基于3S技術的貴陽市土地利用變化動態監測研究
---以貴陽市環城高速以內區域為例

龍運婷 禹龍 王維 陳敏

(貴州省山地資源研究所有限公司，貴州 貴陽 550001)

引言

土地資源是人類賴以生存和發展的重要基礎[1，2]，人類通過改變土地利用/土地覆蓋的類型與結構，增強對土地這個自然綜合體的干預程度，來滿足人類對生存環境的需求[3]。近年來，隨著經濟的發展，人類在有限的土地資源中，為了能夠更好地利用和改造土地，以及及時更新土地資源信息，各國政府對土地資源進行不同層次的研究。3S技術改變了傳統的監測方法和手段的效率低，采集數據也很難快速、準確的搜集等局限性，為研究者對土地利用的動態監測提供了關鍵性技術[4-7]。利用3S技術對貴陽市土地利用變化的研究可以分析其發展的變化方向，對貴陽市的經濟發展狀況的了解起關鍵性因素，能夠及時準確掌握土地利用數據，為貴陽市政府對土地管理和分析提供有力的依據；為其他學者研究貴陽市土地利用變化，了解各種土地利用情況提供參考價值；為合理利用土地資源和規劃土地利用的管理提供建議。實現貴陽市土地資源調查監測的全面覆蓋性、準確性、高時效性以及該區域生態環境的長期監測。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴陽市是貴州省的省會城市，位于貴州省中部，地理坐標為E106°07′～107°17′，N26°11′～26°55′，國土面積為8034km2。貴陽市與甕安縣、龍里縣、惠水縣、長順縣、平壩區、織金縣、黔西縣、金沙縣和遵義市9個縣市相接壤。海拔在1100m左右，西南高、東北低。主要地形為河谷、洼地、盆地和丘陵。其中山區面積最大，盆地較少。屬亞熱帶濕潤溫和型氣候，平均氣溫15.3℃，年平均相對濕度為77%。貴陽市是典型的“夏無酷暑，冬無嚴寒”，很適合人類居住，是世界有名的避暑之都。2021年人口總數為497.14萬人，地區生產總值達到4921.17億元。

1.2 研究方法

研究區利用土地利用分類系統進行土地利用分類是區分土地利用空間區域構成單元的過程。這個空間區域單元是土地利用的區域組合單元，展示了人類土地利用和改造的方式和成果，反映了土地利用的形式和使用(功能)[8-10]。我國根據土地利用的特征和人類對土地資源使用的要求不同，形成了土地評價分類體系、土地利用分類體系、土地自然分類體系3種不同的分類體系。本文采用土地利用分類系統的方法，根據土地利用的具體情況，結合遙感影像的分辨率、實際使用土地類型和收集到的基礎資料，將研究區的土地利用大概分為5個一級類，分別是水域、林地、建筑用地、耕地和未利用地。

圖1 貴陽市行政區劃圖

圖2 貴陽市環城高速位置圖

1.2.1 監督/非監督分類

圖像的分類是根據同類地物在相同的條件下(光照等)應該具有相同或相似的光譜信息和空間信息特征，而不同類的地物之間具有差異性[11]。圖像分類是利用監督分類和非監督分類的方法將圖像分成若干個地類類別的信息，并符合土地利用現狀分類的標準。本文將先采用監督分類方法進行土地利用劃分5類類別的土地，并分別標上顏色：耕地(草綠色)、林地(深綠色)、未利用地(紅色)、建設用地(淺藍色)、水域(深藍色)。根據監督分類所形成的模板在非監督分類上加載制作土地分類圖，對分類模糊的區域用GPS進行野外判讀，再根據判讀得到的結果進行影像分類修改，從而得到更加準確的分類結果。

表1 土地利用分類系統

1.2.2 分類精度評價

通過對2005年、2011年、2020年3期遙感影像采用ENDAS軟件中混淆矩陣的方法(Accuracy Assessment)評價分類結果的精度的定義分類模板，得到3期遙感影像分類模板精度均達到90%以上，符合研究精度標準。

