李冰 孫秀恒 董寶磊 劉闖 韓瑞

摘 要：該文以太原市市區(qū)及其邊緣地區(qū)為研究區(qū)域，利用Erdas及ArcGIS軟件，采用1980、1990、2000及2010年的太原遙感圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合1∶10萬土地利用圖研究了太原市土地利用變化類型，并著重分析了市區(qū)建筑用地的擴展情況。首先經(jīng)過諸項處理對遙感圖像進行分類，根據(jù)分類結(jié)果和空間分析工具得出不同時期各個土地利用類型的面積和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析建筑用地擴展速度、擴展強度以及擴展的彈性系數(shù)。結(jié)果表明：截至2010年，所研究區(qū)域內(nèi)主要土地利用類型為耕地、林地、草地、建筑用地，占總面積的98.06%，水體和未利用土地相對很少，僅占1.94%；耕地、林地、草地、未利用土地的面積都有所減少，而水域和建筑用地的面積均有所增加，其中尤以耕地面積的減少和建筑用地面積的增加最為顯著，其減少面積和增加面積分別為22.68km2和27.24km2。

關(guān)鍵詞：太原市；GIS；RS；土地利用；城市擴展

中圖分類號 F301；F299.27 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）18-0005-04

Study on Land Use Change and Urban Expansion in Taiyuan City Based on RS and GIS

Li Bing et al.

（Benxi Meteorological Bureau，Benxi 117000，Chin）

Abstract：In this paper，urban area of Taiyuan City and its fringe areas（excluding the subordinate cities and counties）as the study area，using Erdas and ArcGIS software to Taiyuan in 1980，1990，2000 and 2010 remote sensing image as data sources，combined with 1∶100000 scale land use maps to study land use changes in Taiyuan，and focus on urban area expansion of construction land.First of all，through all these pieces of processing of remote sensing image classification，according to the classification results and spatial analysis tools to calculate the various land use types areas and land-use transfer matrix in different periods，and analyzed the area of construction land expansion speed，strength and expansion of the elastic expansion coefficient.The results showed that：by 2010，in the study area，the major land use type are farmland，woodland，grassland，construction land，98.06% of the total area，but water and unused land is relatively little，only 1.94%；Farmland，woodland，grassland，unused land has been reduced in size，while the area of both of water and construction land has been increased，especially among cultivated land decreased and building land area increased most significantly，reducing area and increasing its area by 22.68km2 and 27.24km2.

Key words：Taiyuan City；GIS；RS；Land use；Urban expansion

1 前言

城市是一個人口、資金、科學(xué)技術(shù)、信息等高度集中的人工生態(tài)系統(tǒng)，隨著城市的發(fā)展，城市土地利用方式和土地覆蓋類型也發(fā)生著劇烈的變化。城市變化過程引起土地利用及土地覆蓋的劇烈變化，進而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境或全球生態(tài)環(huán)境，或通過影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境以累積方式進一步影響全球生態(tài)環(huán)境，因此，城市成為地球表層系統(tǒng)中人類行為對自然生態(tài)系統(tǒng)作用最頻繁和最劇烈的區(qū)域，也是使自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化最為明顯的區(qū)域，更是自然生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的區(qū)域之一。城市人口的一切行為都是以城市土地為承載場所，表現(xiàn)為對城市土地的利用方式及其引起的土地覆蓋狀況的巨大影響作用[1]。

