基于RS的泰安市土地利用动态变化研究

魏 超 贾勇帅 吴 昊 赵丽云 张善廷

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.南京市国土资源局燕子矶国土资源所，江苏 南京 210095)

基于RS的泰安市土地利用动态变化研究

魏 超1贾勇帅1吴 昊1赵丽云2张善廷1

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.南京市国土资源局燕子矶国土资源所，江苏 南京 210095)

土地利用遥感动态监测能够快速提取土地利用变化信息,更新土地利用现状图，对于土地资源合理利用、科学管理具有重要的意义。本文以泰安市为例，利用2006年、2010年两期TM影像数据，在遥感处理软件ERDAS IMAGINE和ENVI的支持下，通过几何校正、图像重采样、影像裁剪、监督分类、动态矩阵分析等遥感技术对泰安市土地利用状况动态变化进行了研究。研究结果表明：耕地的面积大量减少，减少的面积最大，是其他用地面积增加的主要来源，建筑用地数量显著增加，但同时林地和草地数量也有所增加，所以不会因为环境问题影响到居民的正常生活。研究结果可为泰安市的可持续发展和有效管理提供理论基础和依据。

ERDAS软件 TM遥感图像 监督分类 矩阵分析 土地利用变化

1 引言

土地利用/覆盖及其变化作为人类活动与自然交叉最为密切的问题[1-3],一直是地球科学研究的热点,成为全球变化研究工作的重要组成部分。[4,5]传统土地利用变更调查方法工期长、误差大、费用高，遥感等新技术能更快速、有效地提取土地利用变化信息,更新土地利用现状图,实现土地资源合理利用、科学管理。国内外很多科研机构及院校对RS技术在土地利用动态变化进行了研究，如中国科学院通过RS与GIS技术的融合研究了地势起伏较大的重庆市的土地利用动态变化，并有效分析了内在驱动力[6]；西北师范大学对黑河上游土地利用动态变化进行了定量分析[7]。对于旅游型城市的泰安，近几十年发展迅速，更需要清楚地认识土地利用的动态变化,以研究土地利用变化的内在驱动力和外在驱动力,同时合理调整经济活动以合理利用土地,从而达到土地资源可持续利用的目的[8]。

2 研究区域概况与研究方法

2.1 研究区域概况

泰安市位于山东省中部，介于东经116°20′～117°59′，北纬35°38′～36°28′，北依济南，南临曲阜，东连淄博，西濒黄河，总面积7762平方公里，人口543万人，辖6个县市区。泰安属温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，雨热同季，年平均气温13℃，年平均降水量697毫米。境内泰山海拔1532.7米，具有明显的高山气候特征。全市土壤类型多样，主要有棕壤、褐土、砂姜黑土、潮土、山地草甸型土和风沙土六大类，其中棕壤、褐土为地带性土壤，是土壤组成的主要类型。泰安地势自东北向西南倾斜，拥有山地、丘陵、平原、洼地湖泊等地貌类型。泰安有高等植物239科1212种，泰山植被覆盖率达80%，以落叶林、阔叶针叶混交林、针叶林、高山灌木草丛为垂直分布。农作物包括粮食、经济作物和蔬菜3大类。

2015年泰安市实现生产总值3240亿元，常住人口543万人，其中城镇人口258.2万人。泰安是一座著名的文化旅游城市，境内的泰山是国家重点风景名胜区，海拔1532.7米，是世界自然文化遗产。泰安市于1982年被国务院列为第一批对外开放旅游城市，是中国华东地区重要的对外开放旅游城市。

2.2 研究方法

该研究以山东泰安的TM影像为主要数据源，以泰安市行政区划图、地形图及相关资料作为补充数据源，应用遥感理论基于ERDAS IMAGINE和ENVI遥感图像处理系统软件进行处理数据。主要通过信息读取、几何精校正、假彩色合成、研究区域提取等的预处理，进行监督分类，对分类后的结果采用直接比较法进行动态分析。同时，根据建立的解译标志库，结合实际现状图对研究区进行人机交互区划、判读，根据判读结果获得土地利用类型变化数据，定量分析该区域土地利用情况。技术路线如图1所示。

