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基于3S技術(shù)的貴陽(yáng)市土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究
---以貴陽(yáng)市環(huán)城高速以內(nèi)區(qū)域?yàn)槔?/h1>
2023-10-19 06:53龍運(yùn)婷禹龍王維陳敏
農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2023年19期
關(guān)鍵詞：建筑用貴陽(yáng)市水域

龍運(yùn)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(yáng) 550001)

引言

土地資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1，2]，人類通過(guò)改變土地利用/土地覆蓋的類型與結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)土地這個(gè)自然綜合體的干預(yù)程度，來(lái)滿足人類對(duì)生存環(huán)境的需求[3]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(shí)更新土地資源信息，各國(guó)政府對(duì)土地資源進(jìn)行不同層次的研究。3S技術(shù)改變了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法和手段的效率低，采集數(shù)據(jù)也很難快速、準(zhǔn)確的搜集等局限性，為研究者對(duì)土地利用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了關(guān)鍵性技術(shù)[4-7]。利用3S技術(shù)對(duì)貴陽(yáng)市土地利用變化的研究可以分析其發(fā)展的變化方向，對(duì)貴陽(yáng)市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的了解起關(guān)鍵性因素，能夠及時(shí)準(zhǔn)確掌握土地利用數(shù)據(jù)，為貴陽(yáng)市政府對(duì)土地管理和分析提供有力的依據(jù)；為其他學(xué)者研究貴陽(yáng)市土地利用變化，了解各種土地利用情況提供參考價(jià)值；為合理利用土地資源和規(guī)劃土地利用的管理提供建議。實(shí)現(xiàn)貴陽(yáng)市土地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的全面覆蓋性、準(zhǔn)確性、高時(shí)效性以及該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽(yáng)市是貴州省的省會(huì)城市，位于貴州省中部，地理坐標(biāo)為E106°07′～107°17′，N26°11′～26°55′，國(guó)土面積為8034km2。貴陽(yáng)市與甕安縣、龍里縣、惠水縣、長(zhǎng)順縣、平壩區(qū)、織金縣、黔西縣、金沙縣和遵義市9個(gè)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(qū)面積最大，盆地較少。屬亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，平均氣溫15.3℃，年平均相對(duì)濕度為77%。貴陽(yáng)市是典型的“夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒”，很適合人類居住，是世界有名的避暑之都。2021年人口總數(shù)為497.14萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到4921.17億元。

1.2 研究方法

研究區(qū)利用土地利用分類系統(tǒng)進(jìn)行土地利用分類是區(qū)分土地利用空間區(qū)域構(gòu)成單元的過(guò)程。這個(gè)空間區(qū)域單元是土地利用的區(qū)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(guó)根據(jù)土地利用的特征和人類對(duì)土地資源使用的要求不同，形成了土地評(píng)價(jià)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(tǒng)的方法，根據(jù)土地利用的具體情況，結(jié)合遙感影像的分辨率、實(shí)際使用土地類型和收集到的基礎(chǔ)資料，將研究區(qū)的土地利用大概分為5個(gè)一級(jí)類，分別是水域、林地、建筑用地、耕地和未利用地。

圖1 貴陽(yáng)市行政區(qū)劃圖

圖2 貴陽(yáng)市環(huán)城高速位置圖

1.2.1 監(jiān)督/非監(jiān)督分類

圖像的分類是根據(jù)同類地物在相同的條件下(光照等)應(yīng)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(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的方法將圖像分成若干個(gè)地類類別的信息，并符合土地利用現(xiàn)狀分類的標(biāo)準(zhǔn)。本文將先采用監(jiān)督分類方法進(jìn)行土地利用劃分5類類別的土地，并分別標(biāo)上顏色：耕地(草綠色)、林地(深綠色)、未利用地(紅色)、建設(shè)用地(淺藍(lán)色)、水域(深藍(lán)色)。根據(jù)監(jiān)督分類所形成的模板在非監(jiān)督分類上加載制作土地分類圖，對(duì)分類模糊的區(qū)域用GPS進(jìn)行野外判讀，再根據(jù)判讀得到的結(jié)果進(jìn)行影像分類修改，從而得到更加準(zhǔn)確的分類結(jié)果。

表1 土地利用分類系統(tǒng)