目前國內(nèi)有關(guān)城市土地利用變化的研究主要集中在對城市用地擴展或城市空間擴展的研究，以及城市用地擴展變化的原因和機制的分析等幾個方面。如顧朝林利用SPOT衛(wèi)星遙感資料，在對北京市的土地利用/覆蓋變化進行分析的基礎(chǔ)上，闡述了北京市近30年來城市化進程的特點[2]。劉盛和等根據(jù)北京市l(wèi)∶10萬土地利用現(xiàn)狀圖，利用GIS技術(shù)進行了不同時期的用地變化分析，并提出年均擴展強度指數(shù)，對北京市土地利用的擴展模式作了總結(jié)[3]。何流等利用南京市不同時期的城建圖和城市規(guī)劃資料以及城市土地利用資料，論述了南京市的城市空間擴展的時空變化特征，并對南京市城市空間擴展的動力機制和存在的問題進行了分析[4]。張鐿鋰等以地形圖、航片為基礎(chǔ)，根據(jù)實地調(diào)查和歷史文獻相結(jié)合的方法，對拉薩市近50年來的城市用地變化進程，以及由此產(chǎn)生的生態(tài)和環(huán)境問題[5]。對于城市土地利用分類和變化研究方面，史培軍等[6]在對深圳市土地利用變化機制進行分析時，曾參照Andersen的分類體系，對不同時期的土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣進行了分析，得出了其變化特征，分析了深圳土地利用變化的驅(qū)動力機制。

本文基于RS和GIS技術(shù)來研究了太原市土地利用狀況和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的時空擴展過程、特征及規(guī)律，同時結(jié)合太原市社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)對太原市城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴展進行了分析和綜合評估，以期為城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃等部門提供相應(yīng)的宏觀管理信息，指導(dǎo)土地利用的合理保護和開發(fā)，促進太原城市的可持續(xù)發(fā)展。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域概況 太原位于山西省境中央，太原盆地的北端，華北地區(qū)黃河流域中部，西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，全市整個地形北高南低呈簸箕形。地處南北同蒲和石太鐵路線的交匯處[7-8]。海拔最高點為2 670m，最低點為760m，平均海拔約800m，地理坐標(biāo)為111°30′～113°09′E，37°27′～38°25′N。區(qū)域輪廓呈蝙蝠形，東西橫距約144km，南北縱約107km。黃河的第二大支流——汾河，自北向南橫貫太原市全境，流經(jīng)境內(nèi)約100km。太原市屬溫帶季風(fēng)性氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，晝夜溫差較大，無霜期較長，日照充足。年平均降雨量456mm，年平均氣溫9.5℃，1月份最冷，平均氣溫6.8℃，7月份最熱，平均氣溫23.5℃。全年日照時數(shù)

2 808h。本文所研究的區(qū)域為太原市市區(qū)及其邊緣地區(qū)（不包括下屬市縣）。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理平臺

2.2.1 數(shù)據(jù)來源 本文以太原市市區(qū)及其邊緣地區(qū)為研究區(qū)域，探討1980年、1990年、2000年、2010年間的太原市城市擴展遙感動態(tài)監(jiān)測。本研究所用到的遙感影像如圖1所示，用到的輔助數(shù)據(jù)有1995年和2000年的1∶10萬的土地利用圖、太原市行政界線圖層、山西省太原市衛(wèi)星地圖（Google Earth提供）。

2.2.2 處理平臺 本研究所使用的軟件平臺為美國ERDAS公司開發(fā)的Erdas Imagine 9.1專業(yè)遙感圖像處理與地理信息系統(tǒng)軟件和美國ESRI公司開發(fā)的ArcGIS 9.0地理信息系統(tǒng)軟件。

2.3 研究過程 配準(zhǔn)與校正各種圖件資料，進行研究區(qū)范圍裁切，確定遙感解譯標(biāo)志，依照原有1∶10萬土地利用圖，結(jié)合Google Earth細致地觀察太原市區(qū)及其交錯帶的土地覆蓋狀況，在ArcMap支持下以原有1995年和2000年太原市土地利用圖為依據(jù)，用目視解譯法對四期遙感數(shù)據(jù)進行遙感圖像解譯，并輸入、修改屬性代碼，解譯結(jié)果在ArcInfo中進行編輯處理等一系列操作后，可獲得不同時期的土地利用圖；利用ArcMap平臺的Spatial Analysist模塊中的Tabulate模塊將1980、1990、2000、2010年四期的矢量格式的土地利用數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，求出1980—2010年的30年間土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣，從而分析太原市土地利用變化的過程。