2.3 数据来源及相关资料

山东省泰安市2006年与2010年TM影像，采用波段1至5和7波段；行政区划图；2006年以来，相关的自然和社会经济统计资料。

3 研究过程及结果分析

3.1 数据预处理

预处理工作是进行土地利用动态变化研究的首要工作，在一定程度上决定了监测工作的结果。该研究主要通过假彩色合成、几何校正和图像裁剪等进行遥感图像预处理。

根据图像和研究区域的特点，选用4、3、2波段分别赋予红、绿、蓝进行假彩色合成，可以获取植被、水域信息提取的最佳效果。利用ERDAS IMAGINE软件对泰安市行政区划图与TM影像进行几何校正，获取研究区域的正射影像，其中地面控制点遵循原则如下：第一，地面控制点在图像上有清晰的定位识别标志，且地面控制点的地物不随时间发生变化；第二，地面控制点均匀分布，开始四个控制点要分布于一幅图像的四角，每景图像地面控制点个数为六个，另外需选取两个地面检查点。校正之后，采用最邻近法进行重采样，完成整幅图像的几何精校正。利用ERDAS IMAGINE软件图像裁剪功能将研究区域从不同时相的TM影像中裁剪出来，获得预处理结果图像，图2与图3分别为研究区域裁剪后的2006年与2010年影像。

3.2 土地利用信息提取

1.土地利用分类系统的建立。本文据中国土地资源分类系统和2007年我国颁布执行的《土地利用现状分类》标准[9]，将泰安市的土地利用/覆盖类型划分为5类，分别为耕地、林地和草地、水域、城乡工矿居民用地、未利用地。

2.影像解译。因为影像的分辨率相对较低，依次通过了解影像的辅助信息、分析已知专业资料、建立解译标志、预解译、地面实况调查、详细解译和类型转绘与制图过程，完成TM影像目视解译，获得专题地图。最终所采用的解译标志如表1所示。

表1 影像解译标志

3.监督分类。通过定义训练样本、执行监督分类、评价分类结果和分类后处理四个过程完成。图4与图5分别为研究区域2006年与2010

年影像监督分类结果。表2与表3分别为研究区域2006年与2010年影像分类精度。经评定及处理，分类精度符合要求。

土地类型参考总数分类总数正确数目生产者精度用户精度耕地42250.00%100.00%林草地565100.00%83.33%水域0100.00%0.00%建设用地121100.00%50.00%未利用地32266.67%100.00%总体精度:90.00% Kappa系数:0.8407

表3 2010年分类精度

3.3 土地利用动态变化分析

1.土地利用数量变化特征

根据遥感图像分类的结果，分别计算出2006年和2010年泰安市各类土地利用的面积和比例的变化。2006-2010年土地利用总量变化如表4所示。

表4 2006-2010年土地利用总量变化

由表4可得，2006年到2010年，泰安市耕地数量减少了7%，数量上减少了56963公顷；林地和草地总体上增加了18672公顷，增加了近3%；居民用地增加了0.3%，水域数量增加了203.1公顷。总的来说，耕地数量在减少，林地和草地数量在增加，居民用地在增加，水域数量变化不大。

2、土地利用结构变化特征

基于2006年、2010年泰安市土地利用分类图，利用ENVI软件中的Basic Tools中的band math工具对泰安市2006年和2010年的TM遥感影像分类结果图进行波段运算、统计运算，得到两时期影像的像元变化，后经计算得出2006年到2010年土地利用类型之间的变化，统计数据如表5所示。表5中对角线上的数值为各种地物类型未发生转化的面积；转入量为2006年各土地利用类型面积与矩阵中对角线上未发生变化的相应土地利用类型面积的差值；转出量为2010年各土地利用类型面积与矩阵中对角线上未发生变化的相应土地利用类型面积的差值。

表5 2006-2010年土地利用类型变化矩阵

由表5泰安市2006年的转出方向上看，耕地的主要转出方向是林草地和建筑用地，面积分别为14136.3平方公里和7179.84平方公里；林草地主要转为耕地和建筑用地，面积分别为33763.23平方公里和30045.86平方公里，也有一部分转化为未利用地；水域的转化主要集中为建筑用地和未利用地，分别为2840.31平方公里和222.57平方公里；建筑用地主要的转化方向为耕地和林草地，面积为37999.8平方公里和24115.05平方公里；未利用地的转化十分剧烈，主要转化为林草地和建筑用地，面积分别为24328.8平方公里和29138.85平方公里；从转入方向看，比较突出的是耕地和建筑用地的显著增加，主要增加源为耕地、未利用地和林草地以及一部分水域。

