面向对象的太原市小店区土地利用分类

郭文怡，任 宏，曹艳艳

(1.青海师范大学 地理科学学院，青海 西宁 810000；2.山西财经大学 资源环境学院，山西 太原 030000)

随着中国社会经济的快速发展及城市化进程的加快，人类活动对土地利用/覆被变化的影响深远而显著，影响我国“双碳”目标的实现。小店区是太原市“南移西进、扩容提质”城市发展战略的主要扩张区域，有必要深入分析改革开放以来太原市小店区土地利用的空间格局及存在的问题，从而为小店区的土地可持续利用提供一定的理论支撑。

20世纪70年代，Ketting R L和Landgrebe D A提出了基于地物影像同质性来进行分类提取的ECHO分割算法(Extraction and Classification of Homogenous Objects)[1]。Ursula C. Benz等利用世界上第一个面向对象的影像解译软件eCognition对遥感影像进行解译，并采用模糊专家法来对研究结果进行分析[2]。Soe W. Myint等在对亚利桑那州凤凰城进行城市土地利用覆盖信息提取中，进行了传统的基于像素分类方法和面向对象的分类方法的比较实验，结果表明面向对象分类结果的精度更高[3]。随着我国城市化进程的加快，学者们将焦点放在大规模的土地利用/覆被变化及驱动机制研究上，面向对象的影像解译技术的优势得以发挥。例如对北京市[4-5]、上海市[6-7]、厦门市[8]、成都市[9]、许昌市[10]、珠海市[11]、威海市[12]等城市的土地利用变化特征、稳定性、景观格局及驱动机制的研究。这些研究都具有一定的特殊性和代表性， 但是目前有关太原市的土地利用/覆被变化研究较少。

笔者基于ENVI 5.3软件的影像多尺度分割技术和面向对象分类方法，对太原市小店区土地利用方式进行分类研究，找出其土地利用中存在的问题，提出应该如何提高土地利用的效率，来缓解人地矛盾及城乡一体化进程中面临的问题。

1 研究数据及方法

1.1 研究区概况

小店区位于112°24′E～112°43′E，37°36′N～37°49′N之间，是山西省省会太原市的下辖区，共含7个街道、1个镇和2个乡，总面积295 km2。东部是晋中市榆次区，南部是清徐县，西部与晋源区隔一条汾河，最北部是迎泽区，随着太原市“南移西进、扩容提质”城市发展战略的提出，小店区成为其主要扩张区域。第七次人口普查数据显示，全区常住人口1 357 242人，比第六次人口普查增长了68.70%。

1.2 数据及处理

本文以2020年9月18日的Landsat-8遥感影像数据为研究基础，包括9个波段，空间分辨率均为30 m，成像幅宽为(185×185)km2。首先对影像进行预处理，主要借助ENVI图像处理软件的Regions of Internet/Subset Data from ROIs工具对影像进行剪裁，提取出小店区“一张图”的遥感影像。

1.3 研究方法

本文采用的面向对象的影像分类方法，在对地物影像进行分析时，不再以一个像元为最小单位，而是以一个对象为最小单位来进行分析，它把目标对象所包含的形状、纹理、光谱以及空间组合等信息放到不同的分类器中，同时也可以将已有的GIS数据放入分类器之中，大大提高了分类的精度。所以在对高分辨率遥感影像解译中，相对于传统的基于像素的分类方法，面向对象的影像分类技术可以很好地避免“椒盐现象”的产生。

2 土地分类提取结果及精度评价

2.1 提取结果

通过ENVI 5.3软件平台对小店区进行面向对象的分类时，首先采用常见的Edge影像分割算法和Full Lambda Schedule合并算法来对图像进行处理。Edge算法可以根据临近像素的形状特征、灰度、颜色等来检索出影像的边界并将边界曲线记录下来，然后再把边界曲线连接起来形成影像对象的边界，实现影像分割。经过多次实验，发现采用分割阈值50，合并阈值90，纹理核大小默认为3时，建设用地、耕地等土地类型能够出现相邻的多边形，对其分割较为完整，是本次研究的最佳分割尺度。接着基于样本进行影像分类，通过利用训练样本数据识别其他位置对象。基于样本的分类方法需要选取多个样本点来对整个影像进行信息的提取，十分方便，但是它的难度就在于对样本的选择要求非常高，必须通过实地考察与分割合并后的样本对照选择，并根据准确提取出的样本从而进行分类。影像分割与合并结束之后，对不同地物定义样本，得到的影像分类结果如图1所示。

在基于样本的分类中，通过ENVI软件中的Class Statistics工具进行分类统计，得到农用地面积占44%，其中耕地面积约占72.73%，林地、园地面积约占27.27%；建设用地约占49%，水体约占5%，未利用土地约占2%。通过对基于规则的分类进行观察分析，可以得出：①区域土地利用类型以农用地和建设用地为主，但是耕地所占比例未超过35%，耕地资源较为短缺，且水域和生态用地比例很小，不利于资源环境的可持续发展，也不利于居民的居住；②城市和农村建设用地建设的破碎度是较低的，聚合度较高，说明建设比较集中，土地利用效益较高。

图1 基于样本的影像提取结果

2.2 精度评价

对面向对象的影像分类精度评价是利用SVM(支持向量机)分类算法，该算法通过在高维空间中构造线性判别函数对训练样本进行分类，可以很好地解决当维数大于样本数时产生的“维数灾难”问题。它在决策时只选择出一部分的训练样本(也就是支持向量机)，大大降低了占用的内存，同时它还可以使用不同的核函数来进行决策。在对小店区面向对象的土地利用分类结果的精度分析中，通过使用SVM算法得到分类结果总体精度达到86%以上，Kappa系数达到0.8，分类结果较好。

