基于TM影像的普蘭店市土地利用類型變化研究

●林明雪 王莉雯 衛(wèi)亞星

基于TM影像的普蘭店市土地利用類型變化研究

●林明雪 王莉雯 衛(wèi)亞星

土地利用分類研究越來(lái)越成為全球變化研究的重要內(nèi)容，文章利用2006年和2010年的Landsat TM影像為數(shù)據(jù)源，通過(guò)遙感技術(shù)和GIS技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)普蘭店地區(qū)進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)變化研究，優(yōu)化了土地利用結(jié)構(gòu)，使土地合理利用與管理，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

土地利用 類型分類 普蘭店市

土地是自然和經(jīng)濟(jì)的綜合體，是社會(huì)生產(chǎn)重要的資源、資產(chǎn)和生產(chǎn)資料。隨著普蘭店市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人口數(shù)量的不斷增加，人與土地之間的矛盾日益突出，為了對(duì)土地資源進(jìn)行綜合的合理規(guī)劃，對(duì)于普蘭店市的土地利用現(xiàn)狀和覆蓋狀況的研究顯得格外重要，同時(shí)也能更好地處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)資源環(huán)境的矛盾，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

遙感技術(shù)具有宏觀性、實(shí)時(shí)性、周期性及綜合性等特點(diǎn)，為土地利用進(jìn)行快速、客觀、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)提供了可能。結(jié)合實(shí)際，對(duì)監(jiān)測(cè)中的一些關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究，不僅有利于遙感監(jiān)測(cè)研究的深入，解決監(jiān)測(cè)中面臨的一些關(guān)鍵問(wèn)題，提高監(jiān)測(cè)精度，而且對(duì)促進(jìn)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，提高土地資源科學(xué)管理水平，具有重要意義。

GIS（Geographical Information System）是一種兼容、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示和應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。地理信息系統(tǒng)提供了一種認(rèn)識(shí)和理解地理信息的新方式，成為一門(mén)處理空間數(shù)據(jù)的學(xué)科。它的基本功能有以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)采集、檢驗(yàn)與編輯；數(shù)據(jù)格式化、轉(zhuǎn)換、概化；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與組織；查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算功能；空間分析和顯示功能。GIS具有較好的查詢、檢索、分析和綜合處理能力，可以滿足土地覆蓋變化研究的需要；同時(shí)還可以結(jié)合土地覆蓋變化模型庫(kù)進(jìn)行諸如空間格局分析、緩沖區(qū)分析、空間自相關(guān)分析等土地覆蓋空間分析。引用GIS與遙感技術(shù)，具有主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、方便快捷、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)和數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢(shì)，為土地覆蓋提供廣闊應(yīng)用前景。

本項(xiàng)研究選擇普蘭店市為研究區(qū)，通過(guò)利用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)普蘭店近幾年生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究，對(duì)促進(jìn)普蘭店市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策方案。

一、數(shù)據(jù)源獲取及預(yù)處理

（一）研究區(qū)概況

普蘭店市位于大連市地理中心，距大連市區(qū)50公里，全市總面積2896平方公里，其中市區(qū)面積39平方公里，耕地面積610平方公里，海岸線65公里。普蘭店市位于東經(jīng)121°50'33"至122°36'15"，北緯39°18'25"至39°59'00"之間，與韓國(guó)、日本隔海相望，南接大連，北通沈陽(yáng)，東西連渤、黃二海，在地理位置上形成了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。陸、海、空交通異常發(fā)達(dá)，氣候宜人。優(yōu)越的區(qū)位，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有利條件。

（二）數(shù)據(jù)源獲取

本次研究的數(shù)據(jù)是Landsat4-5 TM影像（成像時(shí)間為2006年8月17日和2010年9月13日），通過(guò)利用ENVI 4.8軟件，對(duì)兩個(gè)時(shí)相的影像進(jìn)行幾何校正、裁剪研究區(qū)范圍和最佳波段選擇等處理。本文選擇TM742的組合方式。圖件資料包括l：5萬(wàn)普蘭店市地形圖，l：25萬(wàn)大連市行政區(qū)劃圖。

（三）數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先分別把大連市普蘭店市2006年8月17日，2010年9月27日的兩幅遙感圖像導(dǎo)入ENVI軟件，通過(guò)對(duì)圖像鑲嵌、對(duì)已給的行政界線進(jìn)行剪裁得到研究區(qū)，選用7、4、2波段合成標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像，然后進(jìn)行目視解譯，分析地物分布特征。

二、研究方法

遙感圖像通過(guò)亮度值或像元值的高低差異及空間變化來(lái)表示不同地物的差異，這是區(qū)分不同圖像地物的物理基礎(chǔ)。遙感圖像分類就是利用計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)遙感圖像中各類地物的光譜信息和空間信息進(jìn)行分析，選擇特征，將圖像中每個(gè)像元按照某種規(guī)則或算法劃分不同的類別，然后獲得遙感圖像中與實(shí)際地物的對(duì)應(yīng)信息，從而實(shí)現(xiàn)遙感圖像的分類。

