研究地域變化可用的方法

1. 雲南麗江地區土地利用變化的遙感檢測與分析

李喆¹ 馬潤賡²

（1.北京大學遙感與地理信息系統研究所，北京，100871；2.中國地質大學地球科學與資源學院，北京，100083）

摘要：利用1999年2月和2001年4月2幅TM影像資料和其他輔助資料為資料源，對主成分分析處理後的遙感影像進行計算機自動識別，採用人機互動式解譯方法獲得各種土地利用類型分布信息，並使用地理信息系統的空間分析和數理統計功能分析麗江壩子地區土地利用變化的數量變化，土地利用動態度等特徵，以及各類型之間的轉化情況。結果表明：本區域耕地面積增加了0.27km²，城鄉用地面積增加了0.19km²，水體面積減少了0.11km²，林地和草地基本保持不變；各類型的轉化突出表現為水域向城鄉用地，未利用土地向城鄉用地和耕地轉換。

關鍵詞：土地利用變化；馬爾柯夫矩陣；雲南麗江地區；遙感和 GIS

區域土地利用/覆被變化（LUCC）是全球環境變化研究中的重要領域之一。土地利用變化數據可以提供研究區域土地利用狀況的現實狀況，保證國家及時、准確地掌握土地利用變化情況，為制定國民經濟發展規劃、計劃和宏觀決策提供科學依據^［1］。土地利用變化包括時間變化、空間變化和質量變化等三個方面，其中空間變化反映土地利用變化的空間類型、變化類型的空間分布以及區域差異，是土地管理和規劃關注的焦點問題^［2］。這一問題的解決關鍵在於如何提取土地利用變化數據以及如何對獲取的信息進行科學的分析處理。遙感技術以其快速、准確、周期短等優點在大中尺度的土地利用/覆蓋變化的監測中具有明顯的優勢。本文利用遙感和 GIS 相結合的方法，通過數理統計分析，描述了麗江壩子地區1999～2001年間土地利用的數量變化和空間變化特徵，為該區域土地管理決策、生態環境保護、資源合理開發等奠定了基礎，對於區域土地可持續發展和利用具有重要意義。

1 研究區概況

麗江位於雲南省西北部^［3］，金沙江中游，地理坐標為：99°23′E～101°31′E，25°59′N～27°56′N。四周分別與迪慶州、怒江州、大理州、楚雄州和四川省攀枝花市、涼山州毗鄰，轄麗江納西族自治縣、寧蒗彝族自治縣、永勝縣和華坪縣，國土總面積有931.02km²。由於地處青藏高原和雲貴高原的結合部，屬橫斷山區，地形復雜，山高谷深，長期自然環境相對封閉，形成具有典型特點的垂直自然帶和立體氣候，動植物區系極為復雜，珍稀野生動植物豐富。全區總人口109 萬，包括漢、納西、彝、傈僳、藏、白、普米等23個民族，其中少數民族人口佔57%^［3］。

2 研究方法

2.1 研究資料

分別拍攝於1999年2月和2001年4月2幅 LANDSAT－TM 圖像，地面解析度為30m，在研究區域內沒有雲層覆蓋，質量較好；另有1∶1 萬地形圖和1∶5 萬土地利用圖，用於輔助訓練樣區的選擇和目視解譯；還有其他統計資料（氣象、水文、人口、土壤、社會經濟）等。

2.2 主要工作流程

使用遙感圖像信息進行變化檢測的方法主要有三種：分類後比較法，多時相圖像直接求交法和多時相圖像分類法^［4］。多時相圖像直接求交法要求兩個時相比較接近，檢測變化信息一般使用圖像差值、比值或主成分分析，操作簡單，但是得不到變化的具體地物類型。本文所使用遙感圖像時間差異接近3個月，不宜使用直接求交法。多時相圖像分類法在使用時要使用靜態類型和動態類型，動態類型的訓練樣本一般不易確定。本文主要使用分類後比較法。

