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摘 要：以湘潭市2001年、2005年和2009年三期TM遥感影像作为数据源，应用监督分类、非监督分类和决策树分类相结合的方法获取土地利用动态变化信息，利用GIS技术研究湘潭市土地利用类型变化情况、类型转化状况及变化程度。湘潭市土地利用类型以耕地和林地为主，2001-2009年耕地、草地、水域和未利用地面积持续减少，其中耕地面积减幅最大；建设用地和林地面积不断增加，其中林地面积先减后增，建设用地面积则持续增加；在土地利用空间格局转化中，耕地大部分转化为建设用地，小部分转化为林地，草地、水域和未利用地主要转向建设用地和林地；在土地利用变化程度上，2001-2004年为0.111，2005-2009年为0.268，土地利用变化程度不断增大。结果表明两型社会建设加快了湘潭市土地利用/覆被变化的速度。
关键词：两型社会；土地利用/覆被变化；监督分类；决策树分类；转移矩阵
中图分类号：TP753；P962 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1672-3309（x）.2013.02.38 文章编号：1672-3309（2013）02-94-04
一、引言
随着社会的发展和人口的增加，人口、资源与环境之间的矛盾越来越突出。土地资源是人类高度重视的自然资源之一，土地利用与土地覆被变化影响着全球生态环境与气候的变化，成为全球变化研究的热点之一[1]。LUCC的过程、趋势、驱动力及生态环境效应是研究的重点，运用定性与定量相结合的方法，从空间尺度和时间尺度进行相关研究成为LUCC研究的主要方法[2-4]。目前，LUCC研究已经成为可持续发展研究的核心，具有重要的现实性意义。湘潭市作为我国两型社会建设试验区重要组成部分，近年来，城市化进程不断加快，土地利用/覆被变化明显。在此形势下，如何高效的管理与利用土地资源已经成为当地政府亟待解决的问题。通过对该区域的土地利用与覆被变化进行研究，揭示湘潭市土地利用/覆被变化状况，为土地资源的可持续利用提供参考，为更好的促进两型社会的建设和发展提供依据[5-7]。
本文基于RS和GIS技术，利用湘潭市2001年、2005年和2009年3期遥感影像，通过非监督、监督分类和决策树分类相结合的方法获取土地利用变化动态信息，分析湘潭市土地利用的变化过程、类型转换情况和变化程度，为湘潭市两型社会建设乃至我国开发利用土地资源、进行生态环境保护、制定科学的两型社会建设决策提供依据。
二、研究区域概况
湘潭市位于湖南省中东部、湘江中下游，地跨111°58'、113°05'E，27°21'、28°05'N，总面积约为5010km2。全市辖湘潭市区、湘乡市、韶山市和湘潭县，其中市区由雨湖区和岳塘区组成。地势呈南部、西部和北部高，中部和东部低，总体起伏不大，较为平缓。地貌类型多种多样，山区、丘陵、岗地、平原和水面一应俱全。作为我国“两型社会”建设试验区之一，湘潭市既居于“长株潭”金三角的一角，又处于“衡邵”大三角的腹地，是湖南省的重工业基地和全国的商品粮基地。
三、研究方法
（一）数据来源
选取2001年、2005年和2009年三期Landsat TM、ETM遥感影像作为数据源，编号分别为P123R041（2001年12月29日1景、2005年7月17日1景、2009年10月24日1景）和P124R041（2001年1景、2005年7月16日1景、2009年1月16日1景），其他资料包括湘潭市行政区划图、交通道路图、水系图、30mDEM数据、土地利用现状图、1：5万等高线地形图，2001-2010年湖南省统计数据。
（二）分类体系
为便于影像解译及数据处理，土地利用分类之前须制定一套土地利用分类体系。研究参考国家土地利用现状分类体系以及实地勘察构建研究区域的土地利用分类体系，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。
（三）数据处理
