郭文怡，任 宏，曹艷艷

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810000；2.山西財經(jīng)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030000)

隨著中國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及城市化進程的加快，人類活動對土地利用/覆被變化的影響深遠而顯著，影響我國“雙碳”目標的實現(xiàn)。小店區(qū)是太原市“南移西進、擴容提質(zhì)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的主要擴張區(qū)域，有必要深入分析改革開放以來太原市小店區(qū)土地利用的空間格局及存在的問題，從而為小店區(qū)的土地可持續(xù)利用提供一定的理論支撐。

20世紀70年代，Ketting R L和Landgrebe D A提出了基于地物影像同質(zhì)性來進行分類提取的ECHO分割算法(Extraction and Classification of Homogenous Objects)[1]。Ursula C. Benz等利用世界上第一個面向?qū)ο蟮挠跋窠庾g軟件eCognition對遙感影像進行解譯，并采用模糊專家法來對研究結(jié)果進行分析[2]。Soe W. Myint等在對亞利桑那州鳳凰城進行城市土地利用覆蓋信息提取中，進行了傳統(tǒng)的基于像素分類方法和面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ谋容^實驗，結(jié)果表明面向?qū)ο蠓诸惤Y(jié)果的精度更高[3]。隨著我國城市化進程的加快，學(xué)者們將焦點放在大規(guī)模的土地利用/覆被變化及驅(qū)動機制研究上，面向?qū)ο蟮挠跋窠庾g技術(shù)的優(yōu)勢得以發(fā)揮。例如對北京市[4-5]、上海市[6-7]、廈門市[8]、成都市[9]、許昌市[10]、珠海市[11]、威海市[12]等城市的土地利用變化特征、穩(wěn)定性、景觀格局及驅(qū)動機制的研究。這些研究都具有一定的特殊性和代表性， 但是目前有關(guān)太原市的土地利用/覆被變化研究較少。

筆者基于ENVI 5.3軟件的影像多尺度分割技術(shù)和面向?qū)ο蠓诸惙椒ǎ瑢μ行〉陞^(qū)土地利用方式進行分類研究，找出其土地利用中存在的問題，提出應(yīng)該如何提高土地利用的效率，來緩解人地矛盾及城鄉(xiāng)一體化進程中面臨的問題。

1 研究數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)概況

小店區(qū)位于112°24′E～112°43′E，37°36′N～37°49′N之間，是山西省省會太原市的下轄區(qū)，共含7個街道、1個鎮(zhèn)和2個鄉(xiāng)，總面積295 km2。東部是晉中市榆次區(qū)，南部是清徐縣，西部與晉源區(qū)隔一條汾河，最北部是迎澤區(qū)，隨著太原市“南移西進、擴容提質(zhì)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的提出，小店區(qū)成為其主要擴張區(qū)域。第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，全區(qū)常住人口1 357 242人，比第六次人口普查增長了68.70%。

1.2 數(shù)據(jù)及處理

本文以2020年9月18日的Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，包括9個波段，空間分辨率均為30 m，成像幅寬為(185×185)km2。首先對影像進行預(yù)處理，主要借助ENVI圖像處理軟件的Regions of Internet/Subset Data from ROIs工具對影像進行剪裁，提取出小店區(qū)“一張圖”的遙感影像。

1.3 研究方法

本文采用的面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惙椒?，在對地物影像進行分析時，不再以一個像元為最小單位，而是以一個對象為最小單位來進行分析，它把目標對象所包含的形狀、紋理、光譜以及空間組合等信息放到不同的分類器中，同時也可以將已有的GIS數(shù)據(jù)放入分類器之中，大大提高了分類的精度。所以在對高分辨率遙感影像解譯中，相對于傳統(tǒng)的基于像素的分類方法，面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惣夹g(shù)可以很好地避免“椒鹽現(xiàn)象”的產(chǎn)生。

2 土地分類提取結(jié)果及精度評價

2.1 提取結(jié)果

通過ENVI 5.3軟件平臺對小店區(qū)進行面向?qū)ο蟮姆诸悤r，首先采用常見的Edge影像分割算法和Full Lambda Schedule合并算法來對圖像進行處理。Edge算法可以根據(jù)臨近像素的形狀特征、灰度、顏色等來檢索出影像的邊界并將邊界曲線記錄下來，然后再把邊界曲線連接起來形成影像對象的邊界，實現(xiàn)影像分割。經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)采用分割閾值50，合并閾值90，紋理核大小默認為3時，建設(shè)用地、耕地等土地類型能夠出現(xiàn)相鄰的多邊形，對其分割較為完整，是本次研究的最佳分割尺度。接著基于樣本進行影像分類，通過利用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)識別其他位置對象。基于樣本的分類方法需要選取多個樣本點來對整個影像進行信息的提取，十分方便，但是它的難度就在于對樣本的選擇要求非常高，必須通過實地考察與分割合并后的樣本對照選擇，并根據(jù)準確提取出的樣本從而進行分類。影像分割與合并結(jié)束之后，對不同地物定義樣本，得到的影像分類結(jié)果如圖1所示。

