用程度变化的研究主要是从数量和结构比例两方面反映覆盖利用变化趋势，只要定量分析变化量及变化率，实质体现了研究区间土地利用的综合水平。本文研究区2002年到2008年的变化趋势和综合变化水平，结合经济资料和社会资料，在建立的指数模型的基础上，通过土地利用程度变化量和土地利用程度变化率的描述，从两个阶段分别反映变化情况。土地利用程度变化量和土地利用程度变化率可表达为公式4和公式5[15]：

公式4和公式5各变量的含义：

△Ky-x:研究区间土地利用程度变化量；W：研究区间土地利用程度变化率；例如2002年到2005年变化率为-0.03；Xi:第i级土地利用程度分级指数，根据土地利用程度分析表确定；ZiX:研究区内x时间第i级土地利用程度分级面积百分比，根据利用程度分级表5确定研究类土地分级面积比例；Ziy：研究区域内y时间第i级土地利用程度分级面积百分比，计算方法同ZiX；Kx：某研究区域x时间的土地利用程度综合指数，根据公式3计算；Ky：某研究区域y时间的土地利用程度综合指数[16]；

如果△Ky-x＞0（w＞0），则表示该区域土地利用处于发展时期，如果△Ky-x〈0（W〈0），则表示该区域土地利用处于调整期或衰退期。根据公式4和公式5，计算永川区的土地利用程度变化量和土地利用程度变化率如表7所示。

表7 永川区土地利用程度变化量与变化率Table 7 The change-data and change-rate of land use degree in Yongchuan

从2002到2005年永川区3年以来发展状况来看，分析各地类现状，从表7反应了土地利用程度变化量和土地利用程度变化率分别为-6.97、-0.03都小于0，说明研究区域的土地利用正处于调整期或衰退期。2005到2008年土地利用程度变化量和土地利用程度变化率分别为16.77和0.08都大于0，说明这期间土地利用处于发展期[17]。

4 结论

本文分析土地利用收集了大量相关电子及纸制文献，如遥感影像图，人口、水系和社会经济统计资料，最后得出以下结论：

（1）根据研究区各土地利用类型面积的变化数据及变化幅度，得出重庆永川区土地利用结构和总体趋势的演变。从地类数量层面的综合变化分析可知：耕地减少幅度最大，减少面积7090 hm2；水利设施用地减少幅度最小，减少面积仅为97.8 hm2；其他农用地、未利用地呈减少趋势；其它地类面积的变化，除牧草地保持不变之外，面积都有不同程度的增加。其中园地增加7232.2 hm2，增长幅度最大；林地增加2900.7 hm2；居民点及工矿用地增加了1169.7 hm2；变化最小的是交通用地，增加69.1 hm2。

（2）通过转移矩阵分析，Arcgis软件空间叠加，得出重庆永川区耕地主要转化去向是园地、林地、其他农用地、居民点及工矿用地以及水利设施用地，分别占由耕地转化成其他土地总量的38%、20%、8%、17%、12%。耕地因区位条件和比较经济效益的差异不断向其他土地利用类型流转，面积减少，是居民点及工矿用地和交通用地面积增加的主要来源，分别占各地类总面积的1.6%和3.4%。园地主要转化成耕地、其他农用地、居民点及工矿用地。居民点及共矿用地主要来源于耕地、园地、其他农用地和其它土地，分别占居民点及工矿用地总面积的1.4%、2.2%、3.5%、2%。林地主要来源有耕地、园地、水利设施用地及未利用地的转化。

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Analysis on Spatio-temporal Dynamical Change of Land Use Based on RS and GIS----------Taking Yongchuan Chongqing as an example

TANG Jia-rong1,ZHANG Shi-rong2,WU Guang-bi3,TIAN Jin1
1.Department of Software and Engineering,Chongqing University of Arts and Sciences,Yongchuan402160,China
2.College of Resources and Environment,Sichuan Agricultural University,Yaan625014,China
3.Department of culture and communication,Chongqing University of Arts and Sciences,Yongchuan402160,China

According to the remote sensing images from 2002 to 2008 in Yongchuan distrcit,Chongqing,based on RS and GIS technology,ArcGIS9.2 platform,this paper expressed the ETM+and TM image data of Landsat 7,Landsat 5 satellites, to get the land use pattern in the area of study period and analyzed the spatial and temporal variation characteristics of land use in the study area during the past 7 years,using the land use types of transfer evolution model type area changes and degree of land use,spatial and temporal land use model,qualitative and quantitative method.Research result showed that:the land use change in this area mainly laid in cultivated land and garden plot.Among them,the reduction of cultivated land area was the largest,the change rate of-1.65%;garden increased the largest area,change rate is 11.18%.Cultivated land due to differences in location and comparative economic benefits transferred constantly to other land use types of cultivated land circulation,the reduced whereabouts was mainly residential and industrial land,which accounted for 1.6%and 3.4%of the total area of all types respectively.Transformation of garden area increase came mainly from other agricultural lands and arable lands.The study area from 2002 to 2005 land use was in adjust period or a period of recession,in 2005 and 2008 land use in development period.

Yongchuan;land use changes;remote sensing;GIS

TP751

A

1000-2324(2014)04-0552-07

2013-04-19

2013-05-25

国家自然科学基金青年基金(61304255);重庆市教委科学技术研究(KJ131211);大学生创新创业训练计划(2013007)

唐家荣(1983-),男,重庆开县人,硕士.研究方向:电路与系统设计、计算机控制.