基于RS/GIS的長沙市土地利用和穩定性分析

張思佳

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基于RS/GIS的長沙市土地利用和穩定性分析

張思佳

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

土地利用/覆被變化（LUCC）模型的核心內容是研究LUCC時空變化格局，但多數模型只重視空間變化機制研究，忽略了模型的時間變化機制。本文利用長沙市1995、2000、2005和2010的土地利用適量數據圖，結合2015年Landset 8遙感影像圖，利用監督分類和人工解譯相結合的方法得到土地利用現狀圖，并進行疊加分析得到土地利用類型的變化數據，并建立土地利用轉移矩陣；利用土地利用變化強度得到土地利用在時間變化過程中的穩定性指標。結果表明：長沙市土地利用類型變化速度在1995-2005年較低，而2005-2015年間土地利用變化速度加快，土地利用變化在時間間隔層次上不穩定，土地利用類型轉換速度加快。

土地利用/覆被變化；空間變化；土地利用轉移矩陣；穩定性分析

0 引言

土地利用/覆蓋變化（LUCC）越來越被認為是全球環境變化與可持續發展研究的重要內容[1]。LUCC研究的主要內容是對土地利用和覆蓋變化歷史和現狀進行調查與評價，闡明土地利用覆蓋格局與社會和自然驅動力之間的聯系，可以為土地利用規劃制定相應的政策并通過土地利用和覆蓋的變化規律推斷未來土地利用和覆蓋的狀況[2]，對保護區域土地資源，實現區域經濟社會的可持續發展具有較強的現實意義。

隨著全球環境變化研究的深入，各國科學家逐漸認識到人類活動對土地承載力的影響[3]。國際地圈與生物圈計劃（IGBP）和全球環境變化的人文領域計劃（IHDP）于1995年聯合提出“土地利用/土地覆被變化”研究計劃，使土地利用變化研究成為目前全球變化研究的前沿和熱點課題[4]；隨后，IGBP和IGDP又于2005年開展了全球土地研究計劃，是繼LUCC計劃后的又一項具有重要意義的全球性計劃[5]。我國由于自改革開放以來國民經濟的高速發展，生態環境也承受著巨大的壓力，使得對于中國城市區域性LUCC研究領域越來越受到許多學者們的關注。隨著各類對地觀測遙感儀器的發展，各部門從行業應用需求出發生產了大量的遙感數據[6,7]，我國在運用遙感影像對土地利用/覆被變化的監測分析、土地利用/覆被變化對農業生態系統及全球變化的影響、土地利用/覆被變化驅動力研究和土地利用與土地覆被變化建模等方面取得了新的進展。如曹銀貴[8]等利用三峽庫區不同時期的5期遙感影像圖來分析三峽庫區近30年的土地利用類型空間分布和變化趨勢，并總結了土地利用變化的主要時空變化特征。毛蔣興等[9]以深圳為研究案例，應用定量分析和GIS空間分析技術從定性與定量的角度系統全面地開展了快速城市化背景下城市土地利用變化的人文因素分析研究。

本文選取長沙市1995年至2010年的土地利用矢量數據，并結合2015年的遙感影像圖，運用監督分類和人工目視解譯的方法得到總共5期的土地利用狀況圖。根據所得的土地利用狀況圖，并利用轉移矩陣來進行分析，得到各種土地類型變化的來源以及去向。隨后基于強度分析理論[10,11]羅列出5期圖像共4個階段的時間間隔元素轉移列表，利用公式計算出每個階段的變化強度和總的研究時間內的平均變化強度，得出每個階段的變化在整個研究時間段內的快慢情況，從而分析得出長沙市土地利用變化的穩定性。

1 數據來源與研究方法

1.1 矢量及遙感數據來源

湖南省省會長沙市是長株潭城市群“兩型社會”試驗區的核心城市，地處我國中部長江以南區域。長沙市地勢東高西低，中西部低平，地處洞庭湖平原南向湘中丘陵盆地延伸過渡區。由2010年長沙市統計局第六次全國人口普查的數據得知，長沙市常住人口為704.41萬人，約占全省的10.7%。2015年長沙市經濟總量達8510.13億元，經濟增速為9.9%，居全國省會城市第七位，保持持續快速增長。

