基于GF-1影像的兰州新区土地利用类型时空变化分析

张兆鹏，田 昕，朱新杰，张 涛，王力超，赵郑楠

1. 自然资源部 第一大地测量队，陕西 西安 710054；

2. 中国林业科学研究院 资源信息研究所，北京 100091

0 引 言

土地作为人类赖以生存和发展的物质基础，是人类从事一切社会经济活动和修养生息的基本场所[1-2]。土地利用覆盖变化（LUCC）[3-5]是全球变化研究最活跃的领域之一，而对城市化进程导致的土地利用变化尤为关注[6]。能够快速、准确获取土地利用类型变化信息，对土地资源进行合理规划和科学管理具有极其重要的意义。

航天遥感技术快速发展，为国家土地资源利用信息获取提供了有效手段[7]。目前，诸多学者利用不同遥感数据，在土地利用类型变化检测和土地扩张领域做了大量的研究，为进一步研究提供了理论基础与技术保障。王丰等[1]利用2000、2005、2010年3期Landsat 5 TM遥感影像，对天津滨海新区土地利用和覆盖变化进行分析，从人口、经济等方面对发生变化的驱动力进行研究，但采用的影像分辨率相对较低，土地利用和覆盖变化结果可靠性不足。董春等[8]利用2012年和2013年12月份的两期地表覆盖信息数据集成果，定量分析兰州新区建设用地变化时序特征与规划用地对比情况，得出城市建设用地处于高速扩展阶段，但研究时间较短，对土地利用转换类型未做进一步研究。郭德弘等[9]利用2010―2015年兰州新区Landsat 5 TM和Landsat 8影像，通过目视解译方法提取建设区土地扩张信息，从政策、经济两方面对土地扩张驱动力进行分析，但是未对土地利用类型间的转换进行研究，对城市用地类型也未进一步划分，且目视解译方法费时费力，对人的要求高，不易推广。翟卫欣等[10]基于2014―2018年雄安新区Landsat影像，通过分类后比较法分析了新区初建阶段的土地利用变化情况，重点介绍分类方法和分类精度的提升，未对土地变化的驱动力进行分析。

兰州新区是国务院批复的第五个国家级新区，是中国西北地区开发开放的国际门户城和西北地区重要的经济增长极[8]，是内陆地区新型增长与自主创新示范区，引领21世纪的枢纽型、国际化复合新区，因此加强兰州新区土地利用类型变化检测研究，对深入实施西部大开发战略和新丝绸之路构想的实施具有重要意义[8,11]。本文对兰州新区2013―2020年土地利用类型变化时序特征和空间特征进行定量分析，并从政策、经济和人口等方面对土地利用变化的驱动力进行研究[12-13]。

1 研究区概况

兰州新区（图1）2010年8月开始筹建，2012年8月正式获批成为全国第五个、西北第一个国家级新区[8]，地理坐标为103°29′22″～103°49′56″E，36°17′15″～36°43′29″N。兰州新区位于秦王川盆地，地处兰州、西宁、银川3个省会城市共生带的中间位置，是甘肃对外开放的重要窗口和门户[8-9]。整个地域宽阔，地势由西北向东南倾斜，东西两面是低矮黄土山丘，南北长60 km，东西最宽处21 km，平均海拔高度1910 m[9]。土质多为黄绵土，土层深厚，表面土层平均厚度在0.5～3 m之间，自然植被稀疏。兰州新区属典型的温带半干旱大陆性气候，四季分明，阳光充足，春季多风少雨，夏无酷暑，秋季温凉，冬季寒冷干燥。

图1 兰州新区位置示意图Fig.1 The position of the Lanzhou New Area

2 研究资料

2.1 研究资料

GF-1卫星从2013年4月24日开始接收数据，卫星搭载了一台2 m分辨率全色相机，一台8 m分辨率多光谱相机（GF-1 PMS），4台16 m分辨率多光谱相机（GF-1 WFV）。研究选用4景不同年份的GF-1WFV遥感卫星影像（中国林业科学研究院资源信息研究所提供）作为主要研究数据[14]，地理空间数据云获取的兰州新区30 m分辨率的ASTER GDEMV2数据（http://www.gscloud.cn）作为GF-1影像校正处理的参考数据[15]，8景与主要数据对应年份的GF-1 PMS遥感影像数据作为土地利用精细分类的辅助数据（表1）。

