太谷縣耕地空間變化特征

馬剛， 陜永杰

山西師范大學地理科學學院， 山西 臨汾 041000

0 引言

在社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，地理信息技術已得到了廣泛的應用.在遙感數(shù)據(jù)影像和地理信息系統(tǒng)雙重結合下，運用ENVI解譯影像處理數(shù)據(jù)并建立土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，對研究區(qū)幾期數(shù)據(jù)進行分析.本文以太谷縣2005年、2010年、2015年3期的landsat7衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過分析太谷縣三年的耕地空間變異特征，從而加強了對太谷縣耕地面積變化的動態(tài)監(jiān)測，為緩解太谷縣耕地利用出現(xiàn)的問題，提高利用耕地資源的效率，進一步優(yōu)化太谷縣耕地的土地利用格局作出了貢獻，同時有利于太谷縣社會經(jīng)濟持續(xù)地發(fā)展.

1 研究區(qū)概況

太谷縣位于山西省中部，地處汾河谷地中部，境內(nèi)西北方向地勢平坦，東南方向為山地.西北與清徐縣接壤,東北與榆次區(qū)相鄰，東西約50 km，南北約39 km.太谷縣境內(nèi)四季分明，季風氣候顯著，雨熱同期.境內(nèi)主要流經(jīng)河流為烏馬河和象峪河.縣域總面積約1 049 km2，全縣人口約38萬人，耕地面積約300 km2，農(nóng)業(yè)基礎與水熱條件良好，境內(nèi)交通發(fā)達.2016年實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值84.752億元，比去年同比增長9.52 %.

2 數(shù)據(jù)來源

本文以2005年，2010年，2015年三年太谷縣的Lanssat7遙感影像作為信息源，其中包括2005年landsat7(LE71250342005260EDC00) 9月17日拍攝的影像，2010年landsat7(LE71250342010162SGS00) 6月11日拍攝的影像，2015年landsat7(LE71250342015288EDC00)10月15日拍攝的影像.

3 耕地面積的提取

3.1 遙感數(shù)據(jù)處理與融合

不同的遙感圖像所要處理的方法也不同，要依據(jù)相應的數(shù)據(jù)狀況采取對應的處理方法[1]，首先要對圖像進行配準，并準備圖像裁剪中所需要的縣域行政矢量圖(shp)需要在Arcgis中來完成.

遙感影像融合是用多個波段數(shù)據(jù)之間的信息互通性，對各個遙感圖像進行融合，來彌補遙感數(shù)據(jù)的單一不準確性，增強遙感圖像的信息清晰度和精確度[2].在ENVI Classic5.3中進行波段組合比較便捷，利用Landsat7遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)所需要的遙感類型選擇對應的圖像進行融合，本文選擇了以下幾組RGB圖像來進行解譯.

(1) Band7,Band6，Band4——水體和植被得到增強；

(2) Band6,Band5，Band2——裸地得到增強，可以與有作物的耕地區(qū)分.

遙感影像融合中，首先將色彩鮮明、層次比較好的波段組合(RGB：Band6、Band5、Band2)，然后與全色波段Band8進行分辨率融合[3].

Envi融合的方法很多，本文運用Gram—Schmidt pan Sharpening的方法(GS融合方法是對統(tǒng)計分析方法與參與融合的各個波段進行最佳的匹配，這種方法能夠解決大部分的圖像融合問題)，將波段30m的多光譜數(shù)據(jù)和15 m的全色數(shù)據(jù)(TM Band8)進行融合，從目視圖像上來看得到了比較不錯的效果.然后在pan sharpening parameters中將傳感器類型(sensor)選擇為landsat7_slc,最后在右側(cè)tool面板中選擇Gram—Schmidt spectral sharpen parameters進行融合參數(shù)，并選擇重采樣方法(Resampling).格式選為：ENVI，保存文件途徑(.dat)并開始圖像融合得到了較好的太谷縣遙感影像圖，為影像的監(jiān)督分類提供了前提條件.

3.2 圖像裁剪

目的是為了將研究區(qū)域多余的部分裁剪掉.本文按照太谷縣的行政區(qū)劃邊界(shp格式)進行圖像裁剪，在Tool工具面板中，打開感興趣區(qū)(Regions of Interest)，而后再打開“Subset Data from ROIs”圖層面板.在“Select Input File”中選擇taigu_shiliang.dat，點擊OK.并通過掩膜文件，設置不讓背景參與到監(jiān)督分類中[4].

