深圳市土地利用变化机制分析_史培军
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表 1 深圳土地利用的数据一览表
Tab. 1 Data resources used in the research of land-use in Shenzhen City
数据类型 Lands at M SS Lands at TM Lands at TM 土地利用图 土地利用图 地形图 交通图 社会经济统计数据
1 土地利用变化的定量研究方法
国际上对土地利用变化的研究主要在 GIS 的支持下, 通过对不同时期的遥感影像或土 地 利 用 图 进 行 空 间 叠 加 运 算, 求 出 各 时 期 土 地 利 用 类 型 的 转 移 矩 阵 ( Convertion M at rix ) [ 10] , 进而分析引起土地利用变化的过程。利用多时相遥感信息测量土地利用变化的 方法, 主要是通过对地物的光谱直接比较和对分类结果的比较。由于不同时期大气状况、太 阳高度角、土壤湿度、物候、传感器波段、分解能力等因素对影像光谱的影响, 光谱直接 比较法就必须进行光谱的标准化, 目前尚没有很成熟的、严密的标准化技术[ 11] ; 分类结果 比较法主要是对各时期影像进行分类, 通过对分类结果的比较, 来确定变化域和变化类型, 但由于不同时期分类结果的误差累积, 影响最终对土地利用变化的判别精度[ 11, 12] 。因此, 参 考同时期、高精度的多种地面数据、提高土地利用分类精度极为关键。 1. 1 几何纠正研究区遥感影像
区域土地利用变化的研究目前已成为 “全球环境变化的人文因素计划 ( IHDP ) ”的重要 组成部分[ 1] , 土地利用/ 土地覆盖 ( LU CC) 作为 IHDP 的核心科学计划经过 90 年代以来的 努力, 目前已见到一些研究成果陆续发表[ 2] 。其中对土地利用/ 土地覆盖的测量一直作为土 地利用/ 土地覆盖研究的重要基础, 受到 IHDP 组织者的高度重视[ 3] 。土地利用变化的驱动 力主要取决于经济、技术、社会以及政治的变化[ 2] , 因而受到研究者的高度重视[ 1] 。区域土 地利用积累性的变化对全球变化的影响极为深刻, 即通过影响地表净第一性生产力的变化, 并通过生物地球化学循环过程, 影响大气中的化学成分变化, 进而导致全球或区域性的气 候变化[ 4] 。因此, 通过利用遥感对地观测技术, 揭示其空间变化规律, 分析引起变化的驱动 力, 建立区域土地利用变化驱动力模型, 已成为当前国际上开展土地利用、土地覆盖研究 的最新动向[ 5] 。
P
k+ i
1(
x
j
)
=
8
∑ P (k) i
(
x
j
)
Pl( xj )
l= 1
∑ ∑ P
( i
k)
(
x
j
)
Pl( xj )
j
l
( 1-1)
式中 k 为调整次数, l 为 ai 相邻的 8 个象元。直至 A k+ 1 - A k ≈0 为止 ( A 为不确定象元
的数目) 。之后再用最大似然判别法进行分类。3 个时期土地利用分类结果如图 2。 参考同期的地面资料, 通过随机选取若干样本区, 计算其分类混淆矩阵和 Kappa 指数,
收稿日期: 1999-05-20; 修订日期: 1999-10-16 基金项目: 国家自然科学基金重大项 目 ( 39899374 ) ; 教育部跨世纪青年培养基金 ( 1998) ; 日本全球 环境战略所
( IG ES ) 项目 [ Foundati on I tem: N at ional N at ur al Science Foundation of Ch ina, N o. 39899374; Trans - cen tu ry Foundat ion for Y out h D evelopment , M inist ry of St at e Educat ion of China ( 1998) ; Project of In st it ut e for G lobal Environment al S t rat egy, U E , J apan. ] 作者简介: 史培军 ( 1959-) , 男, 陕西靖边人, 教授, 理学博士。E-mail: spj@ bnu . edu. cn
参照 A nderson J R 的分类体系[ 5] , 将研究区的土地利用类型划分为: 高密度城市用地、
2 期 史培军 等: 深圳市土地利用变化机制分析
15 3
中低密度城市用地、农田、果园、灌草地、林地、水
体、湿地和裸地, 共 9 大类。依据图 1 的测量流程,
通过与训练区得到的结果参数相对比, 计算影像各
0. 00 0. 00 14. 98 3. 27 21. 41 26. 77 5. 36 38. 48 7. 31 46. 23