本研究的主要工作流程如圖1 所示：首先使用 PCI 軟體分別對2 幅 TM 圖像進行圖像預處理（如幾何糾正等），並分別對以上兩個時相的影像做主成分分析，然後充分結合各種知識（如地形圖，植被圖等）進行監督分類^［3］。監督分類時採用《中國土地利用現狀調查技術規程》規定，將土地利用類型劃分為：耕地，林地，草地，水域，城鄉工礦居民地和未利用土地共6 類。採用人機互動式方法判讀分類結果，並將解譯結果以柵格形式轉入地理信息系統軟體 ARC GIS 中進行數據處理，對二期數據進行空間疊置分析，獲得土地利用變化數據，以此為基礎進行土地利用動態變化分析。

圖1 項目主要工作流程圖

2.3 幾個關鍵技術的處理

2.3.1 遙感圖像的幾何配准

兩個時相遙感圖像的幾何配準是動態變化研究的基礎。為了便於利用地學信息進行輔助分析，可以將遙感圖像配准到大地坐標系中。本文選擇1∶1 萬地形圖為基準，在遙感圖像上均勻選擇12個地面控制點，使用二次多項式擬合，灰度采樣方式為雙三次卷積，進行幾何配准和灰度重采樣處理。結果總體均方誤差為0.624，配准誤差小於1個像元，滿足土地利用動態監測的要求。

2.3.2 遙感圖像的主成分分析

主成分分析（又稱主分量變換）是一種盡可能不丟失信息用幾個綜合性指標匯集多個變數的測量值而進行描述的方法^［5］。在多光譜圖像中，由於各波段的數據間存在相關的情況很多，通過主成分分析就可以把圖像的大部分信息用少數波段表示出來，使得信息幾乎不丟失但數據量可以減少。本文分別對於二期 LANDSAT－TM 圖像的除熱紅外波段的6個波段採用主成分分析，把獲得的第一到第三主成分進行彩色合成，得到處理後的結果圖像。

2.3.3 結果數據的生成

根據各種輔助資料，在經過主成分分析處理後的二期遙感圖像上選擇6個土地利用類型的訓練樣本，採用最大釋然法進行計算機自動識別。由於遙感影像上存在同物異譜、異物同譜以及混合像元等情況，計算機自動識別在某些類別的區分上不太理想，例如未利用土地和城鎮用地極易發生混淆。實際工作還需要輔助各種實測資料進行目視修正，以得到兩個時相的最終分類結果，然後將分類結果以柵格形式轉入地理信息系統軟體ARC GIS中，對二期數據進行空間疊置分析，獲得土地利用變化數據，並進行必要的數理統計，以便結果分析使用。

3 結果分析

3.1 土地利用變化幅度分析

區域土地利用變化幅度主要體現在不同土地利用類型的面積總量變化上，可以提供區域土地利用變化總態勢和土地利用結構變化信息。

利用二期遙感資料，對麗江壩子地區兩期土地利用數據進行統計分析，得到結果見表1。

表1 1999～2001年土地利用變化表

表1說明，3年來本區域耕地面積增加了0.27km²，城鄉用地面積增加了0.19km²，水體面積減少了0.11km²，林地和草地則基本保持不變。

3.2 土地利用動態度分析

土地利用動態度可以簡單採用單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度來描述^［6］。其中單一土地利用動態度可定量描述區域一定時間范圍內某種土地利用類型變化的速度，可提供土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢；綜合土地利用動態度用於表徵區域土地利用變化的速度。

單一土地利用動態度公式表達式為：

土地信息技術的創新與土地科學技術發展：2006年中國土地學會學術年會論文集

式中，U_a，U_b分別表示研究初期及研究末期某一種土地利用類型的數量；T表示研究期時段長。

綜合土地利用動態度表達式為：

土地信息技術的創新與土地科學技術發展：2006年中國土地學會學術年會論文集

式中，LU_i 表示研究初期第 i 地物類研究末期轉為其他土地利用的面積；ΔLU_i 表示第i地物類研究末期轉為其他土地利用類型的面積；T表示研究時段。

根據公式（1）和（2）計算麗江壩子地區土地利用六種類型的年變化率。結果說明，1999～2001年麗江壩子地區土地利用的年變化率為0.17%，其中城鄉用地和未利用地變化速度最大，年變化率分別達到0.36%和0.21%，林地和草地基本保持不變，耕地和水域的年變化率分別為0.15%和0.09%。

