基于RS和GIS的土地利用時空動態變化分析
----------以重慶永川區為例

唐家榮,張世熔,吳光碧,田進

1.重慶文理學院軟件工程學院,重慶永川402160

2.四川農業大學資源環境學院,四川雅安625014

3.重慶文理學院文化與傳媒學院,重慶永川402160

基于RS和GIS的土地利用時空動態變化分析
----------以重慶永川區為例

唐家榮1,張世熔2,吳光碧3,田進1

1.重慶文理學院軟件工程學院,重慶永川402160

2.四川農業大學資源環境學院,四川雅安625014

3.重慶文理學院文化與傳媒學院,重慶永川402160

根據重慶永川區2002年到2008年遙感影像圖，基于RS和GIS技術、ArcGIS9.2平臺，對Landsat7、Landsat5衛星的ETM+和TM影像數據進行解譯，得到該區研究時段的土地利用類型圖。應用土地利用類型轉移模型、土地利用類型面積的變化過程及土地利用程度時空演變模型，定性和定量相結合的方法分析了研究區7年間土地利用時空變化特征。研究表明:該區土地利用變化以耕地和園地為主。其中，耕地減少面積最大，變化率為-1.65%；園地增加面積最大，變化率為11.18%。耕地因區位條件和比較經濟效益的差異不斷向其他土地利用類型流轉，耕地減少的去向主要是居民點及工礦用地，分別占各地類總面積的1.6%和3.4%。園地面積的增加主要來源于其他農用地及耕地的轉化。研究區2002至2005年土地利用處于調整期或衰退期，2005至2008年土地利用處于發展期。

永川區;土地利用變化;遙感;地理信息系統

1 引言

土地是人類賴以生存的基本自然資源,是社會得以持續發展的基礎，是勞動對象、人工生態環境改造的基本載體。全球環境變化已成為國際社會關注的焦點，國際社會采取了一系列防范措施防止環境日益惡化。土地利用/土地覆蓋變化（簡稱LUCC）在全球環境變化中顯得尤為突出。土地根據自然因素和社會因素的影響而發生利用覆蓋變化，但同時具有土地的原始性和位置的固定性，是全球土地利用變化研究的重點。計算機技術和信息技術的廣泛應用，促進地理信息系統軟件的發展，諸如ARCgis軟件為研究分析土地利用變化數據的處理提供了可靠的平臺，可快速分析變化結果[1]。

本文通過對重慶永川區近幾年土地利用變化情況進行研究，以期為永川區未來合理配置和利用土地資源、推進區域經濟健康快速可持續發展提供參考。

2 研究區域與研究方法

2.1研究區概況

永川區位于重慶西部，東距重慶56 km，西離成都276 km。位于長江上游北岸，東鄰江津區，東北靠壁山縣，北界銅梁縣，西接榮昌縣，南與四川省合江縣、瀘縣接壤。永川交通便利，成渝鐵路干線、成渝高速公路橫貫全境。水路交通便利，長江流經南端近臨朱沱鎮，離永川市區21 km。永川是渝西地區和川東南部的交通、商業貿易、文化交流、金融保險、礦產能源中心。地處東經105°38′～106°05′、北緯28°56′～29°34′。幅員面積1576 km2，轄區19個鎮、3個街道，45個社區居委會、210個行政村。2006年10月22日，國務院（國函2006 110號）批準：撤銷永川市，設立重慶市永川區，以原永川市的行政區域為永川區的行政區域，永川區人民政府駐中山路街道[2]。截止2008年底，全區出生人口16435人，出生率14.96‰，人口自然增長率5.2‰。年末總戶數356855戶，總人口1101814人，增長0.62%，其中非農業人口297158人，增長4.19%，農業人口804656人，下降0.64%。非農業人口比重由上年的26.05%上升到26.97%[3]。

2.2遙感數據的獲取與分析

本次研究采用的數據源分遙感信息源和非遙感信息源兩種。遙感信息源選取中國遙感衛星地面站接收的美國Landsat7、Landsat5衛星的ETM+（2002年11月14日）和TM（2008年11月9日）影像數據。兩期TM遙感影像，分辨率為30 m，圖像清晰，完全滿足分析研究要求。非遙感影像數據主要包括：永川區1:50000地形圖，用于輔助目視解譯；重慶統計年鑒2002～2008年，永川區2002～2008年統計年鑒資料及永川區國土資源局提供的相關資料。本次研究工作主要使用的軟件有: ENVI 4.0、ArcGIS9.2和Autocad等。

