遙感技術(shù)在濱海新區(qū)土地利用研究中的應(yīng)用

張博文，李秀梅，劉憲斌，李月洋

（天津科技大學(xué) 天津市 300457）

土地資源是人們賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著天津?yàn)I海新區(qū)被國家“十一五”規(guī)劃納入全國總體發(fā)展戰(zhàn)略布局，眾多政府機(jī)構(gòu)、研究部門、社會團(tuán)體及學(xué)者都不斷加強(qiáng)對該區(qū)土地利用的研究工作。

遙感以其速度快、精度高、范圍廣等特點(diǎn)在土地利用監(jiān)測中具有無可比擬的優(yōu)越性。國外學(xué)者早有研究[1，2]，自20世紀(jì)90年代后期開始，我國學(xué)者史培軍[3]、朱會義[4]等借助遙感技術(shù)進(jìn)行土地應(yīng)用調(diào)查。近年來，針對濱海新區(qū)的研究也逐步展開[5，6]，但多集中在未劃分行政區(qū)域之前，研究范圍缺少針對性。本研究借助濱海新區(qū)地圖規(guī)范濱海新區(qū)研究范圍，對近10年來該地區(qū)的土地利用變化進(jìn)行統(tǒng)計和分析，為濱海新區(qū)的規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究范圍、方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

天津?yàn)I海新區(qū)位于華北平原北部、海河流域下游，天津市中心城區(qū)東側(cè)，瀕臨渤海。北與河北省豐南縣為鄰，南與河北省黃驊市為界。地理坐標(biāo)為 38°40′N～39°00′N，117°20′E～118°00′E，包括塘沽區(qū)、漢沽區(qū)、大港區(qū)3個行政區(qū)和天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、天津港保稅區(qū)、天津港區(qū)以及東麗區(qū)、津南區(qū)的部分區(qū)域。地貌屬于濱海沖積平原，西北高，東南低，海拔1～3 m，地面坡度小于1/10 000。近年來憑借其區(qū)位、交通、資源、工業(yè)、體制優(yōu)勢成為繼深圳特區(qū)和上海浦東之后的第3個國家重點(diǎn)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)特區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用2000年、2005年、2010年的Landsat衛(wèi)星（TM/ETM） 影像作為主要數(shù)據(jù)源。影像包含7個波段，空間分辨率為30 m，除此以外，研究中使用濱海新區(qū)1∶10萬地形圖、Google Earth影像及濱海行政區(qū)劃圖和收集到的其他相關(guān)的文字圖像等資料作為輔助數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)和1∶5萬地形圖進(jìn)行精度分析。

1.3 研究方法

在ENVI和ArcGIS軟件環(huán)境下完成影像處理及分類工作。首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行影像處理操作，進(jìn)行了幾何校正、數(shù)據(jù)增強(qiáng)、邊界裁剪和波段組合等預(yù)處理工作。根據(jù)傳統(tǒng)的監(jiān)督分類方法進(jìn)行初步劃分，然后根據(jù)領(lǐng)域知識和規(guī)則，建立基于知識的決策樹，對有明顯特征的地物進(jìn)行信息提取，最后通過人工目視解譯進(jìn)一步完善結(jié)果，得出最終分類數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了3期影像各土地類型的面積及變化情況。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

影像的增強(qiáng)處理有利于提高影像質(zhì)量和突出特征信息。研究中使用的Landsat TM影像總體質(zhì)量較高，但局部區(qū)域由于云霧影像對比度較差，因此進(jìn)行了直方圖均衡化、影像融合和去薄云等處理工作。

研究使用1∶5萬地形圖作為基準(zhǔn)地圖，分別對3期的遙感影像進(jìn)行幾何校正。借助ArcGIS軟件將配準(zhǔn)完成的1∶10萬地形圖進(jìn)行矢量化，得到濱海新區(qū)邊界矢量圖，并利用ENVI軟件對原始遙感影像進(jìn)行裁剪（圖1）。

