基于遥感与GIS的土地利用变化分析以成都市龙泉驿区为例.doc

基于遥感与 GIS 的土地利用变化分析以成都市龙泉驿区为例刘 美1 ，彭文甫1，2 ，李蕙君1 ，白 雲1 ，罗 晶1 ，熊林华1 ，唐云逸1( 1 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都，610101; 2 四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都 610101)摘要 应用 RS 与 GIS 技术进行土地利用变化研究已成为监测土地利用变化的有效手段。利用 2000 和 2008 年成都市龙泉驿区的 TM影像，在 RS 和 GIS 的技术支持下，通过构建水体指数和植被指数，与目视解译结合提取了该区土地利用变化信息。并在野外调查的基础上，对分类结果进行修正。结果表明，2000 2008 年研究区耕地面积减少 6 105 92 hm2 ，园地增加 3 236 89 hm2 ，林地减少 3 568 78hm2 ，建设用地增加 6 555 42 hm2 ，水域减少 571 25 hm2 ，未利用地增加 453 64 hm2 。分析其土地利用变化驱动力，可以看出政府政策导向、区域经济发展和人口增长是导致龙泉驿区土地利用变化的主要因素。关键词 RS; GIS; 土地利用变化; 驱动力中图分类号 F 301 24文献标识码 A文章编号 0517 6611( 2011) 24 15153 04Analysis of Land Use Change Based on RS and GISLIU Mei et al ( The Institute of Geography and Resources，Sichuan Normal University，Chengdu，Sichuan 610101)Abstract RS and GIS have become effective means to monitoring land use change According to the TM images in Longquan District of Cheng- du in 2000 and 2008，with the support of RS and GIS，its land use change information was extracted through constructing the water and vegetation index by visual interpreting，then based on the filed survey，the classification results was revised As indicated by the results，the cultivated area in the study area during 2000 2008 decreased by 6 105 92 hm2 ，the garden land area increased by 3 236 89 hm2 ，the woodland area decreased by3 568 78 hm2 ，the construction area increased by 6 555 42 hm2 ，waters reduced by 571 25 hm2 ，and the unused area increased by 453 64 hm2 It was discovered through analysis that the land use change was mainly caused by government policy guidance，regional economic development and population growthKey words RS; GIS; Land use change; Driving force土地利用 / 土地覆盖是目前全球环境变化领域的核心内容之一1。随着社会经济发展的要求，土地利用结构和布局 不断的改变，而土地利用变化监测的方法和手段有很多。其 中遥感技术通过提供大范围、多时相、多分辨率、多光谱信息 可以了解土地利用变化的现状、分布、特征及发展趋势2。 将 RS 与 GIS 技术相结合进行土地利用变化监测可以及时准 确地了解土地资源利用状况。