1、矢量数据处理。湘潭市矢量数据以湖南省1：10万行政区划图、水系道路图作为数据源，应用ArcGIS9.3采用人工矢量化的方法获取。首先选择WGS_1984_UTM_ Zone_49N作为投影坐标系统；然后进行配准、人工矢量化；最后录入属性数据，获取湘潭市矢量格式的行政区划数据。依此方法获得湘潭市交通、水系矢量数据。
2、遥感影像处理。依据湘潭市1：5万等高线地形图选取控制点，统一定义WGS_1984_UTM_Zone_49N作为投影坐标系统并采用二次多项式对2001年、2005年和2009年三期TM影像进行几何校正，校正误差控制在1/3个像元之内；然后进行直方图匹配和影像拼接；最后在ERDAS9.2中用统一的行政边界进行影像裁切，获取研究区域的遥感影像。
对裁剪后的影像进行增强处理，以突出图像特征，使更好的进行遥感影像的分类。研究选取了比值拉伸处理、直方图均衡化、去霾处理和滤波处理四种方法进行研究区域的图像增强处理。
3、土地变化信息提取。首先，运用ENVI软件对遥感影像进行非监督分类和监督分类，初步获得研究区3期土地利用分类图；然后利用非监督分类和监督分类的结果，结合光谱信息和纹理特征信息[8-11]进行决策树分类[12、13]，获得研究区域的土地利用变化信息。对土地利用分类图进行人工修正，修改不正确的边界和错误的编码，同时利用ArcGIS9.3的拓扑功能建立斑块之间的拓扑关系，以保证数据的逻辑一致性；最后对解译结果进行野外抽样验证，并对错误的图斑进行修改。应用ArcGIS9.3的相关模块对土地利用矢量数据进行统计分析，提取土地利用变化信息，最终获得湘潭市土地利用的变化信息。
4、分类精度评价。总体分类精度是被正确分类的像元总和除以总像元数。被正确分类的像元数目沿着混淆矩阵的对角线分布，总像元等于所有真实参考源的像元总数。 Kappa系数是一种计算分类精度的方法，通过把所有地表真实分类中的像元总数N乘以混淆矩阵对角线（xkk）的和，再减去某一类地表真实像元总数与该类被分类像元总数之积对所有类别求和的结果，再除以像元总数的平方减去某一类地表真实像元总数与该类被分类像元总数之积对所有类别求和的结果[14]。其计算公式为：
通过ENVI软件对分类结果进行精度评价，分别计算了总体分类精度和Kappa系数，其评价结果如表1：
四、结果分析
（一）土地利用面积变化
土地利用变化包括土地利用类型的面积变化、类型转化和空间格局演变。面积变化首先反映在不同土地利用类型的总量变化上，通过分析不同类型的总量变化可以解析土地利用变化的总体趋势和土地利用结构的变化特征（表2）。类型转化和空间格局演变反映土地利用类型相互之间的转化，通过土地利用转移矩阵能够更直观的反映土地利用类型之间的相互转化（表3-4）。
（二）土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵是通过二维表来显示表达不同时段内同一区域不同土地利用类型的相互转换关系，从中能够快速查阅各种土地利用类型之间的相互转化情况。
利用ENVI软件的Change Detection Statistic功能做出2001-2005年和2005-2009年两个时期的湘潭市土地利用转换矩阵（表3-4）：
从表2中可以看出：湘潭市2001-2005年土地利用变化中耕地、林地、草地、水域和其他用地面积均有减少，其中耕地的减幅最大；建设用地面积增加。湘潭市2005-2009年土地利用变化中耕地、草地、水域、其他用地面积减少，其中耕地的减幅最大，建设用地和林地面积增加，其中林地增幅最大。从表3和表4中可以了解到：湘潭市2001-2009年土地利用类型转化中主要为耕地向林地和建设用地转化。2007年12月4日国家设立“长株潭”地区为我国两型社会建设试验区，湘潭市城市化进程加快，促使城区周边的耕地大量转化为建设用地，建设用地面积大幅度增长。随着对森林生态系统的认识和了解，人们认识到森林对我们的重要性，国家提出的退耕还林等政策促进了该区域部分耕地向林地转移。
（三）土地利用动态度