3.3 遙感圖像監(jiān)督分類

監(jiān)督分類是指對太谷縣融合成的圖像進行土地利用類型分類，經(jīng)過目視可分辨為4種地物類型：林地、耕地、居民區(qū)、裸地的分類[5].具體過程為：

(1)在圖層管理器Layer Manager中，在taigu_shiliang.dat圖層上選擇感興趣區(qū)(New Region of Interest)，打開感興趣區(qū) (ROI) Tool面板中設置樣本參數(shù)：將ROI name命名為耕地，ROI Color改為橙色.

(2) 在ROI面板繪制類型中選擇多邊形，在圖層中目視辨別耕地區(qū)域并進行繪制多邊形樣本，依次完成多個多邊形樣本，盡可能的均勻分布在整個影像圖上.這樣就選好了耕地的樣本類型.

(3) 在圖像上的單擊右鍵選擇新建一個ROI圖層，或者在感興趣 (ROI) Tool面板中，用同樣的方法，重復“耕地”樣本的選擇方法，依次為居民區(qū)、裸地、林地、水的選擇樣本.

圖1 樣本可分離性計算報表

(4) 所有參數(shù)樣本繪制完后，進行樣本可分離性的運算，在感興趣區(qū)(ROI) Tool面板上選擇Option，接著點擊Compute ROI Separability，彈出Choose ROIs這個面板，將面板中所有的樣本類型都打上勾，點擊OK便出現(xiàn)下圖數(shù)據(jù).

(5)在(ROI) Tool面板上，點擊File找到Export，在其中點擊Export to Classic菜單保存為.roi文件.

(6)監(jiān)督分類完成后對數(shù)據(jù)進行精度的驗證，對所分類的結果進行評價，看數(shù)據(jù)樣本是否符合要求，分類數(shù)據(jù)會在ENVI中進行自動的匹配識別，形成一個精度報表.

3.4 遙感影像信息提取

遙感圖像經(jīng)過在ENVI5.3中進行監(jiān)督分類后，保存文件輸出路徑的格式為evf格式(因該格式不能在ARCGIS中進行顯示，所以需要在ENVI5.3中將其轉(zhuǎn)換為矢量圖的形式)，最后在ArcMap中將矢量圖打開，就可以輸出耕地的空間分布圖，再對太谷縣耕地面積進行統(tǒng)計匯總，最后得出太谷縣耕地面積數(shù)據(jù)(表1).

表1 Landsat7數(shù)據(jù)波段參數(shù)

山西省統(tǒng)計年鑒中的耕地面積：2005年太谷縣的耕地面積為352.90km2，2010年太谷縣的耕地面積為336.78 km2，2015年太谷縣的耕地面積為257.78 km2.根據(jù)Arcgis所提取的太谷縣耕地面積與山西省統(tǒng)計年鑒給出的耕地面積相比較兩者的差距不大，因此所提取的耕地面積還是比較準確的.

圖2 2005年、2010年、2015年太谷縣土地利用解譯圖

4 耕地利用變化分析

根據(jù)以上太谷縣耕地面積數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對太谷縣耕地空間變化特征從以下兩個方面進行狀況的變化分析.

4.1 土地利用單一動態(tài)度分析

土地利用單一動態(tài)度分析主要是反映區(qū)域內(nèi)土地利用類型的變化、發(fā)展的速度以及各個土地類型之間的特征差異[6].本文主要是對太谷縣耕地面積的變異特征進行研究.其表達式為：

(1)

根據(jù)公式(1)，Ua、Ub分別是太谷縣耕地(km2)前期和后期數(shù)量值，T為相隔年份時間.可以計算出2013年，2014年，2015年太谷縣耕地面積單一動態(tài)度式(1)中：K為土地利用單一動態(tài)度(%).將提取的耕地面積帶入表達式(1)中，計算的結果為：k1=-6.15 ，k2=-14.49.由此得出結論，K值為負值表示太谷縣耕地面積每年呈遞減趨勢，耕地面積在2010年到2015年之間遞減速度快.

4.2 耕地變化與經(jīng)濟的相關性分析

要了解一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展程度怎樣，可選用該地區(qū)國民生產(chǎn)總值來觀察，它對于了解該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平狀況有著不可替代的作用.

相關系數(shù)的表達式為：

(2)

相關系數(shù)rxy，是指兩個變量要素之間的相關程度，取值一般是在[-1，1]范圍區(qū)間[7].將相關性系數(shù)公式在Excel中插入(pearson),選擇相關的數(shù)量組進行計算.