長沙市1995年和2000年土地利用矢量數據來源于中國資源環境數據庫，以Landsat TM/ETM+遙感影像為數據源，通過計算機自動分類和人工目視解譯形成土地利用矢量數據。2005和2010年的遙感數據為購買的TM遙感影像標準產品，分辨率為30 m，土地利用矢量數據來源于雷師《中國中部和東南部城市土地利用變化對比研究-以長沙市和泉州市為例》。2015年遙感影像數據來自于地理空間數據云網站為Landsat 8 OLI/TIRS遙感影像。1995-2010年為已有的土地利用矢量數據，對于2015年的遙感影像數據需要進行分類及解譯。首先對遙感影像進行預處理，包括遙感影像幾何校正、波段組合、影像拼接和裁剪等[11-13]。隨后對遙感影像進行分類，本文采用最大似然分類器和人工解譯相結合的方法對預處理后的遙感影像進行分類，得到6中土地利用類型：耕地、林地、草地（園地）、水域、建設用地、未利用地。最后得到2015年長沙市土地利用現狀圖如圖1所示。

1.2 主要研究方法

1.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述[14]。本文利用土地利用轉移矩陣來分析1995-2015年這20年間長沙市土地利用各種地物類型變化的來源以及去向。轉移矩陣模型如下：

式中ij表示第行地類向第列地類轉移的面積，行和列分別表示地類的去向和來源。

1.2.2 基于土地利用變化強度的變化穩定性分析

本文基于強度分析理論，通過對1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年以及2010-2015年，共4個階段的5期遙感影像解譯結果的土地利用矢量數據庫進行一系列計算，得出4個階段的時間間隔元素轉移列表如表1所示。隨后利用公式計算出每個階段的變化強度和總的研究時間內的平均變化強度，得出每個階段的變化在整個研究時間段的快慢情況，并與整個時間段內的平均強度作對比，如果每個時間段變化強度與平均強度的大小關系均一致，那么說明該階段土地利用變化穩定，不一致則不穩定，可進一步挖掘不同時間間隔內土地利用變化的信息。

圖1 2015年長沙市土地利用現狀圖

表1 [Y，Y+1]時間間隔元素轉移列聯表

Tab.1 Time interval element transfer contingence table

如下所示，公式（2）定義了S是在時間間隔[Y,Y+1]中觀察到的變化強度，表示為占域的年均百分比；公式（3）定義了是在所有時間間隔中的假想均衡變化強度，表示全域的年均百分比。

1.3 研究區土地利用時空變化

本研究將解譯所得的長沙市土地利用數進行統計，得到1995、2000、2005、2010及2015年的土地利用類型的數量結構表，如表2所示。

表2表示了1995年至2015年長沙市土地利用面積變化狀況以及每一年每種地類在總面積中所占比例。通過土地利用類型的數據結構表，做出的分析如下：

1995-2015年期間,長沙市建設用地顯著增加，1995年建設用地面積僅為30237ha，占總面積2.56%，而20年后建設用地為86109ha，占總面積的7.31%，增長近三倍，并且每五年的平均增加面積約13968 ha。通過圖2的折線可明顯看出2000年以前建設用地面積增長趨勢較為平穩，自2000年以后建設用地面積的增長速度愈發劇烈。

表2 1995-2015年長沙市土地利用類型的數量結構表

Tab.2 The quantity structure table of land use type in changsha in the past 1995-2015 years

由圖3可以看出，1995-2015年長沙市建設用地有很明顯的增加，且整體呈現出由中心向四周擴散的趨勢，建設用地分布多集中于湘江東岸的長沙市區，該地區作為長沙市的中心區域由來已久，不僅有得天獨厚的自然條件，也有政府的政策支持。相對而言，在其他市縣建設用地分布都比較零散，說明政府對于城市的規劃與農村的發展協調度還有待進一步提高。