在基于樣本的分類中，通過ENVI軟件中的Class Statistics工具進行分類統(tǒng)計，得到農(nóng)用地面積占44%，其中耕地面積約占72.73%，林地、園地面積約占27.27%；建設(shè)用地約占49%，水體約占5%，未利用土地約占2%。通過對基于規(guī)則的分類進行觀察分析，可以得出：①區(qū)域土地利用類型以農(nóng)用地和建設(shè)用地為主，但是耕地所占比例未超過35%，耕地資源較為短缺，且水域和生態(tài)用地比例很小，不利于資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，也不利于居民的居住；②城市和農(nóng)村建設(shè)用地建設(shè)的破碎度是較低的，聚合度較高，說明建設(shè)比較集中，土地利用效益較高。

圖1 基于樣本的影像提取結(jié)果

2.2 精度評價

對面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惥仍u價是利用SVM(支持向量機)分類算法，該算法通過在高維空間中構(gòu)造線性判別函數(shù)對訓(xùn)練樣本進行分類，可以很好地解決當維數(shù)大于樣本數(shù)時產(chǎn)生的“維數(shù)災(zāi)難”問題。它在決策時只選擇出一部分的訓(xùn)練樣本(也就是支持向量機)，大大降低了占用的內(nèi)存，同時它還可以使用不同的核函數(shù)來進行決策。在對小店區(qū)面向?qū)ο蟮耐恋乩梅诸惤Y(jié)果的精度分析中，通過使用SVM算法得到分類結(jié)果總體精度達到86%以上，Kappa系數(shù)達到0.8，分類結(jié)果較好。

3 土地利用中存在的問題及解決對策

3.1 存在的問題

3.1.1 生態(tài)用地占土地總面積比例小，土地利用結(jié)構(gòu)不合理。根據(jù)《太原市小店區(qū)土地利用總體規(guī)劃2006—2020年》政府文件，規(guī)定城市中建設(shè)用地約為62.98%；生態(tài)用地包括園地、林地、水域等約占10.12%，其中水域占22.45%；農(nóng)用地約占33%，其中耕地面積約為63%。但在小店區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)中，農(nóng)用地和建設(shè)用地所占比例高達93%，而生態(tài)用地所占比例只有不到10%，在土地利用結(jié)構(gòu)中所占比例較小。農(nóng)用地面積占44%，比例較大，且農(nóng)業(yè)用地中耕地所占比例較大，占農(nóng)用地面積72.73%，城市建設(shè)力度不夠。

3.1.2 土地利用的集約程度不高。小店區(qū)建設(shè)用地面積已經(jīng)占到土地總面積的49%，其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地已經(jīng)占到了建設(shè)用地總面積的86.28%，土地開發(fā)較為嚴重。但是在農(nóng)村人口城鎮(zhèn)化的過程中還存在著粗放用地的問題，比如土地被閑置、空閑或低效利用，城鎮(zhèn)公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善等問題，嚴重制約了城鎮(zhèn)化的發(fā)展。

3.1.3 后備耕地資源不足且整治難度大。耕地數(shù)量關(guān)系到農(nóng)民的生產(chǎn)和生活，在研究區(qū)內(nèi)可開發(fā)的耕地包括其他草地、裸地等后備資源，只占全區(qū)土地總面積的2.25%，耕地的大量減少使得人地矛盾更加突出。全區(qū)可利用的后備土地資源面積很小，在現(xiàn)有的發(fā)展條件下開發(fā)的難度也比較大。在實驗中可以看到小店區(qū)各個土地利用類型的分維度是處于中等水平的，說明土地斑塊的形狀以及復(fù)雜程度都處于中等水平。一般情況下，土地斑塊的形狀越規(guī)則，越有利于生產(chǎn)用地的生產(chǎn)，因此，好的土地利用方式要求有更完整的土地斑塊，所以這就要求在土地利用中朝著降低土地斑塊的分維度方向發(fā)展。