圖1 濱海新區(qū)裁剪范圍

不同地物在各個波段上有光譜差異，因此影像波段的組合對于地物的區(qū)分尤為重要，主要依據(jù)被解譯地物的光譜特征及影像信息量大小進(jìn)行。TM/ETM影像的中紅外波段（TM7） 處于水的強(qiáng)吸收帶，水體呈黑色，可明顯區(qū)別于其他地物；近紅外波段（TM4） 對綠色植物最敏感，可突出潮灘植被，利于水域判別，同時可用于陸地植被提取。依據(jù)相關(guān)性最小信息量最大的原則，本研究選取742波段進(jìn)行組合，并配合標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成方案432波段進(jìn)行植被解譯。

2.2 土地利用分類系統(tǒng)

土地利用的分類體系是對其進(jìn)行研究的首要前提，既影響研究結(jié)果的表達(dá)，也決定研究數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。為適用于特定研究目的與尺度，各國學(xué)者從不同角度構(gòu)建了眾多的土地分類系統(tǒng)，但迄今仍沒有一個為國際社會廣泛認(rèn)可和具有普適性的“萬能”土地分類系統(tǒng)[7]。鑒于此，本研究綜合比較分析以上分類系統(tǒng)，本著實(shí)用、簡潔的原則，在國土資源部2001年頒布的《全國土地分類（試行）》標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)濱海新區(qū)的土地利用和植被物候特點(diǎn)，制定出適合天津?yàn)I海新區(qū)的土地利用分類系統(tǒng)（表1），包括建筑用地、沼澤、海洋、淡水域、灘涂、鹽田、植被以及未利用地8個大類。

表1 天津?yàn)I海新區(qū)土地利用分類系統(tǒng)

2.3 基于知識的決策二叉樹信息提取

傳統(tǒng)的監(jiān)督分類方法只是利用像元的光譜特征作為樣本類別的特征來識別非樣本像元的歸屬類別，而影像中普遍存在“同物異譜，同譜異物”的現(xiàn)象。因此，應(yīng)針對地物類型其他方面的特征（如空間特征、紋理特征等）展開進(jìn)一步研究，并有效利用。

基于知識的決策二叉樹信息提取方法具有簡單、明確、直觀的分類結(jié)構(gòu)，把復(fù)雜問題劃分為一個個相對簡單的問題，避免一次提取多類的困難[8]。近幾年，一些學(xué)者將此方法應(yīng)用于提高全球土地分類精度[9]。

由于濱海新區(qū)包括較大面積的海洋、湖泊、河流等水體部分，首先使用修正的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）[10]作為第一步?jīng)Q策條件，將影像分為水體和非水體區(qū)域，在非水體區(qū)域內(nèi)利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）[11]提取植被，以明顯區(qū)分其他地物。公式如下：

其中G、MIR、NIR、R分別表示TM/ETM的2波段、5波段、4波段、3波段。

圖2 水體及植被的提取結(jié)果（黑色部分）

依據(jù)灰度共生矩陣[12]計算出非水體區(qū)域內(nèi)建筑用地與未利用地的紋理特征輸出值，并進(jìn)行提取。而灘涂、河流等線性地物具有明顯的條帶狀空間特征，可根據(jù)計算斑塊的長寬比[13]突出該特征。按照此分類思想，根據(jù)現(xiàn)有的專家知識系統(tǒng)將分類區(qū)域?qū)訉蛹?xì)化（圖3），實(shí)現(xiàn)各種地物的分類。

圖3 基于知識的決策樹提取流程

2.4 分類后處理及目視解譯

依據(jù)決策二叉樹進(jìn)行的信息提取，結(jié)果中會產(chǎn)生一些面積很小的圖斑。研究出于專題制圖及實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，使用聚類統(tǒng)計、過濾分析等方法對這些圖斑進(jìn)行剔除。