在此期間，其耕地的面積總體呈現出逐漸減少的趨勢，自1995年至2015年，由374352 ha降至333811 ha，平均每五年以10135 ha的速度在遞減，所占土地總面積的比例由研究時期初的31.67%降至28.33%。而2015年的耕地面積減少得最為明顯，相對于2010年減少了24040 ha，但占總面積的比重均在30%左右。城市迅速發展的今天，城市擴張劇烈，越來越多的農村人口因城市發展需求，遷移至城鎮，導致部分耕地因此閑置或轉為他用。草地、園地面積在1995-2015年間呈現出波動的趨勢，但最終區域平穩狀態，林地、水域以及沼澤地、未開墾荒地等組成的未利用地所占比例基本上處于一個穩態。

圖3 1995-2015年長沙市建設用地分布圖

因此，研究區域內土地利用時空變化不要表現為：20年來長沙市建設用地面積處于持續增加的狀態；耕地面積自1995年-2015年間緩慢減少；草地/園地所占面積呈小幅度波動趨勢，但最終歸于平穩狀態；林地面積是占長沙市總面積最大的一種地類，1995-2015年來面積呈小幅度減少的形勢；水域面積只有極小幅度的波動；未利用地所占面積極小，且變化程度最低，只有2005-2010年未利用地面積減少程度很大，其他時間段的未利用地均相差不大。

1.4 研究區土地利用穩定性分析

根據土地利用變化強度理論公式，計算出每個時間段內的土地利用變化強度以及整個研究時間內的平均變化強度，比較兩者的大小關系，從而分析該時間段內的土地利用變化的快慢及活躍程度，從而進一步討論研究其時間間隔層次的土地利用變化的穩定性，例如第一階段土地利用變化強度小于平均變化強度即為變化慢，而后三個階段均大于平均強度即為快，由慢至快，得出總的研究時間段內土地利用變化在時間間隔層次是不穩定的。

根據強度分析理論公式計算出S和，S為每個階段的土地利用變化強度，為1995-2015年整個研究時間內的土地利用變化的平均強度。計算結果如表3所示：

表3 1995-2015年長沙市土地利用變化強度數據表

Tab.3 Changsha City Land Use Change Intensity Data Table in 1995-2015

由圖4可以看出，每一個階段的變化強度與平均變化強度的大小關系，從而分析其土地利用變化的快慢及活躍度，結合四個階段的分析結果進一步研究其變化的穩定性。

圖4 St-U對比圖

結合之前的數據處理結果以及表3，圖4對長沙市1995-2015年土地利用變化穩定性，做出以下分析：

（1）1995-2000年（第一階段）

變化強度遠小于平均變化強度，可以推斷出該階段土地利用變化較其他階段顯得最不活躍。二十世紀末期，黨中央針對我國發展狀況對奔小康戰略目標進行了新設定，成為我國城鎮化發展的一個新起點。長沙市位于我國中部，城市發展起步較沿海城市晚，在改革開放后建設經濟技術開發區來帶動城市的發展，而2000年前還處于為創建品牌、吸引項目的階段，對于經濟的帶動作用還不明顯。由之前的分析可以看出該階段已建設用地的轉入最為明顯，而其他地類表現的很不活躍，整體呈現出不活躍的狀態。

（2）2000-2005年（第二階段）

變化強度幾乎與平均強度持平，略高于平均強度，較第一階段變化強度明顯增大，但較其他階段還是表現為較不活躍。2000年，二十一世紀伊始，也是“十一五”計劃開始實施的一年，“全面建成小康社會”被確定為二十一世紀前20年的奮斗目標。長沙市作為湖南中部重點發展的城市，長株潭三市一體化進一步推進，使得長沙市經濟得到了迅速發展，城鎮化得到了進一步推進，各地類的變化也更加活躍，但最主要的還是建設用地，所以從整體上看還是較為不活躍。

