基于GIS和RS的土地利用变化分析以山东省邹城市为例毕业论文.docx
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基于GIS和RS的土地利用变化分析以山东省邹城市为例毕业论文
本科生毕业设计（论文）
题 目：
基于GIS和RS的土地利用变化分析——以山东省邹城市为例
摘要
本文以山东省邹城市香城镇、峄山镇、看庄镇、郭里镇、石墙镇五个乡镇为研究区域。
分别基于邹城市2007年LANDSAT7的ETM数据和2017年的高分一号遥感影像数据，利用ARCGIS和ERDAS软件，采用人工目视解译的方法，对邹城市的土地利用类型进行分类和解译。
然后对数据进行统计和对比分析。
以2007年和2017年五个乡镇各种地类的面积变化情况为基础，分析邹城市十年间土地利用情况变化原因。
研究结果表明：
（1）草地、建筑用地、交通运输用地、水体和其他用地的覆盖比例减少了，耕地、林地、裸地和园地的覆盖比例增加了；
（2）林地的变化幅度最大，减少了1572.00公顷，其次是草地、其他用地、裸地和交通运输用地，其中，草地增加了1411.06公顷，其他用地增加了1377.33公顷，裸地减少了1337.33公顷，交通运输用地增加了1241.16公顷；（3）邹城市土地利用变化的主要原因可归结为国家政策调控、工业发展和人口迁移三个方面。
关键词：
GIS；RS；土地利用变化分析；ARCGIS；邹城市
Abstract
ThispapertakesfivetownsinZouchengCity,ShandongProvincewhichincludingXiangcheng、Yishan、Kanzhuang、GuoliandShiqiangasitsresearchareas.BasingontheETMdataofLandsat7in2007andtheGF-1datain2017,thelandusetypesofZouchengCitycanbeclassifiedandinterpretedbyadoptingthemethodofartificialvisualinterpretationwithArcGISandErdas.Wegivesomecomparativeanaysisthroughthestatisticsofthedata.Onthebasisoftheareachangeofallkindsoflandinfivetowns,thereasonsforthechangeoflanduseinZouchengareanalyzedintenyears.Theresultsshow:
（1）theproportionofgrassland、constructionland、transportationland、waterlandandotherlandwerereduced,andtheproportionofplowland、forestland、barelandandgardenplotwereincreased;
（2）thebiggestrangeabilityisforestlandwhichreduced1572.00ha,inaddition,thegrasslandincreased1411.06ha,theotherlandincreased1377.33ha,thebarelandreduced1337.33ha,thetransportationlandincreased1241.16ha;（3）theprimaryreasonsofzoucheng’slandusechangarethenationalpolicy,thedevelopmentofindustrializationandthemigrationofpopulation.
Keywords:
GIS;RS;theAnalysisofLandUseChang;ArcGIS;ZouchengCity
第一章绪论
1.1研究背景
20世纪90年代以来，土地利用和土地覆被变化已成为全球环境变化研究的重点领域之一，同时也是资源科学、地理学、遥感信息科学等诸多学科的热点研究方向[]。
