基于3S技术的贵阳市土地利用变化动态监测研究
---以贵阳市环城高速以内区域为例

龙运婷 禹龙 王维 陈敏

(贵州省山地资源研究所有限公司，贵州 贵阳 550001)

引言

土地资源是人类赖以生存和发展的重要基础[1，2]，人类通过改变土地利用/土地覆盖的类型与结构，增强对土地这个自然综合体的干预程度，来满足人类对生存环境的需求[3]。近年来，随着经济的发展，人类在有限的土地资源中，为了能够更好地利用和改造土地，以及及时更新土地资源信息，各国政府对土地资源进行不同层次的研究。3S技术改变了传统的监测方法和手段的效率低，采集数据也很难快速、准确的搜集等局限性，为研究者对土地利用的动态监测提供了关键性技术[4-7]。利用3S技术对贵阳市土地利用变化的研究可以分析其发展的变化方向，对贵阳市的经济发展状况的了解起关键性因素，能够及时准确掌握土地利用数据，为贵阳市政府对土地管理和分析提供有力的依据；为其他学者研究贵阳市土地利用变化，了解各种土地利用情况提供参考价值；为合理利用土地资源和规划土地利用的管理提供建议。实现贵阳市土地资源调查监测的全面覆盖性、准确性、高时效性以及该区域生态环境的长期监测。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵阳市是贵州省的省会城市，位于贵州省中部，地理坐标为E106°07′～107°17′，N26°11′～26°55′，国土面积为8034km2。贵阳市与瓮安县、龙里县、惠水县、长顺县、平坝区、织金县、黔西县、金沙县和遵义市9个县市相接壤。海拔在1100m左右，西南高、东北低。主要地形为河谷、洼地、盆地和丘陵。其中山区面积最大，盆地较少。属亚热带湿润温和型气候，平均气温15.3℃，年平均相对湿度为77%。贵阳市是典型的“夏无酷暑，冬无严寒”，很适合人类居住，是世界有名的避暑之都。2021年人口总数为497.14万人，地区生产总值达到4921.17亿元。

1.2 研究方法

研究区利用土地利用分类系统进行土地利用分类是区分土地利用空间区域构成单元的过程。这个空间区域单元是土地利用的区域组合单元，展示了人类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]。我国根据土地利用的特征和人类对土地资源使用的要求不同，形成了土地评价分类体系、土地利用分类体系、土地自然分类体系3种不同的分类体系。本文采用土地利用分类系统的方法，根据土地利用的具体情况，结合遥感影像的分辨率、实际使用土地类型和收集到的基础资料，将研究区的土地利用大概分为5个一级类，分别是水域、林地、建筑用地、耕地和未利用地。

图1 贵阳市行政区划图

图2 贵阳市环城高速位置图

1.2.1 监督/非监督分类

图像的分类是根据同类地物在相同的条件下(光照等)应该具有相同或相似的光谱信息和空间信息特征，而不同类的地物之间具有差异性[11]。图像分类是利用监督分类和非监督分类的方法将图像分成若干个地类类别的信息，并符合土地利用现状分类的标准。本文将先采用监督分类方法进行土地利用划分5类类别的土地，并分别标上颜色：耕地(草绿色)、林地(深绿色)、未利用地(红色)、建设用地(浅蓝色)、水域(深蓝色)。根据监督分类所形成的模板在非监督分类上加载制作土地分类图，对分类模糊的区域用GPS进行野外判读，再根据判读得到的结果进行影像分类修改，从而得到更加准确的分类结果。

表1 土地利用分类系统

1.2.2 分类精度评价

通过对2005年、2011年、2020年3期遥感影像采用ENDAS软件中混淆矩阵的方法(Accuracy Assessment)评价分类结果的精度的定义分类模板，得到3期遥感影像分类模板精度均达到90%以上，符合研究精度标准。