1.2.3 土地利用變化速度及程度變化

通過土地利用程度變化及變化速度得出分類指標方法，再根據其方法計算出土地利用程度綜合指數及變化模型[12-15]。

從土地利用遙感影像解譯結果，分出5個土地利用類型(分級指數)：林地(2)、耕地(3)、水域(2)、未利用地(1)、建設用地(4)。

2 結果與分析

2.1 土地利用面積變化動態分析

借助ERDAS和ArcGIS軟件，對遙感影像的監督分類影像進行處理，得到研究區土地利用現狀統計數據和分布圖，見表2、圖3。

表2 2005年、2011年和2020年的土地利用類型的面積變化

圖3 2005年、20011年、2020年貴陽市環城高速以內的土地利用現狀圖

從表2可以看出，貴陽市環城高速以內區域的土地利用類型主要以林地、耕地和建筑用地為主，3種類型的土地面積比例之和占總面積的98%以上，2005—2020年的3期占總面積之比分別是98.15%，98.24%，98.41%。面積變化幅度，從大到小依次為建筑用地、未利用地、耕地、水域和林地。建筑用地的面積變化為193.27%，變化最大。水域雖然只減少了0.97hm2的土地面積，但其變化幅度卻是10.09%，減少的面積最多。

在2005—2020年貴陽市的耕地、水域和未利用地的面積在逐年減少，只有建筑用地的面積大幅度增加。林地的面積由2005—2020年僅增加了0.36km2，比例僅增加了0.07%，分析其原因主要是由于貴陽市的居民對綠化環境的要求提高和政府退耕還林、封山育林的政策影響；耕地面積比例由2005年的44.72%減少到2011年的36.39%，再到2020年31.67%，共減少86.36km2；建筑用地面積比例由2005年的21.83%增加到2011年的30.23%，再到2020年37.18%，從2005年的124.45hm2到2020年的211.93km2，大幅度增加了87.36km2。貴陽市的經濟的快速增長及國家在“十一五”與“十二五”2個五年計劃的大力扶持，如金陽新區的建立和龍洞堡飛機場等大型的建筑，占用了大量的土地，即城市的擴建占用了大量的農田，造成了耕地面積大幅度下降；未利用地面積比例由2005年0.24%減少到2020年0.15%，未利用地的總面積基數較小，只減少了0.51km2；水域面積從2005年1.61%到2020年1.44%，減少了0.17%的土地，這與貴陽市市政府的生態文明城市，“避暑之都”有很大的關聯。

2.2 土地利用類型轉換

土地利用轉移矩陣是通過不同時期段的土地利用轉換的。本研究區域的轉移矩陣是利用ArcGIS軟件中數據融合、疊加分析和面積計算等步驟，得到了屬性表，用Excel軟件中的數據透視表生成2期的轉移矩陣表。最終得到貴陽市環城高速以內區域的2005—2011年、2011—2020年和2005—2020年的轉移矩陣表，見表3～5。

表3 2005—2011年貴陽市環城高速內土地利用面積轉移矩陣

由表3可知，2005—2011年，耕地、水域和未利用地都有所減少，其中減少最多的是耕地，減少了47.49km2，其主要向林地與建筑用地土地利用類型轉移；水域面積減少了0.24km2，是受貴陽市居民活動影響；未利用地減少了0.26km2，是因為貴陽市城市建設的影響。林地面積增加了0.14km2，主要是由耕地轉換而來，受到國家政策的影響。建筑用地增加了47.85km2，主要是由耕地、水域和未利用地轉化為建筑用地的；在這期間，花溪區的大學城的新建和烏當區的規劃占用了大量的耕地面積。

由表4可知，2011—2020年，耕地、水域和未利用地的土地面積分別減少了86.36km2、0.97km2、0.51km2；林地與建筑用地有所增加，其中林地增加了0.36km2，建筑用地增加了87.48km2，主要是從耕地、未利用地和水域轉換而來的。耕地面積變化最大，在這5類土地類型中，耕地、林地、水域和未利用地的土地面積都會轉換為建筑用地的土地類型。

表4 2011—2020年貴陽市環城高速內土地利用面積轉移矩陣

從表5可以看出，2005—2020年，貴陽市的耕地占有率一直在下降，建筑用地的占有率大幅度上升，可以看出，15年間，貴陽市的經濟發展狀況的變化和貴陽市常住人口不斷增加，對貴陽市的建筑用地的需求呈遞增的趨勢。貴陽市的居民對自己的衣、食、住、行4個方面的要求提高，貴陽市的交通網的形成，刺激居住區、商場、停車場、車站和飛機場等建立。

表5 2005—2020年貴陽市環城高速內土地利用面積轉移矩陣

2.3 土地利用變化速度

利用單一土地利用類型動態度與綜合土地利用動態度模型公式，計算出貴陽市2005—2020年單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度，如表6所示。

