基于RS/GIS的长沙市土地利用和稳定性分析

张思佳



基于RS/GIS的长沙市土地利用和稳定性分析

张思佳

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

土地利用/覆被变化（LUCC）模型的核心内容是研究LUCC时空变化格局，但多数模型只重视空间变化机制研究，忽略了模型的时间变化机制。本文利用长沙市1995、2000、2005和2010的土地利用适量数据图，结合2015年Landset 8遥感影像图，利用监督分类和人工解译相结合的方法得到土地利用现状图，并进行叠加分析得到土地利用类型的变化数据，并建立土地利用转移矩阵；利用土地利用变化强度得到土地利用在时间变化过程中的稳定性指标。结果表明：长沙市土地利用类型变化速度在1995-2005年较低，而2005-2015年间土地利用变化速度加快，土地利用变化在时间间隔层次上不稳定，土地利用类型转换速度加快。

土地利用/覆被变化；空间变化；土地利用转移矩阵；稳定性分析

0 引言

土地利用/覆盖变化（LUCC）越来越被认为是全球环境变化与可持续发展研究的重要内容[1]。LUCC研究的主要内容是对土地利用和覆盖变化历史和现状进行调查与评价，阐明土地利用覆盖格局与社会和自然驱动力之间的联系，可以为土地利用规划制定相应的政策并通过土地利用和覆盖的变化规律推断未来土地利用和覆盖的状况[2]，对保护区域土地资源，实现区域经济社会的可持续发展具有较强的现实意义。

随着全球环境变化研究的深入，各国科学家逐渐认识到人类活动对土地承载力的影响[3]。国际地圈与生物圈计划（IGBP）和全球环境变化的人文领域计划（IHDP）于1995年联合提出“土地利用/土地覆被变化”研究计划，使土地利用变化研究成为目前全球变化研究的前沿和热点课题[4]；随后，IGBP和IGDP又于2005年开展了全球土地研究计划，是继LUCC计划后的又一项具有重要意义的全球性计划[5]。我国由于自改革开放以来国民经济的高速发展，生态环境也承受着巨大的压力，使得对于中国城市区域性LUCC研究领域越来越受到许多学者们的关注。随着各类对地观测遥感仪器的发展，各部门从行业应用需求出发生产了大量的遥感数据[6,7]，我国在运用遥感影像对土地利用/覆被变化的监测分析、土地利用/覆被变化对农业生态系统及全球变化的影响、土地利用/覆被变化驱动力研究和土地利用与土地覆被变化建模等方面取得了新的进展。如曹银贵[8]等利用三峡库区不同时期的5期遥感影像图来分析三峡库区近30年的土地利用类型空间分布和变化趋势，并总结了土地利用变化的主要时空变化特征。毛蒋兴等[9]以深圳为研究案例，应用定量分析和GIS空间分析技术从定性与定量的角度系统全面地开展了快速城市化背景下城市土地利用变化的人文因素分析研究。

本文选取长沙市1995年至2010年的土地利用矢量数据，并结合2015年的遥感影像图，运用监督分类和人工目视解译的方法得到总共5期的土地利用状况图。根据所得的土地利用状况图，并利用转移矩阵来进行分析，得到各种土地类型变化的来源以及去向。随后基于强度分析理论[10,11]罗列出5期图像共4个阶段的时间间隔元素转移列表，利用公式计算出每个阶段的变化强度和总的研究时间内的平均变化强度，得出每个阶段的变化在整个研究时间段内的快慢情况，从而分析得出长沙市土地利用变化的稳定性。

1 数据来源与研究方法

1.1 矢量及遥感数据来源

湖南省省会长沙市是长株潭城市群“两型社会”试验区的核心城市，地处我国中部长江以南区域。长沙市地势东高西低，中西部低平，地处洞庭湖平原南向湘中丘陵盆地延伸过渡区。由2010年长沙市统计局第六次全国人口普查的数据得知，长沙市常住人口为704.41万人，约占全省的10.7%。2015年长沙市经济总量达8510.13亿元，经济增速为9.9%，居全国省会城市第七位，保持持续快速增长。