1.2.2 分類精度評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)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(píng)價(jià)分類結(jié)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(dá)到90%以上，符合研究精度標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 土地利用變化速度及程度變化

通過(guò)土地利用程度變化及變化速度得出分類指標(biāo)方法，再根據(jù)其方法計(jì)算出土地利用程度綜合指數(shù)及變化模型[12-15]。

從土地利用遙感影像解譯結(jié)果，分出5個(gè)土地利用類型(分級(jí)指數(shù))：林地(2)、耕地(3)、水域(2)、未利用地(1)、建設(shè)用地(4)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用面積變化動(dòng)態(tài)分析

借助ERDAS和ArcGIS軟件，對(duì)遙感影像的監(jiān)督分類影像進(jìn)行處理，得到研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分布圖，見(jiàn)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(yáng)市環(huán)城高速以內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀圖

從表2可以看出，貴陽(yáng)市環(huán)城高速以內(nèi)區(qū)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(yáng)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(yáng)市的居民對(duì)綠化環(huán)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(yáng)市的經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)及國(guó)家在“十一五”與“十二五”2個(gè)五年計(jì)劃的大力扶持，如金陽(yáng)新區(qū)的建立和龍洞堡飛機(jī)場(chǎng)等大型的建筑，占用了大量的土地，即城市的擴(kuò)建占用了大量的農(nóng)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(shù)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(yáng)市市政府的生態(tài)文明城市，“避暑之都”有很大的關(guān)聯(lián)。

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)換

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是通過(guò)不同時(shí)期段的土地利用轉(zhuǎn)換的。本研究區(qū)域的轉(zhuǎn)移矩陣是利用ArcGIS軟件中數(shù)據(jù)融合、疊加分析和面積計(jì)算等步驟，得到了屬性表，用Excel軟件中的數(shù)據(jù)透視表生成2期的轉(zhuǎn)移矩陣表。最終得到貴陽(yáng)市環(huán)城高速以內(nèi)區(qū)域的2005—2011年、2011—2020年和2005—2020年的轉(zhuǎn)移矩陣表，見(jiàn)表3～5。

表3 2005—2011年貴陽(yáng)市環(huán)城高速內(nèi)土地利用面積轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移；水域面積減少了0.24km2，是受貴陽(yáng)市居民活動(dòng)影響；未利用地減少了0.26km2，是因?yàn)橘F陽(yáng)市城市建設(shè)的影響。林地面積增加了0.14km2，主要是由耕地轉(zhuǎn)換而來(lái)，受到國(guó)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(zhuǎn)化為建筑用地的；在這期間，花溪區(qū)的大學(xué)城的新建和烏當(dāng)區(qū)的規(guī)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(zhuǎn)換而來(lái)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(huì)轉(zhuǎn)換為建筑用地的土地類型。

表4 2011—2020年貴陽(yáng)市環(huán)城高速內(nèi)土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣

從表5可以看出，2005—2020年，貴陽(yáng)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(yáng)市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的變化和貴陽(yáng)市常住人口不斷增加，對(duì)貴陽(yáng)市的建筑用地的需求呈遞增的趨勢(shì)。貴陽(yáng)市的居民對(duì)自己的衣、食、住、行4個(gè)方面的要求提高，貴陽(yáng)市的交通網(wǎng)的形成，刺激居住區(qū)、商場(chǎng)、停車場(chǎng)、車站和飛機(jī)場(chǎng)等建立。

表5 2005—2020年貴陽(yáng)市環(huán)城高速內(nèi)土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 土地利用變化速度

利用單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度與綜合土地利用動(dòng)態(tài)度模型公式，計(jì)算出貴陽(yáng)市2005—2020年單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，如表6所示。

表6 貴陽(yáng)市2001-2013年土地利用類型動(dòng)態(tài)度

如表6所示，2005—2011年耕地、水域、未利用地動(dòng)態(tài)度均為負(fù)值，只有建設(shè)用地、林地動(dòng)態(tài)度均為正值。說(shuō)明水域面積、耕地面積、未利用地面積在逐年減少，而建設(shè)用地和林地面積在逐年增加。其中年變化率最快的是建設(shè)用地，達(dá)到9.61%，年變化率最小的是林地，為0.02%的動(dòng)態(tài)值。耕地和未利用地的變化率相差不大，只有0.19%的動(dòng)態(tài)值，說(shuō)明2種土地利用類型在年變化率分別為4.66%和4.85時(shí)都在降低。

