基于ENVI的土地利用类型变化分析——以莱芜市为例

高俊美，张吉祥

(山东建筑大学建筑城规学院，山东 济南 250101)

ENVI （The Environment for Visualizing Images）是采用交互式数据语言IDL(Interactive Data Language)开发的遥感图像处理软件，能够准确高效地从影像中提取信息。近些年遥感影像空间分辨率提高迅速，数据源更新更快更准确，这使得利用ENVI能更快速高效地分析土地利用类型及变化，为优化土地结构提供科学依据。随着莱芜市城镇化快速推进，耕地资源流失严重，土地集约利用水平较低，现有土地质量下降等问题随之而来。结合已有土地利用现状及经济社会发展资料，利用ENVI分析土地利用类型变化，分析莱芜市土地利用变化驱动力。

1 研究区概况

研究区莱芜市面积2286 km2，地处山东省中部，东临淄博，北邻济南市，西部与南部紧邻泰安。春暖多风，夏热多雨，秋高气爽，冬燥寒冷，属于四季分明的暖温带半湿润季风气候。除西部以外三面环山，中部是有地形起伏的莱泰平原，整体上是为由南向北逐渐变陡且北边为弧形的半圆形盆地。

莱芜市土地利用结构和布局近几年有巨大改变，这主要是由产业结构的调整造成的。城乡二元化经济局面被打破，莱芜市的经济发展水平快速提高。

2 数据来源

本研究以地理空间数据云提供的遥感影像作为数据源，具体成像时间为2009年5月的Landsat4-5影像与2016年10月的 Landsat8影像，研究区云量均为0%，空间分辨率为30 m。

3 研究方法

选取莱芜市2009年与2016年的TM影像，经过几何配准后进一步数据融合，并进行影像裁剪，再利用ENVI监督分类，对分类后的结果分析，再利用ArcGIS进行信息提取得到数据。

3.1 数据处理

3.1.1 影像配准

影像几何配准有四种方式：影像到影像配准、地形图的配准、影像到地图配准、以及自动配准[1]。本文采用影像到影像配准。

3.1.2 数据融合

研究选用的图像空间分辨率为30m，由于分辨率不高这将影响影像判读，使最终数据准确性降低。将莱芜市同一时相多光谱数据与全色波段融合，空间分辨率得到提高。分别将2009年的landsat4-5影像和2016年的landsat8影像与全色波段进行数据融合。

3.1.3 影像剪裁

影像裁剪是对研究区域进行分析的前提，由此将研究区的范围确定才能分析。 本文采用的是按矢量边界裁剪。将2009年与2016年的真彩色影像分别打开，配准融合，再将矢量边界导入影像裁剪后进行掩膜，最终获取莱芜市范围影像（图1、图2）。

图1 2009年莱芜市影像剪裁图Fig.1 Image clipping map of Laiwu in 2009

3.2 监督分类

图2 2016年莱芜市影像剪裁图Fig.2 Image clipping map of Laiwu in 2009

ENVI提供了多种分类方法，本研究采用了最大似然法，根据研究的需要，将研究区土地利用类型分为交通运输用地、耕地、林地、水域、建设用地、和裸地6个类别。结合对莱芜市部分地区的实地调查，考虑地貌地形、土壤、植被等因子，与相应的TM影像特征对照验证，根据影像特征分别建立2期地类影像特征库，借助 ENVI软件对2期影像进行监督分类，得到2期莱芜市土地利用现状图(图3、图4)。