3.2 解決對策

3.2.1 制定科學(xué)的土地利用總體規(guī)劃?？茖W(xué)合理的土地利用總體規(guī)劃是進行土地資源合理利用的前提。在編制規(guī)劃時，要充分利用遙感、GIS等先進的技術(shù)手段，及時獲取土地資源信息的變化情況，對土地資源實施控制，確保土地后備資源、建設(shè)用地規(guī)模等符合要求，實現(xiàn)土地管理的科學(xué)化與信息化。加強對規(guī)劃審查、批準機構(gòu)的管理，制定和執(zhí)行嚴格的土地利用的規(guī)劃標準，對所有不符合土地利用總體規(guī)劃標準做出及時的修改和調(diào)整。

3.2.2 控制土地的無序擴張，切實保護耕地。應(yīng)充分保護和利用土地后備資源，控制土地的無序擴張，嚴格土地用途的管制，走集約化的用地模式。耕地數(shù)量關(guān)系到糧食安全問題，要嚴格限制建設(shè)用地占用耕地，強化耕地保護責任機制，建立健全基本農(nóng)田保護制度。保證耕地數(shù)量的同時，大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)對污染進行治理并推廣機械化在農(nóng)業(yè)中的利用規(guī)模，同時，對可耕種的荒草地進行適度的開發(fā)利用，加強土地的復(fù)墾和治理工作，實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用，從而促進農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

3.2.3 提高土地資源利用效率。通過加大對農(nóng)業(yè)的投資力度，提高農(nóng)民收入的同時發(fā)展技術(shù)或進行土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高土地資源的利用率。比如小店區(qū)的林地、園地面積較小，我們可以加大對低效林地和園地的整治改造力度，從而提高土地的生產(chǎn)力和土地利用的效益。通過對土地利用進行結(jié)構(gòu)性調(diào)整，把農(nóng)用地、建設(shè)用地等各類用地結(jié)合起來，加強農(nóng)業(yè)和二、三產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系，使得土地能夠獲得更高的經(jīng)營效益。

3.2.4 在城市化進程中開展“兩舊”改造。①對小店區(qū)的城鎮(zhèn)化水平進行合理預(yù)測，制定合理的城鎮(zhèn)化策略，使小店區(qū)城鎮(zhèn)化粗放發(fā)展的局面得到改善；②通過對城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施、社會設(shè)施進行統(tǒng)籌安排和調(diào)控，使其能夠更好地滿足區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展、城市空間布局和城鎮(zhèn)建設(shè)的需要；③在城鎮(zhèn)化進程中，要切實加大城中村和舊城改造力度，進一步消除城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)，盤活城中村的土地使用效益，使得城市土地資源得到高效利用。

3.2.5 大力保護生態(tài)環(huán)境資源。嚴格執(zhí)行城市“三線”控制管理措施，嚴格遵守城市耕地的最低標準。大力發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，以生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)林業(yè)、生態(tài)旅游為開發(fā)重點，實現(xiàn)土地資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。加強對小店區(qū)山林湖草系統(tǒng)的治理工作，嚴格遵守生態(tài)保護紅線的范圍并執(zhí)行相關(guān)生態(tài)保護的管理制度。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文以小店區(qū)為例，通過利用ENVI軟件對小店區(qū)進行面向?qū)ο蟮挠跋窠庾g，提取出小店區(qū)主要的用地類型并對精度進行分析，得出小區(qū)土地利用的現(xiàn)狀及存在的問題，得到以下結(jié)論：①在遙感影像的提取過程中，通過基于樣本的分類方法對影像進行分割和分類后得到，小店區(qū)農(nóng)用地面積約占44%，其中耕地面積約占72.73%，林地、園地面積約占27.27%，建設(shè)用地約占49%，水體約占5%，未利用土地約占2%，并不符合小店區(qū)的土地利用總體規(guī)劃相關(guān)要求。存在生態(tài)用地占土地總面積比例小，土地利用結(jié)構(gòu)不合理，土地利用的集約程度不高，后備耕地資源不足且整治難度大等問題。②根據(jù)小店區(qū)土地利用中存在的問題，提出要制定科學(xué)的土地利用總體規(guī)劃、嚴格遵守耕地紅線以防止土地的無序擴張、提高土地資源利用效率、在城市化進程中加大“兩舊”改造的力度、大力保護生態(tài)環(huán)境資源等對策來進行解決。

4.2 討論

一方面，在影像的提取過程中，雖然最終精度較高，但是由于樣本選取的不足，依然會有某些地物被錯分或漏分的狀況出現(xiàn)。另一方面，本文以較為主觀的目視觀察結(jié)果對比得出的分割尺度來進行遙感影像的分割，宜在日后的研究中進行改進。