表1 卫星数据信息表Tab.1 The detailed information of satellite data

2.2 数据预处理

利用 ENVI5.3.1、ArcGIS10.4、IDL8.5软件，对获取的GF-1 WFV卫星遥感影像进行辐射定标、FLAASH大气校正、正射较正、图像融合和图像配准等[7]预处理，降低不同成像条件对变化监测效果的影响（图2）。

图2 兰州新区遥感影像处理结果Fig.2 The results of data preprocessing of Lanzhou New Area

3 土地利用类型提取

3.1 分类体系

充分考虑兰州新区土地利用类型的实际情况，同时参考全球地理信息资源建设与维护更新项目10 m地表覆盖数据分类系统，将新区地类分为耕地、草地、房屋建筑区、工矿用地、机场、库坝、交通、其他人造、水体和湿地10个二级地类。

3.2 分类方法

按需求得到遥感影像的精细分类结果是研究的关键。随机森林由L.Breiman[16]首次提出，利用bootstrap重抽样方法从原始样本中抽取多个样本，对每个bootstrap样本进行决策树建模，然后将这些决策树组合起来，通过投票得出最终的预测或者分类结果[7,17]。随机森林分类时预选变量个数m和随机森林中树的个数n是进行参数调优的关键，分类时主要通过改变树的数量（Number of Trees）来提高分类精度[7]。

EnMAP-Box是由德国环境制图与分析计划项目组基于IDL（Interactive Data Language）开发的一款对高光谱遥感数据进行处理与分析的工具包[7]，ImageRF（Random Forests）是工具包中的一种遥感影像分类方法。相对传统分类方法，在相同条件下（影像类型、数据范围、运行环境等相同）ImageRF具有分类精度高、运行效率快优势[7]。本文先采用基于EnMAP-Box的随机森林分类法对遥感影像进行自动分类[18]；然后利用获取的各年份部分高分辨率遥感影像进行分类精度验证，并对自动分类结果进行人工判读和修正，得到最终的分类结果；最后通过统计各个地类的总面积变化，运用土地利用变化转移矩阵对研究区土地利用类型进行定量分析[19]。

3.3 2013―2020年兰州新区土地利用类型

基于2013―2020年16 m分辨率的GF-1 WFV影像，并结合各期选取的可分离性较好的实验样本，采用基于EnMap-Box的ImageRF分类方法对各期影像进行分类，最终分类结果如图3所示。

图3 兰州新区土地利用类型分类结果图Fig.3 The land use classification for Lanzhou New Area

利用外业调查数据结合2013、2016、2018、2020年的2 m分辨率GF1 PMS遥感影像，分别对不同年份的数据选取数量基本一致且可分离性较好的检验样本，通过建立混淆矩阵对4期的分类结果进行精度验证，验证结果的总体分类精度（Overall Accuracy）与Kappa系数[20]见表2。由表2可知4期分类结果的总体分类精度均大于92.2%，Kappa系数对应的分类质量等级均为极好，说明研究方法的分类精度和可靠性高，能够满足研究需求。

表2 2013—2020年兰州新区土地利用类型分类精度统计表Tab.2 The area of various types for Lanzhou New Area from 2013 to 2020

3.4 热点区域分类结果

以机场为坐标原点，以东北、正东和东南方向辐射区域为热点研究区域，基本包含了兰州新区的主城区，位置如图1所示。参考全球地理信息资源建设与维护更新项目10 m地表覆盖数据分类系统，同时结合兰州新区土地利用类型实况，将热点区域的土地利用类型归为5个一级类，分别为：耕地、草地、人造地表、水体和湿地[22]，其中人造地表包括房屋建筑区、工矿用地、机场、库坝、交通和其他人造地表6个二级地类（图4）。

图4 热点区域土地利用类型分类结果Fig.4 The land use classification for region of hot spot

4 土地利用类型变化及驱动力分析

4.1 整体变化结果分析

通过统计兰州新区2013、2016、2018、2020年4期分类结果中各地类面积，可得到表3的结果。

由表3可知，2013―2020年，交通用地、工矿用地、房屋建筑区、其他人造地表的面积呈增加趋势，水体面积也不断增大，耕地和草地逐年减少且幅度较大，湿地面积从2013年的1.498 km2增加到2016年的2.104 km2后再未发生改变。2013、2016、2018、2020年房屋建筑区、工矿用地、机场、库坝、交通和其他人造地表的总面积（人工地表用地面积）分别为171.522 km2、278.632 km2、295.792 km2和337.397 km2，2013―2020年人工地表用地总面积增加了165.845 km2，人工地表用地从2013年的21.07%增加到2020年的41.43%，增加了20.36%。