Landsat對地觀測衛星，目前在全球范圍內應用最為廣泛，源于美國國家航空和航天局（NASA）發射。其性能良好、光譜信息豐富，時效性快，它的主要任務是觀察陸地環境和地理資源，在其圍繞的軌道上運轉數年，獲取了數百萬幅有價值的遙感影像。其應用領域包括地理、農業、海洋、林業、地質、生態環境、測繪、氣象等[4]。觀測衛星Landsat7性能可靠，數據質量優越，與Landsat5相比，分辨率、光譜和幾何精校等特性基本一致，Landsat7增添了部分新特性，如增加微米全色，ETM+各波段數據見表1。

表1 TM各波段參數及其應用*Table 1 The data of TM wave and it's application

2.3遙感影像預處理及信息提取

遙感影像預處理及信息提取其目的是得到土地利用類型現狀圖。主要的步驟有土地分類、建立影像解譯標志、遙感影像分類、精度分析、柵格圖矢量化等步驟，現以精度分析為例詳細介紹處理過程，研究結果的準確度，和分類密切相關。分類精度評價是分類結果是否可信的度量，判別分類的必要步驟[5]。以判別分類是否達到分析要求，采用對比的方法。一般是將分類圖像中的特定像元和參考像元進行對比，實際研究過程中常將分類數據與地面考察數據、實地調查結果、其他電子紙制圖文數據、航空拍攝影像數據等進行對比分析，常用的評價指標有總體精度、影像精度評價及Kappa系數等[6]。

Kappa系數分析采用的是一種離散的多元技術統計數據,是一種測定兩幅圖之間吻合度或精度的指標，取值在0-1之間。其數學表達式為（公式1）：公式2-1中：K為Kappa系數，n為分類矩陣行數，Vij為第i行第j列的觀察值，Vi+為分類誤差矩陣的行總和，Vx+i為分類誤差矩陣的列總和，N為總觀察值。

首先結合原始影像將提取的結果同原始影像疊加，通過目視檢驗，符合程度較高，總體效果滿組足要求。其次，隨機選取樣本計算Kappa系數分別為0.812和0.826，結果能達到研究精度[7]。永川區土地利用現狀圖見圖1、圖2。

圖1 2002年永川區地利用現狀圖Fig.1 The present condition of land use in Yongchuan 2002

圖2 2008年永川區土地利用現狀圖Fig.2 The present condition of land use in Yongchuan 2008

3 土地利用動態變化分析

3.1土地利用變化的幅度

對兩個時相的分類結果進行統計，得出永川區2002年和2008年期土地利用和覆蓋變化結果及7年間的土地利用變化情況，另外，通過國土資源統計材料，得到2005年土地利用情況，為了體現剃度研究分析[8]，對2002年到2008年土地利用情況進行分析（表2）。

表2 2002～2008年永川區土地利用分類變化表Table 2 The classification-change of land use in Yongchuan 2002～2008(hm2)

3.2單一土地利用變化動態度

LUCC一段時間重點研究變化的速度和趨勢，單一土地利用類型動態度是眾多學者研究的方法，它在一定程度上首先反映了研究區域某時段土地利用類型面積的變化速度，另一方面也體現了預測未來及土地利用類型差異變化的情況，計算表達式為（公式2）：

公式2中各變量含義：

R:土地利用類型變化率，描述某時間區間研究區單一土地利用類型動態度，反映某一土地時間區間面積變化速率；Va,Vb:研究區間始末土地利用類型數量，年份始末周期要求相同；T：研究時段長，為便于數據分析，該文的研究時長分為2個階段，2002～2005年和2005～2008年，假設以年為時間單位研究，時間區間永川區某單一土地利用類型年變化率為R[9]。根據公式2計算永川區單一土地利用類型動態度（表3）。

表3 2002-2008年永川區土地利用變化率Table 3 The change rate of land use in Yongchuan 2002～2008(hm2)

3.3土地利用轉移分析

根據不同時期的土地利用類型矢量圖，利用Arcgis軟件的空間疊加分析模塊Tabu late A rea功能，得出2002年到2008年永川區土地利用類型轉移矩陣（表4）。

表4 永川區2002～2008年土地利用轉移矩陣Table 4 The transfer matrix of land use in Yongchuan 2002～2008(hm2)