图3 2009年莱芜市土地利用分类图Fig.3 Land use classification map of Laiwu in 2009

图4 2016年莱芜市土地利用分类图Fig.4 Land use classification map of Laiwu in 2009

4 数据统计与分析

4.1 数据统计

统计莱芜市2009年与2016年两个时期的分类结果，如表1、表2所示，可以得出2009年、2016年的土地利用变化结果如下（图5、表1）。 研究范围内共计约2286km2。 结果表明：耕地、建设用地、林地、裸地这3种是7年来莱芜市范围内土地利用主要类型。2009年～2016年，莱芜市耕地面积从362.65 km2减少到301.48 km2，耕地面积减少了1/6，裸地及未利用地面积减少，建设用地与交通运输用地面积稳定增加，林业与水域面积也有小幅度增加。从各土地利用类型面积数据来看，交通运输用地面积大幅增加，建设用地面积也增量不少，这反映出近7年来莱芜市城市化进程不断加快，农用地减少凸显了城市化的进程中占用了大量的农用地。耕地面积少了1/6，而莱芜市林地面积增加，这种现象与现实情况吻合，位于莱芜市城乡结合地区的农民不再热衷于粮食作物和经济作物的种植，进而使得农业产业内部结构产生了一定调整。

图5 土地利用类型面积柱状图Fig5 Land use type area histogram

表1 土地利用类型面积及比例Table 1.Land use type area and proportion

表2 2009年～2016年莱芜市土地利用转移矩阵Table 2.Land use transfer matrix in Laiwu from 2009 to 2016

4.2 土地利用变化速度分析

土地利用动态度有两种分别是单一土地利用动态度和综合土地利用动态度，本文主要用单一土地利用动态度对一段时间内莱芜市某种土地利用变化的速度进行定量描述。 土地利用动态度计算公式为：

其中 K表示研究时段内某土地利用类型动态度，Ua为研究期初某土地类型的数量，Ub为研究期末某土地类型的数量，T为研究时段长(常以年为单位)[2]。 结果表明：交通运输用地、裸地和耕地变化速度最快年变化率分别达到了5.10%、4.27%、2.41%。其次是水域、建设用地、林地年变化率为2.20%、2.00%、0.80%（如下文表 3）。

表3 2009-2016年莱芜市土地利用年变化率Table 3.Annual change rate of land use in Laiwu city from 2009 to 2016

从年变化率来看，交通运输用地增速最快，莱芜市内交通运输用地扩大的主要原因是由于最近几年，莱芜市针对莱城大道、鲁中西大街、凤凰路大道、汶河大道、长勺路等主干道进行了修建与拓宽[3]，而由于建设用地本身的基数大所以增幅速度相对来说慢。裸地及未利用地年变化率相对较高原因相对复杂，市区范围内中的未利用地是由于莱芜市在2009年以前由于各种政策原因导致荒废建设用地较多，后期由于政府部门的干预与引导使得市区范围内的废弃未利用土地重新得到利用。而莱芜市北部的村镇裸地一部分在近几年得到利用是各项建设占用、以及对裸露山体的复林行为。农民关于土地种植利用上的思想近几年得到转变，在耕地上植树造林或育苗，使得林地的面积有所增加。另外各项建设占用使得耕地面积及未利用地面积减少。

5 演变驱动力分析

5.1 自然因素自然因素驱动力

结合实际，对莱芜市土地利用变化较大影响的驱动力因子有地形地貌、矿产资源、水文气候、植被资源等自然因素。

5.1.1 地形地貌

地形地貌条件造成莱芜市区域内存在相当数量的难开发土地。莱芜市除了平原以外山地 12.67万 hm2，占 2/3总面积，丘陵约 4万 hm2，约总面积1/5。即使是平原地区，也并不能全部利用，主要有近山阶地、岭坡梯田、山前盆地、坑塘、水库、河谷平原等7种微地貌。

5.1.2 水文气候

汶河水系中主要干流牟汶河和最大支流嬴汶河均经过莱芜境内，另外莱芜 和庄河属淄河水系[4]。水文气候条件对农业发展十分有利，莱芜著名的有“三辣一麻”，另外小麦、玉米、大豆、花生等粮食作物也在广泛种植。

5.1.3 植被

莱芜市林地资源丰富但主要是人工植被，树种多为抗旱耐贫瘠类型。自然植被率较小并且次生性质较为明显，个别山地丘陵和沟谷中可见零星次生落叶、阔叶杂林。

5.1.4 矿产资源

莱芜市矿产资源多，铁、煤、石灰岩等储量丰富。根据现有资料，莱芜市铁矿就有小型矿体 38个，中型矿体6个，大型铁矿体6个。莱芜市南部八里沟至颜庄等一片区域是煤矿主要分布地带。另外，储量丰富的石灰岩以及铜、硫等矿产为莱芜的钢铁产业提供了坚强后盾。

