基于遥感影像的近30年齐齐哈尔市土地利用变化分析

于万辉

(黑龙江生物科技职业学院)

0 引言

土地不仅是各国人民物质生活水平的保障，而且人类想要发展、想要进步，就离不开对土地的研究，并且对土地利用的研究也是整个世界事物变化研究的一个热门领域.土地利用是指人类根据自身的需要，通过一系列有目的的劳动，将土地开发为符合自身需要的类型，这方面指的是土地对于人类互相之间的一种联系；而土地上的事物是指地球的表面所拥有的植被、树木、土壤等方面的东西，它突出展示的是土地在自然方面的特征[`1].自然环境的变化越来越大，人类对它的影响不可忽视，地球表面上东西的变化分析就是指将人类对地面事物的变化表达出来，将地表的改变具象化[2].

如何运用卫星进行监测土地，这在上个世纪是一个问题，但是当今世界科技的飞快进步，让越来越多的事情变成了可能，从而让当时需要很多人完成的事情变得越来越简单，解放了劳动力[3].李一琼等使用苏州地区的影像，通过对近20年的数据进行分析，得到了该地区的有关土地的相关变化及其相关性较大的因素的变化[4]；童威等使用动态度来表达了该区域近19年的土地的变化并加以表达，分析了该地区的相关因素的一些特征[5].杨爱民等通过使用图像显示的方式，分析了古老地区土地的变化并加以表示，从而使土地的变化分析变得更加具体，更加全面[6].

该文针对黑龙江省齐齐哈尔市的6个区进行研究，齐齐哈尔市的地理位置在松嫩平原的西部，并且还是东北地区的典型重工业及商品粮基地，在地理环境及资源经济等方面具有明显地带过渡特征，在保障粮食安全和区域经济均衡发展中具有重要的战略地位[7].但由于体制机制老化，产业结构单一等问题，出现经济衰退、人口流失等现象，形成“人口流失-空间扩张”的矛盾发展格局.并且随农业发展和城镇化建设进程不断推进，齐齐哈尔市的土地利用变化较为典型[8].

该文借助土地利用动态度揭示该区域1990～2020年土地利用变化的变化特征，并结合土地利用状态指数探讨齐齐哈尔市土地利用的状态，通过研究齐齐哈尔市的土地利用变化特征以及状态，来为政府治理提供科学依据，并为人们更好的享受生活，提高生活质量出谋划策[9].

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

齐齐哈尔市是黑龙江省的西部中心城市，其地理坐标为东经122°～126°、北纬45°～48°(如图1所示)，它是黑龙江省的重工业基地，矿产资源丰富，并且地理位置独特，是连接黑龙江省南北部的枢纽，是东北地区典型的商品粮基地.齐齐哈尔市现有人口数为560万人，境内幅员辽阔，齐齐哈尔市的土地总面积为4.23万 km2.齐齐哈尔市地处于温带大陆性季风气候带，这种气候会使齐齐哈尔地区的年均太阳光照量充足，并且降雨与热的天气具有同步性，但不同的区域之间的差别较大.齐齐哈尔市湿地面积较为丰富，闻名中国的扎龙自然保护区就在齐齐哈尔市境内.齐齐哈尔市属于半温润半干燥地区，齐齐哈尔市的南、中及北部分别为温润干燥、温和半干燥及温凉半温润农业气候区，多年以来年蒸发量达1415.6 mm、年平均降水量415 mm，在地理环境及资源经济等方面具有明显地带过渡特征.该文选取齐齐哈尔市市区附近的6个附属区作为研究区.

图1 研究区地理位置图

1.2 数据来源

1.2.1 遥感影像数据

该文用到的遥感数据是在地理空间数据云上下载的(http://www.gscloud.cn)，影像会因为天气，季节等因素而产生不同的变化，为了减小这种不必要的差异，要选择影像的特征也应该具有一定的标准，影像的云彩数量占比不应大于5%，月份选择应该在5～9月，这会让对土地分析的相关影响因素的误差降到最小.

使用黑龙江省齐齐哈尔市1990年6月25日、2000年7月6日、2010年7月2日以及2020年5月26日的Landsat 4期遥感影像(条带号：120；行编号：27；中心经度：123.872。E；中心纬度：47.441。N)，数据标识分别为：

LT51200271990176HAJ00、LT512002720001888BJC00、 LT512002720101831KR00、LC812002720201147LGN00.

1.2.2 齐齐哈尔市矢量边界数据

在地质GIS帝国公众号(http://www.joyzlan.com/u/2519)上找到中国省市县矢量边界数据，解压后将研究区数据加载到ArcGIS软件中，通过将齐齐哈尔六个市区的边界数据融合，并编辑合并成为一个整体的面状shp数据文件，以便后续对遥感影像进行裁剪.

