临汾市尧都区耕地资源动态分析

赵倩， 柴旭荣

山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041000

土地利用/覆被变化(LUCC)对全球变化有着举足轻重的影响，与全球气候波动、生态系统演变、生物多样性变化等密切相关[1].土地利用规划是实施土地可持续利用战略的重要调控措施[2].土地利用结构优化是为了达到一定的经济、社会和生态的最优目标，依据土地资源的自身特性和适宜性评价，对区域内各种土地利用类型进行更加合理的数量安排和空间布局，从而提高土地利用的效率和效益，维持土地生态系统的相对平衡，实现土地资源的可持续利用[3].事实上，土地利用变化研究在国内外自20世纪就受到很多学者的关注：英国在1930年成立了土地利用调查所并在后续的几年中完成了一系列成果[4]；美国的Lee在1992年发表了《从空间中看到的地球表面》，论述了自然景观和人类活动的关系[5].国内在20世纪六七十年代进行了第一、第二次土壤普查，为现如今开展耕地研究提供了起始资料并奠定了基础.耕地作为土地中的精华，其动态变化无疑是影响地区可持续发展的关键问题.因此，加强耕地动态变化研究，分析耕地变化的时空分布规律及驱动因子，对合理利用耕地资源、控制耕地进一步减少具有重要意义[6].改革开放以来，随着经济发展、社会进步和人口增长，中国的耕地资源表现出总面积持续减少的态势[7].近年来，我国土地利用变化研究一个比较重要的技术特征就是把卫星遥感技术下的影像解译与地理信息系统技术下的空间分析有机结合.

1 研究区域概况

临汾市地处山西省西南部，总面积约20 275 km2，地理坐标为35°23′N～36°57′N，110°22′E～112°34′E.地势的起伏变化非常明显：东侧为霍山，西侧为罗云山，临汾盆地纵贯中部，地形轮廓大致呈现“凹”字形.土地资源和后备耕地资源都很丰富且大多在汾河附近.临汾市的经济总量居全省前列.行政区划包括1个市辖区，14个县，2个县级市，75个镇，76个乡，20个街道办事处.全市有28个少数民族，共约1万人，2016年常住人口约81万人，GDP约25亿元，固定资产合计约13亿元，公共财政收入约1.6亿元.

2 研究方法与数据来源

研究中采用的方法主要是RS和GIS.RS技术即遥感技术(Remote Sensing)，是通过遥感器等一系列对电磁波敏感的仪器，接收来自远离目标的高空或外层空间的地球表层各地物的电磁波信号并对其加以处理和分析应用，从而对地表地物进行远距离识别和控测的当代科学技术.使用Envi软件对遥感图像进行预处理，然后裁剪出研究区域并进行影像的目视解译、监督分类及后处理，最后利用GIS技术提取耕地资源并统计面积.GIS技术即地理信息系统技术(Geographic Information Systems)，是指综合采集、存储、查询、分析和显示等一系列功能的计算机系统[8].基于地理信息系统强大的空间信息处理与分析功能以及土地利用规划对于空间信息的需求,将GIS应用于耕地资源的动态分析中具有很大的优越性[9].研究中应用的数据主要是由地理空间数据云高级检索下载得来，数据集为Landsat 8 OLI_TRIS 卫星数字产品，行政区为山西省临汾市尧都区.三期数据时间分别为2013年、2014年、2015年.

3 耕地资源信息提取

3.1 遥感影像预处理

3.1.1 图层组合

Envi中多波段图层叠加步骤第一步是加载波段B1～B8；第二步在Basic Tools中打开Layer stacking，选择B1～B7波段组合；第三步选择投影UTM和输出的文件.根据不同地物对不同波段的反射率特征,多波段在不同的RGB组合下可以凸显目标地物：5,4,3—标准假彩色合成，用于监测植被和农作物；7,6,4—假彩色合成，用于城市监测；6,5,2—假彩色合成，用于农作物监测；5,7,1—假彩色合成，用于检测植被和水体.

3.1.2 图像融合

Envi中的融合方法有很多种，研究中采用的是Gram-Schmidt Spectral Sharpening方法，能较好地保留原多光谱图像的光谱信息，若需要对影像增强可以使用Enhance中的各种方法.具体步骤如下：(1)在Envi主菜单中，点击“Transform”→“Image Sharpening”→“Gram-Schmidt Spectral Sharpening”；(2)在Select Low Spatial Resolution Multi Band Input File中选择多光谱影像；(3)在Select High Spatial Resolution Pan Input Band中选择B8波段；(4)在Gram-Schmidt Spectral Sharpen Parameters中设置融合参数，选择重采样模型并保存.

3.1.3 研究区裁剪

为获取尧都区的遥感图像，需要进行掩膜技术操作.主要步骤：首先统一坐标系并加载待裁剪数据；其次加载尧都区矢量数据shp，当shp文件与被裁剪影像显示在同一窗口时，点击“Apply”；再次将shp文件保存为ROI；最后在Basic Tools中打开“Subset Data via ROIs”，完成裁剪.

