太谷县耕地空间变化特征

马刚， 陕永杰

山西师范大学地理科学学院， 山西 临汾 041000

0 引言

在社会经济发展过程中，地理信息技术已得到了广泛的应用.在遥感数据影像和地理信息系统双重结合下，运用ENVI解译影像处理数据并建立土地利用变化转移矩阵，对研究区几期数据进行分析.本文以太谷县2005年、2010年、2015年3期的landsat7卫星遥感影像为数据源，通过分析太谷县三年的耕地空间变异特征，从而加强了对太谷县耕地面积变化的动态监测，为缓解太谷县耕地利用出现的问题，提高利用耕地资源的效率，进一步优化太谷县耕地的土地利用格局作出了贡献，同时有利于太谷县社会经济持续地发展.

1 研究区概况

太谷县位于山西省中部，地处汾河谷地中部，境内西北方向地势平坦，东南方向为山地.西北与清徐县接壤,东北与榆次区相邻，东西约50 km，南北约39 km.太谷县境内四季分明，季风气候显著，雨热同期.境内主要流经河流为乌马河和象峪河.县域总面积约1 049 km2，全县人口约38万人，耕地面积约300 km2，农业基础与水热条件良好，境内交通发达.2016年实现地区生产总值84.752亿元，比去年同比增长9.52 %.

2 数据来源

本文以2005年，2010年，2015年三年太谷县的Lanssat7遥感影像作为信息源，其中包括2005年landsat7(LE71250342005260EDC00) 9月17日拍摄的影像，2010年landsat7(LE71250342010162SGS00) 6月11日拍摄的影像，2015年landsat7(LE71250342015288EDC00)10月15日拍摄的影像.

3 耕地面积的提取

3.1 遥感数据处理与融合

不同的遥感图像所要处理的方法也不同，要依据相应的数据状况采取对应的处理方法[1]，首先要对图像进行配准，并准备图像裁剪中所需要的县域行政矢量图(shp)需要在Arcgis中来完成.

遥感影像融合是用多个波段数据之间的信息互通性，对各个遥感图像进行融合，来弥补遥感数据的单一不准确性，增强遥感图像的信息清晰度和精确度[2].在ENVI Classic5.3中进行波段组合比较便捷，利用Landsat7遥感数据，根据所需要的遥感类型选择对应的图像进行融合，本文选择了以下几组RGB图像来进行解译.

(1) Band7,Band6，Band4——水体和植被得到增强；

(2) Band6,Band5，Band2——裸地得到增强，可以与有作物的耕地区分.

遥感影像融合中，首先将色彩鲜明、层次比较好的波段组合(RGB：Band6、Band5、Band2)，然后与全色波段Band8进行分辨率融合[3].

Envi融合的方法很多，本文运用Gram—Schmidt pan Sharpening的方法(GS融合方法是对统计分析方法与参与融合的各个波段进行最佳的匹配，这种方法能够解决大部分的图像融合问题)，将波段30m的多光谱数据和15 m的全色数据(TM Band8)进行融合，从目视图像上来看得到了比较不错的效果.然后在pan sharpening parameters中将传感器类型(sensor)选择为landsat7_slc,最后在右侧tool面板中选择Gram—Schmidt spectral sharpen parameters进行融合参数，并选择重采样方法(Resampling).格式选为：ENVI，保存文件途径(.dat)并开始图像融合得到了较好的太谷县遥感影像图，为影像的监督分类提供了前提条件.

3.2 图像裁剪

目的是为了将研究区域多余的部分裁剪掉.本文按照太谷县的行政区划边界(shp格式)进行图像裁剪，在Tool工具面板中，打开感兴趣区(Regions of Interest)，而后再打开“Subset Data from ROIs”图层面板.在“Select Input File”中选择taigu_shiliang.dat，点击OK.并通过掩膜文件，设置不让背景参与到监督分类中[4].

3.3 遥感图像监督分类

监督分类是指对太谷县融合成的图像进行土地利用类型分类，经过目视可分辨为4种地物类型：林地、耕地、居民区、裸地的分类[5].具体过程为：

(1)在图层管理器Layer Manager中，在taigu_shiliang.dat图层上选择感兴趣区(New Region of Interest)，打开感兴趣区 (ROI) Tool面板中设置样本参数：将ROI name命名为耕地，ROI Color改为橙色.

(2) 在ROI面板绘制类型中选择多边形，在图层中目视辨别耕地区域并进行绘制多边形样本，依次完成多个多边形样本，尽可能的均匀分布在整个影像图上.这样就选好了耕地的样本类型.

(3) 在图像上的单击右键选择新建一个ROI图层，或者在感兴趣 (ROI) Tool面板中，用同样的方法，重复“耕地”样本的选择方法，依次为居民区、裸地、林地、水的选择样本.

图1 样本可分离性计算报表

(4) 所有参数样本绘制完后，进行样本可分离性的运算，在感兴趣区(ROI) Tool面板上选择Option，接着点击Compute ROI Separability，弹出Choose ROIs这个面板，将面板中所有的样本类型都打上勾，点击OK便出现下图数据.

(5)在(ROI) Tool面板上，点击File找到Export，在其中点击Export to Classic菜单保存为.roi文件.

(6)监督分类完成后对数据进行精度的验证，对所分类的结果进行评价，看数据样本是否符合要求，分类数据会在ENVI中进行自动的匹配识别，形成一个精度报表.

3.4 遥感影像信息提取

遥感图像经过在ENVI5.3中进行监督分类后，保存文件输出路径的格式为evf格式(因该格式不能在ARCGIS中进行显示，所以需要在ENVI5.3中将其转换为矢量图的形式)，最后在ArcMap中将矢量图打开，就可以输出耕地的空间分布图，再对太谷县耕地面积进行统计汇总，最后得出太谷县耕地面积数据(表1).