3. 15 0. 06 2. 27 0. 50 0. 61 46. 83 9. 38 12. 53 0. 00 0. 03
6. 37 1. 30 1. 15 0. 25 3. 43 17. 9 3. 59 53. 3 0. 43 2. 71
15 2
地 理 学 报 55 卷
人们揭示城市化过程中的土地利用变化规律及其驱动力机制, 提供了极为难得的条件。与 此同时, 迅速发展的遥感对地观测技术, 为研究城市化进程中土地利用时空格局的快速变 化提供了技术保障。本文使用表 1 的基本数据, 试图揭示深圳市改革开放以来土地利用变 化的机制[ 9] 。
字表示的数值) , 然后根据原始转移矩阵求出两个时期不同土地利用类型之间的相互转化率
( 表 2、表 3 中以宋体字表示的数值) , 得到土地利用转换矩阵表, 如表 2、表 3 所示。
表 2 深圳 1980～1988 年土地利用转换矩阵
Tab. 2 The land-use change matrix f rom 1980～1988 in SHenzhen
依据图 1, 对研究区 3 个时期的土地利用进行了定量的测量。以 1994 年 1∶4. 5 万的地 形图为基准, 采用三次多项式及最近领域插值法对各期遥感影像进行了几何纠正, 经检验 配准误差不到一个象元。在纠正后的遥感影像上, 提取的研究区有效面积为 1 785. 4 km2, 其中不包括 深圳市 龙岗区 东部的 部分区 域。以 1994 年的 T M 影像为 基准, 应 用 SCR ( Scat t ergram Cont rolled R egression) 方法, 以一次线性回归 Y k= akX k + bk 的形式, 对不同 时期的遥感影像进行了简易标准化[ 14] 。1980 年的 MSS 影像由于与 T M 波段不整合, 未作 标准化处理。 1. 2 土地利用分类与土地利用变化转移矩阵计算
69. 98 3. 52 5. 59 1. 23 4. 11 69. 81 13. 98 51. 29 1. 68 10. 61
15. 19 0. 23 422. 5 92. 74 92. 51 15. 50 3. 10 3. 39 5. 61 35. 47
0. 00 0. 00 4. 94 1. 08 1. 38 183. 1 36. 67 51. 09 0. 14 0. 90
1988 年 高密度 中、低密度
1980 年
城镇用地 城镇用地
中、低密度城镇用地 0. 36
4. 79
水体 1. 04
农田 0. 00
湿地 0. 00
林地 0. 22
裸地 0. 44
果园 0. 00
合计 ( 占有率/ % ) 6. 85
B C 水体
B C 农田 B C 湿地 B
Βιβλιοθήκη Baidu
5. 31 17. 45 0. 13 0. 03 6. 05 1. 00 0. 20 47. 94 0. 00 0. 00
0. 00
0. 00
( 0. 38)
15 4
地 理 学 报 55 卷
对任意两期土地利用类型图 A ki×j 和 A , ki×+ j1 按照下式的地图代数方法, 可以求得
Ci×j =
Ak i×j
× 10 +
A
k+ 1 i×j
(
土地利用类型
<
10 时适用)
由 k 时期到 k + 1 时期的土地利用变化图 Ci×j , 它表现了土地利用变化的类型及其空间分 布。据此可以求得土地利用类型相互转化的数量关系的原始转移矩阵 ( 表 2、表 3 中以黑体
( 1. 北京师范大学资源科学研究所, 教育部环境演变与自然灾害开放研究实验室, 北京 100875; 2. 日本九州大学工学院环境系统研究所, 九州, 日本)
摘要: 利 用 1980、1988、1994 年的遥感影像, 通过应用最大似 然法和概率松弛法对深圳市土地 利用进行了测量。在此基础上, 运用分类结果比较法求 得研究区土地利用变化的转移矩阵, 据 此分析了深圳市 15 年来土地 利用变化的空间过程。结果表明: 深圳市土地利用变化主要表现为 原有农田、果园用地显著减少, 城镇用地沿海岸和主要 公路干线迅速增加。这一土地利用变化 的驱动力主要是深圳经济特区的开 放政策、城镇人口迅速增长、外资大量涌入和以房地产为主 的第三产业的快速发展。 关 键 词: 遥感图像; 土地利用变化测量; 驱动力; 中国深圳 中图分类号: F 301. 24 文献 标识码: A
对 3 期遥感影像的分类结果进行精度检验, 结果表明: Kappa 指数分别为 0. 71 ( 1980 年) 、 0. 86 ( 1988 年) 、0. 84 ( 1994 年) , 即均达到最低允许判别精度 0. 7 的要求[ 15] 。
图 2 深圳各时期土地利用状况 Fig . 2 T he distr ibutio n of land-use in Shenzhen in 1980, 1988, 1994