长沙市1995年和2000年土地利用矢量数据来源于中国资源环境数据库，以Landsat TM/ETM+遥感影像为数据源，通过计算机自动分类和人工目视解译形成土地利用矢量数据。2005和2010年的遥感数据为购买的TM遥感影像标准产品，分辨率为30 m，土地利用矢量数据来源于雷师《中国中部和东南部城市土地利用变化对比研究-以长沙市和泉州市为例》。2015年遥感影像数据来自于地理空间数据云网站为Landsat 8 OLI/TIRS遥感影像。1995-2010年为已有的土地利用矢量数据，对于2015年的遥感影像数据需要进行分类及解译。首先对遥感影像进行预处理，包括遥感影像几何校正、波段组合、影像拼接和裁剪等[11-13]。随后对遥感影像进行分类，本文采用最大似然分类器和人工解译相结合的方法对预处理后的遥感影像进行分类，得到6中土地利用类型：耕地、林地、草地（园地）、水域、建设用地、未利用地。最后得到2015年长沙市土地利用现状图如图1所示。

1.2 主要研究方法

1.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述[14]。本文利用土地利用转移矩阵来分析1995-2015年这20年间长沙市土地利用各种地物类型变化的来源以及去向。转移矩阵模型如下：

式中ij表示第行地类向第列地类转移的面积，行和列分别表示地类的去向和来源。

1.2.2 基于土地利用变化强度的变化稳定性分析

本文基于强度分析理论，通过对1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年以及2010-2015年，共4个阶段的5期遥感影像解译结果的土地利用矢量数据库进行一系列计算，得出4个阶段的时间间隔元素转移列表如表1所示。随后利用公式计算出每个阶段的变化强度和总的研究时间内的平均变化强度，得出每个阶段的变化在整个研究时间段的快慢情况，并与整个时间段内的平均强度作对比，如果每个时间段变化强度与平均强度的大小关系均一致，那么说明该阶段土地利用变化稳定，不一致则不稳定，可进一步挖掘不同时间间隔内土地利用变化的信息。

图1 2015年长沙市土地利用现状图

表1 [Y，Y+1]时间间隔元素转移列联表

Tab.1 Time interval element transfer contingence table

如下所示，公式（2）定义了S是在时间间隔[Y,Y+1]中观察到的变化强度，表示为占域的年均百分比；公式（3）定义了是在所有时间间隔中的假想均衡变化强度，表示全域的年均百分比。

1.3 研究区土地利用时空变化

本研究将解译所得的长沙市土地利用数进行统计，得到1995、2000、2005、2010及2015年的土地利用类型的数量结构表，如表2所示。

表2表示了1995年至2015年长沙市土地利用面积变化状况以及每一年每种地类在总面积中所占比例。通过土地利用类型的数据结构表，做出的分析如下：

1995-2015年期间,长沙市建设用地显著增加，1995年建设用地面积仅为30237ha，占总面积2.56%，而20年后建设用地为86109ha，占总面积的7.31%，增长近三倍，并且每五年的平均增加面积约13968 ha。通过图2的折线可明显看出2000年以前建设用地面积增长趋势较为平稳，自2000年以后建设用地面积的增长速度愈发剧烈。

表2 1995-2015年长沙市土地利用类型的数量结构表

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

由图3可以看出，1995-2015年长沙市建设用地有很明显的增加，且整体呈现出由中心向四周扩散的趋势，建设用地分布多集中于湘江东岸的长沙市区，该地区作为长沙市的中心区域由来已久，不仅有得天独厚的自然条件，也有政府的政策支持。相对而言，在其他市县建设用地分布都比较零散，说明政府对于城市的规划与农村的发展协调度还有待进一步提高。

在此期间，其耕地的面积总体呈现出逐渐减少的趋势，自1995年至2015年，由374352 ha降至333811 ha，平均每五年以10135 ha的速度在递减，所占土地总面积的比例由研究时期初的31.67%降至28.33%。而2015年的耕地面积减少得最为明显，相对于2010年减少了24040 ha，但占总面积的比重均在30%左右。城市迅速发展的今天，城市扩张剧烈，越来越多的农村人口因城市发展需求，迁移至城镇，导致部分耕地因此闲置或转为他用。草地、园地面积在1995-2015年间呈现出波动的趋势，但最终区域平稳状态，林地、水域以及沼泽地、未开垦荒地等组成的未利用地所占比例基本上处于一个稳态。