土地是综合性资源，是人类生存和发展的物质基础和环境条件[]。
近年来，以土地为资本的投资确实给人们的生活水平、社会财富带来了很大的提高和积累，可这种社会物质财富的增加是以牺牲珍贵的土地资源为代价，是一种不合理的广度和深度的土地利用方式的转变，与此同时,城市化进程的不断加快也导致了农业用地转变为非农用地，优质农用地被建设用地占用，土地数量和质量下降，因此，不合理的土地利用方式不仅会造成资源的浪费，而且还会对人们的生存环境带来一系列严重的问题，使人地矛盾日益突出[]。
土地利用/土地覆被变化是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式[]。
全球土地资源多，但能为人类所使用的土地资源相对较少。
随着全球人口增长、经济发展，人类生存的环境逐渐恶化，而土地利用及其覆被变化是引起全球环境变化的主要原因之一[]。
1.2国内外研究动态
1.2.1国外研究现状
国外在研究土地利用变化方面的技术和手段非常先进，趋于成熟。
目前土地利用/土地覆被变化研究已成为全球变化研究的前沿和热点问题[-][][]。
国外关于土地利用变化的研究已从变化机制、驱动力逐渐转向环境效应的综合研究[-][]。
Kasperson、Ehrllch等认为土地利用变化的主要原因是一系列人为因素，如：
政治结构、人口、经济水平、技术水平等。
Tumer认为人为因素应该是文化、技术、收入、政治经济状况和人口等方面。
Fische、Morita等认为社会经济驱动力应包括福利政策等方面。
1.2.2国内研究现状
国内关于土地利用/土地覆被变化的研究从土地利用/覆被分类[]、土地利用/覆被信息提取[]，扩展到土地利用及其覆被变化的过程、驱动机制、资源环境研究等多个方面[-][]。
中国科学院遥感应用研究所的王秀兰、包玉海在《土地利用动态变化研究方法探讨》中最早提出通过建立土地利用变化模型来研究土地利用变化，建立土地利用变化模型能够快速高效地展示出土地的时空格局变化[]，该方法后来被广泛采用。
1.3研究目的和意义
邹城市作为一个县级市，长期以来都处在人多地少的局面中，同时在土地利用方面也存在很多问题。
邹城市各乡镇土地利用情况极不均衡，建设用地集约利用程度低；耕地利用程度较高但是缺乏后备资源；农用地利用粗放，规模经营程度低；农村居民点分布集中且占地面积大，但是利用效率低；环境污染造成严重的水土流失；又因该区域富含丰富的煤炭资源，长期采煤造成地表塌陷，耕地因此减少。
考虑到城镇化进程逐年加快的大环境，邹城市的发展也势必会走上相同的道路，根据其他城市的前车之鉴，应提前对土地利用做好规划。
本研究可以为邹城市国土部门未来的城市规划提供科学依据。
第二章研究区、数据来源和研究方法
2.1研究区概况
邹城市为山东省辖县级市，济宁市代管。
位于山东省西南部，济宁市东部，地处东经116°24′-117°30′，北纬35°09′-35°32′。
地处泰蒙山脉与鲁西平原的中间地带，东北方向是鲁中南低山丘陵区。
整体地势东高西低、北高南低，三面环山。
西部多是平原洼地，东部则多是低山丘陵。
截至2017年底，有常住人口115.35万人，下辖3个街道、13个镇，行政区域面积161656公顷。
其中耕地面积约为62933公顷，约占总面积的39%。
本文选取的研究区域为邹城市的香城镇、峄山镇、看庄镇、郭里镇、石墙镇共计五个乡镇，位于济宁市东南方向，邹城市南部，与枣庄市接壤。
面积分别为176.06平方公里、97.66平方公里、73.12平方公里、88.15平方公里、144.04平方公里，共计579.03平方公里，合计57903公顷，约占邹城市总面积的三分之一。
研究区域位置及范围见图2.1。
图2.1研究区域位置及范围
2.2数据来源
本文分别以邹城市2007年LANDSAT7的ETM数据和2017年的高分一号遥感影像作为数据源，均来源于“地理空间数据云”网站。
两期遥感影像数据的成像时间均在5月份，云量少、影像质量较高。
此外，研究过程中还用到了山东省地级市行政区边界及邹城市乡镇行政区边界，两组矢量数据均来自于中国科学院资源环境科学数据中心（HTTP:
//WWW.RESDC.CN），遥感影像的基本属性见表2.1.