根據(jù)表2的耕地面積數(shù)據(jù)和地區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、耕地面積數(shù)據(jù)和農(nóng)村人口數(shù)據(jù)，將2組數(shù)據(jù)值代入公式(2)中，計算太谷縣耕地面積(km2)與地區(qū)生產(chǎn)總值(億元)，耕地面積(km2)與農(nóng)村人口(人)的相關系數(shù).

表2 太谷縣2005年、2010年、2015年耕地利用面積變化表

由表3數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得出如下結論：

表3 2005年、2010年、2015年太谷縣耕地面積與地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)村人口

rxy=-0.989 表明：太谷縣耕地面積與地區(qū)生產(chǎn)總值之間呈負相關.|-0.989|數(shù)值大，較偏向于1，能夠說明太谷縣耕地面積與地區(qū)生產(chǎn)總值有著緊密的聯(lián)系程度，并影響著太谷生產(chǎn)總值的增長.

rxy=0.959 表明：太谷縣耕地面積與農(nóng)村人口之間呈正相關，說明太谷縣耕地面積增加時農(nóng)村人口數(shù)量會出現(xiàn)減少，當耕地減少時農(nóng)村人口則會增加.數(shù)值接近于1，表明耕地面積與農(nóng)村人口有著緊密的聯(lián)系程度.

5 耕地面積變化的原因

首先影響耕地變化的原因有很多，比如說自然災害、國家的基礎建設、土地的開發(fā)利用等.根據(jù)以上的分析，我對太谷縣耕地面積的變化總結有以下幾個影響因素.

5.1 經(jīng)濟因素

(1) 太谷縣近幾年對于第三產(chǎn)業(yè)旅游業(yè)的發(fā)展相當重視，積極開發(fā)相關的旅游項目，旅游開發(fā)的建設用地占用了一部分的耕地，比如鳳凰山旅游景區(qū)，孟母園的大規(guī)模開發(fā)占用了大面積耕地.

(2) 隨著太谷縣近幾年城市化進程的加快，城區(qū)面積的不斷擴大，人口數(shù)量的增加，使得一些耕地轉(zhuǎn)換為了城市用地、工業(yè)用地和交通用地等.比如太谷西站，太谷東站的建設，水秀工業(yè)園區(qū)的設立.與此同時，隨著太谷縣經(jīng)濟的持續(xù)增長，耕地也會相應的減少.耕地面積與國民生產(chǎn)總值之間有協(xié)整關系(兩者之間有著長期的平衡關系).

5.2 社會因素

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村人口不斷地向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移和集中，城鎮(zhèn)人口的增長是影響耕地面積變化的因素之一.隨著太谷縣居民的收入提高，也就會在衣、食、住、行等方面提出更高的要求，意味著需要更多的非農(nóng)用地來解決，使得耕地面臨很大壓力.因此，城市化不斷發(fā)展的過程中，耕地也是在不斷減少的過程.

5.3 政策因素

(1) 太谷縣耕地資源比較豐富，也是山西省唯一的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)、農(nóng)業(yè)改革與建設試點縣.縣政府積極引導農(nóng)村耕地合理有序的流轉(zhuǎn)，促進全縣農(nóng)村土地適度規(guī)模經(jīng)營和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營水平不斷提高.

(2) 從太谷縣耕地面積變化的過程來看，政府耕地的政策對耕地面積發(fā)生變化有著重要的影響.比如能夠維護農(nóng)村社會的穩(wěn)定，保證糧食的生產(chǎn)需求；恪守耕地的紅線，保障農(nóng)民利益；嚴格管控全縣耕地面積的惡性擴張；促進經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變.

(3) 太谷縣積極倡導退耕還林，將縣域內(nèi)東北方向的山區(qū)坡耕地，因地制宜的改造進行植樹造林.

5.4 科技因素

耕地面積的變化同樣受著科技因素的影響，科技的進步是提高耕地產(chǎn)能的重要指標[8]，為了提高耕地的產(chǎn)能，保障農(nóng)業(yè)的發(fā)展，太谷縣采取一系列措施，提高農(nóng)業(yè)技術裝備水平，逐步使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化.

6 結語

隨著社會的發(fā)展，ENVI與ARCGIS技術越來越凸顯出它的優(yōu)越性，通過ENVI和ArcGIS技術，分析了太谷縣耕地空間分異特征，并且將耕地面積與地區(qū)生產(chǎn)總值進行相關性分析.結果表明，由于太谷縣這三年來經(jīng)濟得到一定程度的發(fā)展，人口數(shù)量增加，工業(yè)化和城市化進程不斷完善，使得能夠利用的資源逐漸減少，人們與耕地之間的問題變得越來越多.