基于遥感和GIS技术的京津唐地区土地利用变化规律分析

摘要

在土地利用分类体系的基础上，利用遥感影像、实地调查数据、谷歌Earth遥感影像和目视解译方法，获得了京津唐地区2000年、2005年和2010年的土地利用分布状况。然后利用地理信息系统(GIS)技术，得出2000 - 2010年土地利用变化规律。研究结果表明:(1)从土地利用类型分布面积来看，旱地面积最大，其次是林地、建筑用地、水田、水域、草地和未利用地;(2) 2000 - 2010年，建筑用地增加最多，主要由耕地和填海区转化而来;减少最多的土地利用类型为水田，主要转化为旱地和建筑用地;(3)建设用地大幅增加，耕地大幅减少，表明经济快速发展过程中土地利用方式发生转变;同时，林地和草地总面积变化不大，生态环境在新世纪前10年没有明显恶化。

1.介绍

作为一个重要的环境要素，土地是人民社会和经济活动的承运人[1］．土地使用意味着雇用土地及其资源后的结果[2那3.]，因此其分布状况和动态变化不仅对土地管理实践、经济和社会发展进程产生重要影响，而且对区域、国家乃至全球层面的政府政策也产生重要影响[4.那5.］．土地利用变化是环境变化过程的重要因素，可持续发展过程具有重要意义[6.]，从而成为研究的热点之一。

随着科学技术的发展，通过使用遥感和地理信息系统（GIS）技术广泛进行土地利用变更监测[7.］．遥感图像用于获取不同阶段的土地使用状态[8.那9.];基于多时相土地利用数据的GIS技术已被证明是进行土地利用动态监测、变换规律获取、时空格局分析等的有效方法[10.-12.］．

作为中国的首都，北京是中国的政治，文化和经济中心，所以它在自然和人类因素的长期全面行动后它具有独特的土地利用特征[13.］．天津是中国北方最大的沿海开放城市，毗邻渤海;随着经济的快速发展，天津的土地利用面临着严峻的转型，尤其是沿海地区，大面积海域转变为填海造地，如建筑用地、水域等[14.］．唐山是河北省中央城市，环绕着渤海湾地区，是毗邻华北地区和东北地区的战略广场和极其重要的走廊[15.］．唐山与北京和天津联合在一起，在中国形成了一个重要的大都市圈，北京 - 天津 - 唐山大都市圈，被定义为这项研究的北京天津 - 唐山地区。与其他大都市圈相比，北京天津 - 唐山大都市圈的研究学位相对较低[16.］．经济快速发展，深度开放政策，基础设施现代化最高水平，特别是北京2008年奥运会的网站使得监测该地区的土地使用的转型规则至关重要。

为此，本研究首先对京津唐地区不同时期的遥感影像进行采集和处理;然后利用遥感影像对研究区2000年、2005年和2010年的土地利用现状进行目视解译;最后，利用ArcGIS软件中的空间分析功能，获取2000 - 2010年土地利用变化规律并进行分析。获取京津唐地区2000 - 2010年土地利用分布状况及变化规律，具有一定的科学、经济和环境意义。

2.研究区

本研究选择北京天津 - 唐山大都市经济圈作为研究区，包括中国首都，北京，直辖市下方的中央政府，天津，河北省北部，唐山市。此外，为了避免空心地区，研究区还包括河北省廊坊市的一些县。由于研究区域的地理边界从115.4°E延伸到119.3°E和38.6°N至41.1°N，Albers等于25°N和47°N和47°N和47°N和117°的中央子午线的区域投影E被选为本研究中的统一预测，其认为最小变形，区域统计数据和国家投影的一致性（图1）。

研究区位于华北平原北部，是华北地区与东北地区的过渡区。研究区北临燕山，西临太行山，东临渤海，地理位置具有重要意义(图)1）。

沿海平原和半自动织季风气候的主要分配使研究区不仅是一个重要的粮食生产基地，也是一个快速发展的大都市经济圈。经济的快速发展，建立国家中部城市，北京奥运会使土地使用分布严重转变。因此，在研究区进行土地利用转型规则研究非常重要，这对于这一时期的生态和环境变化很重要。

3.材料和方法

本研究中使用的主要数据源是2000年，2005年和2010年的遥感图像。另外，还引入了谷歌地球，植被数据和地貌数据中的现场调查数据，地形图，图像，等等。

本研究的主要数据来源和方法在下面具体说明。

３.１.遥感图像

主要的遥感影像为2000年、2005年和2010年的Landsat TM影像。这些图像主要收集在夏季(特别是8月)，以减少天气影响。研究区图像的路径行分别为121-031、121-033、122-032、122-033、123-032、123-033和124-032。