坐标系统
2000国家大地坐标系
高程基准
1985国家高程基准
投影方式
高斯-克吕格投影
长度单位
米（M）
面积单位
公顷（HA）
分辨率
前者分辨率为15米，后者分辨率为0.5米
表2.1影像基本属性
2.3研究方法
2.3.1技术路线图
本文主要通过影像预处理、影像分类、影像解译和和时空变化分析等几个步骤来研究土地利用变化。
首先获取研究区域的的遥感数据并对原始影像进行波段融合、图像拼接和裁剪等预处理；然后参考国家土地分类标准对研究区内土地利用类型进行分类；再根据影像特征对遥感数据进行人工目视解译；最后对比两期遥感数据的解译结果，分析各种土地类型的时空格局变化。
技术路线图见图2.2。
图2.2技术路线图
2.3.2影像预处理
获取的原始卫星影像存在一定程度的变形，导致图像变形的原因主要包括四个方面：
卫星运动状态变化、大气折射、地球自转以及地球曲率的的影响。
为消除各种不利因素的影响，保证数据的可靠性，使其能反映地物的真实信息，需要对获取的遥感影像进行预处理。
从“地理空间数据云”网站下载的是邹城市的单波段遥感影像，首先需要对遥感影像进行波段融合。
2007年的数据为LANDSAT7的ETM影像，利用ERDAS软件对波段进行融合。
本研究选取了1、2、3、4、5、7波段进行融合，单击“IMAGEINTERPRETER”-“UTILITIES”-“LAYERSELECTIONANDSTACKING”添加所有TIF格式的单波段文件，选择“IGNOREZEROINSTATS”（忽略0值），输出为IMG格式的文件,见图2.3，即完成波段融合。
图2.3波段融合
对于2017年的高分影像只选择了1、2、3波段进行融合，融合方法与2007年数据相同。
第二、图像拼接和裁剪。
由于一幅遥感影像不能完全包含全部的研究区域，需要对融合后的数据拼接得到研究区域的影像。
以2007年的影像为例，在ERDAS的菜单栏单击“DATAPREPARATION”-“MOSAICIMAGES”,打开拼接工具窗口，在该窗口中单击“EDIT”-“ADDIMAGESFORMOSAIC”，依次添加两幅融合后的遥感影像，两幅遥感影像拼接方式见图2.4。
图2.4图像拼接
添加完成后单击“PROCESS”-“RUNMOSAIC”,为拼接后的影像命名并输出。
拼接前后的图像对比见图2.5、图2.6。
图2.5拼接前影像
图2.6拼接后影像
拼接后的图像篇幅过大，远远超过了研究区域的面积。
需要根据研究区域的位置和范围对图像进行裁剪处理。
在ARCGIS中加载融合后的图像，同时加载已下载的研究区域行政边界矢量化图层，打开ARCTOOLBOX工具，单击“DATAMANAGEMENTTOOLS”-“RASTER”-“RASTERPROCESSING”-“CLIP”，打开裁剪窗口，“INPUTRASTER”选择需要裁剪的遥感影像，“OUTPUTRASTER”选择研究区行政区界线图层，同时勾选“USEINPUTFEATURESFORCLIPPINGGEOMETRY（OPTIONAL）”（精确裁剪），然后输出图层，完成对遥感影像的裁剪。
在ARCGIS中加载预处理后的图像，打开图层属性菜单，在符号系统中修改RGB复合方式，让图像以3，2，1真彩色合成的方式显示。
图像的色彩与景物实际的色彩基本一致，便于后续对影像进行解译。
经过预处理的影像见图2.7。
图2.7研究区域遥感影像
2.3.3影像分类
根据邹城市实际的地物分布状况，参考第二次国土调查和第三次国土调查土地分类标准，以及《国家土地资源分类体系与编码标准和新的全国土地分类体系（试用）》，结合本次研究的需要，将该研究区域分为耕地、园地、林地、草地、建筑用地、水体、交通运输用地、裸地和其他用地等9个主要的土地利用类型。