土地利用动态度分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。单一土地利用动态度表示研究区域一年内某种土地利用类型的变化幅度，它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有重要作用。其计算公式为：
式中Ua、Ub分别为研究初期及末期某一种土地利用类型的数量，T为研究时段。当T设定为年时，K值表示该研究区域某种土地利用类型年变化率。
综合土地利用类型表示动态度从总体上反映研究区域一定时间范围内各种土地利用/覆被变化相互转化的强烈程度。其公式表示为：
式中LUi为监测起始时间i类土地利用类型面积，ΔLUi-j为监测时段第i类土地利用类型转化为非i类土地利用类型面积的绝对值，T为监测时段长度。当T设定为年时，LC值表示该研究区域土地利用年变化率。
从表5中可以清晰看出：从2001-2009年湘潭市的土地利用变化中耕地、林地、建设用地和其他用地的土地利用动态度最大，反映出研究期间城市化进程的加快和人类对自然环境保护的加强。从综合土地利用动态度可以看出2001-2005年的综合土地利用动态度要小于2005-2009年的土地利用动态度，表明2005年以后湘潭市的土地利用/覆被变化明显，这说明两型社会试验区的确立促进了湘潭市城市化的进程，加快了湘潭市土地利用与覆被变化。
土地利用/覆被变化是一个受多因素共同影响的变化机制，社会经济发展、自然环境变迁和自然资源利用是推进土地利用变化的主要驱动力。随着城市化进程的加快，农业用地不断向建设用地转移是本研究区域的主要特征，农业用地内部的耕地向林地转化发生在特定时段局部区域，主要是退耕还林等国家政策作用的结果。
（四）结论与讨论
研究基于RS与GIS技术进行湘潭市土地利用/覆被变化研究，应用RS技术获取土地利用动态变化信息，借助GIS技术从土地利用类型面积变化、土地利用类型转化和土地利用动态度三个角度分析湘潭市土地利用/覆被变化。
研究期间内，湘潭市土地利用类型转化中耕地、草地、水域和其他用地面积均持续减少，其中耕地减少的幅度最大；建设用地和林地的面积不断增加，林地先减后增，建设用地则持续增加。在土地利用空间格局转化上，耕地大量转化为建设用地，小部分转化为林地，其他减少的土地利用类型主要向建设用地转化。湘潭市2001-2005年的综合土地利用动态度比2005-2009年的综合土地利用动态度小，说明随着社会经济的发展，城市化进程加快，2007年国家确立“长株潭”为两型社会建设试验区之一，加快湘潭市土地利用与覆被变化。
通过湘潭市土地利用/覆被变化研究，揭示湘潭市土地利用/覆被变化过程、趋势、特征和程度，对合理利用土地资源、优化土地利用结构具有重要意义，为促进两型社会建设提供决策支持。
参考文献：
[1] 史培军、宫鹏、李晓兵等.土地利用/覆被变化研究的方法与实践[M].北京：科学出版社，2000.
[2] 摆万奇、阎建忠、张镱锂.大渡河上游地区土地利用/土地覆被变化与驱动力分析[J].地理科学进展，2004，（01）.
[3] 杨武年、刘恩勤、陈宁等.成都市土地利用遥感动态监测及驱动力分析[J].西南交通大学学报，2010，（02）.
[4] 吴文斌、杨鹏、柴崎亮介等.基于Agent的土地利用/土地覆盖变化模型的研究进展[J].地理科学，2007，（04）.
[5] 许联芳、谭勇.长株潭城市群“两型社会”试验区土地承载力评价[J].经济地理，2009，（01）.
[6] 陈群元、宋玉祥.长株潭“3+5”城市群产业结构的比较测度[J].经济地理，2009，（01）.
[7] 徐唐奇、鞠登平、张安录.“两型社会”建设中的土地需求调控政策研究[J].经济地理，2010，（09）.
[8] 鲍海英、李艳、赵萍.辅以纹理特征的面向对象的遥感影像分类方法研究——以陕西省杨陵县为例[J].遥感应用，2009.
[9] 陈亮、张友静、陈波.结合多尺度纹理的高分辨率遥感影像决策树分类[J].地理与地理信息科学，2007，（04）.
[10] 林小平、毛政元、刘建华.纹理特征遥感影像分割研究[J].测绘科学，2010，（05）.
[11] 宋铁群.基于MATLAB的遥感影像纹理特征分析[J].测绘与空间地理信息，2009，（02）.