对2000年遥感影像进行数据选取、下载、波段选取与叠加、大气校正、1:5万比例尺地形图几何校正、拼接、投影、剪辑等处理[17.］．2005年和2010年的遥感图像的过程与2000年类似于这些，除了几何校正基于2000年的处理后的图像。

3.2。方法

许多研究人员试图利用遥感图像获取土地利用变化状况[5.那7.那17.-19.]因此，已经提出了几种用于实现土地使用动态监测的技术，应用和评估，例如原理成分分析[20.那21.]，在不同阶段的两个或更多图像之间进行比较，如[22.-25.］．这些技术主要旨在自动提取土地利用信息，至于提取质量，传统的视觉解释方法结合现场调查数据具有最高的质量和准确性，尽管劳动力大，时间和金钱投入。因此，在本研究中采用了视觉解释方法。

遥感影像是获取不同时期土地利用分布状况的基础数据。处理后的影像主要为Landsat TM影像，有7个波段，土地利用解译中常见的波段组合为4-3-2，分别为红、绿、蓝三色;有时，也使用其他波段组合，如7-4-2和5-4-3。与此同时,其他辅助数据也用于土地利用视觉解释,比如在谷歌地球与高空间分辨率图像,实地调查数据与现场图片,土地利用类型和位置,中国地貌数据和植被数据1:1000000。

在ArcGIS软件下，通过使用多数据源，尤其是遥感图像，地使用土地使用分配状态。根据土地利用分配状况的解释结果，利用2000年至2010年的土地使用转型规则进行了分析和分析。因此，该研究的工作流程如图所示2．

解释结果的准确性是本研究的基础，这也影响了土地利用转型规则的质量。2008年，2009年和2010年，检查约400个样本点。通过现场调查，获取这些样本点的位置，图片和土地使用类型。基于这些点，估计解释结果的准确性高于85％。最后，根据这些样本点的提交的调查结果修订了解释结果。

4. 2000年，2005年和2010年土地利用分配状况分析

基于遥感图像的视觉解释结果，土地使用分配状态在2000年，2005年和2010年中获取，在研究区分别如下分析。

4．1.2000年土地利用分布状况分析

根据数据来源和方法论，2000年的土地使用分配状态被解释在研究区中，如图所示3（a）．

在图中3.，图例给出了用不同数字表示的土地使用类型。在本研究中，表征保持了一致性。通过对各土地利用类型的面积统计，结果如表所示1．

数字3（a）和表格1在研究领域的2000年显示土地使用分配状态：干燥场是最广泛的分布式类型，主要分布在中央和南部的扁平部分;然后林地主要分布在西北山区和山地地区;其次是建设用地，主要包括各级住宅用地和沿海地区;稻田主要分布在东部，尤其是东北部;其他土地使用类型，如水域，草原和未使用的土地，是分布式最少的类型;水域主要分布在湖泊，池塘和渠道中;至于草原，它主要分布在北山区。

4．2.2005年土地利用分布状况分析

通过目视解译和修订，利用2005年的遥感影像，参考2000年的土地利用分布结果，可以获得2005年的土地利用分布状况。通过质量检查后，研究区2005年土地利用分布结果如图所示3（b）．计算2005年的土地使用类型的面积和比率，如表所示1．

数字3（b）和表格1显示2005年土地使用的分配现状：2005年的整个土地使用分配状态与2000年类似。至于具体情况，总面积增加338.3公里²，主要是增加了与渤海相邻的沿海土地;旱地、林地面积明显增加;相反，水田、未利用地和草地面积明显减少;在其他土地利用类型中，建筑用地和水域的分布没有明显变化。

4．3．2010年土地利用分布状况分析

参考目视解译2000年和2005年的土地利用分布结果，基于遥感影像和辅助数据目视解译研究区2010年的土地利用分布状况，如图所示3（c）．通过计算2010年的每个土地使用类型的区域，统计结果显示在表中1．

从图中3.和表格1我们可以看到，2010年整个土地利用分布状况与2000年和2005年相似。与2000年和2005年的土地利用分布状况相比，2010年的土地利用分布状况有以下变化:2000 - 2010年土地利用总面积持续增加，主要是由于沿海建设;2005 - 2010年稻田面积增加，2000 - 2010年减少;2005 - 2010年旱地面积减少，2000 - 2010年旱地面积略有增加;2005 - 2010年林地面积减少，2000 - 2010年林地面积略有增加;2000 - 2010年草地面积明显减少;2000 - 2010年，水域面积持续增加;2000 - 2010年，特别是2005 - 2010年，建筑用地面积持续增加;2000 - 2010年未利用土地面积持续减少，显示出土地利用分布状况的快速变化。

