基于RS和GIS的县级土地利用变化及驱动力研究

【摘 要】本文利用陕西省合阳县1990、2000、2007年三期TM，ETM+遥感影像等图件，基于ERDAS9.2平台构建知识库，使用分层分类法遥感解译三期影像，并辅佐以监督分类，非监督分类进行局部检验。随机精度检验结果符合要求，根据解译结果及实地踏勘进行变化监测，最终得出合阳县土地覆盖状况及其变化规律，提出合理化发展建议。同时对各种地物TM影像光谱特征曲线进行对比分析及机理解释。结果表明：近30年间，耕地先增加后减少，部分耕地转化为果园和居民地；草地先减少后增加，总减少幅度为7%，主要转化为耕地；居民地大幅度增加，主要是占用耕地；土地变化的驱动力主要是人口增加和产业结构调整。

【关键词】RS；GIS；合阳县；变化监测

随着经济社会的快速发展，土地利用方式转变，土地利用不合理趋势日益严重，引发了自然一经济一社会系统的失衡：资源短缺、人口膨胀、生态恶化等问题迫在眉睫。笔者以黄土高原典型地区――陕西省合阳县为例，运用RS与GIS手段，研究合阳县土地利用/覆被变化及其驱动机制。试图反映当前我国县域经济发展与土地利用之间的一个普遍现象。一般而言，变化检测有三大类方法：光谱类型特征分析，光谱变化向量分析，时间序列分析，其中第一类方法中又有四种方法：多时相图像叠合方法，图像代数变化检测算法，多时相图像主成分变化检测和分类后对比检测（采用监督分类、分层分类和非监督分类）。本次实验主要采取的是多时相图像叠合方法以及分类后对比检测。在进行变化检测前，首先对图像进行几何校正。最后对变化监测的结果进行定性和定量分析，绘制图表，并尝试进行机理上的解释。

1 研究区概况

陕西省合阳县位于北纬34°59′16″～35°26′07″东经109°58′33"～110°27′700″。

（1）历史：合阳县故称莘国或有莘国，名人辈出，如尹伊，雷简夫。内有风景名胜区洽川，《诗》“关关雎鸠，在河之洲。窈窕淑女，君子好逑。”即是出在这里。

（2）地形：全县呈阶梯地形，自东南向西北逐渐升高，地貌类型依次为河谷阶地、黄土台塬和低中山。在总面积中，塬面占65.6%，沟壑18.2%，素有“一山一滩川，二沟六分原”之称。

（3）农作物类型：以小麦，玉米为主，经济作物有苹果，棉花，葡萄，少量向日葵。

2 数据来源和数据预处理

研究所用影像为Landsat 5 1990年8月22日和2007年6月2日的两期TM影像以及Landsat7 2000年5月21日ETM遥感影像以及陕西省行政区划图，1990年合阳县土地利用现状图以及相关文字资料图。以ERDAS 9.2为平台，对三期遥感影像进行波段合成，并利用合阳县行政区划图裁剪拼接后的影像得到研究区范围，经过几何校正、辐射度匹配与归一化等处理，然后，运用分层分类法，监督分类和非监督分类结合的方法对三期影像分别进行监督分类，并使用聚类分析、去除分析和重分类去除监督分类中产生的小图斑，进一步提高土地利用类型图的分类精度。笔者通过分类模板评价得到两期影像的分类精度均大于86%。

3 研究方法

3.1 地物TM影像光谱特征曲线分析

根据光谱仪和实地踏勘的结果，对各类地物光谱特征进行分析，确定解译标志。以耕地为例，耕地具有两个明显的反射峰，一个在TM3，另一个在TM5，这与一般情况下植物波普特性不同，理论上植被应该在TM2绿光波段和TM4近红外波段具有反射峰，这是因为5月底小麦成熟，因此反射峰向后移动。即“红移”。这种“红移”现象除了作物外，其他植物也有，且红移量随植物类型而变化，因而可以通过对作物红边移动的观察来评价作物间的差异以及某一特定作物成熟期的开始。

3.2 研究思路

采用分层分类法。根据现行国家及地方标准，分为林地，灌木，草地，农田，居民地，水域，果园，滩涂或未利用类，下同。建立叠合光谱图和分类树，通过建立一系列规则，并将规则与规则之间相互联系表达分类树的层状结构，将分类标准导入ERDAS知识库中，知识库构建如图2。

运行知识分类器，执行监督分类，并进行分类重编码，掩膜分类叠加检验，运行随机精度评估，精度符合要求，得到1990、2000、2007年土地利用现状图分别如图3所示。

4 合阳县土地利用/覆被类型转化分析

土地利用/覆盖类型转化分析主要依据是1990年和2000年分类后的归纳分析。归纳分析可以得到各土地类型的变化面积以及两个年份之问的土地利用/覆盖变化动态转移矩阵，它可以显示从某一时期到另一时期土地利用类型的动态变化，即有多少该种土地利用类型转化到其它类型，有多少面积仍然保持没变，又有多少面积是其它土地利用类型转化为该土地类型。以下撷取部分图表进行说明。[2]