[12] 陈艳华、张万昌.地理信息系统支持下的山区遥感影像决策树分类[J].国土资源遥感，2006，（01）.
[13] 彭海涛、柯长青.基于多层分割的面向对象遥感影像分类方法研究[J].遥感技术与应用，2010，（01）.
[14] 李小娟、宫兆宁、刘晓萌等.遥感影像处理教程[J].中国环境科学出版社，2007.
关键词：两型社会；土地利用/覆被变化；监督分类；决策树分类；转移矩阵
中图分类号：TP753；P962 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1672-3309（x）.2013.02.38 文章编号：1672-3309（2013）02-94-04
一、引言
随着社会的发展和人口的增加，人口、资源与环境之间的矛盾越来越突出。土地资源是人类高度重视的自然资源之一，土地利用与土地覆被变化影响着全球生态环境与气候的变化，成为全球变化研究的热点之一[1]。LUCC的过程、趋势、驱动力及生态环境效应是研究的重点，运用定性与定量相结合的方法，从空间尺度和时间尺度进行相关研究成为LUCC研究的主要方法[2-4]。目前，LUCC研究已经成为可持续发展研究的核心，具有重要的现实性意义。湘潭市作为我国两型社会建设试验区重要组成部分，近年来，城市化进程不断加快，土地利用/覆被变化明显。在此形势下，如何高效的管理与利用土地资源已经成为当地政府亟待解决的问题。通过对该区域的土地利用与覆被变化进行研究，揭示湘潭市土地利用/覆被变化状况，为土地资源的可持续利用提供参考，为更好的促进两型社会的建设和发展提供依据[5-7]。
本文基于RS和GIS技术，利用湘潭市2001年、2005年和2009年3期遥感影像，通过非监督、监督分类和决策树分类相结合的方法获取土地利用变化动态信息，分析湘潭市土地利用的变化过程、类型转换情况和变化程度，为湘潭市两型社会建设乃至我国开发利用土地资源、进行生态环境保护、制定科学的两型社会建设决策提供依据。
二、研究区域概况
湘潭市位于湖南省中东部、湘江中下游，地跨111°58'、113°05'E，27°21'、28°05'N，总面积约为5010km2。全市辖湘潭市区、湘乡市、韶山市和湘潭县，其中市区由雨湖区和岳塘区组成。地势呈南部、西部和北部高，中部和东部低，总体起伏不大，较为平缓。地貌类型多种多样，山区、丘陵、岗地、平原和水面一应俱全。作为我国“两型社会”建设试验区之一，湘潭市既居于“长株潭”金三角的一角，又处于“衡邵”大三角的腹地，是湖南省的重工业基地和全国的商品粮基地。
三、研究方法
（一）数据来源
选取2001年、2005年和2009年三期Landsat TM、ETM遥感影像作为数据源，编号分别为P123R041（2001年12月29日1景、2005年7月17日1景、2009年10月24日1景）和P124R041（2001年1景、2005年7月16日1景、2009年1月16日1景），其他资料包括湘潭市行政区划图、交通道路图、水系图、30mDEM数据、土地利用现状图、1：5万等高线地形图，2001-2010年湖南省统计数据。
（二）分类体系
为便于影像解译及数据处理，土地利用分类之前须制定一套土地利用分类体系。研究参考国家土地利用现状分类体系以及实地勘察构建研究区域的土地利用分类体系，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。
（三）数据处理
1、矢量数据处理。湘潭市矢量数据以湖南省1：10万行政区划图、水系道路图作为数据源，应用ArcGIS9.3采用人工矢量化的方法获取。首先选择WGS_1984_UTM_ Zone_49N作为投影坐标系统；然后进行配准、人工矢量化；最后录入属性数据，获取湘潭市矢量格式的行政区划数据。依此方法获得湘潭市交通、水系矢量数据。
2、遥感影像处理。依据湘潭市1：5万等高线地形图选取控制点，统一定义WGS_1984_UTM_Zone_49N作为投影坐标系统并采用二次多项式对2001年、2005年和2009年三期TM影像进行几何校正，校正误差控制在1/3个像元之内；然后进行直方图匹配和影像拼接；最后在ERDAS9.2中用统一的行政边界进行影像裁切，获取研究区域的遥感影像。