时间/ 段 1980-10-13 1988-12-10 1994-11-08 70 年代后期 80 年代后期 1994 年 1980、1989 年 1980～1994 年
分辨率
79 m 30 m 30 m 1∶50 万 1∶20 万 1∶4. 5 万 1∶50 万 市区、特区
特征 无云 无云 无云 概查图 详查图 基本地物要素 基本交通网 基本统计项目
象元 ai 属于土地利用类型 x j 的概率 P i ( x j ) , 由于
9
P i ( x j ) = 1, 可以根据最大 P i ( x j ) 是否大于 0. 7,
j= 1
将象元 ai 判定为确定象元或不确定象元。对于确定
象元直接用最大似然判别法进行分类; 对于不确定
象元, 进一步应用概率松弛法反复多次进行调整。
第 55 卷第 2 期 2000 年 3 月
地 理 学 报
ACT A G EOG RAPHICA SINICA
文章编号: 0375-5444 ( 2000) 02-0151-10
V o l. 55, N o . 2 M ar . , 2000
深圳市土地利用变化机制分析
史培军1, 陈晋2, 潘耀忠1
随着我国沿海开放战略的逐步深入[ 6] , 沿海开放城市的土地利用发生了前所未有的快 速变化。其中深圳市高速度的城市化进程, 引起了快速的土地利用变化[ 7, 8] 。
深圳市总面积 2 020. 5 km2。自 1980 年成为特区以来, 15 年间由一个人口 33 万、国内 生产总值 1. 5 亿元的沿海渔村小镇发展成为 1994 年拥有 336 万人口、国内生产总值达到 446. 5 亿元的大城市, 人口与国内生产总值分别比 1980 年增加 10. 18 倍和 297. 67 倍, 城市 化水平由 1980 年的 10% 达到 1994 年的 74% , 增加 7. 4 倍[ 7] 。深圳市高速的城市化过程为
来源 日本九州大学工学院 中国科学院地面站 中国科学院地面站 广东省国土局 深圳市国土局 深圳市国土局 深圳市国土局 深圳市统计信息局
典型区调查土地 利用数据
1992～1998 年
深 圳 市 特 区、深 圳 市 宝 安 区、深 圳市典型区镇
利 用 G PS 现 场 记 录土地利用类型
北京师范大学资 源科学研究所、 环境演变与自然 灾害实验室、深 圳市环保局
Tab. 1 Data resources used in the research of land-use in Shenzhen City
数据类型 Lands at M SS Lands at TM Lands at TM 土地利用图 土地利用图 地形图 交通图 社会经济统计数据
1 土地利用变化的定量研究方法
国际上对土地利用变化的研究主要在 GIS 的支持下, 通过对不同时期的遥感影像或土 地 利 用 图 进 行 空 间 叠 加 运 算, 求 出 各 时 期 土 地 利 用 类 型 的 转 移 矩 阵 ( Convertion M at rix ) [ 10] , 进而分析引起土地利用变化的过程。利用多时相遥感信息测量土地利用变化的 方法, 主要是通过对地物的光谱直接比较和对分类结果的比较。由于不同时期大气状况、太 阳高度角、土壤湿度、物候、传感器波段、分解能力等因素对影像光谱的影响, 光谱直接 比较法就必须进行光谱的标准化, 目前尚没有很成熟的、严密的标准化技术[ 11] ; 分类结果 比较法主要是对各时期影像进行分类, 通过对分类结果的比较, 来确定变化域和变化类型, 但由于不同时期分类结果的误差累积, 影响最终对土地利用变化的判别精度[ 11, 12] 。因此, 参 考同时期、高精度的多种地面数据、提高土地利用分类精度极为关键。 1. 1 几何纠正研究区遥感影像
区域土地利用变化的研究目前已成为 “全球环境变化的人文因素计划 ( IHDP ) ”的重要 组成部分[ 1] , 土地利用/ 土地覆盖 ( LU CC) 作为 IHDP 的核心科学计划经过 90 年代以来的 努力, 目前已见到一些研究成果陆续发表[ 2] 。其中对土地利用/ 土地覆盖的测量一直作为土 地利用/ 土地覆盖研究的重要基础, 受到 IHDP 组织者的高度重视[ 3] 。土地利用变化的驱动 力主要取决于经济、技术、社会以及政治的变化[ 2] , 因而受到研究者的高度重视[ 1] 。区域土 地利用积累性的变化对全球变化的影响极为深刻, 即通过影响地表净第一性生产力的变化, 并通过生物地球化学循环过程, 影响大气中的化学成分变化, 进而导致全球或区域性的气 候变化[ 4] 。因此, 通过利用遥感对地观测技术, 揭示其空间变化规律, 分析引起变化的驱动 力, 建立区域土地利用变化驱动力模型, 已成为当前国际上开展土地利用、土地覆盖研究 的最新动向[ 5] 。
P
k+ i
1(
x
j
)
=
8