由于影像分辨率及計算機(jī)識別能力等多方面因素的限制，自動分類存在一定的局限性。因此還需對影像通過目視解譯的方法進(jìn)行修正，解譯者的經(jīng)驗(yàn)和對該區(qū)域的了解程度對最終解譯出影像的準(zhǔn)確性起關(guān)鍵作用。因此，應(yīng)研究借鑒地形圖、Google Earth影像及相應(yīng)時期的區(qū)域土地類型資料，保證影像解譯的準(zhǔn)確性。

2000—2010年影像分類結(jié)果如圖4。

2.5 精度評價

遙感影像分類精度的高低是決定分類結(jié)果是否可信的一種度量，也是進(jìn)行土地利用/土地覆被分析的基礎(chǔ)。分類精度評價是土地利用/土地覆被分類圖像中的像元與已知分類的參考圖像進(jìn)行比較，以確定分類過程的準(zhǔn)確程度。

研究采用分層隨機(jī)抽樣的方法[14]，隨機(jī)選取了50個采樣點(diǎn)，以驗(yàn)證分類數(shù)據(jù)的精度。結(jié)果表明：檢驗(yàn)所得的平均精度在90%以上，符合研究要求。

圖4 濱海新區(qū)2000年、2005年、2010年3期的土地利用分類數(shù)據(jù)

3 結(jié)果與分析

通過分析研究區(qū)各土地利用類型不同時期的面積及其變化情況，可了解土地利用結(jié)構(gòu)的變化及變化總態(tài)勢。利用上述數(shù)據(jù)，對濱海新區(qū)的土地利用分類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出表2及圖5的結(jié)果。

結(jié)果表明：

（1）10年間，該地區(qū)土地的大力開發(fā)利用使植被面積減少了238.86 km2。

表2 濱海新區(qū)10年間各類型土地利用/土地覆蓋面積變化（單位：km2）

（2） 建筑用地面積的總增加量高達(dá)335.11km2，其中2005—2010年為282.98 km2，幅度明顯高于前5年。從圖中明顯看出此類型增長多見于城鎮(zhèn)的擴(kuò)張，并推測主要由“十一五”規(guī)劃的落實(shí)及“十大戰(zhàn)役”發(fā)展戰(zhàn)略的推廣所致。

（3） 未利用地面積增長量202.42 km2，主要集中在沿海地區(qū)、圍海新生陸地和西北部，而海洋面積的消減量達(dá)139.55 km2，該研究結(jié)果充分體現(xiàn)填海造陸工程的實(shí)施。

（4）鹽田、淡水域與沼澤都有不同程度的減小，分別達(dá)86.26 km2、5.335 km2與24.09 km2。

（5）灘涂的減少量為42.26 km2，但其面積基數(shù)較小，為69.85 km2，減少比例達(dá)60.50%。反映出臨港、南港工業(yè)區(qū)的填海工程對天然地物類型的嚴(yán)重破壞。

4 結(jié)論與展望

通過遙感影像提取土地利用類型的方法較多，傳統(tǒng)的監(jiān)督分類等方法普遍受“同物異譜，同譜異物”現(xiàn)象的制約，本研究以基于知識的決策樹信息提取方法進(jìn)行計算機(jī)分類，再通過目視解譯得出分類結(jié)果。

天津?yàn)I海新區(qū)的土地利用情況在10年間有較為明顯的變化。較有代表性的類型有：建筑用地、未利用地面積增長量分別為335.11 km2和202.42 km2，植被與海洋的面積消減分別達(dá)238.86 km2和139.54 km2，灘涂的面積減少比例達(dá)60.50%。隨多項(xiàng)政策和工程實(shí)施，2005—2010年間的面積變化幅度明顯大于2000—2005年。

在獲得較高精度的分類結(jié)果基礎(chǔ)上，可建立數(shù)學(xué)模型對該結(jié)果展開進(jìn)一步的分析討論，并結(jié)合相關(guān)學(xué)科研究土地利用變化的驅(qū)動因子與作用效果，提出合理化建議。

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