2.4 遙感影像預(yù)處理 本研究對于遙感影像的預(yù)處理主要在Erdas Imagine 9.1專業(yè)遙感圖像處理系統(tǒng)中完成的，經(jīng)過以上預(yù)處理過程得到如圖1所示四期的4、3、2波段假彩色合成遙感影像。

2.5 遙感影像的解譯 目視判讀的優(yōu)點是可以充分利用判讀人員的知識，擅長提取空間相關(guān)信息，但是花費時間，并存在個人差異；計算機解譯時間短，有重復(fù)性，可以提取出物理量及指標(biāo)，但難以利用人的知識，不擅長提取空間相關(guān)信息。鑒于太原市區(qū)和太原城市邊緣地區(qū)的特殊情況，故在本論文中采用人機交互的解譯方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域不同時期土地覆蓋狀況分析 按照本論文的技術(shù)路線和研究方法，在ArcMap支持下用人機交互的解譯方法，先后經(jīng)過數(shù)字化，建立多邊形拓撲關(guān)系來消除一斑多碼、圖斑漏碼、鄰斑同碼，最后重新建立多邊形拓撲關(guān)系，得到1980、1990、2000、2010年四期的土地利用矢量圖（如圖2），并經(jīng)過相關(guān)運算得到的四期各土地利用類型的面積（見表1）。

本文研究區(qū)域的總面積為1 358.65km2。根據(jù)遙感圖像的解譯結(jié)果（表1和圖3），所研究區(qū)域內(nèi)主要土地利用類型為耕地、林地、草地、建筑用地，而水體和未利用土地相對很少，截至2010年，前四者占總面積的98.06%，后兩者僅占總面積的1.94%。耕地主要分布在研究區(qū)域的南部和北部，沿著汾河兩側(cè)分布于河谷平原之上，其中南部耕地相對多于北部；林地和草地主要分布在研究區(qū)域東、西兩側(cè)，河谷平原上也有很少一部分林地和草地分布；水域主要是由黃河的第二大支流——汾河和華北最大人工湖——晉陽湖兩部分構(gòu)成，汾河自北向南橫貫太原市全境，晉陽湖位于太原市南端金勝鎮(zhèn)內(nèi)；建筑用地主要圍繞太原市市區(qū)向外擴展成近橢圓形分布；面積很少的未利用土地主要分布在研究區(qū)域的北部，汾河兩側(cè)（圖3）。

結(jié)合表1、表2和表3可以看出，2010年本研究區(qū)域內(nèi)，耕地面積為489.90km2，占研究區(qū)域總面積的36.06%；林地面積為286.06km2，占總面積的21.05%；草地面積210.44km2，占總面積的15.49%；水域（河流水面和湖泊水面）面積為26.12km2，占總面積的1.92%；建筑用地面積為345.96km2，占總面積的25.46%；未利用土地面積為0.16km2，占總面積的0.01%。

耕地、林地、草地、未利用土地的面積都有所減少，面積減少程度由高到低依次是耕地、草地、未利用土地、林地，其中耕地面積減少的最為劇烈，1980—2010年的30年間減少了22.68km2，年均遞減0.76km2；從縱向來看，1990—2000年耕地面積減少的程度比其他3個時段都劇烈，10年間耕地面積減少了16.49km2，年均遞減1.65km2，占耕地30年間總遞減面積的72.71%，可以說耕地面積的減少主要是在1990—2000年間發(fā)生的。

水域和建筑用地的面積均有所增加，其中建筑用地面積增加幅度最大，1980—2010年的30年間共增加了27.24km2，年均遞增0.91km2，而水域面積的增加屈指可數(shù)，基本上處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)，1980—2010年的30年間僅增加了0.01km2；從縱向來看，1990—2000年建筑用地面積的增加程度相對其他3個時段最為劇烈，10年間建筑用地面積增加了17.28km2，年均遞增1.73km2，占建筑用地30年間總遞增面積的63.44%，而水域面積則是呈現(xiàn)波動式的微弱增加，依目前看來有減少的趨勢（表3）。