5.分析2000年至2010年的土地利用转型规则

土地利用转型是由于本阶段的一种土地利用类型可能在后期向其他土地利用类型转变。因此，土地利用转型状况的获取主要通过计算两个阶段各土地利用类型的土地利用转型面积来实现。通常，两种土地利用类型之间的转化是相互转化的，在两个阶段，水田可能转化为旱田，旱田可能转化为水田。为了消除相互转化的情况，提出并定义了绝对转化状态，该绝对转化状态是通过计算每一种土地利用类型在两个阶段的滚出面积和滚入面积的相减得到的。

因此，根据2000年，2005年和2010年的土地使用分配状态，从2000年到2005年的土地使用转型状态，从2005年到2010年，从2000年到2010年，基于GIS空间分析计算和分析功能;此外，对于每个土地使用类型，从2000到2010获取和分析了绝对变换状态。

5.1。2000年至2005年的土地利用转型现状分析

从2000年到2005年的土地使用转换状态可以通过重叠2000和2005的土地使用分布结果来计算。由于2000年和2005年的分销区域并不完全重合，使用联盟功能而不是剪切功能。在研究区域中的2000年到2005年的加工土地使用转换分配状态如图所示4（a）．

在图中4（a），短线前的数字代表2000年初期的土地利用类型;短线后的数字代表2005年后期的土地用途类型。这些数字所代表的土地利用类型可以在图中检索到3.．数字“0”表示该土地利用类型在相应阶段不存在，而在其他阶段存在;该区域主要存在于渤海海域，定义为填海区。

对土地利用变化类型进行面积统计，计算结果如表所示2．

在表格中2，右栏为2000年提供土地使用类型;最低线路显示2005年土地使用类型;中间部分显示土地使用转换状态;void类型对应于图中的“0”号4.．

数字4（a）和表格2展示，从2000年到2005年，稻田主要转化为干燥的场，因此稻田的面积降低，干燥场的面积增加;林地主要来自草地和干旱土地，因此林地的面积增加，草原的地区减少了。未使用的土地主要转化为干燥的领域。毫无疑问，未使用土地的转化干燥场具有低质量。

5.2。2005至2010年土地利用转型现状分析

通过Union Function处理2005年和2010年的土地使用分配状态，从2005年到2010年的土地使用转换状态可以实现，如图所示4（b）．图的解释4（b）可以参考这些数字4（a）．对图中土地利用变化情况进行面积统计4（b），结果如表所示3.．

对表的解释3.可以在Table2．数字4（b）和表格3.表明，从2005年到2010年，与2000年至2005年相比，稻田和干燥领域具有逆变化趋势;大面积的干燥场转变为稻田，导致稻田的增加和干燥场的减少;林地主要转化为草地和干旱，因此林地的地区降低，但草原增加。建筑地区的建筑面积显而易见，主要原因是从农田和海回填地区转变。

5．3.2000 - 2010年土地利用转型现状分析

通过Union函数，2000和2010的重叠土地利用分配状态，从2000到2010的整个期间的土地使用转换状态如图所示4（c）．图的解释4（c）可以参考这些数字4（a）．对图中土地利用变化类型进行面积统计4（c），结果如表所示4.．

对表的解释4.可以在Table2．数字4（c）和表格5.结果表明:2000 - 2010年，稻田主要转变为旱地和建设用地;旱地主要转化为水田、建设用地和草地;林地主要转变为草地和旱地;草地主要转变为林地和旱地;水域主要转化为建设用地和旱地;建设用地主要转化为旱地、水域;未利用地面积明显减少，主要转为旱地和建设用地。

5.4。2000 - 2010年土地利用绝对转型分析

以上三个小节分别分析了2000 - 2005年、2005 - 2010年和2000 - 2010年三个时期的转型情况。在转化状态分析中，土地利用类型的转化是相互的，因此很难确定每两种土地利用类型之间的绝对转化面积。因此，计算绝对变换面积，表示每两种土地利用类型的滚出面积和滚入面积之间的减去面积，如表所示5.．

在表格中5.，右栏代表了从2000年到2010年转换为其他土地使用类型的土地使用类型的区域;下线代表从2000到2010年从其他土地使用类型转换的土地使用类型的区域;中间部分表示每两种土地使用之间的绝对变换区域。