笔者针对成都市龙泉驿区2000 和 2008 年的遥感影像进行解译，提取这 2 年的土地利 用变化数据，同时结合龙泉驿区的社会经济发展情况进行综 合分析，有效地揭示该区域土地利用变化的原因，为协调城 镇用地提供了有用信息。道编号 129 /039) 数据，空间分辨率为 30 m，影像质量好。龙泉驿区自然、社会和经济统计数据来源于成都市 2000 和2008 年统计年鉴( 中国统计出版社) 。2 2土地利用分类体系 根据按国土资源部全国土地分类( 过渡期间适用) ( 国土资发2002247 号) 结合龙泉驿区土地利用分类和遥感技术的特点，建立研究区的土地利用 分类体系: 一级类土地利用类型包括农用地、建设用地、未利 用土地; 二级类土地利用类型包括耕地、林地、园地、居民点 及工矿用地、水利设施用地和其他土地。研究区概况龙泉驿区位于成都市东南部，是成都平原与川中丘陵的 界山，境内坝、丘、山兼有，以平坝为主，总面积 558 km2 ，属亚 热带温润气候，年降水量 974 mm，年均气温 15 9 。龙泉驿 区的东南部为岷江水系府河的支流芦溪河，西北部为沱江水系 支流西江河，中部有都江堰灌区东风渠灌溉网，坝丘浅山中散 布着众多口塘堰和水库，成渝、成昆铁路和成渝高速公路贯境。 龙泉驿区很重视第三产业的全面发展，已初步建成以酒店会务 业为核心的都市近郊会务休闲基地。随着龙泉驿区经济发展 速度的加快，用地矛盾也将进一步突出，为了更好地做好区域 规划，对龙泉驿区土地利用的分析已刻不容缓。2 数据来源与研究方法12 1数据来源 采用 2000 和 2008 年 Landsat TM 影像( 轨基金项目国家“863 ”计 划 项 目 ( 2009AA12Z140 ) ; 国家自然科学基金 ( 40771144，40575035) ; 国家科技重大专 项“水 体 污 染 控 制与治理”项目( 2009ZX07106 004) ; 四川省教育厅重点资助科研项目( 09ZA088) ; 四川师范大学科研基金( 09KYL04) 。刘美( 1990 ) ，女，四川都江堰 人，本 科 生，研 究 方 向: 地 理信息系统。* 通讯作者，副教 授，博 士，从事环境遥感研究，E-mail: pwfzh 126 com。2011-04-25图 1 技术路线Fig 1 Technical route2 3 研究方法 利用 ERDAS 对遥感影像进行解译，利用ArcGIS 对提取出的土地利用数据进行分析处理，运用数理统 计与定性分析相结合的方法分析该区土地利用变化情况。作者简介在对遥感图像进行解译时主要运用指数方法提取水体、收稿日期照分类结果进行检查和校正，得到土地利用分类图。具体研究的技术流程如图 1 所示。进行人工去噪后，得到完整的水域图( 图 2、3) 。2 3 1 2 植被指数的模型。通常我们选用归一化植被指数2 3 1构建指数模型。指数模型的基本原理是在多光谱波( Normalized Difference Vegetation Index，NDVI) 来提取植被。段内找出对应目标地物最强反射波段和最弱反应波段，将强者置于分子，弱者置于分母，通过比值运算进一步扩大两者 间的差距，增强目标地物的亮度，抑制背景地物，达到突出目 标地物的目的。植被和水体是生态环境中两大要素，根据植 被和水体的光谱特性，通过指数计算方法进行分异是从遥感 影像上提取这两类信息最简单的方法3。2 3 1 1 水体指数模型。目前，常用的水体指数包括归一 化水体指数( Normalized Difference Water Index，NDWI) 4，归 一化差异水体指数( Modified NDWI，MNDWI) 5，以及增强型 水体指数( Enhanced Water Index，EWI) 6。具体表达式如 下:其表达式如下:NDVI = ( NIR Red) ( 4)( NIR + Red)式中，NIR 代表近红外波段，Red 代表红色波段，在 TM影像中分别代表 TM5、TM3。对“2 3 1 1”中的水域图进行掩膜处理，得到去除水体 的图像，建立 NDVI 计算模型，得到植被信息，将 NDVI 图进 行二值化处理，选取适当阈值，提取出植被信息。2 3 2 人机交互解译。利用植被指数得到研究区的植被分 布图，其中包含了森林，果树以及农作物等。不同的植被类 型对应不同的土地利用类型，并且不同植被的光谱特征是不 同的。因此，结合植被的光谱特性，通过野外采样建立解译 标志，对植被图进行监督分类。主要划分出耕地、园地和林 地 3 种用地类型。在二值化后的非植被图中，应用监督分类 方法，划分出建设用地和未利用地。