4 结论

利用RS技术对泰安市土地利用变化进行分析，可以在短时间内对土地利用变化情况进行监测，能够及时反映土地的属性变化。结果表明:①在土地利用方面，泰安市建设用地于四年间有较大幅度的增长，主要沿着河流水体发展。耕地则有大幅度的减少，同时林草地数量有所增加，而水体则基本保持不变。②在土地利用空间转变方面，土地的主要转化方向是耕地、林草地向建设用地的转化，还有部分林地、耕地和未利用地之间的相互转化。泰安市社会经济和文化有了长足发展，居民生活水平显著提高，交通及其他基础设施正在不断完善，这些方面对泰安市的土地利用变化起着主导作用。近几年，泰安市房地产业发展较快，因此，城区用地的快速扩展成为其建筑用地增长的主要因素，另外，农村居民点和工矿建筑用地的增加也是建筑用地增长的因素之一。农村人口增加，相应的住房条件也得到改善，住房面积增加，从而农村居民宅基地面积增加。因此，建议泰安市科学分析土地资源总量，使土地利用结构和城市发展规模与国家规划相符合方面加大力度。

[1] 张丽，杨国范，刘吉平.1986-2012年抚顺市土地利用动态变化及热点分析[J].地理科学,2014,34(2):185-191.

[2] Turner B L II, Skole D, Fischer G, etal. Land-use and Land-cover change: Science/Research Plan [R].IGBP report no.35,HDP Report no.7,1995：132.

[3] Li X B.A review of the international researches on land use/land cover change[J].Acta Geographica Sinica,1996,51(6):553-557.

[4] 何书金,王秀红,邓祥征,等.中国西部典型地区土地利用变化对比分析[J].地理研究,2006,25(1):79-87.

[5] 刘纪远,张增祥,徐新良,等.21世纪初中国土地利用变化的空间格局与驱动力分析[J].地理学报,2009,64(12):1411-1420.

[6] 江晓波，孙燕，周万村，等.基于遥感与IGS的土地利用动态变化研究[J].长江流域资源与环境,2003,12(2):130-135.

[7] 安美玲，张勃，孙力炜,等.黑河上游土地利用动态变化及影响因素的定量分析[J].冰川冻土,2013,35(2):355-363.

[8] 王良健,包浩生.彭补拙.基于遥感和GIS的区域土地利用变化的动态监测与预测研究明[J].经济地理,2000,20(2):47-51.

[9] GB/T 21010-2007, 土地利用现状分类[S].北京：中国标准出版社，2007.

Research on Land Use Dynamic Change of Tai’an Based on RS

WEI Chao1, JIA Yong-shuai1,WU Hao1, ZHAO Li-yun2,ZHANG Shan-ting1

(1. Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590, China;2. Yanziji Land and Resources Bureau of Nanjing Land and Resources Bureau, Nanjing Jiangsu 210095, China)

Land use remote sensing dynamic monitoring can extract information of land use change quickly and update land use status. It has the vital significance for the rational utilization of land resources, and scientific management. The paper takes Tai’an City as an example, uses two phases of the TM image data of 2006 and 2010 with the support of ERDAS IMAGINE and ENVI geometric correction, image resampling, image cropping, supervised classification, dynamic matrix analysis. Remote sensing technology for dynamic change of land use conditions were studied in Tai'an City, and the results showed that: there is a significant reduction in arable land area, with the largest decrease. Other sites are the main sources of the increase in the area, and building had a significant increase in the number of sites. At the same time, the number of woodland and grassland increased, which will not affect the normal life of the residents because of the environmental issues. The results provide a theoretical basis and foundation for sustainable development and effective management of Tai'an city.

ERDAS software; TM remote sensing image; supervised classification; matrix analysis; land use change research

2016-05-09

P237

B

1007-3000(2016)06-5