图3 1995-2015年长沙市建设用地分布图

因此，研究区域内土地利用时空变化不要表现为：20年来长沙市建设用地面积处于持续增加的状态；耕地面积自1995年-2015年间缓慢减少；草地/园地所占面积呈小幅度波动趋势，但最终归于平稳状态；林地面积是占长沙市总面积最大的一种地类，1995-2015年来面积呈小幅度减少的形势；水域面积只有极小幅度的波动；未利用地所占面积极小，且变化程度最低，只有2005-2010年未利用地面积减少程度很大，其他时间段的未利用地均相差不大。

1.4 研究区土地利用稳定性分析

根据土地利用变化强度理论公式，计算出每个时间段内的土地利用变化强度以及整个研究时间内的平均变化强度，比较两者的大小关系，从而分析该时间段内的土地利用变化的快慢及活跃程度，从而进一步讨论研究其时间间隔层次的土地利用变化的稳定性，例如第一阶段土地利用变化强度小于平均变化强度即为变化慢，而后三个阶段均大于平均强度即为快，由慢至快，得出总的研究时间段内土地利用变化在时间间隔层次是不稳定的。

根据强度分析理论公式计算出S和，S为每个阶段的土地利用变化强度，为1995-2015年整个研究时间内的土地利用变化的平均强度。计算结果如表3所示：

表3 1995-2015年长沙市土地利用变化强度数据表

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

由图4可以看出，每一个阶段的变化强度与平均变化强度的大小关系，从而分析其土地利用变化的快慢及活跃度，结合四个阶段的分析结果进一步研究其变化的稳定性。

图4 St-U对比图

结合之前的数据处理结果以及表3，图4对长沙市1995-2015年土地利用变化稳定性，做出以下分析：

（1）1995-2000年（第一阶段）

变化强度远小于平均变化强度，可以推断出该阶段土地利用变化较其他阶段显得最不活跃。二十世纪末期，党中央针对我国发展状况对奔小康战略目标进行了新设定，成为我国城镇化发展的一个新起点。长沙市位于我国中部，城市发展起步较沿海城市晚，在改革开放后建设经济技术开发区来带动城市的发展，而2000年前还处于为创建品牌、吸引项目的阶段，对于经济的带动作用还不明显。由之前的分析可以看出该阶段已建设用地的转入最为明显，而其他地类表现的很不活跃，整体呈现出不活跃的状态。

（2）2000-2005年（第二阶段）

变化强度几乎与平均强度持平，略高于平均强度，较第一阶段变化强度明显增大，但较其他阶段还是表现为较不活跃。2000年，二十一世纪伊始，也是“十一五”计划开始实施的一年，“全面建成小康社会”被确定为二十一世纪前20年的奋斗目标。长沙市作为湖南中部重点发展的城市，长株潭三市一体化进一步推进，使得长沙市经济得到了迅速发展，城镇化得到了进一步推进，各地类的变化也更加活跃，但最主要的还是建设用地，所以从整体上看还是较为不活跃。

（3）2005-2010年（第三阶段）

变化强度明显大于平均强度，土地利用变化较为快速，较第一、第二阶段更加活跃，所以整体呈现为较活跃。中部崛起战略进一步推动湖南省的发展，2006年湖南省对长株潭城市群扩容形成“3+5”格局，此举措有利于优化产业结构，有利于城乡联动发展、推动新农村建设，推动新型城市化的进程。城市扩张随之而来的是建设用地对其他地类的侵占，该阶段各种地类都比上一阶段活跃很多。

（4）2010-2015年（第四阶段）

变化强度约为平均强度的10倍，与前三个阶段相比较，其土地利用变化十分活跃。2010年长沙经开区进入了一个新的历史阶段，不论是创新还是发展都取得了丰硕的成果，带动了长沙市综合实力的增强。退耕还林工作进一步得到了巩固，耕地、林地面积变化也因此变得活跃起来。新型城市化建设的步伐加快，政府不断加大对于基础设施建设的资金力量投入，基础设施的迅速发展，使得各种土地类型之间的相互转化更加活跃。