最后整合提取出用地信 息得到土地利用分类图( 图 4 9) 。NDWI = ( Green NIR)( 1)( Green + NIR)MNDWI = ( Green MIR) ( 2)( Green + MIR)EWI = ( Green NIR MIR)( 3)( Green + NIR + MIR)式( 1) ( 3) 中，Green 代表绿光波段，NIR 代表近红外波段，MIR 代表短波红外波段，在 TM 影像中，分别代表 TM2、TM5、TM6。图 4 2000 年耕地Fig 4 Cultivated land in 2000图 2 2000 年水体Fig 2 Water area in 2000图 52008 年耕地Fig 5Cultivated land in 20082 3 3 野外采样。应用 GPS 技术进行野外采样，采集了 646 个样点，这些样点基本均匀分布于研究区。将 GPS 样点导入 ArcGIS 软件中，对土地利用分类图进行精度评价。研究中精 度评价主要选择错分偏差( CE) 和漏分偏差( OE) 2 种，评价 结果如表 1。图 32008 年水体Fig 3 Water area in 2008结合龙泉驿区的遥感影像，经过对比试验最终选择了EWI 来进行提取。利用 EWI 将水体信息得到凸显，再将 EWI图 62000 年园地Fig 6Garden land in 2000图 82000 年林地Fig 8Woodland in 2000图 72008 年园地图 9Fig 92008 年林地Woodland in 2008Fig 7Garden land in 2008表 1 分类精度评价Classification accuracy evaluationTable 1土地利用类型耕地园地林地水域建设用地CE未利用地Land use typeCultivated land Garden landWoodlandWaters Construction land% Unused land 耕地 Cultivated land园地 Garden land林地 Woodland水域 Waters建设用地 Construction land未利用地 Unused land10919324231128121158801022130231412311677321143017 4226 3215 3814 287 2230 23OE% 21 58 11 81 7 37 25 18 13 26 83 3 土地利用变化分析利用 ArcGIS 软件的统计功能，对土地利用信息进行统 计分析，从而得到 2000 和 2008 年的土地利用变化信息( 图10、11，表 2 )图 11 2008 年龙泉驿区土地利用Fig 11 Land use status in Longquan District of 2008土地利用数量分析 通过分析龙泉驿区 2000 和 20083 1年的土地利用类型面积，可以直观的得到该区域土地利用变化的总趋势。由表 2 可知，耕地面积减少最多，为 6 105 93 hm2 ，其次是林地 3 568 78 hm2 ，建设用地面积增幅最大为6 555 43 hm2 。其中园地的增加和林地的减少基本持平，结图 10 2000 年龙泉驿区土地利用Fig 10Land use status in Longquan District of 2000地基本转化为园地。未利用地的面积增加了 453 643 hm2表 2 龙泉驿区土地利用变化类型 Table 2 Change of land use types in Longquan District 2000 2008 年土地利用类型Land use type2000 年hm22008 年hm2变化面积Changed areahm2年变化率Annual change rate%耕地 Cultivated land园地 Garden land林地 Woodland建设用地 Construction land水域 Waters未利用土地 Unused land13 940 4017 769 9117 142 773 735 371 858 911 430 127 834 4721 006 8113 573 9910 290 801 287 651 883 77 6 105 923 236 89 3 568 786 555 42 571 25453 64 5 482 28 2 6021 93 3 843 96总计 Total55 877 5255 877 523 2土地利用动态度分析土地利用变化速度可以定量描式中，Ib a 为土地利用变化值，Ia 、Ib 分别为 a、b 时间的研究区土地利用程度指数; Cia 、Cib 分别为时间 a、b 第 i 级土地利 用程度面积。