社会经济因素可以在短期之内可以使土地利用类型变化明显。

5.2.1 人口增长带来的耕地资源压力上升

面积不大的莱芜市2009-2016年人口数量持续增长，使得人均耕地资源愈加匮乏。 由于莱芜市当地较小的生活压力，国家开放二胎政策以后，莱芜市新生人数更是激增。结合莱芜市实际，当前的人均耕地面积远远小于国家耕地面积以及世界人均耕地面积，应该合理控制人口增长。

5.2.2 政府对经济发展进行引导，产业结构优化带来的土地利用变化

近几年来，莱芜市相应国家政策，坚持以建设国家旅游城市为方针，加强了旅游景点的建设，根据调查，莱芜市形成了的自西向东的生态旅游产业，分布于王石门、吊兰山原”、华山林场、雪野镇以及茶业口镇等，由此带来的土地利用类型的转变就是建设用地与林地的增加，裸地的减少。工业方面，钢铁生产、深加工仍为莱芜市工业核心，城市化水平与工业化水平提高，因此工矿用地增加导致建设用地增加。农业方面，农民群众思想有了改变，不再以种植粮食作为为主，耕地上植树造林或育苗，并且更好的利用了莱芜市数量巨大的丘陵地与山地，提高山地地区土地利用的集约化水平，由此带来了林地面积的增加以及耕地的减少。

5.2.3 投资情况带来的影响

2008年以前由于各种原因，莱芜市市区范围内有大量废弃闲置地，除去难以开发的土地，还有相当一部分是由于盲目的向外扩张建设用地而占用农业用地，投资失败后造成的废弃闲置裸地。而近年来政府的合理引导以及恰当的招商引资，对土地的重新进行整理、改造将闲置以及利用率较低的土地盘活，转换到效益高的用途上去，这也是造成裸地这个土地类型大幅减少的原因之一。

5.2.4 集约化用地影响莱芜市土地利用变化

今后莱芜市在农业方面，对于农业用地应当采取一定的保护措施，例如进行必要的休耕与轮更措施，实现养地不误用地，保护好土地生态系统。更为重要的一点是加大科技水平的投入，促进农业发展模式从放任自由型向集约化经营型转变，农业标准化和规模化经营转变。

6 结语

文章利用监督分类并采用最大似然法得出莱芜市两个时期的土地利用类型面积变化数据，结果表明：莱芜市类型中耕地和林业用地占据比例最大，建设用地和水域面积以及林地有所增加，而耕地面积大幅减少。 另外，裸地及未利用地面积有一定幅度的减少。 近7年来莱芜市城市化进程的持续加快更是带来了交通运输用地的大面积增加。农用地减少凸显了城市化的进程中占用了大量的农用地。 耕地面积少了1/6，而莱芜市林地面积增加，这种并存的现象与现实情况吻合，位于莱芜市城乡结合地区的农民群众对于粮食作物和经济作物的种植积极性降低，从而使得农业产业内部结构产生了一定调整。 目前莱芜市面临一系列土地利用的问题，如耕地资源短缺以及建设用地盲目扩张等问题。 解决这些问题需从根本上控制城市用地规模，宏观上进行调控，城市用地结构需进一步优化才能使土地利用趋于合理。

[1]付佳,黄海军,杨曦光.基于ENVI的唐山湾三岛土地利用遥感分类方法的比较分析[J].海洋科学,2014,38(1)：20-26.

[2]鲁春阳,齐磊刚,桑超杰.土地利用变化的数学模型解析[J].资源开发与市场,2007,(1)：27-29.

[3]亓月.莱芜市区土地利用动态研究与对策[J].山东国土资源,2012,(09)：63-65.

[4]田庆中,尹延群,田茂勤,治淮.莱芜市水文化建设探索[J].治淮,2013，(01)：50-51.