表6 貴陽市2001-2013年土地利用類型動態度

如表6所示，2005—2011年耕地、水域、未利用地動態度均為負值，只有建設用地、林地動態度均為正值。說明水域面積、耕地面積、未利用地面積在逐年減少，而建設用地和林地面積在逐年增加。其中年變化率最快的是建設用地，達到9.61%，年變化率最小的是林地，為0.02%的動態值。耕地和未利用地的變化率相差不大，只有0.19%的動態值，說明2種土地利用類型在年變化率分別為4.66%和4.85時都在降低。

2011—2020年，各地類的年動態度值從大到小依次排列，分別是未利用地、建筑用地、耕地、水域和林地，其中只有建筑用地與林地的動態度值為正值，其他3類土地類型均為負值。建筑用地與未利用地的變化率最快，未利用地以5.79%的速度在減少，建筑用地以5.75%的速度在增加；耕地與水域的土地面積分別以4.49%、2.04%的年變化率在減少；林地的面積年變化率最小，只有0.03%的動態值。

綜合貴陽市2005—2020年單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度可以得出，貴陽市環城高速以內的地區中建筑用地是5類中最高的，這2類的動態度值分別為17.57%和5.02%，這表明15年內建筑用地一直處于遞增的趨勢，年變化率前一時段大于后一時段。林地與未利用地一直處于遞減的趨勢，林地的年變化率屬于遞減的趨勢，未利用地的年變化率則是逐年增加的狀態，林地與未利用地的綜合動態度值分別是2.42%和3.09%，在5類土地中的綜合年變化率在第3與第2的位置。綜合動態度值最小的是耕地，其次是水域。

2.4 土地利用程度變化

根據2005—2020年的3期土地利用數據，使用土地利用程度綜合分析方法，計算了貴陽市2005年、2011年、2020年的土地利用程度變換及變化率，見表7。

表7 貴陽市土地利用程度變化量及變化率

由表7可知，2005—2020年，貴陽市主城區土地利用程度變化量L2005-2020都大于零，說明該時期該區域的土地利用整體處于發展期，耕地和未利用地轉化其他類型用地，并由于這一時期受國家政策的影響，國家在“十一五”“十二五”五年計劃的大力支持，經濟發展迅速，耕地由于受經濟、人口的影響大幅度減少。

3 結論及討論

3.1 結論

本次研究是在國內外的相關數據、理論、方法和實際工作的基礎上，對貴陽市環城高速以內的研究區域。利用各種數據資料對“3S”技術在土地利用動態監測中的應用進行土地資源的分析和研究，通過研究貴陽市2005年、2011年和2020年3個不同時期的TM影像圖為基礎，對貴陽市土地利用現狀進行分析和統計，得到以下結論。

研究區土地利用類型以建設用地、林地、耕地為主，3種類型的土地面積比例之和占總面積的98%以上，2005—2020年的3期占總面積之比分別是98.15%、98.24%、98.41%，水域和未利用地的土地面積比例之和不足貴陽市土地面積的2%。

研究區的土地利用類型根據面積變化的數量顯示，2005—2020年，該區的建筑用地與耕地的面積變化量最大，建筑用地增加了87.36km2，耕地減少了86.36km2；水域和未利用地面積變化量小，分別減少了0.97km2、0.51km2，但是由于這未利用地的面積基數較小，減少的面積占2005年總面積的38.06%；林地的面積變化幅度最小，只增加了0.36km2，其中只占2020年林地總面積的0.20%。

研究區各土地利用類型存在不同程度的相互轉化。在這15年間主要是耕地、林地和建設用地的相互轉化，其中耕地面積變化最大，產量最高，耕地轉化為林地的1.55倍，而耕地轉化為建設用地的4.61倍。

根據土地利用綜合程度，2005—2020年，“七五”和“十二五”2個五年規劃大力支持和發展貴陽市的經濟，隨著城鄉一體化和貴陽市常住人口數量的增加，在一定程度上提高了貴陽市的土地利用效率，土地利用方式也轉向集約型和飛行型土地類型。

3.2 討論

貴陽市的土地利用的遙感信息收集資料不全面，選擇縱向年度對比的時間差值也不一樣，數據的數量對比也沒有明確要求。并且土地利用變化檢測沒有統一的標準，無法判別分析的內容是否正確，收集的資料不完善，對土地利用的研究結果也會產生影響。希望能夠有標準的分析指標。數據源TM圖像的分辨率對地類解釋能力有影響。使得地類的解釋能力有限，對二級地類的解釋較少。大氣和輻射的差異，對同種地類的解譯會存在一定的誤差。筆者對遙感信息系統和地理信息系統的技術的掌握程度不夠熟練，對土地利用的分析程度的只是粗淺的分析，在野地勘察和人工目譯的方法對土地地類的分辨存在誤差。