述土地利用类型的数量变化，对比较土地利用变化具有积极意义7。土地资源数量变化用单一土地利用动态度来表 示8。单一土地利用动态度是指某一地区在某一时段内某 种土地利用变化类型的数量变化情况，其表达式为:由公式( 7) 计算可知，I驿区土地利用处于发展期。= 17 52，为正值，表明龙泉b a( Ub Ua ) 4土地利用变化驱动力因子分析土地利用变化驱动力指导致土地利用 / 土地覆盖变化的 1 K = T 100%( 5)Ua式中，K 为 T 时段内某种土地利用类型动态度; Ua 和 Ub 分别为研究期初和期末某种土地利用类型的数量; T 为研究时段 长度，当 T 为年时，K 为某种土地利用类型的年变化率。根据公式( 5) 可以算出龙泉驿区不同时期土地利用的年 变化率( 表 2) 。由表 2 可知，2000 2008 年土地利用动态度中建设用地的动态变化最大为 21 93% ，其次是耕地，年变化率 5 48% 。林地和园地的动态基本是同步的，再次说明林 地和园地之间的转化关系。3 3 土地利用程度变化分析 土地利用程度反映土地利用 的广度和深度，反映了人类因素与自然因素综合效应。根据 刘纪远等提出的土地利用程度综合分析方法9，将土地自然 综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为未利用地级 ( 包括未利用土地等) ，林、草、水用地级( 包括林地、草地、水 域等) ，农用地级( 包括耕地、园地、人工草地等) ，城市聚落用 地级( 包括城镇、居民点、工矿用地、交通用地等) 并赋予分级 指数分别为 1、2、3、4，从而给出土地利用综合指数及土地利 用程度变化模型的定量表达式。其中，土地利用综合指数模 型表达式:n11各种因素。大致可分为自然环境因子和社会经济因子。在较短时间尺度内( 2000 2008 年) ，龙泉驿区自然驱动力相对稳定，有着累积效应。因此，笔者对龙泉驿区土地利用变 化的驱动力因子的分析主要从社会经济驱动力出发。4 1 政策导向 广义上，政策导向可以归为人文因素的一 种，但政策导向对于土地利用变化的作用强度和作用速度是 相当可观的，政府的行政决策和干预直接影响社会的生产经 济活动，进而影响土地利用的方式和强度11。“十五”期间，龙泉驿区区委、区政府带领全区人民，抓住 实施西部大开发战略、成都城市向东向南发展战略以及成都 东郊工业区迁移与工业结构调整的历史机遇，加快城乡统筹 的步伐。其中，重点发展龙泉主城区基础设施和公共服务设 施的建筑; 坚持走新型工业化道路，建立国家级经济技术开 发区; 建设成都东北洪十片区，重点发展房地产开发; 北部物 流片区发展铁路、公路物运; 东部生态片区，大力发展以山 水、花果为特色的休闲型观光旅游业、生态农业。2007 年，龙 泉驿区获批“全国统筹城乡综合配套改革试验区”，对某些地区土地、产业等资源进行了全面整合，调整土地利用方式。这一系列的政策和规划，使得龙泉驿区土地利用空间格局发生了很大变化。4 2 经济发展 在政府政策的导向下，龙泉驿区的产业结D = 100 ( Ai Ci ) / HJ( 6)i = 1式中，D 表示土地利用程度综合指数，Ai 指第 i 级土地利用程度分级指数，Ci 指第 i 级土地利用面积，n 为土地利用类型 的个数，HJ 指土地利用评价分区域内土地的总面积。根据公式( 6) ，利用龙泉驿区土地利用类型，计算得出龙 泉驿区土地利用程度综合指数: 2000 年为 267 56，2008 年为285 08。利用土地程度指数，可以求出土地利用变化值。其表达 式为:构得到了优化调整，实现了该区的经济平稳、快速地增长。2000 年龙泉驿区国内生产总值为 509 952 万元( 其中建筑业产值 59 494 万元，工业产值 117 329 万元) ，2008 年龙泉驿区 国内生产总值为 2 187 083 万元( 其中建筑业产值 192 617 万 元，工业产值 1 186 140 万元) 。2008 年社会消费品零售总额30 3 亿元，增长 22 1% ; 城镇居民人均可支配收入达 13 380元，增加 2 211 元; 农民人均纯收入达 6 836 元，增加 902 元。