3.3 土地利用區域差異分析

由於地形地貌和氣候等自然條件差異，經濟發展和人口增長速度不同，使得土地利用區域差異顯著。對於土地利用變化的區域差異，可用某一特定土地利用類型相對變化率來表示。相對變化率是一種很好地反映土地利用變化區域差異的方法，其表達式為：

土地信息技術的創新與土地科學技術發展：2006年中國土地學會學術年會論文集

式中，K_b、K_a分別代表某區域某特定土地利用類型研究初期和研究末期的面積；C_b、C_a分別代表全區域某特定土地利用類型研究初期和研究末期的面積。

根據行政區劃，將麗江劃分成麗江縣、寧蒗縣、永勝縣和華坪縣4個區域，根據遙感數據分別計算6 種土地利用類型的相對變化率，其結果見表2。

表2 1999～2001年土地利用區域差異表

從表2中可以看出，土地利用變化存在明顯差異：①就耕地而言，麗江縣最大，達到1.53，明顯大於永勝縣，寧蒗縣和華坪縣也大於永勝縣；②林地，草地，水域變化各區域差異不大；③城鄉用地的區域差異最為明顯，麗江縣大於其他3縣很多，達到5.36；④未利用地的變化在華坪縣較突出，約為4.89，幾乎是永勝縣的3倍。

3.4 土地利用類型轉換矩陣分析

土地利用類型之間的相互轉化情況，可採用馬爾柯夫轉移矩陣模型來進一步描述^［7］。馬爾柯夫鏈是一種具有「無後效性」的特殊隨機過程，它反映的是一系列特定時間間隔下，一個亞穩定系統由n時刻向n＋1 時刻狀態轉換的一系列過程中，n＋1 時刻的狀態只與n時刻的狀態有關。由於土地利用類型演變具有馬爾柯夫隨機過程的性質：①一定區域內，不同土地利用類型之間具有相互可轉化性；②土地利用類型之間的相互轉化過程包含著較多尚難用函數關系准確描述的事件，故可採用馬爾柯夫轉移矩陣模型來描述土地利用類型動態轉換。

馬爾柯夫模型在土地利用類型轉化上應用的關鍵是確定土地利用類型之間相互轉化的轉移概率矩陣P。若採用斑塊相互之間面積的轉移概率為矩陣元素，則轉移矩陣模型為：

土地信息技術的創新與土地科學技術發展：2006年中國土地學會學術年會論文集

式中，P_ij為土地利用類型i轉化為土地利用類型j的轉移概率。

遙感圖像計算機自動識別中得到的土地利用變化轉移概率矩陣如表3所示。

表3 1999～2001年土地利用變化轉移概率矩陣單位：%

從表3可以看出：

（1）耕地的增加量主要是來自草地和未利用地，分別佔1.51%和0.21%，減少量大部分轉化為未利用地和草地，各佔4.46%和2.10%。

（2）林地的增加量主要來自於草地和耕地，各有4.06%和1.06%，有1%的林地轉換為草地。

（3）草地的增加量中有2.10%和 1.00%來自於耕地和林地，減少量中有 4.06%和1.51%分別轉化為林地和耕地。

（4）水域有2.32%轉化為城鄉用地，有0.36%轉化為未利用地，有0.18%轉化為林地，表明水體的減少主要受人為因素影響。

（5）城鄉用地的增加主要來自於耕地、未利用地和水域，分別占 0.74%、0.61%和0.39%。

（6）城鄉用地、耕地、草地和林地各有 17.06%、4.46%、0.93%和 0.58%轉化為未利用地，表明本區域土地利用狀況不太好，大量的農田遭到佔用卻未合理開發。

4 結論

土地利用/土地覆被變化（LUCC）研究旨在深入了解土地利用狀況及其變化的動態過程、主導原因及演化機理，以提高人們對土地利用變化的預測、管理、決策和調控能力，對於其數據的獲取和分析處理十分重要。通過對本次研究獲得數據的分析，可以得到如下結論：