对遥感影像进行一系列预处理操作后，研究区域内各类地物的纹理特征信息明显。
通过地物在遥感影像上所展示的纹理、色调、阴影、位置和外形等特点，结合分类标准以及地物实际特性，建立各类地物的解译标志。
其中耕地呈网格状分布，形状规则且多为深绿色或棕色;园地呈深绿色，分布规则且能看到树木投射到地面的阴影；林地也多呈深绿色或黑色，但分布形状不规则;草地多呈棕色或深黄色；交通运输用地多呈条带状分布，每条路前后宽度基本一致，整体呈白色（公路较宽且呈黑色）；建筑用地一般集中分布，多沿道路分布，整体呈青蓝色;水体则呈现为深蓝色或黑色；裸地多分布在山区，远离居民点，面积较大且形状不规则，多呈白色。
影像分类即解译标志见表2.2。
表2.2地类解译标准表
编号
地类名称
含义
影像特征
解译标志
1
耕地
旱地、水浇地、水田
呈网格状分布，较规则，多为深绿色或深棕色
2
园地
果园、茶园、其他园地
呈深绿色，分布规则
3
林地
乔木林地、灌木林地、竹林地、其他林地
多呈深绿色或黑色
4
草地
天然牧草地、人工牧草地、其他草地
多呈棕色或深黄色
5
交通运输用地
铁路用地、公路用地、城镇村道路用地、农村道路、管道运输用地
呈条带状分布，前后宽度基本一致
6
建筑用地
城镇住宅用地、农村宅基地
通常分布较集中，整体呈青蓝色
7
水体
河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、水工建筑用地
呈深蓝色或黑色
8
裸地
裸土地、裸岩石砾地
多分布在山区，呈白色
9
其他用地
空闲地、沟渠、工业用地、采矿用地
多呈黑色或深绿色
2.3.4影像解译
利用ARCGIS软件，采用人工目视解译的方法，获取邹城市2007年和2017年2期土地利用变化数据。
以2007年的数据为例，第一步：
创建图层。
在ARCGIS中加载已处理好的2007年的遥感图像，建立面状要素图层。
为该面状要素图层设置与遥感影像相同的投影和坐标系，即高斯-克吕格投影和国家2000坐标系，分别添加名为“DLMC”（地类名称）、“AREA”（面积）的文本型和浮点型属性字段，字段长度根据需要可设置为10和20，图层创建完毕。
第二步：
编辑图层。
选中已创建好的图层，右键选择编辑要素—开始编辑，打开编辑器将遥感影像放大到合适的大小，通常比例尺为1：
800，沿边界勾勒多边形，双击结束，得到研究区域完整的面状图层。
单击图层下方的图框，在弹出的符号库样式表中将图层颜色改为透明，即“NOCOLOR”,将边框宽度设为1.5，边框颜色设为绿色。
第三步：
分割面状要素。
以交通运输用地为例，选中面状图层，在“编辑器”菜单中选择“分割面工具”，然后在图层上沿选中的道路勾绘其边界，勾绘多边形需闭合，双击结束，同一条道路尽量等宽。
选中切割后的图形，打开属性表，在“DLMC”字段中将属性赋值为“交通运输用地”。
同理，在图层中切割出其他地类。
为提高效率，可在切割完某一种地类后统一赋值。
选中所有同类地类，打开属性表，选中“DLMC”字段，右键选择“字段计算器”，在弹出的对话框中输入该类地类名称，即可将选中的多个图斑统一赋值。
由于研究区域面积较大，解译时首先对影像特征最明显的交通运输用地进行矢量化。
交通运输用地矢量化完成后，图层被道路分成若干区域，然后对每一区域内的建筑用地和水体进行矢量化，最后根据影像特征的清晰程度依次对耕地、裸地、林地、草地、园地和其他用地进行解译，避免遗漏。
所有图斑均切割、赋值完成后在“编辑器”菜单选择“编辑”-“保存编辑”，解译完成。
同理，完成2017年遥感影像的人工目视解译工作。
2.3.5地图成图