2 研究方法

2.1 数据预处理及分类

2.1.1 影像预处理

该文采用1990、2000、2010、2020年4期遥感影像数据，处理过程一致，故该流程仅以2020年的处理流程为例.

几何校正：卫星传感器在接收物体的反射光谱时，由于受到飞行器速度、高度、姿态以及地球自转等因素的影响，都会使得遥感影像产生几何畸变，这种畸变表现为相对于地面目标的实际位置产生拉伸、偏移等现象.如果遥感图像产生这种几何畸变，它就会成为遥感定量分析的阻碍，就需要进行几何校正去除图像的几何畸变，此外，还能够利用控制点进行几何校正，把影像转化到选定平面相应地理位置上，就是几何精校正它是建立畸变后的模型，并利用畸变影像和标准影像之间的一一对应的关系，使得遥感图像更接近实际地物特征.因此，要想使得影像的几何精度达到更高的土地利用分类要求，就必须进行几何精校正.

辐射定标：通过ENVI5.3打开2020年遥感影像的头文件(空间分辨率均为30m，坐标系为WGS-84，投影为UTM投影)，然后利用(Radiometric Calibration)辐射定标工具对影像进行处理，其目的是为了把遥感影像中的图像像元亮度值转换为绝对的辐射亮度.

影像裁剪：由于辐射定标需读取影像的头文件，而大气校正则不需要，故为了优化影像处理由于大气校正需要耗费很长的时间的缺陷，在大气校正之前对影像进行裁剪.在辐射定标完成后影像的基础上，加载齐齐哈尔市矢量边界数据，通过ENVI中的不规则裁剪工具，裁剪出所需的研究区数据.

大气校正：遥感影像在受辐射畸变影响的同时，大气对遥感影像的影响也不容忽视.电磁信号在通过大气层时会不同程度的发生反射，吸收等对成像的不利过程，这种影响会使像元的亮度值与实际不符，并且同样的地理物体像元亮度值在不同的时间阶段，受到大气的影响也截然不同.即使传感器接收机等硬件工作正常，也同样会产生畸变.而两种最重要的环境衰减是：(1)由于电磁信号在通过大气层时由于大气的吸收散射等作用产生的不利影响；(2)由于地形的不同，也会影响信号的接收.太阳照射的能量透过大气层，照射到地面上的物体表面，之后再反射回传感器，但初始遥感影像不仅包括其自身反射的能量信息，还包括太阳的辐射能量，大气辐射能量的信息，如果想要研究某个地物自身的能量信息，就不得不将大气以及太阳的反射能量信息剥离开来，此时便需要进行大气校正，所以需要用FLAASH工具将裁剪之后的影像进行大气校正.其中，通过ENVI安装文件中的中国高程数据结合研究区裁剪影像数据可以得出研究区平均海拔高程数据；通过原始影像文件中的(Time)选项可以得出影像的具体采集时间；点击help，根据研究区所处地理位置的经纬度可以确定研究区的地球模型类型.

2.1.2 类别定义/特征判别

结合徐新良等的中国土地利用/覆盖数据分类体系[10]，而且齐齐哈尔市的实际情况也要考虑到，所以在纵观整个分析的层面上，将该区域土地利用类型分为：水域、草地、建设用地、耕地、林地和未利用地，进行选择训练样区.

2.1.3 影像分类

对遥感影像进行分类，就是通过每种地物自带的独特的光谱信号来对影像进行处理，通过这种方法，可以实现将遥感影像上的地物自定识别分类.计算机对影像的分类过程与目视介意不一样，人工解译是研究者根据自身的经验以及实地的考察来对遥感影像进行分类判读，而计算机对遥感影像进行解译可以根据其独特的光谱信号来识别分类.它突破了肉眼的局限性，可以分辨遥感影像上较小的地物单元，而且分类精度高，速度快.该研究选择支持向量机方法进行监督分类.支持向量机分类方法在对本研究中有限的数据的情况下，能够得到在目前情况下的最合理的解译.支持向量机分类方法最后会成为一个二次型寻优的问题，不考虑额外的因素，最终得到的将是全部数据的最优点.这就是该次研究选择支持向量机分类方法的原因.

2.1.4 分类后处理

监督分类之后出的研究区域遥感影像几乎很难达到直接应用的精度，仔细的观察图像，就会发现一些面积极小的斑，不管是从地理制图方面，还是从实际运用的精度方面考虑都应该进行重新的分类.需要对影像进行分类后处理，来减少遥感影像的监督分类按照图像的光谱特征进行聚类分析造成的影响.由于在ENVI中进行改色、出图比较耗费时间，所以需要将数据导入ArcGIS中进行唯一值分类、计算面积、统计分析以及出图.首先在ENVI5.3中将数据存为.evf格式，之后用ENVI Classic将.evf格式文件转为.shp文件，在ArcMap中打开.shp文件，并用齐齐哈尔市矢量边界数据将成果图的黑色边框裁剪出去.之后打开属性表，根据面积进行分类别统计加和，方便后续土地利用变化分析.上述操作结束后将研究区的遥感影像出图，并添加图例，比例尺，指南针.