從橫向來看，耕地、林地、草地、未利用土地面積的減少，正是由于水域和建筑用地面積的增加所導(dǎo)致的。1980—2010年的30年間水域和建筑用地共增加了27.25km2，主要增加來源占用了大量的耕地，30年間耕地減少的面積占這兩者增加的面積的83.23%。

3.2 研究區(qū)域不同時期的土地利用轉(zhuǎn)化分析 利用ArcMap平臺的Spatial Analysist模塊中的Tabulate模塊將1980、1990、2000、2010年四期的矢量格式的土地利用數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，求出1980—2010年的30年間土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣列于表4。

表4是研究區(qū)1980—2010年的30年間土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，從表4可以看出，研究區(qū)域中有0.29km2的水域和1.81km2的建筑用地轉(zhuǎn)化為了耕地；轉(zhuǎn)化為林地最多的是耕地0.59km2，其次為建筑用地，為0.08km2；轉(zhuǎn)化為草地面積的只有未利用土地，為0.21km2；轉(zhuǎn)化為水域的只有耕地，轉(zhuǎn)化了0.35km2；轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地最多的是耕地24.41km2，其次為林地、草地、未利用土地，分別為2.16km2、1.84km2、0.77km2；未利用土地只是減少，沒有向其他類型的土地轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

本文以太原市市區(qū)及其邊緣地區(qū)為研究區(qū)域，基于GIS技術(shù)和遙感影像數(shù)據(jù)，探討了1980年、1990年、2000年、2010年間的太原市城市擴展遙感動態(tài)監(jiān)測，進行了歷史狀況重建和監(jiān)測，結(jié)果表明：本文研究區(qū)域的總面積為1 358.65km2。根據(jù)遙感圖像的解譯結(jié)果，所研究區(qū)域內(nèi)主要土地利用類型為耕地、林地、草地、建筑用地，水體和未利用土地相對很少。此外，本研究從數(shù)量變化、類型變化、空間格局3個方面分析研究了太原市土地利用動態(tài)變化的過程，結(jié)果表明：太原市耕地、林地、草地、未利用土地的面積不斷減少，建筑用地面積不斷增加，水域面積趨于平穩(wěn)，耕地不斷被建筑用地侵占，且不同時期土地類型之間轉(zhuǎn)化的空間分布又有自身的特點，其中尤其以1990—2000年最為明顯，10年間耕地面積減少了16.49km2，年均遞減1.65km2，占耕地30年間總遞減面積的72.71%；10年間建筑用地面積增加了17.28km2，年均遞增1.73km2，占建筑用地30年間總遞增面積的63.44%。

參考文獻

[1]史培軍，潘耀忠，陳晉.深圳市土地利用/覆蓋變化與生態(tài)環(huán)境安全分析[J].自然資源學(xué)報，1999，14（4）：74-79

[2]顧朝林.北京市土地利用/覆蓋變化機制研究[J].自然資源學(xué)報，1999，14（4）：307-312.

[3]劉盛和，吳傳鈞，沈洪泉.基于GIS的北京城市土地利用擴展模式[J].地理學(xué)報，2000，55：41-56.

[4]何流，崔功豪.南京城市空間擴展的特征與機制[J].城市規(guī)劃匯刊，2000.

[5]張鐿鋰，李秀彬，傅小鋒，等.拉薩城市用地變化分析[J].地理學(xué)報，2000，55（4）：54-61.

[6]史培軍，陳晉，潘耀忠.深圳市土地利用變化機制分析[J].地理學(xué)報，2000，55（2）：58-60.

[7]王慧軍.太原鐵路樞紐規(guī)劃方案研究[J].鐵道勘察，2007，1：73-76.

[8]范健靈.淺談太原市南部新區(qū)發(fā)展及市政中心選址[J].山西建筑，2003，29（6）：13-14.

[9]張心怡，劉敏，孟飛.基于RS和GIS的上海城建用地擴展研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2006，15（1）：30-32.