2011—2020年，各地類的年動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)度值為正值，其他3類土地類型均為負(fù)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(dòng)態(tài)值。

綜合貴陽(yáng)市2005—2020年單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可以得出，貴陽(yáng)市環(huán)城高速以內(nèi)的地區(qū)中建筑用地是5類中最高的，這2類的動(dòng)態(tài)度值分別為17.57%和5.02%，這表明15年內(nèi)建筑用地一直處于遞增的趨勢(shì)，年變化率前一時(shí)段大于后一時(shí)段。林地與未利用地一直處于遞減的趨勢(shì)，林地的年變化率屬于遞減的趨勢(shì)，未利用地的年變化率則是逐年增加的狀態(tài)，林地與未利用地的綜合動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)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(jù)2005—2020年的3期土地利用數(shù)據(jù)，使用土地利用程度綜合分析方法，計(jì)算了貴陽(yáng)市2005年、2011年、2020年的土地利用程度變換及變化率，見(jiàn)表7。

表7 貴陽(yáng)市土地利用程度變化量及變化率

由表7可知，2005—2020年，貴陽(yáng)市主城區(qū)土地利用程度變化量L2005-2020都大于零，說(shuō)明該時(shí)期該區(qū)域的土地利用整體處于發(fā)展期，耕地和未利用地轉(zhuǎn)化其他類型用地，并由于這一時(shí)期受國(guó)家政策的影響，國(guó)家在“十一五”“十二五”五年計(jì)劃的大力支持，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，耕地由于受經(jīng)濟(jì)、人口的影響大幅度減少。

3 結(jié)論及討論

3.1 結(jié)論

本次研究是在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)數(shù)據(jù)、理論、方法和實(shí)際工作的基礎(chǔ)上，對(duì)貴陽(yáng)市環(huán)城高速以內(nèi)的研究區(qū)域。利用各種數(shù)據(jù)資料對(duì)“3S”技術(shù)在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行土地資源的分析和研究，通過(guò)研究貴陽(yáng)市2005年、2011年和2020年3個(gè)不同時(shí)期的TM影像圖為基礎(chǔ)，對(duì)貴陽(yáng)市土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，得到以下結(jié)論。

研究區(qū)土地利用類型以建設(shè)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(yáng)市土地面積的2%。

研究區(qū)的土地利用類型根據(jù)面積變化的數(shù)量顯示，2005—2020年，該區(qū)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(shù)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(qū)各土地利用類型存在不同程度的相互轉(zhuǎn)化。在這15年間主要是耕地、林地和建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)化，其中耕地面積變化最大，產(chǎn)量最高，耕地轉(zhuǎn)化為林地的1.55倍，而耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的4.61倍。

根據(jù)土地利用綜合程度，2005—2020年，“七五”和“十二五”2個(gè)五年規(guī)劃大力支持和發(fā)展貴陽(yáng)市的經(jīng)濟(jì)，隨著城鄉(xiāng)一體化和貴陽(yáng)市常住人口數(shù)量的增加，在一定程度上提高了貴陽(yáng)市的土地利用效率，土地利用方式也轉(zhuǎn)向集約型和飛行型土地類型。

3.2 討論

貴陽(yáng)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(duì)比的時(shí)間差值也不一樣，數(shù)據(jù)的數(shù)量對(duì)比也沒(méi)有明確要求。并且土地利用變化檢測(cè)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法判別分析的內(nèi)容是否正確，收集的資料不完善，對(duì)土地利用的研究結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。希望能夠有標(biāo)準(zhǔn)的分析指標(biāo)。數(shù)據(jù)源TM圖像的分辨率對(duì)地類解釋能力有影響。使得地類的解釋能力有限，對(duì)二級(jí)地類的解釋較少。大氣和輻射的差異，對(duì)同種地類的解譯會(huì)存在一定的誤差。筆者對(duì)遙感信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的技術(shù)的掌握程度不夠熟練，對(duì)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(duì)土地地類的分辨存在誤差。

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