3.2 影像解译

3.2.1 样本选择

研究区分类系统主要包括：水体(Ford)、林地(Woodland)、居民用地(Residential land)和耕地(Farmland)四大类.通过目视解译圈出各地类样本并进行全图范围的图像处理：打开图像，点击“Overlay”选择感兴趣的区域，左键点下，右键结束，滑轮键删除.

3.2.2 分离性检验

样本选择完成之后，为了比较和评价样本的精准程度，需要通过计算样本的基本统计值来检查样本的代表性和可分离程度.操作流程：“Options”→“Compute ROI Separability”→选择全部的可分离性样本，然后点击“OK”，出现如图1，最后数值在1.8～2.0之间说明符合要求，小于1.8则说明需要修改或者重新选择.

3.2.3 监督分类及后处理

研究中选择了Envi软件常用的最大似然法分类.首先在主菜单中，选择“Classification”→“Supervised”→“Likelihood Classification”设置参数，然后单击“OK”执行分类.分类后处理主要包括：剔除、精度印证、改名字、改颜色等，是对分类结果的检查、修改，可提高分类结果的精度.

3.3 GIS统计分析

3.3.1 格式转化

为了把数据加载到ArcMap中，还需将Envi格式的数据转化为GIS格式，在ArcGIS中对格式转化后的数据进行矢量化，这一步操作在GIS软件中的工具箱中完成：“Conversion Tools”→“From Raster”→“Raster to Polygon”.图2、图3和图4为临汾市通过图层组合(Layer stacking)、融合(Gram-Schmidt Spectral Sharpening)、裁剪(Mask)、目视解译、监督分类(Classification)以及格式转化(shp.→tif.)等一系列技术操作所得结果.

3.3.2 信息提取及统计

通过矢量化转换的栅格数据可以利用GIS软件实现统一的叠加处理和统计分析，研究中利用GIS技术提取耕地信息并统计耕地面积：在加载数据后打开属性表添加字段“Area”并计算面积；再点击“Select by Attributes”，计算GRIDCODE=唯一数值；最后统计已提取的“GRIDCODE”中同一类别的地物得出耕地面积.

4 结果与分析

图1 样本可分离性报告Fig.1 Samples separability report

图2 2013年尧都区监督分类耕地结果矢量图Fig.2 Yaodu district supervision classification of cultivated land result vector in 2013

4.1 土地利用动态度

土地利用类型动态度，是某研究区一定时间和范围内某种土地利用类型的数量变化情况[10].在RS和GIS技术的支持下，用相同的手段提取并统计了居民用地面积和林地面积,并与耕地进行相关性分析(表1).

表1 尧都区土地利用类型统计表 (单位：km2)Tab.1 Statistics of Land Use Types in Yaodu District

本文利用“土地利用动态度”来研究临汾市尧都区在2013年到2015年间某种土地利用类型的数量变化情况[11]

图3 2014年尧都区监督分类耕地结果矢量图Fig.3 Yaodu district supervision classification of cultivated land result vector in 2014

图4 2015年尧都区监督分类耕地结果矢量图Fig.4 Yaodu district supervision classification ofcultivated land result vector in 2015

K=(Ub-Ua)/Ua*1/T*100 %

式中,K=研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua=研究初期某一种土地利用类型的数量；Ub=研究末期某一种土地利用类型的数量；T=时间段.带入数字计算可以得出：K居民用地=13 %；K林地=15%；K耕地=-6 %.2014年居民用地面积比2013年增加了86 km2，增长幅度为17.95 %；2015年比2014年增加了44 km2，增幅为7.79 %.林地面积从2013年到2015年分别增加了58 km2和53 km2，增幅分别为15.93 %、12.56 %，所以K居民用地值和K林地值均为正，而耕地面积从2013年到2015年呈现负增长，分别减少了21 km2和25 km2，所以动态度为负值.

4.2 原因及措施

在RS和GIS技术的支持下，得出以下结论：临汾市2013年～2015年耕地资源总量逐渐减少且主要流向为居民用地和林地.影响耕地面积变化的因子错综复杂，归纳起来有社会经济和自然因素两个方面[12]，主要有以下几点：第一，随着人口逐年增长，城市规模不断扩张，房地产房屋施工面积等建设用地的占用使耕地资源不断减少；第二，面对资源日益匮乏、环境污染日益严重的局面，临汾市制定并实施了退耕还林、退耕还草的政策，也导致了耕地资源的逐年减少；第三，近几年来随着城市化的发展，资源型城市的生态环境达到临界状态，加之黄土高原水土流失严重，土地荒漠化造成了耕地资源的减少.推进耕地利用良性发展的关键内容主要包括：(1)建立基于综合效益评价和充分体现效率的指标体系；(2)在结合生态指标的基础上建立与耕地和承载功能相适应的土地利用结构优化方法[13]；(3)研究耕地资源开发与保护的协调技术.如耕地经济效益与环境效益相协调的可持续发展技术等[14]；(4)加强配套政策的研究和多部门协作的分层管理机制以及基本农田保护等政策的落实；(5) 建立农户可持续利用耕地的激励和约束机制,维护并促进耕地质量和生态水平的提高[15].