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

在社會經濟發展過程中，地理信息技術已得到了廣泛的應用.在遙感數據影像和地理信息系統雙重結合下，運用ENVI解譯影像處理數據并建立土地利用變化轉移矩陣，對研究區幾期數據進行分析.本文以太谷縣2005年、2010年、2015年3期的landsat7衛星遙感影像為數據源，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監測，為緩解太谷縣耕地利用出現的問題，提高利用耕地資源的效率，進一步優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濟持續地發展.

1 研究區概況

太谷縣位于山西省中部，地處汾河谷地中部，境內西北方向地勢平坦，東南方向為山地.西北與清徐縣接壤,東北與榆次區相鄰，東西約50 km，南北約39 km.太谷縣境內四季分明，季風氣候顯著，雨熱同期.境內主要流經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，農業基礎與水熱條件良好，境內交通發達.2016年實現地區生產總值84.752億元，比去年同比增長9.52 %.

2 數據來源

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 遙感數據處理與融合

不同的遙感圖像所要處理的方法也不同，要依據相應的數據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據之間的信息互通性，對各個遙感圖像進行融合，來彌補遙感數據的單一不準確性，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遙感數據，根據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的多光譜數據和15 m的全色數據(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tool面板中選擇Gram—Schmidt spectral sharpen parameters進行融合參數，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域多余的部分裁剪掉.本文按照太谷縣的行政區劃邊界(shp格式)進行圖像裁剪，在Tool工具面板中，打開感興趣區(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督分類中[4].

3.3 遙感圖像監督分類

監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，經過目視可分辨為4種地物類型：林地、耕地、居民區、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(New Region of Interest)，打開感興趣區 (ROI) Tool面板中設置樣本參數：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、裸地、林地、水的選擇樣本.

圖1 樣本可分離性計算報表

(4) 所有參數樣本繪制完后，進行樣本可分離性的運算，在感興趣區(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便出現下圖數據.

(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)監督分類完成后對數據進行精度的驗證，對所分類的結果進行評價，看數據樣本是否符合要求，分類數據會在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

遙感圖像經過在ENVI5.3中進行監督分類后，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計匯總，最后得出太谷縣耕地面積數據(表1).

表1 Landsat7數據波段參數

山西省統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Arcgis所提取的太谷縣耕地面積與山西省統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

根據以上太谷縣耕地面積數據統計，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 土地利用單一動態度分析

土地利用單一動態度分析主要是反映區域內土地利用類型的變化、發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)

根據公式(1)，Ua、Ub分別是太谷縣耕地(km2)前期和后期數量值，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度式(1)中：K為土地利用單一動態度(%).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 耕地變化與經濟的相關性分析

要了解一個地區經濟發展程度怎樣，可選用該地區國民生產總值來觀察，它對于了解該地區的經濟發展水平狀況有著不可替代的作用.

相關系數的表達式為：

(2)

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

根據表2的耕地面積數據和地區生產數據、耕地面積數據和農村人口數據，將2組數據值代入公式(2)中，計算太谷縣耕地面積(km2)與地區生產總值(億元)，耕地面積(km2)與農村人口(人)的相關系數.

表2 太谷縣2005年、2010年、2015年耕地利用面積變化表

由表3數據經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生產總值、農村人口

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

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

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、土地的開發利用等.根據以上的分析，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 經濟因素

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

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

5.2 社會因素

隨著社會經濟的發展，農村人口不斷地向城鎮轉移和集中，城鎮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用地來解決，使得耕地面臨很大壓力.因此，城市化不斷發展的過程中，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代農業示范區、農業改革與建設試點縣.縣政府積極引導農村耕地合理有序的流轉，促進全縣農村土地適度規模經營和農業產業化經營水平不斷提高.

(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生變化有著重要的影響.比如能夠維護農村社會的穩定，保證糧食的生產需求；恪守耕地的紅線，保障農民利益；嚴格管控全縣耕地面積的惡性擴張；促進經濟增長方式的轉變.

(3) 太谷縣積極倡導退耕還林，將縣域內東北方向的山區坡耕地，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能的重要指標[8]，為了提高耕地的產能，保障農業的發展，太谷縣采取一系列措施，提高農業技術裝備水平，逐步使傳統農業向現代化農業轉化.

6 結語

隨著社會的發展，ENVI與ARCGIS技術越來越凸顯出它的優越性，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生產總值進行相關性分析.結果表明，由于太谷縣這三年來經濟得到一定程度的發展，人口數量增加，工業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.