选择颜色。
右键单击面状图层，打开“属性”-“符号”，在“范畴”中选择按“唯一值”显示，值字段选择“DLMC”，单击“添加所有值”，各种地类即按照地类名称出现在表中。
综合考虑地类的实际颜色和色彩的搭配等多方面因素，为每种地类选择合适的颜色来显示。
地图整饰。
将矢量化后的图层以“布局视图”显示，单击“文件”-“页面和打印设置”，将纸张方向调整为“横向”，在布局视图中将图形调整到合适的大小。
单击“插入”，依次为图层插入标题、指北针、比例尺、图例，选择合适的样式，然后将各个地图要素调整到合适的位置和大小。
2007年和2017年的土地利用分布情况见图2.8、图2.9。
图2.82007年山东省邹城市部分乡镇土地利用图
图2.92017年山东省邹城市部分乡镇土地利用图
2.4数据汇总
面积汇总。
打开面状要素的属性表，选中“AREA”字段，右键选择“计算几何”，在弹出的对话框中将单位修改为“HECTARES[HA]”（公顷），生成各个图斑的面积值。
选中“DLMC”字段，右键选择“汇总”，在“AREA”下拉框中选择“求和”，生成各类地物的面积求和DBASE表，如表2.3、2.4。
表2.32007年地类面积汇总
表2.42017年地类面积汇总
生成柱形图。
在ARCMAP中加载DBASE表，选中该表，单击“视图”-“图表”-“创建图表”，以“SUM_AREA”为值字段、“DLMC”为X轴生成柱形图，输入柱形图标题“2007年山东省邹城市部分乡镇土地利用面积统计图”，左侧轴标题改为“面积（公顷）”，下方标题改为“地类名称”，设置完成。
右键单击生成的柱形图，选择“输出”，将柱形图以图片格式输出。
统计结果见图2.10、图2.11。
图2.102007年山东省邹城市部分乡镇土地利用面积统计图
图2.112017年山东省邹城市部分乡镇土地利用面积统计图
第三章结果与分析
3.1结果
结果显示：
山东省邹城市香城镇、峄山镇、看庄镇、郭里镇、石墙镇共计五个乡镇的土地利用类型以耕地为主，其次是林地和建筑用地。
该地区自2007年至2017年10年间土地利用方式发生显著变化。
2007-2017年山东省邹城市部分乡镇土地利用变化情况见表3.1。
表3.12007-2017年山东省邹城市部分乡镇土地利用变化统计表
地类名称
2007年
2017年
面积（公顷）
百分比
面积（公顷）
百分比
耕地
37258.27
64.35%
36795.72
63.55%
林地
7244.90
12.51%
5672.90
9.80%
建筑用地
5523.47
9.54%
5573.80
9.63%
裸地
3298.08
5.70%
1960.75
3.39%
水体
1565.19
2.70%
1652.73
2.85%
园地
1287.21
2.22%
491.67
0.85%
草地
689.12
1.19%
2100.17
3.63%
交通运输用地
631.42
1.09%
1872.58
3.23%
其他用地
405.49
0.70%
1782.82
3.08%
根据表3.1可知，2007年邹城市下辖五个乡镇最主要的土地利用类型为耕地，占比64.35%，面积为37258.27公顷，其次是林地和建筑用地，分别占12.51%和9.54%，面积为7244.90公顷和5523.47公顷；2017年最主要的土地利用类型仍为耕地，占比63.55%，面积为36795.72公顷，其次依然是林地和建筑用地，分别占比12.51%和9.54%，面积为5672.90公顷和5573.80公顷。
根据两期数据统计结果可知，十年间面积变化较大的是林地、草地、其他用地、裸地和交通运输用地，园地、耕地和建筑用地面积变化不大。
