基于TM影像的土地利用動態(tài)變化分析研究——以煙臺市六區(qū)為例

黃寶華，孫治軍，周利霞，史淑一，馬玉強

（1.中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺），山東 煙臺 264670；2.山東省煙臺市地理信息中心，山東 煙臺 264670；3.山東省煙臺市自然博物館，山東 煙臺 264003）

1 引言

土地是人類賴以生存的主要物質基礎，人們通過利用土地的性能開展一定的活動來滿足自身需要。而隨著世界人口的急劇膨脹和社會經(jīng)濟的發(fā)展，特別是城市建設步伐的加速，城市土地利用的廣度和深度不斷加強，帶來全球的資源、環(huán)境、經(jīng)濟、社會方面的一系列問題。因此，引起全球變化的土地利用問題已成為人們研究的熱點之一。傳統(tǒng)的土地利用調(diào)查需要花費大量的人力、時間和經(jīng)費，難以適應土地利用的這種快速變化。遙感以其覆蓋面大、信息更新快、人為干擾因素小等優(yōu)點已逐漸應用到土地利用動態(tài)監(jiān)測中，并成為當今遙感技術應用的熱點之一［1～3］。本文以煙臺市為例，以多時相的遙感數(shù)據(jù)為基礎，探討煙臺市1989～2002年的土地利用類型變化的動因，為煙臺市制定今后的發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概述與數(shù)據(jù)源選擇

2.1 研究區(qū)概況

煙臺市地處山東半島東部，位于北緯36°16′～38°23′，東經(jīng)119°34′～121°57′，地形為低山丘陵區(qū)，山丘起伏和緩，溝壑縱橫交錯。山地占總面積的36.62%，丘陵占39.70%，平原占20.78%，洼地占2.90%。擁有909km海岸線和2.6萬km2的海域面積，大小基巖島嶼63個，有居民的島15個。煙臺市區(qū)共轄芝罘、萊山、牟平、福山、開發(fā)區(qū)和高新區(qū)6個區(qū)，面積2 643.6km2，人口168.45萬人。

2.2 數(shù)據(jù)源選擇

研究所用遙感數(shù)據(jù)為1986年8月2日、1996年10月8日和2002年6月11日的Landsat TM和ETM數(shù)據(jù)各一景和1∶5萬地形圖，圖像成像時研究區(qū)域內(nèi)沒有云層覆蓋，圖像質量良好。

3 土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測研究方法與技術路線

3.1 數(shù)據(jù)預處理

遙感數(shù)據(jù)預處理包括遙感數(shù)據(jù)的波段合成、幾何精校正、影像配準、大氣校正、反射率反演。以1∶5萬地形圖及其地圖投影參數(shù)為基準對1986年TM影像數(shù)據(jù)進行幾何精校正，然后以此為基準，在對1996、2002年數(shù)據(jù)進行幾何精校正。利用Flassh算法對影像進行大氣校正和反射率反演。

3.2 最小噪聲分離變換（MNF）

最小噪聲分離變換［4］本質上含有兩次疊置處理的主成分分析變換。第一步，利用高通濾波器模板對整幅影像或具有同一性質的影像數(shù)據(jù)塊進行濾波處理，得到噪聲協(xié)方差矩，并將其對角化為矩陣D N：

其中，D N是∑N的特征值按照降序排列的對角矩陣，U是有特征向量組成的政教矩陣。公式（1）可以進一步變化數(shù)據(jù)中的噪聲具有單位方差，且波段間不相關。

第二步，對白噪聲數(shù)據(jù)進行標準主成分變換。

其中，∑D－adj是∑D－adj的特征值按照降序排列的對角矩陣，通過以上兩個步驟得到MNF的變換矩陣：

由此可知，MNF變換具有主成分分析變換的性質，是一種正交變換，變換后得到的向量中的各元素互不相關，第一分量集中了大量的信息，隨著波段數(shù)的增加，影像質量逐漸下降，按照信噪比從大到小排列，通常用于噪聲去除、特征提取、變化檢測、數(shù)據(jù)減維等。同時在MNF轉化過程中，使光譜特征向類特征向量匯集，增強分類信息。