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度是指根据研究时间尺度，在这个时间尺度范围内，反映研究区的土地利用类型面积变化的指标[11].其数学表达式为：

K=[(St1-St0)/St1]×(1/T)×100%

(1)

其中:K是指在一定时间范围内土地利用类型面积的变化尺度；St0、St1分别为开始和结束的研究区某种土地利用类型面积变化；T为研究者研究的时间尺度.

2.2.2 土地利用状态指数

土地利用状态指数是通过一系列的数据来反映研究区的土地利用类型面积变化的发展趋势以及现有的状态，这个指数对于研究某一区域土地利用的程度具有重要的意义.数学模型为：

P=(ΔSin-ΔSout)/(ΔSin+ΔSout)

(2)

其中：P为研究区的某种土地类型的状态指标,其值域为:(-1,1)；ΔSin为研究期内其它土地利用类型转化为第i类的面积，ΔSout为研究期内第i类土地利用类型转化为其他的面积.

3 齐齐哈尔市土地利用变化特征

3.1 土地利用类型面积变化

对齐齐哈尔市1990～2020年四期遥感影像解译数据进行统计分析，得到1990、2000、2010、2020年4个年份的土地利用分布图、土地利用类型的面积变化折线图(如图2，图3所示)从中分析可知.

图2 齐齐哈尔市1990～2020土地利用分布图

图3 齐齐哈尔市1990～2020土地利用类型面积变化图

1990～2000年齐齐哈尔市水域面积有明显的涨幅，根据查阅相关资料可知，1998年发生了特大洪水，所以导致2000年水域面积增加，但2000年以后水域面积减少，从2010年到2020年水域面积几乎持平，保持不变，之后保持平稳态势.1990～2020年齐齐哈尔市的建筑用地逐年增加，增加的趋势相对平稳，没有剧烈增加或者减少，这应该和社会进步、生产力的提高以及城市土地资源管理部门的规划存在一定的关联[12].未利用地在1990～2000年剧烈降低，这和耕地面积的增加息息相关，耕地面积的增加，必然会开垦未利用土地，使未利用土地的面积减少，从而耕地面积增加.未利用地在2000～2020年未见明显的增加或减少的趋势.林地与草地面积在1990年到2000年有下降的趋势，原因在于耕地面积的大幅度增加，导致林地与草地的利用面积随之减少.但随着“可持续发展”战略以及“退耕还林还草”口号的发布和普及，2000～2020年草地与林地的面积逐步上升，虽然面积增加幅度并不明显，但总体趋势呈现增加态势.耕地面积总体表现为“剧烈增加-保持不变-稳步减少”的现象，在1990年到2000年的十年间，耕地面积持续增加，并且在2000到2010年期间增加速度达到峰值，其面积相比1990年几乎增加了1.5倍，但2010年到2020年的十年间，耕地面积出现了稳步下滑的趋势.这种趋势的产生，和各种相关政策的实施息息相关[13].

3.2 土地利用动态度

根据土地利用动态度公式可以计算得出齐齐哈尔市1990～2020年的每种土地类型面积的变化数量及其动态度(见表1).其中建筑用地的面积逐年递增，在2010～2020年变化面积达到了210.1 km2，动态度达到了5，在2020年建筑面积达到了峰值；水域面积在1990年到2000年的变化幅度最大，变化面积达到了59.1 km2，动态度为3，但是在2000年以后变化幅度减小，并且变化幅度平稳，没有较大的起伏；林地在1990～2000年面积减少，耕地面积在1990～2000年耕地面积及动态度增加，林地在2000～2020年地物面积逐年递增，但动态度的起伏不大，较为平稳，耕地2000～2020年先增加之后大幅度减少，并且在2010～2020年动态度为负值；草地与未利用地的面积变化幅度不大，动态度较为平稳.

表1 1990～2020年齐齐哈尔市土地利用类型面积变化及动态度

3.3 土地利用状态指数分析

通过状态指数可以计算出该文的研究区的每个时间段的状态指数数值(如图4所示)，将这些数据通过一定的方法进行研究可以发现该研究区的土地利用指数特点有很多种，变化也很大，当中的草地和树林地类的变化特点有很大的相似，都是表现为“先减后增”的趋势，并且都在2000～2010年到达了数值的最低；水域的状态指数先增加后不变，未利用地的状态指数先减少后不变，水域与未利用地在2000～2020年状态指数一致，保持在-0.1，持平；耕地与林地和草地的拐点一致，在耕地的状态指数下降的同时，林地与草地的状态指数上升，呈现出互补的状态，并且林地与耕地在2020年处状态指数相交，建筑用地在未利用地和耕地下降的基础上，状态指数连连攀升，增幅平稳[14].