表4中，列表示2002年各土地類型面積，行表示2008年各土地類型面積，行列交叉處為各地類面積的變化值，同地類交叉處表示地類沒有發生變化的面積，其中牧草地各年均未發生變化。例如行中62658.4 hm2為耕地沒有發生變化的面積，行中3250.6、3174.1、688.7分別為園地、林地、其他農用地轉化成耕地的面積[10]。

3.4土地利用變化時空建模

3.4.1 土地利用程度綜合指數模型LUCC研究由于因素眾多變得紛繁復雜，建立模型有利于掌握其變化本質。土地利用程度趨勢的研究，掌握擴展變化的規律及主要驅動因子，是土地覆蓋變化自然屬性的表現，定性分析不能滿足復雜變化的趨勢，本文模型建立定量分析土地覆蓋變化即土地利用程度綜合指數從多角度描述了土地變化的趨勢及特點。土地覆蓋變化的研究必須從變化的廣度和深度，研究人類改造土地因素和自然演化過程等因素的綜合效應的影響。根據土地利用的基本屬性和研究區域遙感影像解譯結果，結合研究區的土地利用類型將土地分為若干等級，為了方便研究，未利用地和其他土地合并為未利用地。根據劉紀遠先生等對土地利用程度分級的研究成果結合實際略作修改[11]，將土地利用程度分為4級，并賦予分級指數（表5）[12]。

在實際的應用過程中，土地分級要根據具體情況而定，如果把此模型應用到該區域，還不夠完善。首先，為了提高研究的精準度，需要細化的分級，按照表5的利用分級，該模型分級范圍大，不能細致和充分的反應利用程度的特點。其次，模型分類不符合該區域的實際情況，例如，草地的面積非常小，未利用地和其他土地利用用途不明晰，分析指向性不明確。而且土地的分類標準發生過變化。因此，合理的修正此模型，使分級能夠兼容土地利用類型，更接近事實，更加詳細地進行土地利用程度的分析[13]。研究區域的土地利用程度綜合指數表達為（公式3）：

表5 土地利用程度分級表Table 5 The land use degree classification

公式3中各變量含義：

Kz:研究區域土地利用程度綜合指數，數值大小可以反映出變化趨勢，其值的范圍是100～400之間連續變化的；Xi:研究區第i級分級指數，根據表5賦予的分級指數為1到4；n:表示分級數，該文為4；Yi:為土地利用程度研究區第i級的分級面積百分比；根據公式3，將土地統計數據輸入計算機后得到永川區土地利用程度的綜合指數，如表6所示。

表6 永川區土地利用程度變化綜合指數Table 6 The comprehensive change index of land use in Yongchuan

從表6中可以看出，永川區從2002年至2008年的土地利用變化綜合指數都在290至291之間，為研究取近似值為291，綜合來看土地利用程度已經超過平均值。綜合指數更進一步說明了該研究區永川的土地利用程度基本呈平穩狀態，微乎其微的變化，或者可以認為幾乎沒有提高的趨勢。該區域從2002年到2008年期間，城市及鄉鎮建筑大面積擴展，但利用程度不高，表明應采取措施，切實有效地提高土地利用程度[14]。

3.4.2 土地利用程度變化模型在規定的研究區間，本文以重慶永川區為例，通過定量分析，建立模型。土地的利用覆蓋情況可以用土地利用程度的變化來綜合反映。與以上綜合指數模型分析相比，既有區別又相互相承，該研究區園地、林地等各種土地類型的變化，之間的轉移及轉化，以及特定地類內部的變化都是其程度變化的誘因。土地利用程度變化的研究主要是從數量和結構比例兩方面反映覆蓋利用變化趨勢，只要定量分析變化量及變化率，實質體現了研究區間土地利用的綜合水平。本文研究區2002年到2008年的變化趨勢和綜合變化水平，結合經濟資料和社會資料，在建立的指數模型的基礎上，通過土地利用程度變化量和土地利用程度變化率的描述，從兩個階段分別反映變化情況。土地利用程度變化量和土地利用程度變化率可表達為公式4和公式5[15]：

公式4和公式5各變量的含義：

△Ky-x:研究區間土地利用程度變化量；W：研究區間土地利用程度變化率；例如2002年到2005年變化率為-0.03；Xi:第i級土地利用程度分級指數，根據土地利用程度分析表確定；ZiX:研究區內x時間第i級土地利用程度分級面積百分比，根據利用程度分級表5確定研究類土地分級面積比例；Ziy：研究區域內y時間第i級土地利用程度分級面積百分比，計算方法同ZiX；Kx：某研究區域x時間的土地利用程度綜合指數，根據公式3計算；Ky：某研究區域y時間的土地利用程度綜合指數[16]；