1.2.3 土地利用变化速度及程度变化

通过土地利用程度变化及变化速度得出分类指标方法，再根据其方法计算出土地利用程度综合指数及变化模型[12-15]。

从土地利用遥感影像解译结果，分出5个土地利用类型(分级指数)：林地(2)、耕地(3)、水域(2)、未利用地(1)、建设用地(4)。

2 结果与分析

2.1 土地利用面积变化动态分析

借助ERDAS和ArcGIS软件，对遥感影像的监督分类影像进行处理，得到研究区土地利用现状统计数据和分布图，见表2、图3。

表2 2005年、2011年和2020年的土地利用类型的面积变化

图3 2005年、20011年、2020年贵阳市环城高速以内的土地利用现状图

从表2可以看出，贵阳市环城高速以内区域的土地利用类型主要以林地、耕地和建筑用地为主，3种类型的土地面积比例之和占总面积的98%以上，2005—2020年的3期占总面积之比分别是98.15%，98.24%，98.41%。面积变化幅度，从大到小依次为建筑用地、未利用地、耕地、水域和林地。建筑用地的面积变化为193.27%，变化最大。水域虽然只减少了0.97hm2的土地面积，但其变化幅度却是10.09%，减少的面积最多。

在2005—2020年贵阳市的耕地、水域和未利用地的面积在逐年减少，只有建筑用地的面积大幅度增加。林地的面积由2005—2020年仅增加了0.36km2，比例仅增加了0.07%，分析其原因主要是由于贵阳市的居民对绿化环境的要求提高和政府退耕还林、封山育林的政策影响；耕地面积比例由2005年的44.72%减少到2011年的36.39%，再到2020年31.67%，共减少86.36km2；建筑用地面积比例由2005年的21.83%增加到2011年的30.23%，再到2020年37.18%，从2005年的124.45hm2到2020年的211.93km2，大幅度增加了87.36km2。贵阳市的经济的快速增长及国家在“十一五”与“十二五”2个五年计划的大力扶持，如金阳新区的建立和龙洞堡飞机场等大型的建筑，占用了大量的土地，即城市的扩建占用了大量的农田，造成了耕地面积大幅度下降；未利用地面积比例由2005年0.24%减少到2020年0.15%，未利用地的总面积基数较小，只减少了0.51km2；水域面积从2005年1.61%到2020年1.44%，减少了0.17%的土地，这与贵阳市市政府的生态文明城市，“避暑之都”有很大的关联。

2.2 土地利用类型转换

土地利用转移矩阵是通过不同时期段的土地利用转换的。本研究区域的转移矩阵是利用ArcGIS软件中数据融合、叠加分析和面积计算等步骤，得到了属性表，用Excel软件中的数据透视表生成2期的转移矩阵表。最终得到贵阳市环城高速以内区域的2005—2011年、2011—2020年和2005—2020年的转移矩阵表，见表3～5。

表3 2005—2011年贵阳市环城高速内土地利用面积转移矩阵

由表3可知，2005—2011年，耕地、水域和未利用地都有所减少，其中减少最多的是耕地，减少了47.49km2，其主要向林地与建筑用地土地利用类型转移；水域面积减少了0.24km2，是受贵阳市居民活动影响；未利用地减少了0.26km2，是因为贵阳市城市建设的影响。林地面积增加了0.14km2，主要是由耕地转换而来，受到国家政策的影响。建筑用地增加了47.85km2，主要是由耕地、水域和未利用地转化为建筑用地的；在这期间，花溪区的大学城的新建和乌当区的规划占用了大量的耕地面积。

由表4可知，2011—2020年，耕地、水域和未利用地的土地面积分别减少了86.36km2、0.97km2、0.51km2；林地与建筑用地有所增加，其中林地增加了0.36km2，建筑用地增加了87.48km2，主要是从耕地、未利用地和水域转换而来的。耕地面积变化最大，在这5类土地类型中，耕地、林地、水域和未利用地的土地面积都会转换为建筑用地的土地类型。

表4 2011—2020年贵阳市环城高速内土地利用面积转移矩阵

从表5可以看出，2005—2020年，贵阳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年间，贵阳市的经济发展状况的变化和贵阳市常住人口不断增加，对贵阳市的建筑用地的需求呈递增的趋势。贵阳市的居民对自己的衣、食、住、行4个方面的要求提高，贵阳市的交通网的形成，刺激居住区、商场、停车场、车站和飞机场等建立。

表5 2005—2020年贵阳市环城高速内土地利用面积转移矩阵

2.3 土地利用变化速度

利用单一土地利用类型动态度与综合土地利用动态度模型公式，计算出贵阳市2005—2020年单一土地利用动态度和综合土地利用动态度，如表6所示。

表6 贵阳市2001-2013年土地利用类型动态度

如表6所示，2005—2011年耕地、水域、未利用地动态度均为负值，只有建设用地、林地动态度均为正值。说明水域面积、耕地面积、未利用地面积在逐年减少，而建设用地和林地面积在逐年增加。其中年变化率最快的是建设用地，达到9.61%，年变化率最小的是林地，为0.02%的动态值。耕地和未利用地的变化率相差不大，只有0.19%的动态值，说明2种土地利用类型在年变化率分别为4.66%和4.85时都在降低。