表3 2013―2020年兰州新区土地利用类型面积统计表Tab.3 The areas of various types for Lanzhou New Area from 2013 to 2020

通过对2013和2020年两期影像分类结果进行比较，得到表4的结果。

表4 2013―2020年兰州新区土地利用类型转移矩阵[20,22]Tab.4 Transform situation matrix of vegetation for Lanzhou New Area from 2013 to 2020

由表3和表4可知，2013―2020年增加的房屋建筑区、其他人造地表、工矿用地和交通用地主要由耕地和草地转化而来。其中，草地向房屋建筑区、其他人造地表、工矿用地、交通用地分别转换了0.838%、17.600%、8.731%、2.822%；耕地向交通用地、工矿用地、房屋建筑区、其他人造地表分别转换了4.599%、10.898%、2.330%、5.816%；其他人造地表向机场、交通用地、工矿用地分别转换了1.142%、9.241%、14.167%。同时有1.855%的水体转化为湿地，这是表2中湿地面积增加的主要原因。

4.2 热点区域分析

对热点区域分类结果中的5个一级地类面积进行统计（表5），同时将不同期的人工地表提取后进行叠加对比（图5）。

表5 2013—2020年热点区域土地利用类型面积统计表Tab.5 The areas of various types for region of hot spot from 2013 to 2020

图5 热点区域不同时期人工地表用地扩张图[23]Fig.5 Man-made surface expansion graph of hot spot in difference periods

结合表5和图4可知，2013―2020年，热点区域的人工地表面积不断增加到122.45%，耕地减少了44.593 km2，占57.81%，草地减少了72.128 km2，占78.99%。其中，2013―2016年，人工地表增加最为显著，占研究期间总增加量的68.8%，增加的人工地表主要分布于热点区域的正北、正南和东部，且在东部成片分布；2016―2018年，人工地表增加较少，主要零星分布于热点区域的东北部和东南部；2018—2020年，人工地表增加面积主要位于热点区域的东南角，在东北部有少许增加。

4.3 兰州新区土地利用类型变化驱动力分析

影响土地利用类型变化的因素总体可分为自然因素（地形地貌、气候、降水量和植被等）和人文因素（社会、经济、人口和政治文化等）[24-25]。综合考虑兰州新区实际情况，在相对较短的研究期内自然因素整体来说相对稳定，对土地利用类型变化影响甚微[7,9]。兰州新区作为一个在短时间内快速建设的国家级新区，其政策和经济因子是研究期间兰州新区土地利用类型变化的主要驱动力。

4.3.1 政策影响因子

对于兰州新区城市化建设中土地利用类型的变化，政策因素起到引导作用。《兰州新区总体规划（2011―2030）》中，计划在2011―2015年初步形成新区框架，产业体系及相关配套服务体系，形成相对完善的交通及城区基础设施；2016―2020年基本建成功能齐全、特色鲜明、服务配套、产业集聚、人居环境良好的现代化新区[26]。由此可见，政策因素对城市土地利用类变化的积极引导作用。

1）人工建设用地不断增加、耕地和草地急速下降。2012年8月，国务院正式同意设立兰州新区，并且在省、市相关政策扶持下，兰州新区开始逐步进入快速发展模式，基础设施建设的步伐加大，土地需求增加，大量耕地和草地转化为工矿用地、房屋建筑区、交通和其他人造等人工地表用地。调查发现研究期间已建成或者已开工的项目有，2017年10月开工、2018年12月16日投入使用的兰州新区中川人民医院，2017年9月16日开工、2018年2月封顶的兰州新区第三小学（地上建筑面积为27 904.21 m2），2018年12月6日开工、占地近6.667 km2的兰州新区中天羊业生态农业示范园，2018年4月11日开工的兰州现代粮食产业园项目（东西两地块总用地面积456 451 m2），2018年12月6日开工、占地0.333 km2的兰州新区西北绿色新型铝加工产业园暨年产20万吨铝箔项目等。同时2018年3月已有10个新社区建成并投入使用，2020年新增近20个。诸多建设项目在征收的耕地和原始草地上落地实施和完成，是新区人工建设用地增加，耕地和草地减少的主要原因。同时根据兰州土地利用总体规划，实施了城乡土地增减挂钩项目和搬迁工程，将搬迁后的闲置房屋复垦为耕地，采用建新拆旧和土地整理复垦方法来最大限度发挥新区土地资源的经济与社会价值，提高土地使用效率，这是表4中有2.318% 房屋转化成耕地的主要原因。