如果△Ky-x＞0（w＞0），則表示該區域土地利用處于發展時期，如果△Ky-x〈0（W〈0），則表示該區域土地利用處于調整期或衰退期。根據公式4和公式5，計算永川區的土地利用程度變化量和土地利用程度變化率如表7所示。

表7 永川區土地利用程度變化量與變化率Table 7 The change-data and change-rate of land use degree in Yongchuan

從2002到2005年永川區3年以來發展狀況來看，分析各地類現狀，從表7反應了土地利用程度變化量和土地利用程度變化率分別為-6.97、-0.03都小于0，說明研究區域的土地利用正處于調整期或衰退期。2005到2008年土地利用程度變化量和土地利用程度變化率分別為16.77和0.08都大于0，說明這期間土地利用處于發展期[17]。

4 結論

本文分析土地利用收集了大量相關電子及紙制文獻，如遙感影像圖，人口、水系和社會經濟統計資料，最后得出以下結論：

（1）根據研究區各土地利用類型面積的變化數據及變化幅度，得出重慶永川區土地利用結構和總體趨勢的演變。從地類數量層面的綜合變化分析可知：耕地減少幅度最大，減少面積7090 hm2；水利設施用地減少幅度最小，減少面積僅為97.8 hm2；其他農用地、未利用地呈減少趨勢；其它地類面積的變化，除牧草地保持不變之外，面積都有不同程度的增加。其中園地增加7232.2 hm2，增長幅度最大；林地增加2900.7 hm2；居民點及工礦用地增加了1169.7 hm2；變化最小的是交通用地，增加69.1 hm2。

（2）通過轉移矩陣分析，Arcgis軟件空間疊加，得出重慶永川區耕地主要轉化去向是園地、林地、其他農用地、居民點及工礦用地以及水利設施用地，分別占由耕地轉化成其他土地總量的38%、20%、8%、17%、12%。耕地因區位條件和比較經濟效益的差異不斷向其他土地利用類型流轉，面積減少，是居民點及工礦用地和交通用地面積增加的主要來源，分別占各地類總面積的1.6%和3.4%。園地主要轉化成耕地、其他農用地、居民點及工礦用地。居民點及共礦用地主要來源于耕地、園地、其他農用地和其它土地，分別占居民點及工礦用地總面積的1.4%、2.2%、3.5%、2%。林地主要來源有耕地、園地、水利設施用地及未利用地的轉化。

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Analysis on Spatio-temporal Dynamical Change of Land Use Based on RS and GIS----------Taking Yongchuan Chongqing as an example

TANG Jia-rong1,ZHANG Shi-rong2,WU Guang-bi3,TIAN Jin1
1.Department of Software and Engineering,Chongqing University of Arts and Sciences,Yongchuan402160,China
2.College of Resources and Environment,Sichuan Agricultural University,Yaan625014,China
3.Department of culture and communication,Chongqing University of Arts and Sciences,Yongchuan402160,China

According to the remote sensing images from 2002 to 2008 in Yongchuan distrcit,Chongqing,based on RS and GIS technology,ArcGIS9.2 platform,this paper expressed the ETM+and TM image data of Landsat 7,Landsat 5 satellites, to get the land use pattern in the area of study period and analyzed the spatial and temporal variation characteristics of land use in the study area during the past 7 years,using the land use types of transfer evolution model type area changes and degree of land use,spatial and temporal land use model,qualitative and quantitative method.Research result showed that:the land use change in this area mainly laid in cultivated land and garden plot.Among them,the reduction of cultivated land area was the largest,the change rate of-1.65%;garden increased the largest area,change rate is 11.18%.Cultivated land due to differences in location and comparative economic benefits transferred constantly to other land use types of cultivated land circulation,the reduced whereabouts was mainly residential and industrial land,which accounted for 1.6%and 3.4%of the total area of all types respectively.Transformation of garden area increase came mainly from other agricultural lands and arable lands.The study area from 2002 to 2005 land use was in adjust period or a period of recession,in 2005 and 2008 land use in development period.

Yongchuan;land use changes;remote sensing;GIS

TP751

A

1000-2324(2014)04-0552-07

2013-04-19

2013-05-25

國家自然科學基金青年基金(61304255);重慶市教委科學技術研究(KJ131211);大學生創新創業訓練計劃(2013007)

唐家榮(1983-),男,重慶開縣人,碩士.研究方向:電路與系統設計、計算機控制.