（一）分類體系的確定

通過(guò)研究普蘭店的土地利用分類系統(tǒng)，我們將普蘭店的土地利用類型分為林地、旱地、城鄉(xiāng)用地、海上養(yǎng)殖、水庫(kù)、水田六大類。

遙感的分類方法一般可分為兩種，監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。監(jiān)督分類，又稱“訓(xùn)練分類法”，用被確認(rèn)類別的樣本像元去識(shí)別其他未知類別像元的過(guò)程。它是先選擇具有代表性的典型試驗(yàn)區(qū)，用訓(xùn)練區(qū)中已知地面各類地物類型樣本的光譜特征來(lái)“訓(xùn)練”計(jì)算機(jī)，獲得識(shí)別各類地物的判別模式或判別函數(shù)，并且此模式或判別函數(shù)對(duì)未知地區(qū)的像元進(jìn)行處理分類，分別歸入到一致的類別，達(dá)到自動(dòng)分類識(shí)別的目的。

監(jiān)督分類較非監(jiān)督分類的優(yōu)點(diǎn)可充分利用分類地區(qū)的先驗(yàn)知識(shí)，預(yù)先確定分類的類別，可控制訓(xùn)練樣本的選擇，并可通過(guò)反復(fù)檢驗(yàn)訓(xùn)練樣本，以提高分類精度。本文使用最大似然法進(jìn)行土地利用類型分類，它是目前應(yīng)用最廣泛的監(jiān)督分類方法，它是通過(guò)求出每個(gè)像素對(duì)于各類別的歸屬概率，把該像素分到歸屬概率最大的類別中去的方法。最大似然法（Maximum Likelihood）：假定每個(gè)波段每一類統(tǒng)計(jì)呈均勻分布，并計(jì)算給定像元屬于特定類別的可能性。除非選擇一個(gè)可能性閾值，所有像元都將參與分類。每一個(gè)像元被歸到可能性最大的那一類里。

（二）監(jiān)督分類

研究土地利用分類，首先對(duì)遙感圖像進(jìn)行7、4、2假彩色合成，通過(guò)目視解譯定義訓(xùn)練樣本，2006年與2010年普蘭店市合成RGB圖像。

然后創(chuàng)建感興趣區(qū)。利用Envi軟件中Basic Tool-Region Of Interest就可以打開(kāi)ROI TOOL選取采樣點(diǎn)，以ROI文件格式保存，然后執(zhí)行監(jiān)督分類，獲得6種不同顏色地物的遙感分類圖。

（三）各個(gè)土地覆蓋類型的提取

將分類好的圖像用envi軟件處理，提取出各個(gè)地物的圖像。

三、分類結(jié)果與分析

（一）研究區(qū)土地覆蓋面積變化分析

利用envi軟件統(tǒng)計(jì)出兩個(gè)時(shí)期的各分類土地覆蓋面積及占總面積的比例，同時(shí)生成柱狀圖，如表1和圖1所示：

圖1 土地覆蓋柱狀圖

表1 兩個(gè)時(shí)期各土地覆蓋類型面積統(tǒng)計(jì)

由表1和圖1可以看出，普蘭店市的總面積為4761平方公里，2006年普蘭店市各土地覆蓋類型面積大小依次為：旱地＞林地＞城鄉(xiāng)用地＞水庫(kù)＞海上養(yǎng)殖＞水田,其中旱地、林地、城鄉(xiāng)用地為普蘭店市的主要土地覆蓋方式，三者總面積占普蘭店市總面積的56.59%，2010年普蘭店市各土地覆蓋類型面積大小依次為：林地＞旱地＞城鄉(xiāng)用地＞海上養(yǎng)殖＞水田＞水庫(kù)，面積大小排序發(fā)生了改變，旱地、林地、城鄉(xiāng)用地依然是普蘭店市的主要土地覆蓋方式，三者總面積占普蘭店市總面積的55.16%，從表中可以看出，旱地在2006年覆蓋面積最大，為1196.55平方公里，占總面積的25.13%。林地在2010年覆蓋面積最大，為1146.36平方公里，占總面積的24.07%。

（二）分類精度評(píng)價(jià)

利用enviConfusionMatrix工具生成圖像Kappa系數(shù)，得到總體分類精度。

2006年總體分類精度Overall Accuracy=(277/281) 98.5765%

Kappa系數(shù)=0.9733

2010年總體分類精度Overall Accuracy=(748/768) 97.3958%

Kappa系數(shù)=0.9601 Kappa值越大，說(shuō)明分類精度越高。

為了更好地研究土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)兩年的分類圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算，得到土地覆蓋面積轉(zhuǎn)移矩陣和土地覆蓋轉(zhuǎn)移概率矩陣（表2、表3所示）。