∑ P (k) i
(
x
j
)
Pl( xj )
l= 1
∑ ∑ P
( i
k)
(
x
j
)
Pl( xj )
j
l
( 1-1)
式中 k 为调整次数, l 为 ai 相邻的 8 个象元。直至 A k+ 1 - A k ≈0 为止 ( A 为不确定象元
的数目) 。之后再用最大似然判别法进行分类。3 个时期土地利用分类结果如图 2。 参考同期的地面资料, 通过随机选取若干样本区, 计算其分类混淆矩阵和 Kappa 指数,
收稿日期: 1999-05-20; 修订日期: 1999-10-16 基金项目: 国家自然科学基金重大项 目 ( 39899374 ) ; 教育部跨世纪青年培养基金 ( 1998) ; 日本全球 环境战略所
( IG ES ) 项目 [ Foundati on I tem: N at ional N at ur al Science Foundation of Ch ina, N o. 39899374; Trans - cen tu ry Foundat ion for Y out h D evelopment , M inist ry of St at e Educat ion of China ( 1998) ; Project of In st it ut e for G lobal Environment al S t rat egy, U E , J apan. ] 作者简介: 史培军 ( 1959-) , 男, 陕西靖边人, 教授, 理学博士。E-mail: spj@ bnu . edu. cn
参照 A nderson J R 的分类体系[ 5] , 将研究区的土地利用类型划分为: 高密度城市用地、
2 期 史培军 等: 深圳市土地利用变化机制分析
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中低密度城市用地、农田、果园、灌草地、林地、水
体、湿地和裸地, 共 9 大类。依据图 1 的测量流程,
通过与训练区得到的结果参数相对比, 计算影像各
0. 00 0. 00 14. 98 3. 27 21. 41 26. 77 5. 36 38. 48 7. 31 46. 23
3. 15 0. 06 2. 27 0. 50 0. 61 46. 83 9. 38 12. 53 0. 00 0. 03
6. 37 1. 30 1. 15 0. 25 3. 43 17. 9 3. 59 53. 3 0. 43 2. 71
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地 理 学 报 55 卷
人们揭示城市化过程中的土地利用变化规律及其驱动力机制, 提供了极为难得的条件。与 此同时, 迅速发展的遥感对地观测技术, 为研究城市化进程中土地利用时空格局的快速变 化提供了技术保障。本文使用表 1 的基本数据, 试图揭示深圳市改革开放以来土地利用变 化的机制[ 9] 。
字表示的数值) , 然后根据原始转移矩阵求出两个时期不同土地利用类型之间的相互转化率
( 表 2、表 3 中以宋体字表示的数值) , 得到土地利用转换矩阵表, 如表 2、表 3 所示。
表 2 深圳 1980～1988 年土地利用转换矩阵
Tab. 2 The land-use change matrix f rom 1980～1988 in SHenzhen
依据图 1, 对研究区 3 个时期的土地利用进行了定量的测量。以 1994 年 1∶4. 5 万的地 形图为基准, 采用三次多项式及最近领域插值法对各期遥感影像进行了几何纠正, 经检验 配准误差不到一个象元。在纠正后的遥感影像上, 提取的研究区有效面积为 1 785. 4 km2, 其中不包括 深圳市 龙岗区 东部的 部分区 域。以 1994 年的 T M 影像为 基准, 应 用 SCR ( Scat t ergram Cont rolled R egression) 方法, 以一次线性回归 Y k= akX k + bk 的形式, 对不同 时期的遥感影像进行了简易标准化[ 14] 。1980 年的 MSS 影像由于与 T M 波段不整合, 未作 标准化处理。 1. 2 土地利用分类与土地利用变化转移矩阵计算
69. 98 3. 52 5. 59 1. 23 4. 11 69. 81 13. 98 51. 29 1. 68 10. 61
15. 19 0. 23 422. 5 92. 74 92. 51 15. 50 3. 10 3. 39 5. 61 35. 47
0. 00 0. 00 4. 94 1. 08 1. 38 183. 1 36. 67 51. 09 0. 14 0. 90
1988 年 高密度 中、低密度
1980 年
城镇用地 城镇用地
中、低密度城镇用地 0. 36