( 下转第 15160 页)nnIb a = Ib Ia = ( Ai Cia ) ( Ai Cia ) 100 ( 7)i = 1i = 13 系统投入业务应用情况连云港气象核应急保障系统服务系统是现代气象业务 体系的迫切需要，该系统于 2009 年投入业务试运行，在 2009 年 11 月 10 日，代号为“神盾 2009”的国家首次核应急演习 中，连云港市气象应急分队采用该系统，准确及时传输现场 资料、实况及污染情况，为省核应急指挥部提供第一手决策 资料受到了表彰。从演习的数据模拟中，发现核污染物的扩 散浓度随着时间的推移，浓度逐渐降低; 在污染物的沉降过 程中，污染的浓度会随着污染面积扩大而下降。4 小结笔者采用最新的 HYSPLIT 污染物扩散模式，通过本地 化的 WRFV3 1 模式数值预报场为背景场及 GIS 软件建立了 气象核应急保障系统。该系统基于地理信息系统( GIS) ，利 用面向对象的 TatukGIS 作为开发平台，并采用 Delphi 语言 作为主要的开发工具。该系统投入业务应用情况良好，通过 该系统的建立为省、市应急指挥中心提供连云港及其周边地 区风向、风速、降水和温度等探测资料，进一步完善各核电站运行和应急期间的气象信息采集、分析、处理平台，并为事故提供应急指挥、危害评估、公众保护等决策服务的气象核应 急保障系统。参考文献1章志英 核污染长距离输送的数值模拟D 杭州:浙江大学，20052董娟，许连丰，曾戊忠 珠海市中小尺度大气扩散应急数值预报模式系 统J 气象研究与应用，2007，28(S2):10 113吴丽娜 地理信息系统在气象领域应用的研究状况基于数字期刊 的统计分析D 厦门:集美大学理学院，2007:243 2454梁晓东 核事故应急决策支持系统的计算机实现研究D 桂林:广西 师范大学，20005陈述彭，鲁学军，周成虎 地理信息系统导论M 北京:科学出版社，1999:1 2406庞古乾，冯学民，焦圣明，等 GIS 在雷电业务系统中的应用J 安徽农 业科学，2009(2)892 8937TatukGIS Developer Kernel for VCL EB / OL www allevery cn8黄健，颜鹏，DRAXLER R R 利用 HYSPLIT_4 模式分析珠海地面 SO2浓度的变化规律J 热带气象学报，2002，18(4):407 4139DRAXLER R R，HESS G D An overview of the HYSPLIT_4 modeling sys- tem for trajectories，dispersion and depositionJ Aust Met Mag，1998，47:295 308檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪( 上接第 15156 页)经济的快速发展，尤其是工业和房地产的蓬勃发展，提高了 人民的生活水平，加快了城市化的进程，进一步促进了土地 利用类型的变化。根据龙泉驿区土地利用变化的分析，对经济发展快的县级土地利用保护，提出 2 点参考建议。合理调整产业结 构。产业结构直接影响土地利用类型，政府政策导向在土地 利用变化中起着重要作用，合理的区域规划是土地利用发展 的关键。在发展区域经济的同时，应该根据该区的自然条 件，着眼于长期发展，建立适合该区域发展的土地利用结构 优化模式。加强土地环境的综合治理和保护。在城镇化 水平快速推进的背景下，加强对基本农田的保护，合理利用 土地资源，改善人地关系，提高生态环境质量。参考文献1黄方，刘湘南，刘权 辽河中下游流域土地利用变化及其生态环境效应J 水土保持通报 2004，24(6):18 214 3人口增长 人口数量的增长、分布、结构、素质以及人口的迁移均影响土地利用的变化。人类通过改变土地利用的类型与结构，加强对土地的开发利用，以满足人类的生存 环境的要求12。2000 年末龙泉驿区人口为 48 48 万，非农 业人口 13 78 万; 2008 年龙驿区人口为 58 05 万，非农业人 口 23 10 万; 2008 年机械人口增长率为 5 99，自然增长率 为 8 05，增加了 9 97 万人，其中非农业人口增加了 9 32 万人。非农业人口的增加会导致城市规模的扩大，对居住条 件的需求增加，同时也会加大各种基础设施的需求。因此， 加快了城市周边耕地变为城市建设用地的速度。2杨刚斌，秦军 土地利用变化类型变化对环境影响信息分析J 测绘，2009，32(3):110 1143郜丽静，骆剑承，沈占锋 基于指