（1）1999～2001年間雲南麗江壩子地區的土地利用狀況發生一定的變化。3年來耕地面積增加了0.27km²，城鄉用地面積增加了0.19km²，水體面積減少了0.11km²，林地和草地基本保持不變；各類型的轉化突出表現為水域向城鄉用地、未利用土地向城鄉用地和耕地轉換。

（2）土地利用的年變化率為 0.17%。其中城鄉用地增加速度最快，以平均每年0.36%的速度遞增，未利用地則以0.21%的速度遞減，林地和草地基本保持不變。

（3）土地利用類型相互間的轉化突出表現為水域向城鄉用地，未利用土地向城鄉用地和耕地轉換。3年來本區域共有0.068km² 即2.32%的水域面積轉換為城鄉用地，未利用土地中有0.14km² 和 0.07km² 轉化為城鄉用地和耕地，分別占未利用土地面積的17.06%和5.46%。

參考文獻

［1］朱會議，李秀彬，何書金等.環渤海地區土地利用的時空變化分析［J］.地理學報，2001，56 （3）：253～260

［2］王思遠，劉紀元，張增祥等.近10年中國土地利用格局及其演變［J］.地理學報，2002，57 （5）：523～530

［3］麗江地區地方誌辦公室.麗江年鑒（1997） ［M］.昆明：雲南民族出版社，1997，293～294

［4］李天宏，韓鵬.廈門市土地利用/覆蓋動態變化的遙感檢測與分析［J］.地理科學，2001，21 （6）：537～544

［5］村井俊治等.遙感精解［M］.北京.測繪出版社，1993，12：194～196

［6］王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討［J］.地理科學進展，1999，18 （1）：81～87

［7］李忠峰，王一謀，王建華等.基於RS與GIS的榆林地區土地利用變化分析.水土保持學報，2003，6：97～99

2. 城市地域結構的研究簡況

20世紀以來城市化過程加速，城市人口大大增長，用地規模不斷擴展，城市內部的工業、交通、商業和居住區等布局結構日趨復雜。為了揭示和解釋城市成長的規律，各國學者特別是美國學者對城市地域結構作了種種 理論概括。歸納起來，主要有3種：同心帶學說
主要是由芝加哥大學的一些社會學家，特別是E.W.伯吉斯於1925年提出的。伯吉斯通過對美國芝加哥的研究，總結出城市社會人口流動對城市地域分異的5種作用力:向心，專門化，分離，離心，向心性離心。在這些作用力的綜合作用下，城市地域產生了地帶分異。按照這種理論，一般城市發展的結構形式可劃分為5個圓形地帶（圖1）。 城市地域結構
扇形（楔形）學說
1939年由美國的H.霍伊特提出。他認為城市的發展總是從城市的中心出發，沿著主要的交通干線或沿著阻礙最少的路線向外放射，沿交通線向外伸展的地區又有不同的特點（圖2）。城市地域結構
扇形學說是從許多城市的比較研究中抽象出來的，在研究方法上比同心圓學說進了一步。但這種學說仍沒有脫離城市地域的圈層概念，其最大的缺陷是依靠房租單一指標來概括城市地域的發展運動，忽視了其他因素。
多核心學說
1945年由芝加哥大學著名地理學家C.D.哈里斯和E.L.厄爾曼提出。根據作者分析，大部分人口50萬以上的美國大都市都可分為：中心商業區、批發商業和輕工業區、重工業區、住宅區和近郊區，還有一些相對獨立的衛星城鎮（透3）。 城市地域結構
哈里斯和厄爾曼的多核心說考慮了城市地域發展的多元結構，觸及地域分化中各種職能的結節作用。
以上 3種理論都反映了城市發展和內部結構中的兩種彼此矛盾的趨向，即城市的離心傾向和向心傾向，但用來指導實踐有一定的局限性。此外,還有將這3種學說互相中和的折衷學說和三地帶學說，等等。現代城市地域變動很大，很難用模式圖的方法了解城市地域的本質。因此許多學者採用分析城市地域結構中存在的結節性和均質性這兩個最基本特性的方法，劃分結節地域。他們認為城市地域中存在一些對人口和物質能量流動起到聚焦作用的結節點，這些結節點起作用的區域稱為吸引區，而吸引區與結節點的組合就是結節地域。