經(jīng)過MNF變換后的影像特征值主要集中在前3個波段，將前3個波段進行彩色合成，從合成圖中可以看出變換后影像特點。紋理信息明顯，有林地順著山體呈現(xiàn)連續(xù)但是不規(guī)則形狀；農(nóng)田呈現(xiàn)塊狀規(guī)則的分布形狀。色彩信息明顯，有林地呈現(xiàn)深紅色或深藍色；農(nóng)田呈現(xiàn)綠色；城鄉(xiāng)建設用地呈現(xiàn)淡藍色；水體呈現(xiàn)粉紅色。MNF變換的作用是提高面向對象的分類精度（圖1、圖2、表1）。

圖1 真彩色合成影像

圖2 MNF變換后前3個波段合成影像

表1 1989年TM影像MNF的特征值

3.3 面相對象分類

面向對象分類［5］的基礎是多尺度分割，它用于以任意選定的尺度進行影像對象提取。使用不同尺度進行影像對象提取。使用不同尺度的分割來構建影像對象層次網(wǎng)絡。這種分類方法，重新建立了一套完整的遙感影像分類的模式，即吸收了傳統(tǒng)的分類方法中的優(yōu)點，又充分利用對象所具有的多種空間結構和紋理屬性信息，很多研究表明可以大大提高分類精度（圖3）。

圖3 研究技術路線

4 TM數(shù)據(jù)分類結果及精度評定

4.1 分類結果

按照煙臺市典型覆蓋類型，在目視判讀和實地考察基礎上，確定研究區(qū)土地利用類型為4大類，即城鄉(xiāng)建筑用地、有林地、農(nóng)田、內(nèi)陸水體。

4.2 精度評估

用的精度評價指標是基于混淆矩陣的總體精度和Kappa系數(shù)。通過檢驗樣本與實際分類結果的比較，分別對TM1989、1996、2002分類結果進行驗證，得出了各自的混淆矩陣。根據(jù)這些混淆矩陣，最終得出總體分類精度分別是82.61%、87.49%、85.32%，Kappa值分別是0.78、0.84、0.82。從總體精度和Kappa兩項精度評價指標上分析，基于面向對象＋MNF分類對于該實驗是成功的（圖4、圖5、圖6）。

圖4 煙臺市1989年土地利用類型

圖5 煙臺市1996年土地利用類型

圖6 煙臺市2002年土地利用類型

5 土地利用動態(tài)變化分析

5.1 土地利用類型總量變化分析

分別對3期土地利用圖形數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（表2），結果表明：煙臺市土地利用類型以有林地和農(nóng)田為主，其次為建設用地。該地區(qū)13年來土地利用方式發(fā)生顯著變化，城鄉(xiāng)建筑用地呈現(xiàn)明顯遞增；有林地在1989～1996年呈現(xiàn)遞增，1996～2002年呈現(xiàn)遞減現(xiàn)象；農(nóng)田呈現(xiàn)遞減，且1989～1996年的遞減速度大于1996～2002年遞減速度；內(nèi)陸水體呈現(xiàn)小幅度遞增趨勢。

由表3可知，13年間煙臺市土地利用覆蓋變化比較大。1989年～1996年年間城鄉(xiāng)建設用地增加了27km2，內(nèi)陸水體增加20.6km2，有林地增加232.86km2，農(nóng)田減少272.47km2。1996～2002年年間城鄉(xiāng)建設用地增加了109.2km2，內(nèi)陸水體增加5.72km2，有林地減少77.67km2，農(nóng)田減少39km2。減少的農(nóng)田、有林地主要變?yōu)榻ㄖ玫?，其原因是人口增長、居住條件的改善和城市化的發(fā)展，城鎮(zhèn)用地消耗量大（圖7）。