4. 79
水体 1. 04
农田 0. 00
湿地 0. 00
林地 0. 22
裸地 0. 44
果园 0. 00
合计 ( 占有率/ % ) 6. 85
B C 水体
B C 农田 B C 湿地 B
Βιβλιοθήκη Baidu
5. 31 17. 45 0. 13 0. 03 6. 05 1. 00 0. 20 47. 94 0. 00 0. 00
0. 00
0. 00
( 0. 38)
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地 理 学 报 55 卷
对任意两期土地利用类型图 A ki×j 和 A , ki×+ j1 按照下式的地图代数方法, 可以求得
Ci×j =
Ak i×j
× 10 +
A
k+ 1 i×j
(
土地利用类型
<
10 时适用)
由 k 时期到 k + 1 时期的土地利用变化图 Ci×j , 它表现了土地利用变化的类型及其空间分 布。据此可以求得土地利用类型相互转化的数量关系的原始转移矩阵 ( 表 2、表 3 中以黑体
( 1. 北京师范大学资源科学研究所, 教育部环境演变与自然灾害开放研究实验室, 北京 100875; 2. 日本九州大学工学院环境系统研究所, 九州, 日本)
摘要: 利 用 1980、1988、1994 年的遥感影像, 通过应用最大似 然法和概率松弛法对深圳市土地 利用进行了测量。在此基础上, 运用分类结果比较法求 得研究区土地利用变化的转移矩阵, 据 此分析了深圳市 15 年来土地 利用变化的空间过程。结果表明: 深圳市土地利用变化主要表现为 原有农田、果园用地显著减少, 城镇用地沿海岸和主要 公路干线迅速增加。这一土地利用变化 的驱动力主要是深圳经济特区的开 放政策、城镇人口迅速增长、外资大量涌入和以房地产为主 的第三产业的快速发展。 关 键 词: 遥感图像; 土地利用变化测量; 驱动力; 中国深圳 中图分类号: F 301. 24 文献 标识码: A
对 3 期遥感影像的分类结果进行精度检验, 结果表明: Kappa 指数分别为 0. 71 ( 1980 年) 、 0. 86 ( 1988 年) 、0. 84 ( 1994 年) , 即均达到最低允许判别精度 0. 7 的要求[ 15] 。
图 2 深圳各时期土地利用状况 Fig . 2 T he distr ibutio n of land-use in Shenzhen in 1980, 1988, 1994
时间/ 段 1980-10-13 1988-12-10 1994-11-08 70 年代后期 80 年代后期 1994 年 1980、1989 年 1980～1994 年
分辨率
79 m 30 m 30 m 1∶50 万 1∶20 万 1∶4. 5 万 1∶50 万 市区、特区
特征 无云 无云 无云 概查图 详查图 基本地物要素 基本交通网 基本统计项目
象元 ai 属于土地利用类型 x j 的概率 P i ( x j ) , 由于
9
P i ( x j ) = 1, 可以根据最大 P i ( x j ) 是否大于 0. 7,
j= 1
将象元 ai 判定为确定象元或不确定象元。对于确定
象元直接用最大似然判别法进行分类; 对于不确定
象元, 进一步应用概率松弛法反复多次进行调整。
第 55 卷第 2 期 2000 年 3 月
地 理 学 报
ACT A G EOG RAPHICA SINICA
文章编号: 0375-5444 ( 2000) 02-0151-10
V o l. 55, N o . 2 M ar . , 2000
深圳市土地利用变化机制分析
史培军1, 陈晋2, 潘耀忠1
随着我国沿海开放战略的逐步深入[ 6] , 沿海开放城市的土地利用发生了前所未有的快 速变化。其中深圳市高速度的城市化进程, 引起了快速的土地利用变化[ 7, 8] 。
深圳市总面积 2 020. 5 km2。自 1980 年成为特区以来, 15 年间由一个人口 33 万、国内 生产总值 1. 5 亿元的沿海渔村小镇发展成为 1994 年拥有 336 万人口、国内生产总值达到 446. 5 亿元的大城市, 人口与国内生产总值分别比 1980 年增加 10. 18 倍和 297. 67 倍, 城市 化水平由 1980 年的 10% 达到 1994 年的 74% , 增加 7. 4 倍[ 7] 。深圳市高速的城市化过程为
来源 日本九州大学工学院 中国科学院地面站 中国科学院地面站 广东省国土局 深圳市国土局 深圳市国土局 深圳市国土局 深圳市统计信息局
典型区调查土地 利用数据
1992～1998 年
深 圳 市 特 区、深 圳 市 宝 安 区、深 圳市典型区镇
利 用 G PS 现 场 记 录土地利用类型
北京师范大学资 源科学研究所、 环境演变与自然 灾害实验室、深 圳市环保局