3. 人文地理學分析方法有哪些

一、人文地理學研究的調查研究方法

地理社會調查
科技文獻資料
地理調查和信息獲取的新技術與新方法
區域地理方法：描述、比較和歸納

二、人文地理學研究的空間模型方法

（一）人文地理學研究的主要數學模型
統計分析模型規劃與管理模型系統分析模型
（二）數學方法在人文地理學中的應用
分布型分析相互關系分析類型研究 網路分析 趨勢面分析 空間相互作用分析 系統模擬研究 過程模擬與預測研究 空間擴散研究 空間行為研究 地理系統優化調控研究

三、人文地理學研究的社會學方法

（一）人文地理學中的現象學方法
（二）時間地理學方法
（三）人文地理學研究的社會生態方法

四、人文地理學研究的系統分析方法

系統分析是對系統要素的性質、功能、相互關系進行分析，對系統的各種不確定因素、系統的組織、結構、狀態和可能的變化，通過綜合處理，建立模型，反復驗證，以作出判斷，並提出抉擇方案。

4. 研究地理的方法

19世紀德國A.von洪堡把自然界作為互相聯系、互相影響的一個整體，對不同地域不同環境的現象進行比較研究，創立地理比較法。當初的地理比較法僅限於直觀的地理比較，即通過地理考察搜集大量第一手資料，直接進行或採用地圖方法進行地理要素之間或區域地理特徵之間的分析對比，形成對地理環境的認識。此後，與抽象概括和數量表達有關的許多新方法逐步引入地理學研究，以代替單純描述性的方法，促進了地理學研究方法的革新。主要有地理定位研究、數學方法、遙感方法、系統方法和模擬法等。新方法的使用促使地理學由純粹的定性研究逐步走向定性與定量相結合，由靜態研究走向動態研究，由單純的資料累積走向機制探討，乃至趨勢分析，使地理學步入現代科學的行列。

5. 地名學的研究方法

地名學的研究方法主要是綜合研究法，但根據研究內容和目的不同，又有不同的側重。如研究地名語源、語音和含義，重點採用語言分析法；研究地名的發生和發展規律，多採用歷史比較法；研究地名現象的數量關系，多採用統計法；研究地名的分布規律和名地關系，多採用地理和地圖制圖法 ；實地調查法對解決文獻中的疑難問題和收集地名語音、方言詞義、民間詞源等是必不可少的。整理古今文獻中的地名資料，也是地名研究的重要方法。
對於地名學在科學中的地位，目前有不同看法。有的學者認為地名是語言現象，因而把地名學納入語言學的范圍， 屬於專名學的一個分支。部分學者認為地名是特定地理實體的指稱，任何地名都有地域性的特點，應屬地理學的分支。
一些學者認為地名是歷史的產物，應屬歷史學的分支或是歷史地理學的分支。還有的學者認為地名是人類文化的一個寶庫，應屬文化人類學的分支。誠然，名學與語言、地理、歷史、測繪、民族、民俗、考古等學科有關，但它不是孤立地藉助於一個學科的資料和研究方法就能取效的，考慮到地名學有自己的特殊研究對象——地名，並已逐漸形成了自己特有的方法——綜合研究法。因此，不少學者主張地名學是一門與多種學科有關的獨立學科。
地名學的研究意義在於：在對大量地名進行語詞分析、沿革考證的基礎上，進一步從整體上探索地名的產生、發展及其分布規律，對於實現地名標准化，克服一地多名、一名多地、寫法分歧、用字生僻、位置不清、類型不明等現象有重要意義 ；清理外來地名和含義不妥的地名，有利於維護國家領土的主權和民族的尊嚴，以及國內各民族的團結；地名單一羅馬化，有利於日益增多的政治、經濟，科學、文化的國際交流 ；通過地名與自然和社會環境之間關系的研究，對發展科學、文化、經濟建設可提供重要參考資料。