表2 煙臺市1989、1996和2002年3期土地覆蓋面積及比重

表3 煙臺市1989～1996、1996～2002年土地利用類型面積變化 km2

圖7 煙臺市89、96、02年土地利用類型面積圖

5.2 土地利用動態(tài)變化分析

為了進一步說明煙臺市這13年的土地利用變化特征，采用土地動態(tài)度這一指標定量描述研究區(qū)域土地利用變化的速度，對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有積極的作用。土地動態(tài)度可以分為單一土地利用類型動態(tài)度（表4）和綜合土地利用動態(tài)度。前者反映研究區(qū)域內(nèi)一定時間內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化的速度和幅度，而后者則反映研究區(qū)域各種土地利用類型整體的速度變化情況［6］。

5.2.1 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度可表達區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，公式表達為：

式中K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的變化率，稱為動態(tài)度；t－t0為監(jiān)測時間；u1，ut0，分別為研究開始、結束時某時段內(nèi)某土地類型面積。

表4 煙臺市單一土地利用動態(tài)度變化 %

根據(jù)公式計算了煙臺市不同時期的單一土地類型動態(tài)度見圖8。從不同土地利用類型的動態(tài)度來講，城鄉(xiāng)建設用地年變化速率排序依次是：1996～2002年＞1989～1996年；有林地、農(nóng)田、內(nèi)陸水體用地變化強度排序依次是：1989～1996年＞1996～2002年。從1989年～2002年年變化率上看，1989年到2002年間變化快慢排序依次是內(nèi)陸水體＞農(nóng)田＞城鄉(xiāng)建設用地＞有林地。

圖8 煙臺市1989～2002年單一土地利用動態(tài)度（K值）

5.2.2 綜合土地利用動態(tài)度

某一研究樣區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度可表示為：

其中Lui監(jiān)測起始第i類土地利用類型的面積，ΔLui－j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值，t－t0為監(jiān)測時段長度，LC的值是該研究區(qū)土地利用變化率；n為土地利用類型數(shù)目。

綜合土地利用動態(tài)度可以反映區(qū)域某一土地利用類型數(shù)量的速度變化，它既可以表示單一土地類型的時空變化，也可以對區(qū)域土地利用動態(tài)變化的總體情況進行評價。根據(jù)土地利用動態(tài)度的大小，中國土地利用的時間動態(tài)特征分為4種類型：動態(tài)度為21－24的屬于土地利用急劇變化型；動態(tài)度為13－20的屬于土地利用快速變化型；動態(tài)度為4－12的屬于土地利用慢速變化型，動態(tài)度為0－3的屬于土地利用極緩慢型。通過計算得知1989～1996年煙臺市土地利用變化動態(tài)度為4.8，1996～2002年的土地利用變化動態(tài)度為2.33，屬于土地利用慢速范圍，還說明了1996～2002年的土地利用動態(tài)利用動態(tài)度小于1989～1996年，這也說明了煙臺市在土地利用方面做出了較多的工作。

6 結語

本研究根據(jù)煙臺市地物遙感信息的特點，充分挖掘遙感資料信息、綜合運用研究人員的經(jīng)驗。將依賴于專家經(jīng)驗的目視解譯與計算機自動分類有機融合，實現(xiàn)了該區(qū)土地利用遙感信息高精度快速提取。建立的經(jīng)MNF變換的面向對象分類方法，地類的提取發(fā)揮了重要作用，具有很好的效果。隨著我國基礎數(shù)據(jù)庫的不斷完善，在今后的研究中還可以將更多的非遙感資料應用于分類中，分類精度有望進一步提高。

近幾年煙臺市經(jīng)濟發(fā)展迅速，房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。因此，城區(qū)用地的快速擴展成為煙臺市建筑用地增長的主要因素。農(nóng)村居民點和工礦建筑用地的增加也是建筑用地增長的因素之一，農(nóng)村人口增加，相應的住房條件也得到改善，住房面積增加，從而農(nóng)村居民宅基地面積增加。因此，煙臺市應在科學分析土地資源總量，使土地利用結構和城市發(fā)展規(guī)模與國家規(guī)劃相符合方面加大力度。

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