2）交通设施用地明显增加。《兰州新区总体规划（2011―2030）》中规划在兰州新区形成“五纵三横”的快速路系统和“六纵五横”的骨架性主干路系统[26]。通过实地调查，研究期间已建成3条东西向快速路和一条南北向的水秦（水阜—秦川）快速路，同时5条东西向骨架性主干路和联系北部片区、城市综合片区的两条南北纵线均已建成，这是交通设施用地增加的主要原因，且在2013―2016年兰州新区内村庄拆迁、耕地征收仍以新区道路建设为主，与表3和图3中显示相符合。

3）水体不断增加。水是生命之源，充足的水源是城市发展坚强的后盾。兰州新区主水源来自“引大入秦”工程，通过东一干渠、东二干渠及各支渠引水进入城区，修建水库作为城区的水源地。研究期间已有尖山庙、山字墩和石门沟水库建成并投入使用，这是新区水体面积不断增大的主要原因。

4）湿地和机场面积扩大。秦王川湿地公园的建成，是研究期间新区湿地面积增加的主要原因。 2015年，兰州中川国际机场二期扩建工程，是机场面积增大的最主要原因。

4.3.2 经济和人口影响因子

经济因素是决定土地开发利用的基本条件，经济的繁荣是城市化发展的必备条件[27]。人口是影响土地利用类型变化最具活力的驱动力之一。人口数量的多少直接影响到土地利用类型的变化，人类通过改变土地利用类型和结构，即对土地进行干预，来满足对生存环境的需求[1,27]。因此，在土地利用类型时空变化分析中，经济和人口因素常被作为参数来反映经济变化和人类活动在土地利用类型变化中的贡献[1]。研究期间兰州新区的经济和人口信息见表6。

兰州新区的主城区基本位于热点区域内，由表6可知，2011―2015年“十二五”期间，兰州新区生产总值从39.04亿元上升到125.53亿元，“十二五”生产总值翻两倍。2016―2020年 “十三五”期间，兰州新区生产总值从151.66亿元增长到230亿元，人口从19.2万增长到46.5万，人均GDP稳步提升，表示其城市化已步入高质量跨越式发展新阶段。同时结合表3和兰州新区门户网站公布的数据可知，2013―2020年人工地表增加117.4 km2，地区生产总值增加近68亿元。期间不断进行招商引资，2013年引资1862亿元，2014年引资650亿元，2018年1―5月引资843.4亿元，2019年1―11月引进产业项目136个，投资660亿元，2020年1―9月在抗疫情、稳经济、保民生的艰巨任务下仍引进产业项目102个，投资总额达271亿元。兰州新区投资总额和人工地表面积的变化呈正相关，表明招商引资是兰州新区土地利用类型变化的主要原因。

表6 兰州新区生产总值和人口统计表Tab.6 Gross domestic product（GDP）and population statistics of Lanzhou New Area

研究期间，兰州新区第一产业（农业）的生产总值总体呈减少趋势，包含工业和建筑业的第二产业的生产总值则呈增加趋势。结合热点区域的耕地和人工地表用地增减情况做相关分析可知，第二产业生产总值与人工地表面积呈正相关，第一产业生产总值与耕地面积呈负相关。同时兰州新区地区生产总值中，第三产业（旅游业等）占比逐年增加，间接说明城市化建设效果显著。

5 结 论

作为全国第五个、西北第一个国家级新区，兰州新区的发展备受瞩目，城市建设过程中土地利用类型的时空变化对研究城市问题具有深远意义[28]。

1）本文选取国家级新区作为研究区，具有一定时效性和政策性。填补了兰州新区正式设区成立至2020年的土地利用变化研究空白，研究结果可为政府科学高效编制新区“一张蓝图”以及 “十四五”规划的编制提供信息支持，具有一定的现实意义[10]。

2）本文采用自动分类和人工解译相结合的分类方法，分类结果的精度和可靠性较高，通过不同时期的分类结果对新区土地利用类型进行时空变化分析可知，兰州新区的人工建设用地不断增加，由2013年的171.522 km2增加到2020年的337.397 km2，增加了近一倍，增加的人工地表用地主要由耕地和草地转化而来。同时通过分析政策、经济和人口等因素得出，政策因素是引导新区土地利用变化的主要原因，经济发展和人口增长起到驱动作用。

3）研究表明规划的道路等基础设施目前己经基本完成，建成的交通设施及空间布局，可为新区未来交通基础设施合理规划提供空间布局参考，确保国土空间规划能落地、可操作、易实施。