（3）2005-2010年（第三階段）

變化強度明顯大于平均強度，土地利用變化較為快速，較第一、第二階段更加活躍，所以整體呈現為較活躍。中部崛起戰略進一步推動湖南省的發展，2006年湖南省對長株潭城市群擴容形成“3+5”格局，此舉措有利于優化產業結構，有利于城鄉聯動發展、推動新農村建設，推動新型城市化的進程。城市擴張隨之而來的是建設用地對其他地類的侵占，該階段各種地類都比上一階段活躍很多。

（4）2010-2015年（第四階段）

變化強度約為平均強度的10倍，與前三個階段相比較，其土地利用變化十分活躍。2010年長沙經開區進入了一個新的歷史階段，不論是創新還是發展都取得了豐碩的成果，帶動了長沙市綜合實力的增強。退耕還林工作進一步得到了鞏固，耕地、林地面積變化也因此變得活躍起來。新型城市化建設的步伐加快，政府不斷加大對于基礎設施建設的資金力量投入，基礎設施的迅速發展，使得各種土地類型之間的相互轉化更加活躍。

綜上所述，1995-2015年這20年間，長沙市土地利用變化強度逐漸加大，2005年后增加趨勢尤為突出，表明第一階段土地利用變化不活躍，第二階段土地利用變化較不活躍，第三階段較活躍，第四階段十分活躍。由于第一階段土地利用變化強度小于平均強度，其余階段均大于平均強度，所以這20年內，長沙市土地利用變化在時間間隔層次上表現為不穩定。

2 結論

本文以長沙市作為研究對象，以1995、2000、2005、2010以及2015年共5期遙感影像為主要數據源，對長沙市的土地利用變化進行了分類、解譯和研究，運用轉移矩陣、土地利用強度分析理論對所得數據進行分析，主要得出以下結論：（1）長沙市在1995-2015年間，土地利用類型發生了巨大變化，集中表現為建設用地的不斷擴張，增加面積達59186ha，林地整體呈現緩慢減少趨勢。土地利用類型轉換明顯，但整體表現為其他地類轉為建設用地，其他包括林地與耕地之間的相互轉換，以及建設用地少量轉為其他地類等。（20研究時間內，長沙市土地利用變化強度逐漸增大，1995-2000年土地利用變化很不活躍，2000-2005土地利用變化較不活躍，2005-2010年土地利用變化較活躍，2010-2015年土地利用變化很活躍，總結得出，在1995-2015年間，長沙市土地利用變化在時間間隔層次上是不穩定的。選用了長沙市作為研究區域，而對于湖南省來說，“長株潭”城市群的存在更為重要，今后可以擴大研究范圍，會更加具備研究價值。

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Land use and Stability Analysis of Changsha City Based on RS/GIS

ZHANG Si-jia

(Institute of land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

The core of land use/cover change (LUCC) model is to study the temporal and spatial pattern of LUCC. And the development of the current model is experiencing the process from single non-spatial model to the fusion of non-spatial model and spatial model. However, most models only focus on spatial change mechanism, ignoring the time variation mechanism of LUCC model. In this paper, some land-use data maps of 1995, 2000, 2005 and 2010 of Changsha, as well as remote sensing image of Landset 8 in 2015 are used, then the final land-use map is obtained by combining supervised classification with manual interpretation. Then the 5 period of land use map sare superimposed and analyzed to obtain the change data of land use types, then the land use transfer matrix is established for analyzing the situation and the trend of change of land use in Changsha. At the same time, this paper also makes use of the change intensity of land use to analyze the change speed of land use on level of time interval in Changsha, getting the stability index of land use in the process of time change. The final conclusion shows that: the speed of land use change in Changsha is lower from1995 to 2005.While, the speed of land use change was accelerated and it was unstable as for time interval in the past ten years from 2005 to 2015, which suggested that Changsha entered the rapid development stage, and the type conversion of land use speeded up.

Land use/cover change (LUCC); Spatial change; Land use transfer matrix stability analysis

TP753

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.026

張思佳，學士，主要研究土地利用規劃。

本文著錄格式：張思佳. 基于RS/GIS的長沙市土地利用和穩定性分析[J]. 軟件，2018，39（7）：124-129