对裁剪后的影像进行增强处理，以突出图像特征，使更好的进行遥感影像的分类。研究选取了比值拉伸处理、直方图均衡化、去霾处理和滤波处理四种方法进行研究区域的图像增强处理。
3、土地变化信息提取。首先，运用ENVI软件对遥感影像进行非监督分类和监督分类，初步获得研究区3期土地利用分类图；然后利用非监督分类和监督分类的结果，结合光谱信息和纹理特征信息[8-11]进行决策树分类[12、13]，获得研究区域的土地利用变化信息。对土地利用分类图进行人工修正，修改不正确的边界和错误的编码，同时利用ArcGIS9.3的拓扑功能建立斑块之间的拓扑关系，以保证数据的逻辑一致性；最后对解译结果进行野外抽样验证，并对错误的图斑进行修改。应用ArcGIS9.3的相关模块对土地利用矢量数据进行统计分析，提取土地利用变化信息，最终获得湘潭市土地利用的变化信息。
4、分类精度评价。总体分类精度是被正确分类的像元总和除以总像元数。被正确分类的像元数目沿着混淆矩阵的对角线分布，总像元等于所有真实参考源的像元总数。 Kappa系数是一种计算分类精度的方法，通过把所有地表真实分类中的像元总数N乘以混淆矩阵对角线（xkk）的和，再减去某一类地表真实像元总数与该类被分类像元总数之积对所有类别求和的结果，再除以像元总数的平方减去某一类地表真实像元总数与该类被分类像元总数之积对所有类别求和的结果[14]。其计算公式为：
通过ENVI软件对分类结果进行精度评价，分别计算了总体分类精度和Kappa系数，其评价结果如表1：
四、结果分析
（一）土地利用面积变化
土地利用变化包括土地利用类型的面积变化、类型转化和空间格局演变。面积变化首先反映在不同土地利用类型的总量变化上，通过分析不同类型的总量变化可以解析土地利用变化的总体趋势和土地利用结构的变化特征（表2）。类型转化和空间格局演变反映土地利用类型相互之间的转化，通过土地利用转移矩阵能够更直观的反映土地利用类型之间的相互转化（表3-4）。
（二）土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵是通过二维表来显示表达不同时段内同一区域不同土地利用类型的相互转换关系，从中能够快速查阅各种土地利用类型之间的相互转化情况。
利用ENVI软件的Change Detection Statistic功能做出2001-2005年和2005-2009年两个时期的湘潭市土地利用转换矩阵（表3-4）：
从表2中可以看出：湘潭市2001-2005年土地利用变化中耕地、林地、草地、水域和其他用地面积均有减少，其中耕地的减幅最大；建设用地面积增加。湘潭市2005-2009年土地利用变化中耕地、草地、水域、其他用地面积减少，其中耕地的减幅最大，建设用地和林地面积增加，其中林地增幅最大。从表3和表4中可以了解到：湘潭市2001-2009年土地利用类型转化中主要为耕地向林地和建设用地转化。2007年12月4日国家设立“长株潭”地区为我国两型社会建设试验区，湘潭市城市化进程加快，促使城区周边的耕地大量转化为建设用地，建设用地面积大幅度增长。随着对森林生态系统的认识和了解，人们认识到森林对我们的重要性，国家提出的退耕还林等政策促进了该区域部分耕地向林地转移。
（三）土地利用动态度
土地利用动态度分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。单一土地利用动态度表示研究区域一年内某种土地利用类型的变化幅度，它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有重要作用。其计算公式为：
式中Ua、Ub分别为研究初期及末期某一种土地利用类型的数量，T为研究时段。当T设定为年时，K值表示该研究区域某种土地利用类型年变化率。