3 土地利用中存在的问题及解决对策

3.1 存在的问题

3.1.1 生态用地占土地总面积比例小，土地利用结构不合理。根据《太原市小店区土地利用总体规划2006—2020年》政府文件，规定城市中建设用地约为62.98%；生态用地包括园地、林地、水域等约占10.12%，其中水域占22.45%；农用地约占33%，其中耕地面积约为63%。但在小店区土地利用结构中，农用地和建设用地所占比例高达93%，而生态用地所占比例只有不到10%，在土地利用结构中所占比例较小。农用地面积占44%，比例较大，且农业用地中耕地所占比例较大，占农用地面积72.73%，城市建设力度不够。

3.1.2 土地利用的集约程度不高。小店区建设用地面积已经占到土地总面积的49%，其中城乡建设用地已经占到了建设用地总面积的86.28%，土地开发较为严重。但是在农村人口城镇化的过程中还存在着粗放用地的问题，比如土地被闲置、空闲或低效利用，城镇公共基础设施建设不完善等问题，严重制约了城镇化的发展。

3.1.3 后备耕地资源不足且整治难度大。耕地数量关系到农民的生产和生活，在研究区内可开发的耕地包括其他草地、裸地等后备资源，只占全区土地总面积的2.25%，耕地的大量减少使得人地矛盾更加突出。全区可利用的后备土地资源面积很小，在现有的发展条件下开发的难度也比较大。在实验中可以看到小店区各个土地利用类型的分维度是处于中等水平的，说明土地斑块的形状以及复杂程度都处于中等水平。一般情况下，土地斑块的形状越规则，越有利于生产用地的生产，因此，好的土地利用方式要求有更完整的土地斑块，所以这就要求在土地利用中朝着降低土地斑块的分维度方向发展。

3.2 解决对策

3.2.1 制定科学的土地利用总体规划。科学合理的土地利用总体规划是进行土地资源合理利用的前提。在编制规划时，要充分利用遥感、GIS等先进的技术手段，及时获取土地资源信息的变化情况，对土地资源实施控制，确保土地后备资源、建设用地规模等符合要求，实现土地管理的科学化与信息化。加强对规划审查、批准机构的管理，制定和执行严格的土地利用的规划标准，对所有不符合土地利用总体规划标准做出及时的修改和调整。

3.2.2 控制土地的无序扩张，切实保护耕地。应充分保护和利用土地后备资源，控制土地的无序扩张，严格土地用途的管制，走集约化的用地模式。耕地数量关系到粮食安全问题，要严格限制建设用地占用耕地，强化耕地保护责任机制，建立健全基本农田保护制度。保证耕地数量的同时，大力发展科学技术对污染进行治理并推广机械化在农业中的利用规模，同时，对可耕种的荒草地进行适度的开发利用，加强土地的复垦和治理工作，实现土地资源的可持续利用，从而促进农业的生产经营，保护农业生态环境。

3.2.3 提高土地资源利用效率。通过加大对农业的投资力度，提高农民收入的同时发展技术或进行土地利用结构的调整，提高土地资源的利用率。比如小店区的林地、园地面积较小，我们可以加大对低效林地和园地的整治改造力度，从而提高土地的生产力和土地利用的效益。通过对土地利用进行结构性调整，把农用地、建设用地等各类用地结合起来，加强农业和二、三产业之间的联系，使得土地能够获得更高的经营效益。

3.2.4 在城市化进程中开展“两旧”改造。①对小店区的城镇化水平进行合理预测，制定合理的城镇化策略，使小店区城镇化粗放发展的局面得到改善；②通过对城乡基础设施、社会设施进行统筹安排和调控，使其能够更好地满足区域产业发展、城市空间布局和城镇建设的需要；③在城镇化进程中，要切实加大城中村和旧城改造力度，进一步消除城乡二元结构，盘活城中村的土地使用效益，使得城市土地资源得到高效利用。

3.2.5 大力保护生态环境资源。严格执行城市“三线”控制管理措施，严格遵守城市耕地的最低标准。大力发展生态产业，以生态农业、生态林业、生态旅游为开发重点，实现土地资源的循环利用和可持续发展。加强对小店区山林湖草系统的治理工作，严格遵守生态保护红线的范围并执行相关生态保护的管理制度。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以小店区为例，通过利用ENVI软件对小店区进行面向对象的影像解译，提取出小店区主要的用地类型并对精度进行分析，得出小区土地利用的现状及存在的问题，得到以下结论：①在遥感影像的提取过程中，通过基于样本的分类方法对影像进行分割和分类后得到，小店区农用地面积约占44%，其中耕地面积约占72.73%，林地、园地面积约占27.27%，建设用地约占49%，水体约占5%，未利用土地约占2%，并不符合小店区的土地利用总体规划相关要求。存在生态用地占土地总面积比例小，土地利用结构不合理，土地利用的集约程度不高，后备耕地资源不足且整治难度大等问题。②根据小店区土地利用中存在的问题，提出要制定科学的土地利用总体规划、严格遵守耕地红线以防止土地的无序扩张、提高土地资源利用效率、在城市化进程中加大“两旧”改造的力度、大力保护生态环境资源等对策来进行解决。

4.2 讨论

一方面，在影像的提取过程中，虽然最终精度较高，但是由于样本选取的不足，依然会有某些地物被错分或漏分的状况出现。另一方面，本文以较为主观的目视观察结果对比得出的分割尺度来进行遥感影像的分割，宜在日后的研究中进行改进。