面积呈现递增趋势的有草地、其他用地、交通运输用地、水体和建筑用地，其中草地增加了1411.06公顷，其他用地增加了1377.33公顷，交通运输用地增加了1241.16公顷，水体增加了87.45公顷，建筑用地增加了50.33公顷。
面积呈现递减趋势的有林地、裸地、园地和耕地，其中，林地减少了1572.00公顷，裸地减少了1337.33公顷，园地减少了795.54公顷，耕地减少了462.55公顷。
3.2分析
本研究区域2007-2017年土地利用变化原因主要可归结为以下几个方面。
一、国家政策。
作为一座以煤炭资源作为主要经济支柱产业的城市，邹城市亟待转型，政府大力发展旅游产业，邹城市的定位为“文化经济融合示范市”，市内现代风格的名胜建筑较少，以自然风光为主，大力发展乡村旅游，因此十年间交通运输用地和草地大量增加；二、工业发展。
当地政府为发展经济，在十年间开辟了大量裸地和林地作为工业用地；三、人口迁移。
由于该研究区域内的乡镇发展相对较为缓慢，城镇化建设发展相对平稳，大量农村的年轻人选择离开邹城去大城市寻求机会，这就导致留在农村的基本上都是老人和儿童。
由于缺乏年轻的劳动力，各种需要繁琐培植过程的园地因此荒废，转而成为草地。
同时，也由于十年间邹城市经济发展过于缓慢，相比于全国房地产热度的持续上升，邹城市的建筑面积却始终没有太大变化。
结论和建议
本文以山东省邹城市部分乡镇作为研究对象，以2007年和2017年的两期遥感影像为主要数据源，通过对遥感影像的预处理、分类、解译得出十年间研究区域的土地利用变化情况，分析统计结果可以得出以下结论：
（1）邹城市下辖五个乡镇在2007-2017年间，土地利用类型发生显著变化，其中最主要的表现为草地、其他用地和交通运输用地呈现明显递增趋势，林地和裸地呈现明显递减趋势，园地、耕地和建筑用地面积变化不大。
（2）本研究区域十年间土地利用变化原因主要可归结为国家政策、工业发展和人口迁移等三个方面。
近年来邹城市大力发展乡村旅游产业，因此十年间交通运输用地和草地大量增加；同时，当地政府为发展经济，十年间开辟了大量裸地和林地作为工业用地等其他用地，因此裸地和林地大量减少；由于本研究区域内的城镇化建设发展相对缓慢，农村缺乏年轻劳动力，大量耕地和园地荒废转而成为草地。
根据《全国资源型城市可持续发展规划》，邹城市正处于成熟型资源型城市发展阶段，在这个阶段，城市的土地集约利用程度一般较高，但是作为资源型城市的邹城市主导资源以煤炭为主，主导产业单一[]。
一直以来依靠煤炭资源及其附属产业，若煤炭资源枯竭，发展将受到很大限制，因此亟待转型。
邹城市作为有“孔孟之乡”之称的济宁市下辖的县级市，可以紧靠济宁市，依此大力发展旅游产业，建立并完善自身的旅游产业链。
邹城市总体面积不大，因此能被人们利用的土地有限。
根据目前的发展状况来看，当地为追求经济的增长大规模地发展工业，短期内必然能使经济迅速增长，但是因此产生的环境污染问题以及对未来发展的影响都不容忽视。
同时，邹城市地少人多，城镇规模必将进一步扩大，这会不可避免地占用耕地。
但是人口增长意味着粮食的需求量也会增加，这就造成了两者之间的矛盾。
因此要保持耕地数量与质量的动态平衡来满足人们的粮食需求。
同时对城镇规模合理规划，既要保证有效的耕地面积，确保耕地占补平衡，又要保证城镇的合理扩张，二者协调发展此外，适当调整对闲置和低效土地的利用方式，因地制宜，合理规划闲置低效用地，加强土地整理。
。
现在邹城市还存在着区域土地利用不均衡、建筑用地集约利用程度低等问题，应采取合理调控手段，充分挖掘土地利
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