表格5.在研究区中显示2000年至2010年的绝对转换状态：稻田面积最大，减少最大公里²，主要转化为干旱地和建筑物;相反，建筑土地具有最大的增加，约公里²，主要由农田(水田和旱地)转化而来;旱地略有增加，主要是大量水田和未利用地转化为旱地，但部分旱地转化为建设用地;林地增加、草地减少的主要原因是草地向林地的转变公里²;水域具有明显的增加，主要来自海填海区;对于未使用的土地，它具有大幅减少，主要转化为干燥场;利用大面积的海填海区，主要转化为建筑物陆地和水域。作为属于建筑地区的水域的一部分，如公园池塘，建筑物面积甚至增加了大;建筑土地的大幅增加和农田减少展示了经济发展过程中的土地利用迅速变化;与此同时，大面积的稻田变换到干燥场和建筑物土地，这代表了质量和数量方面的农田的恶化情况。林地和草原的变化表明，生态环境不会变得更糟，这可能是研究领域的大型竞选，例如2008年奥运会。

6.讨论

本研究在研究区2000 - 2010年土地利用变化规律分析方面取得了一定的突破，但仍需进一步完善。因此，本研究的创新点和展望在以下进行讨论。

6.1。创新

（1）重要的研究区域。与其他研究相比，本研究选择了中国北京天津 - 唐山大都市作为研究区，比其他研究中的研究区域更大的区域[10.那26.那27.］．此外，随着改革开放的深入，经济的快速发展，以及2008年奥运会的举办，使得本研究区域进行土地利用动态研究具有十分重要的意义和必要性。

（2）土地利用分配采集方法。本研究选择传统的遥感方法，结合实地调查数据进行目视解译，获取土地利用分布数据。虽然这种方法耗费了大量的劳动、时间和金钱，但获得的数据在目前情况下是精度最高的[28.］．基于采样点，估计准确度高于85％，保证分析结果的质量和可用性。

（3）成就土地使用转型规则。在大多数土地利用动态监测研究中，通常采用土地利用分布变化矩阵[7.那29.[但更改矩阵仅在每两个土地使用类型之间提供相互转变状态，并且每两种土地使用之间的绝对转换很少呈现和分析。在这项研究中，实现绝对转化的实现有助于了解土地使用类型的实际转型状态。

6.2。研究前景

（1）改善土地利用数据。虽然作者已经尽了最大努力提高土地利用数据的质量和准确性，但数据还可以在某些方面得到改进。例如，被水覆盖的土地被划分为水域;有时应将划分的水域改为建筑用地，如位于建筑用地内的池塘、小湖泊等。土地利用数据的改进将带来更加合理的结果。深入了解土地利用状况和土地分类系统是本研究的重要发展，可用于获取更好的数据。

(2)土地利用数据的进一步分析。在本研究中获得了三个阶段的基本土地使用分配数据，从2000年到2010年的研究区域计算并分析了土地使用转变规则。但是，可以在未来进行更深的更深层次，如获取数据土地使用转型的驱动因素[30.]，分析土地使用分布的空间模式[26.那31，等等。

7.结论

通过这项研究，可以得出以下结论。

(1)研究区土地利用类型分布状况显示，旱地是分布最广泛的类型，主要分布在中部和南部;林地主要分布在西部和北部山区和丘陵地区;其次是建设用地，主要包括各级住宅用地和沿海地区;稻田主要分布在东部，尤其是东北部;其他土地利用类型，如水域、草地和未利用地分布稀疏。

（2）从2000年到2005年，然后到2010年，土地使用类型的区域变化如下：干燥场首先增加，然后减少，其区域整个时期有点增加;Forestland首先增加，然后减少，其地区整个时期都有较小;建筑土地不断增加，特别是从2005年到2010年;稻田首先显着减少，然后增加，其区域在整个时期下降趋势;草原和未使用的土地显着减少;至于水域，它显示出越来越大的趋势，特别是从2005年到2010年。

(3)全时期土地利用变化规律为:建设用地增幅最大，主要由填海、水田、旱地转化而来;相反，水田减少最大，主要转化为旱地和建筑用地。土地利用类型的转化规律从质和量两个方面反映了经济的快速发展和耕地的退化状况。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金项目(no . 41301469, no . 41171332);国家自然科学基金项目(no . LREIS)开放基金项目(no . 2012BAH28B01-03);太原理工大学人才基金项目(no . QPFT) (no . tyut-rc201221a)。作者谨向匿名编辑和推荐人表示诚挚的感谢。

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