综上所述，1995-2015年这20年间，长沙市土地利用变化强度逐渐加大，2005年后增加趋势尤为突出，表明第一阶段土地利用变化不活跃，第二阶段土地利用变化较不活跃，第三阶段较活跃，第四阶段十分活跃。由于第一阶段土地利用变化强度小于平均强度，其余阶段均大于平均强度，所以这20年内，长沙市土地利用变化在时间间隔层次上表现为不稳定。

2 结论

本文以长沙市作为研究对象，以1995、2000、2005、2010以及2015年共5期遥感影像为主要数据源，对长沙市的土地利用变化进行了分类、解译和研究，运用转移矩阵、土地利用强度分析理论对所得数据进行分析，主要得出以下结论：（1）长沙市在1995-2015年间，土地利用类型发生了巨大变化，集中表现为建设用地的不断扩张，增加面积达59186ha，林地整体呈现缓慢减少趋势。土地利用类型转换明显，但整体表现为其他地类转为建设用地，其他包括林地与耕地之间的相互转换，以及建设用地少量转为其他地类等。（20研究时间内，长沙市土地利用变化强度逐渐增大，1995-2000年土地利用变化很不活跃，2000-2005土地利用变化较不活跃，2005-2010年土地利用变化较活跃，2010-2015年土地利用变化很活跃，总结得出，在1995-2015年间，长沙市土地利用变化在时间间隔层次上是不稳定的。选用了长沙市作为研究区域，而对于湖南省来说，“长株潭”城市群的存在更为重要，今后可以扩大研究范围，会更加具备研究价值。

[1] 刘纪远, 刘明亮, 庄大方, 等. 中国近期土地利用变化的空间格局分析[J]. 中国科学:, 2002, 32(12): 1031-1040.

[2] 摆万奇, 赵士洞. 土地利用和土地覆盖变化研究模型综述[J]. 自然资源学报, 1997, (2):169-175.

[3] 易鹏涛, 赵俊三, 易鹏飞, 等. 基于均方差决策分析法的滇中城市群土地资源综合承载力评价研究[J]. 软件, 2018 39(3): 181-186

[4] 刘新卫, 陈百明, 史学正. 国内LUCC研究进展综述[J]. 土壤, 2004, 36(2): 132-135.

[5] 刘纪远, 张增祥, 徐新良, 等. 21世纪初中国土地利用变化的空间格局与驱动力分析[J]. 地理学报, 2009, 64(12): 1411-1420.

[6] 钱育蓉, 于炯, 英昌甜, 等. 云计算环境下新疆遥感应用数据中心的挑战与机遇[J]. 软件, 2015, 36(4): 58-61.

[7] 胡蝶, 赵璞, 陈明爽, 等. 多源空间矢量数据一致性处理技术探讨[J]. 软件, 2016, 37(4): 13-17.

[8] 曹银贵, 王静, 刘正军,等. 三峡库区近30年土地利用时空变化特征分析[J]. 测绘科学, 2007, 32(6): 167-170.

[9] 毛蒋兴, 李志刚, 闫小培, 等. 快速城市化背景下深圳土地利用时空变化的人文因素分析[J]. 资源科学, 2008, 30(6): 939-948.

[10] 徐岚, 赵羿. 利用马尔柯夫过程预测东陵区土地利用格局的变化[J]. 应用生态学报, 1993, 4(3): 272-277.

[11] Geist H J, Lambin E F, Geist H J, et al. What drives tropical deforestation? A meta-analysis of proximate and underlying causes of deforestation based on subnational case study evidence.[J]. 2001.

[12] Yeshaneh E, Wagner W, Exnerkittridge M, et al. Identifying Land Use/Cover Dynamics in the Koga Catchment, Ethiopia, from Multi-Scale Data, and Implications for Environmental Change[J]. ISPRS International Journal of Geo-Information, 2013, 2(2): 2907.

[13] Aldwaik S Z, Pontius R G.Map errors that could account for deviations from a uniform intensity of land change[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2013, 27(9): 1717-1739.

[14] 刘瑞, 朱道林. 基于转移矩阵的土地利用变化信息挖掘方法探讨[J]. 资源科学, 2010, 32(8): 1544-1550.

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

张思佳，学士，主要研究土地利用规划。

本文著录格式：张思佳. 基于RS/GIS的长沙市土地利用和稳定性分析[J]. 软件，2018，39（7）：124-129