2011—2020年，各地类的年动态度值从大到小依次排列，分别是未利用地、建筑用地、耕地、水域和林地，其中只有建筑用地与林地的动态度值为正值，其他3类土地类型均为负值。建筑用地与未利用地的变化率最快，未利用地以5.79%的速度在减少，建筑用地以5.75%的速度在增加；耕地与水域的土地面积分别以4.49%、2.04%的年变化率在减少；林地的面积年变化率最小，只有0.03%的动态值。

综合贵阳市2005—2020年单一土地利用动态度和综合土地利用动态度可以得出，贵阳市环城高速以内的地区中建筑用地是5类中最高的，这2类的动态度值分别为17.57%和5.02%，这表明15年内建筑用地一直处于递增的趋势，年变化率前一时段大于后一时段。林地与未利用地一直处于递减的趋势，林地的年变化率属于递减的趋势，未利用地的年变化率则是逐年增加的状态，林地与未利用地的综合动态度值分别是2.42%和3.09%，在5类土地中的综合年变化率在第3与第2的位置。综合动态度值最小的是耕地，其次是水域。

2.4 土地利用程度变化

根据2005—2020年的3期土地利用数据，使用土地利用程度综合分析方法，计算了贵阳市2005年、2011年、2020年的土地利用程度变换及变化率，见表7。

表7 贵阳市土地利用程度变化量及变化率

由表7可知，2005—2020年，贵阳市主城区土地利用程度变化量L2005-2020都大于零，说明该时期该区域的土地利用整体处于发展期，耕地和未利用地转化其他类型用地，并由于这一时期受国家政策的影响，国家在“十一五”“十二五”五年计划的大力支持，经济发展迅速，耕地由于受经济、人口的影响大幅度减少。

3 结论及讨论

3.1 结论

本次研究是在国内外的相关数据、理论、方法和实际工作的基础上，对贵阳市环城高速以内的研究区域。利用各种数据资料对“3S”技术在土地利用动态监测中的应用进行土地资源的分析和研究，通过研究贵阳市2005年、2011年和2020年3个不同时期的TM影像图为基础，对贵阳市土地利用现状进行分析和统计，得到以下结论。

研究区土地利用类型以建设用地、林地、耕地为主，3种类型的土地面积比例之和占总面积的98%以上，2005—2020年的3期占总面积之比分别是98.15%、98.24%、98.41%，水域和未利用地的土地面积比例之和不足贵阳市土地面积的2%。

研究区的土地利用类型根据面积变化的数量显示，2005—2020年，该区的建筑用地与耕地的面积变化量最大，建筑用地增加了87.36km2，耕地减少了86.36km2；水域和未利用地面积变化量小，分别减少了0.97km2、0.51km2，但是由于这未利用地的面积基数较小，减少的面积占2005年总面积的38.06%；林地的面积变化幅度最小，只增加了0.36km2，其中只占2020年林地总面积的0.20%。

研究区各土地利用类型存在不同程度的相互转化。在这15年间主要是耕地、林地和建设用地的相互转化，其中耕地面积变化最大，产量最高，耕地转化为林地的1.55倍，而耕地转化为建设用地的4.61倍。

根据土地利用综合程度，2005—2020年，“七五”和“十二五”2个五年规划大力支持和发展贵阳市的经济，随着城乡一体化和贵阳市常住人口数量的增加，在一定程度上提高了贵阳市的土地利用效率，土地利用方式也转向集约型和飞行型土地类型。

3.2 讨论

贵阳市的土地利用的遥感信息收集资料不全面，选择纵向年度对比的时间差值也不一样，数据的数量对比也没有明确要求。并且土地利用变化检测没有统一的标准，无法判别分析的内容是否正确，收集的资料不完善，对土地利用的研究结果也会产生影响。希望能够有标准的分析指标。数据源TM图像的分辨率对地类解释能力有影响。使得地类的解释能力有限，对二级地类的解释较少。大气和辐射的差异，对同种地类的解译会存在一定的误差。笔者对遥感信息系统和地理信息系统的技术的掌握程度不够熟练，对土地利用的分析程度的只是粗浅的分析，在野地勘察和人工目译的方法对土地地类的分辨存在误差。