图4 齐齐哈尔市各土地利用类型状态指数

4 土地利用变化原因分析

4.1 土地利用变化与人为因素的关系

目前，齐齐哈尔市1990年的人口总数大约为543万人，到2000年人口总数达到了547万人，人口同比增长了0.7%[12].随着人口数的不断增长，农民以及城镇居民对饮食、居住场所、耕地等土地的需求变得越来越大，从土地利用面积变化，土地利用动态度以及土地利用变化指数就可以看出，耕地在1990～2000年的10年间增长幅度巨大，同时建筑用地也相比之下大幅度的增加，但与此同时，其他的耕地类型包括林地、草地、水域等，他们的面积大幅度的减少，与人们的生产生活密切相关，农民们大幅度的开采荒地、林地、草地，将他们变成耕地以及建筑用地，在带来巨大的经济效益的同时也带来了环境恶化、水土流失等一系列环境问题[16].

4.2 土地利用变化与自然因素的关系

在土地利用变化研究的初期，主要的研究点为全球气候变化，后期扩展到更多相关的领域[17].以1998年发生的特大洪水为例，1998年降雨量激增，带来的便是各种洪涝灾害，与此同时齐齐哈尔市的水域面积大幅度增加，林地草地等面积相对减少.由于齐齐哈尔市的气候原因，每年的降水量相对稳定，但突如其来的大幅度降水，会导致水域面积的大幅度增加，进而产生连锁反应，导致齐齐哈尔市的土地利用类型产生明显的变化.

4.3 土地利用变化与社会因素的关系

影响土地利用变化的除了经济因素、自然因素等，还包括法律法规，地方风俗习惯，国家的政策等.例如，在经济水平落后的年代，由于社会的生产力以及劳动水平比较低下，人们不得不大幅度的开采荒地以及林地草地等，使耕地的面积大幅度增加.但是，随着经济的发展以及国家综合实力的增强，人们解决了温饱的问题，但与此同时又产生了另外一个新的问题.人们在不愁吃穿的年代，社会的主要矛盾随之转变为人们对美好生活的向往与发展的不平衡不充分之间的矛盾.政府为了解决这样的问题，会出台一些的法律法规，比如退耕还林还草，种植防风林等法律措施[19].

当今全球的资源环境问题日益严峻.在此背景下，对各国的政治经济、社会稳定与发展、生态民生等提出了更高的要求.但是每个国家想要发展本国经济、增强国家的综合实力、稳定社会生态民生，都离不开高新科技的发展、石油煤炭等自然资源的发掘.因而仔细研究科技发展以及资源挖掘与经济和综合国力水平的关系，并进一步为国家制定和实施可持续发展战略提供坚定地理论支撑是十分有必要的.可持续发展战略，简明地说就是在保证现有一代物质条件充足的基础上，不影响子孙后代的物质需求，以达到可持续发展的目的.齐齐哈尔市积极响应国家的号召，实施可持续发展战略，退耕还林还草.通过几十年的努力，齐齐哈尔市耕地面积减少了18%，同时草地林地也大幅度增加，这一系列的变化，使土地利用结构更加完善，生态环境更加宜人.

5 结束语

该文以黑龙江省齐齐哈尔市的6个附属区(昂昂溪区、铁锋区、富拉尔基区、龙沙区、建华区、梅里斯达斡尔族区)为研究区，将2009、2000、2010、2020年4个年份的数据进行分类，通过动态度、状态指数来揭示齐齐哈尔市各土地利用类型变化的幅度、土地利用的状态，结论如下：

(1)过去30年间，齐齐哈尔市水域面积先增加，之后减少并保持平稳.草地、林地的面积先减少而后随着耕地面积的减少而增加，耕地面积在过去的30年间同样呈现为先增加而后减少的态势.建设用地在过去的30年里始终在增加，并且增加速度相对稳定.

(2)在对指数的观察发现，耕种的地和水体都是先增加之后再减少的势头，而且这两者的数值在一定的方面具有某些相同的特性，而草和树林地的数值也相似，都大致为先减少之后增加，但不同的是这两者的数据并没有出现像前两者的情况，这两者相对比较平稳[20].而在这里建筑所占据的地方的数值在0.2～0.4逐步地、稳定地增加，这种数据让大家清楚地认识到城市的建筑在大幅度的建设中.而且齐齐哈尔市接下来在发展城市经济的同时也应该注重生态环境的保护，例如水域、湿地以及林地草地等，使人民的生活不仅在物质生活上有保障，保证人民的耕地安全的同时，也要积极寻找对策，让人民的生活环境更加的怡人，让人民对美好生活的向往逐步变成现实，让国家更加的繁荣昌盛.