表2 2006年、2010年土地覆蓋面積轉(zhuǎn)移矩陣

表2根據(jù)土地覆蓋面積轉(zhuǎn)移矩陣和土地覆蓋概率轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)普蘭店2006年和2010年兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行土地覆蓋轉(zhuǎn)移分析。

表3 2006年、2010年土地覆蓋轉(zhuǎn)移概率矩陣

林地轉(zhuǎn)移分析：林地在2006年-2009年主要表現(xiàn)在向城鄉(xiāng)用地、旱地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積分別為217.94km2、181.17km2，轉(zhuǎn)移概率分別為20%、16%，近些年普蘭店市城市化的建設(shè)不斷加快，使許多林地被轉(zhuǎn)移、占用變成了城市建設(shè)的一部分。林地向旱地的轉(zhuǎn)移減少，也說(shuō)明林地逐漸得到了保護(hù)，使生態(tài)環(huán)境得到不斷的改善。

水庫(kù)轉(zhuǎn)移分析：水庫(kù)在2006年-2009年主要表現(xiàn)在向海上養(yǎng)殖、水田轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積分別為4.42km2、2.96km2，轉(zhuǎn)移概率分別為14%、9%，水體的總面積減少了，近年來(lái)由于普蘭店市的環(huán)境受到人為或自然干擾，降水減少，由于人口的逐漸增多，水資源的需求逐漸增多，同時(shí)林地面積的增大也需要水，濕地造田耗費(fèi)水資源。另外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，灌溉面積增大，灌溉用水也逐漸增多，普蘭店市需要加大節(jié)水力度，特別是農(nóng)業(yè)灌溉用水，這樣才能保證城市經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

海上養(yǎng)殖轉(zhuǎn)移分析：水體在2006年-2009年主要表現(xiàn)在向水田、水庫(kù)轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積分別為24.19km2、8.01km2，轉(zhuǎn)移概率分別為24.8%、8%，近年來(lái)普蘭店市的海上漁業(yè)也得到大力發(fā)展，出口海內(nèi)外的漁產(chǎn)品供不應(yīng)求。

水田轉(zhuǎn)移分析：水田在2006年-2009年主要表現(xiàn)在向海上養(yǎng)殖、水庫(kù)轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積分別為6.98km2、3.09km2，轉(zhuǎn)移概率分別為38.7%、17%，海上養(yǎng)殖取代了水稻等農(nóng)作物的種植，普蘭店市沿海經(jīng)濟(jì)帶的優(yōu)勢(shì)漸漸得到發(fā)揮。

城鄉(xiāng)用地轉(zhuǎn)移分析：水體在2006年-2009年主要表現(xiàn)在向林地、旱地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積分別為58.1km2、22.28km2，轉(zhuǎn)移概率分別為15.6%、6%，城鄉(xiāng)用地向林地的轉(zhuǎn)移是城市綠化率提高的表現(xiàn)。

旱地轉(zhuǎn)移分析：旱地在2006年-2009年主要表現(xiàn)在向林地和城鄉(xiāng)用地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積分別為432.42km2、75.81km2，轉(zhuǎn)移概率分別為36%、6%，旱地的不斷減少，說(shuō)明普蘭店近幾年大力植樹(shù)造林，進(jìn)行農(nóng)田建設(shè)，提高植被覆蓋率，重視了對(duì)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

四、小結(jié)

本文以普蘭店市為研究區(qū)，利用2006年與2010年的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)與實(shí)地調(diào)查研究，對(duì)研究區(qū)近年來(lái)土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化與原因以及土地合理規(guī)劃進(jìn)行綜合研究，得到結(jié)論如下：

1.利用遙感與GIS技術(shù)可以快速追蹤土地覆蓋變化過(guò)程，利用TM數(shù)據(jù)對(duì)普蘭店市進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是一種有效的方法。

2.總體來(lái)看，林地、海上養(yǎng)殖、水田、城鄉(xiāng)用地的比例是增加的，水庫(kù)、旱地的比例是減少的。水田由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不斷向海上養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變；旱地也由于退耕還林、環(huán)保政策的實(shí)施，大幅度向林地轉(zhuǎn)變；這些都是良好的發(fā)展趨勢(shì)，這些一方面是為了保持土地的平衡，一方面也促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的繁榮。

3.普蘭店市的土地覆蓋變化包括人類活動(dòng)和自然因素，其中人類活動(dòng)是主導(dǎo)因素，我們應(yīng)該維系人口資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的和諧關(guān)系，加強(qiáng)耕地保護(hù)，促進(jìn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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（作者單位：林明雪,遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院；王莉雯，衛(wèi)亞星,遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,自然地理與空間信息科學(xué)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧大連 116021）

（責(zé)編:賈偉）

F127

A

1004-4914(2014)07-182-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：41271421)]