表1 Landsat7数据波段参数

山西省统计年鉴中的耕地面积：2005年太谷县的耕地面积为352.90km2，2010年太谷县的耕地面积为336.78 km2，2015年太谷县的耕地面积为257.78 km2.根据Arcgis所提取的太谷县耕地面积与山西省统计年鉴给出的耕地面积相比较两者的差距不大，因此所提取的耕地面积还是比较准确的.

图2 2005年、2010年、2015年太谷县土地利用解译图

4 耕地利用变化分析

根据以上太谷县耕地面积数据统计，对太谷县耕地空间变化特征从以下两个方面进行状况的变化分析.

4.1 土地利用单一动态度分析

土地利用单一动态度分析主要是反映区域内土地利用类型的变化、发展的速度以及各个土地类型之间的特征差异[6].本文主要是对太谷县耕地面积的变异特征进行研究.其表达式为：

(1)

根据公式(1)，Ua、Ub分别是太谷县耕地(km2)前期和后期数量值，T为相隔年份时间.可以计算出2013年，2014年，2015年太谷县耕地面积单一动态度式(1)中：K为土地利用单一动态度(%).将提取的耕地面积带入表达式(1)中，计算的结果为：k1=-6.15 ，k2=-14.49.由此得出结论，K值为负值表示太谷县耕地面积每年呈递减趋势，耕地面积在2010年到2015年之间递减速度快.

4.2 耕地变化与经济的相关性分析

要了解一个地区经济发展程度怎样，可选用该地区国民生产总值来观察，它对于了解该地区的经济发展水平状况有着不可替代的作用.

相关系数的表达式为：

(2)

相关系数rxy，是指两个变量要素之间的相关程度，取值一般是在[-1，1]范围区间[7].将相关性系数公式在Excel中插入(pearson),选择相关的数量组进行计算.

根据表2的耕地面积数据和地区生产数据、耕地面积数据和农村人口数据，将2组数据值代入公式(2)中，计算太谷县耕地面积(km2)与地区生产总值(亿元)，耕地面积(km2)与农村人口(人)的相关系数.

表2 太谷县2005年、2010年、2015年耕地利用面积变化表

由表3数据经过计算得出如下结论：

表3 2005年、2010年、2015年太谷县耕地面积与地区生产总值、农村人口

rxy=-0.989 表明：太谷县耕地面积与地区生产总值之间呈负相关.|-0.989|数值大，较偏向于1，能够说明太谷县耕地面积与地区生产总值有着紧密的联系程度，并影响着太谷生产总值的增长.

rxy=0.959 表明：太谷县耕地面积与农村人口之间呈正相关，说明太谷县耕地面积增加时农村人口数量会出现减少，当耕地减少时农村人口则会增加.数值接近于1，表明耕地面积与农村人口有着紧密的联系程度.

5 耕地面积变化的原因

首先影响耕地变化的原因有很多，比如说自然灾害、国家的基础建设、土地的开发利用等.根据以上的分析，我对太谷县耕地面积的变化总结有以下几个影响因素.

5.1 经济因素

(1) 太谷县近几年对于第三产业旅游业的发展相当重视，积极开发相关的旅游项目，旅游开发的建设用地占用了一部分的耕地，比如凤凰山旅游景区，孟母园的大规模开发占用了大面积耕地.

(2) 随着太谷县近几年城市化进程的加快，城区面积的不断扩大，人口数量的增加，使得一些耕地转换为了城市用地、工业用地和交通用地等.比如太谷西站，太谷东站的建设，水秀工业园区的设立.与此同时，随着太谷县经济的持续增长，耕地也会相应的减少.耕地面积与国民生产总值之间有协整关系(两者之间有着长期的平衡关系).

5.2 社会因素

随着社会经济的发展，农村人口不断地向城镇转移和集中，城镇人口的增长是影响耕地面积变化的因素之一.随着太谷县居民的收入提高，也就会在衣、食、住、行等方面提出更高的要求，意味着需要更多的非农用地来解决，使得耕地面临很大压力.因此，城市化不断发展的过程中，耕地也是在不断减少的过程.

5.3 政策因素

(1) 太谷县耕地资源比较丰富，也是山西省唯一的现代农业示范区、农业改革与建设试点县.县政府积极引导农村耕地合理有序的流转，促进全县农村土地适度规模经营和农业产业化经营水平不断提高.

(2) 从太谷县耕地面积变化的过程来看，政府耕地的政策对耕地面积发生变化有着重要的影响.比如能够维护农村社会的稳定，保证粮食的生产需求；恪守耕地的红线，保障农民利益；严格管控全县耕地面积的恶性扩张；促进经济增长方式的转变.

(3) 太谷县积极倡导退耕还林，将县域内东北方向的山区坡耕地，因地制宜的改造进行植树造林.

5.4 科技因素

耕地面积的变化同样受着科技因素的影响，科技的进步是提高耕地产能的重要指标[8]，为了提高耕地的产能，保障农业的发展，太谷县采取一系列措施，提高农业技术装备水平，逐步使传统农业向现代化农业转化.

6 结语

随着社会的发展，ENVI与ARCGIS技术越来越凸显出它的优越性，通过ENVI和ArcGIS技术，分析了太谷县耕地空间分异特征，并且将耕地面积与地区生产总值进行相关性分析.结果表明，由于太谷县这三年来经济得到一定程度的发展，人口数量增加，工业化和城市化进程不断完善，使得能够利用的资源逐渐减少，人们与耕地之间的问题变得越来越多.