综合土地利用类型表示动态度从总体上反映研究区域一定时间范围内各种土地利用/覆被变化相互转化的强烈程度。其公式表示为：
式中LUi为监测起始时间i类土地利用类型面积，ΔLUi-j为监测时段第i类土地利用类型转化为非i类土地利用类型面积的绝对值，T为监测时段长度。当T设定为年时，LC值表示该研究区域土地利用年变化率。
从表5中可以清晰看出：从2001-2009年湘潭市的土地利用变化中耕地、林地、建设用地和其他用地的土地利用动态度最大，反映出研究期间城市化进程的加快和人类对自然环境保护的加强。从综合土地利用动态度可以看出2001-2005年的综合土地利用动态度要小于2005-2009年的土地利用动态度，表明2005年以后湘潭市的土地利用/覆被变化明显，这说明两型社会试验区的确立促进了湘潭市城市化的进程，加快了湘潭市土地利用与覆被变化。
土地利用/覆被变化是一个受多因素共同影响的变化机制，社会经济发展、自然环境变迁和自然资源利用是推进土地利用变化的主要驱动力。随着城市化进程的加快，农业用地不断向建设用地转移是本研究区域的主要特征，农业用地内部的耕地向林地转化发生在特定时段局部区域，主要是退耕还林等国家政策作用的结果。
（四）结论与讨论
研究基于RS与GIS技术进行湘潭市土地利用/覆被变化研究，应用RS技术获取土地利用动态变化信息，借助GIS技术从土地利用类型面积变化、土地利用类型转化和土地利用动态度三个角度分析湘潭市土地利用/覆被变化。
研究期间内，湘潭市土地利用类型转化中耕地、草地、水域和其他用地面积均持续减少，其中耕地减少的幅度最大；建设用地和林地的面积不断增加，林地先减后增，建设用地则持续增加。在土地利用空间格局转化上，耕地大量转化为建设用地，小部分转化为林地，其他减少的土地利用类型主要向建设用地转化。湘潭市2001-2005年的综合土地利用动态度比2005-2009年的综合土地利用动态度小，说明随着社会经济的发展，城市化进程加快，2007年国家确立“长株潭”为两型社会建设试验区之一，加快湘潭市土地利用与覆被变化。
通过湘潭市土地利用/覆被变化研究，揭示湘潭市土地利用/覆被变化过程、趋势、特征和程度，对合理利用土地资源、优化土地利用结构具有重要意义，为促进两型社会建设提供决策支持。
参考文献：
[1] 史培军、宫鹏、李晓兵等.土地利用/覆被变化研究的方法与实践[M].北京：科学出版社，2000.
[2] 摆万奇、阎建忠、张镱锂.大渡河上游地区土地利用/土地覆被变化与驱动力分析[J].地理科学进展，2004，（01）.
[3] 杨武年、刘恩勤、陈宁等.成都市土地利用遥感动态监测及驱动力分析[J].西南交通大学学报，2010，（02）.
[4] 吴文斌、杨鹏、柴崎亮介等.基于Agent的土地利用/土地覆盖变化模型的研究进展[J].地理科学，2007，（04）.
[5] 许联芳、谭勇.长株潭城市群“两型社会”试验区土地承载力评价[J].经济地理，2009，（01）.
[6] 陈群元、宋玉祥.长株潭“3+5”城市群产业结构的比较测度[J].经济地理，2009，（01）.
[7] 徐唐奇、鞠登平、张安录.“两型社会”建设中的土地需求调控政策研究[J].经济地理，2010，（09）.
[8] 鲍海英、李艳、赵萍.辅以纹理特征的面向对象的遥感影像分类方法研究——以陕西省杨陵县为例[J].遥感应用，2009.
[9] 陈亮、张友静、陈波.结合多尺度纹理的高分辨率遥感影像决策树分类[J].地理与地理信息科学，2007，（04）.
[10] 林小平、毛政元、刘建华.纹理特征遥感影像分割研究[J].测绘科学，2010，（05）.
[11] 宋铁群.基于MATLAB的遥感影像纹理特征分析[J].测绘与空间地理信息，2009，（02）.
[12] 陈艳华、张万昌.地理信息系统支持下的山区遥感影像决策树分类[J].国土资源遥感，2006，（01）.
[13] 彭海涛、柯长青.基于多层分割的面向对象遥感影像分类方法研究[J].遥感技术与应用，2010，（01）.
[14] 李小娟、宫兆宁、刘晓萌等.遥感影像处理教程[J].中国环境科学出版社，2007.