4.1 林地变化情况

4.2 耕地变化情况

4.3 居民地变化情况图（图5）

4.4 1990-2007年不同土地利用类型比例图

5 区域变化监测综合分析

5.1 土地利用类型变化情况及驱动力分析

由1990年、2000年、2010年土地利用类型可知，合阳县主要以农业用地为主，农业用地所占比例历来在一半左右，人口以农业人口为主。其次为果园，此地果园以苹果为主，近两年，合阳提出主攻红提葡萄、优化苹果结构的产业结构调整战略，葡萄的种植面积不断增加，根据合阳县简报，目前全县已种植苹果34.3万亩，红提葡萄11万亩，各类时令水果4万亩。10年来，果业面积从2002年的24.7万亩发展到到目前的49.3万亩，翻了一番，占到全县97万亩耕地面积的50.8%。其次是草地，草地主要集中在沟坡上。

分析结果表明：耕地减少，主要转化为果园和居民地，林地减少，主要转化为灌木和果园，这是由于合阳近年来大力推广苹果种植等经济作物引起的；河流减少，主要转化为滩涂和耕地。这是由于淤积和私自造田形成的；居民地增加，主要是占用耕地。土地利用变化总体趋势为：耕地减少，总减少量为10.7%，部分耕地转化为果园和居民地；草地先减少后增加，总减少幅度为7%，主要转化为耕地，林地先增加后减少，主要转化为灌木；居民地大幅度增加，主要是占用耕地。土地变化的驱动力主要是自然驱动力和社会驱动力，合阳县的主要驱动力是人口增加和产业结构调整。

合阳县的人口从1990年的39.9832万增加到2008年的45万。人口数量的增加，导致了对住房、交通和公共没施等方面的需求加强，促使非农业产业和城镇有不断发展的趋势，从而导致耕地数量的减少。

产业结构调整促使合阳县耕地减少，居民地和工业用地增加，第一产业转型，第一产业加快向二、三产业转化。

5.2 城市化进程

从分析图表中可以看出，合阳县居民地的面积一直在增加，增加幅度227.6%。可以用土地利用城镇化指数E[3]来定量描述城市化水平，E=（居民点及工矿用地+交通用地）/耕地。假设2000年和1990年合阳县工矿用地和交通用地面积不变，用E′=居民地/耕地的值代替E。则1990年E′=0.0474，2000年E′=0.0925，2007年E′=0.1395，这说明合阳县人口数量和城镇化水平都在显著提高。城市建设和工矿建设会侵占大量耕地。同时，工业发展能够带动其他产业发展，引起产业结构的调整，使得人口向城市流动，常会导致部分耕地搁荒。这也是合阳县荒草地增加，耕地减少的原因之一。

一个地区的土地利用类型变化可以全面地反映该地区的社会经济状况，综上所述，对合阳县的发展提出如下建议：一要，有序地控制建设用地侵占耕地的局面，进行合理规划，诚然，合阳县目前的居民地还比较少，扩张是必然的趋势，但是从长远来看，如果任由居民地无序扩张，那么势必会对粮食安全和生态环境造成破坏，因此应该做好规划，不能任由开发商侵占耕地；二要，加强生态环境的保护，尤其是林地地保护，林地在合阳县所占面积较小，但是对于维持区域的生物多样性以及生态系统的健康与安全具有重要作用；三要，保护好合阳的水体资源，因为合阳的旅游业主要依赖于水资源。做好水资源保护就是促进合阳的经济发展。

6 结语

结果表明，合阳县1990～2009年间的土地利用变化情况与目前我国进入20世纪90年代以来经济快速发展大背景下县域土地利用变化的一些基本情况相似：人口增加和产业结构调整导致城乡建设用地需求增长较快，导致农用地尤其是大量优质耕地被占用，耕地资源的保护压力持续加大，同时，草地等非农用地被开垦为耕地。土地利用过程中出现了土地生态环境质量有所下降，人地关系、人与自然的关系局部恶化等问题。[4]

RS与GIS动态监测技术时间分辨率与空间分辨率较高，客观准确，费用较低。越来越多地取代了传统调查方法，在土地利用变化监测中发挥着巨大的作用。因此，应加大对经济快速发展的县域区域的遥感监测力度，做到实时建设，实时监测。

【参考文献】

[1]党安荣.Erdas Imagine遥感图像处理教程[M].北京：清华大学出版社，2010，4.

[2]李锐，陈涛，何彤慧.基于RS与GIS的合阳县土地利用/覆被变化分析[J].陕西农业科学，2012（I）：189.

[3]王良健，包浩生，彭补拙.基于遥感与GIS的区域土地利用变化的动态监测与预测研究[J].经济地理，2000，20（2）：47-50.

[4]彭文甫，周介铭，杨存建，何政伟，陈国阶.基于RS与GIS的县级土地利用变化分析：以四川省成都市双流县为例[J].遥感技术与应用，2008，23，1：29.