臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)土地動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測分析研究

吳洪濤 張秀

摘要：本文介紹了遙感變化檢測的一般流程和方法。以臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)三個(gè)年度時(shí)相的無人機(jī)遙感影像作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用基于差值計(jì)算的變化檢測方法分析計(jì)算臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)近幾年圍海造陸土地動(dòng)態(tài)變化情況，為規(guī)劃決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：圍海造陸 變化檢測 差值計(jì)算 幾何糾正

1 概述

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源的日益緊張，很多人將目光投向了廣闊的海洋，向海洋要土地，圍海造陸成為促進(jìn)開發(fā)開放的一大舉措。圍海造陸是將部分海域進(jìn)行筑堤分割，然后抽掉海水、吹填泥土將海域編程陸地。臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)就是通過圍海造陸而形成的港口與工業(yè)一體化產(chǎn)業(yè)區(qū)。如何能方便準(zhǔn)確地了解臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)土地的動(dòng)態(tài)變化，掌握圍海造陸進(jìn)展情況，分析區(qū)域內(nèi)工程建設(shè)現(xiàn)狀，做到合理有效利用土地資源顯得尤為重要。遙感技術(shù)具有宏觀、速度快周期短等優(yōu)點(diǎn)，可以從直觀上掌握研究對象的特征，在土地資源開發(fā)和環(huán)境監(jiān)測等問題的研究中越來越受到關(guān)注。運(yùn)用遙感技術(shù)對建設(shè)區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測可隨時(shí)獲取大面積同步觀測數(shù)據(jù)，并且不受地理?xiàng)l件的限制；還可以選用不同波段和多種傳感器獲取地物信息，在較短時(shí)間內(nèi)對同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地物的動(dòng)態(tài)變化，大大節(jié)省人力財(cái)力物力和時(shí)間，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)圍海造陸的土地變化常用的方法為： 借助多時(shí)相遙感影像，采用圖像目視判讀及基于代數(shù)運(yùn)算、差分圖像融合變換等檢測方法，比較不同時(shí)相影像的差分結(jié)果圖，定量分析臨港土地發(fā)展變化。本文選取三個(gè)年代的遙感圖像，經(jīng)過糾正、配準(zhǔn)及代數(shù)運(yùn)算后借助人機(jī)交互解譯和GIS空間分析等關(guān)鍵技術(shù)探討了遙感技術(shù)在動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測中的應(yīng)用效果，實(shí)時(shí)掌握了圍海造陸進(jìn)展及土地?cái)U(kuò)展變化，為土地規(guī)劃管理提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

2 遙感動(dòng)態(tài)變化檢測

2.1 變化檢測的一般流程

從選擇不同時(shí)相的遙感影像數(shù)據(jù)到輸出變化檢測結(jié)果，變化檢測的一般工作流程主要是由圖像預(yù)處理、變化信息獲取處理、檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析三個(gè)部分組成。結(jié)合本項(xiàng)目總結(jié)流程圖如圖1所示。

2.2 變化檢測算法

目前已經(jīng)有很多變化檢測算法，但是從算法的角度可以分為：①基于簡單代數(shù)運(yùn)算的變化檢測；②基于圖像變換的變化檢測；③基于圖像分類的變化檢測；④基于特征描述的變化檢測。雖然從實(shí)用的角度看有各種各樣的分類方法，但是變化檢測算法的本質(zhì)還是提取不同的地物的分界線。所以簡單有用的方式我認(rèn)為還是基于簡單代數(shù)運(yùn)算的變化檢測。主要處理方法圖像差值（image differencing）、圖像比值（image ratio）、植被指數(shù)（NDVI）、圖像回歸（image regression）和變化向量分析（change vector analysis）等方法。本文主要是基于圖像差值計(jì)算結(jié)合GIS分析統(tǒng)計(jì)軟件來分析臨港土地動(dòng)態(tài)變化情況。

3 變化檢測算法

基于圖像差值的變化檢測分析

圖像差值法是最簡單、最常用的一種變化檢測方法，其基本原理是將不同時(shí)間獲取的兩幅影像進(jìn)行配準(zhǔn)，然后將圖像中對應(yīng)像元的灰度值相減，從而獲得一幅新的差異圖像以表示在所選兩個(gè)時(shí)間當(dāng)中目標(biāo)區(qū)所發(fā)生的變化。理論上，在得到的差值圖像上，差值為0或接近0的認(rèn)為是不變區(qū)域，不為0的認(rèn)為是變化區(qū)域。

圖像差值法的優(yōu)點(diǎn)在于理論相對簡單、直接，容易理解和掌握，但常常只能定量地描述目標(biāo)區(qū)是否發(fā)生了變化，而很難確定目標(biāo)區(qū)域發(fā)生變化的性質(zhì)。為了能確定變化的性質(zhì)還需結(jié)合其他方法進(jìn)行分析，從而獲得最終的目標(biāo)區(qū)變化信息。另一方面，由于相同地物在不同時(shí)相的光譜特征往往是不同的，因此變化閾值需要根據(jù)實(shí)際情況選取。

4 基于多時(shí)相遙感影像的實(shí)驗(yàn)與分析

本文選用天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)作為分析區(qū)域?；贓RDAS IMAGES9.2軟件采用了2009年11月、2010年11月、2012年11月三個(gè)時(shí)期的無人機(jī)遙感進(jìn)行變化檢測分析。天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)始建于2003年6月，2010年底，原臨港工業(yè)區(qū)和原臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)整合為一個(gè)功能區(qū)，統(tǒng)稱“臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)”。將建設(shè)“大機(jī)車”“大吊車”“大礦機(jī)”為代表的重型裝備制造業(yè)基地，建設(shè)“大船塢”的造修船基地，建設(shè)“大糧油”的產(chǎn)業(yè)集群。分別進(jìn)行基于差值運(yùn)算方法來查看港區(qū)圍海造陸進(jìn)展情況。（見圖2）

4.1 多時(shí)相影像配準(zhǔn)預(yù)處理

幾何糾正配準(zhǔn)的精度決定了后期分析圍海造陸的精度，為了提高影像配準(zhǔn)精度，我們選擇了2012年6月天津市1：2000比例尺航空正射影像，影像分辨率為0.2米作為基準(zhǔn)影像。糾正時(shí)還使用了部分外業(yè)像控點(diǎn)參與平差。在ERDAS軟件中采用二次多項(xiàng)式模型將影像分波段糾正并完成影像融合和色彩調(diào)整等處理。分別將三個(gè)年度影像進(jìn)行配準(zhǔn)、用雙線性內(nèi)插法重采樣后生成新的影像數(shù)據(jù)，配準(zhǔn)糾正的精度控制在1個(gè)像素之內(nèi)。

4.2 基于差值運(yùn)算影像處理

采用基于差值運(yùn)算進(jìn)行影像處理，處理軟件為Imagine deltacue智能變化監(jiān)測模塊。分別選擇兩個(gè)時(shí)相的影像，然后選擇變化檢測的算法和差值運(yùn)算的結(jié)果圖像名稱，在運(yùn)算完成后結(jié)合臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃圖分析土地變化區(qū)域。

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4.3 變化檢測分析

結(jié)合變化檢測圖斑數(shù)據(jù)以及臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)的規(guī)劃圖，使用arcgis軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得到以下結(jié)論：

①2009年臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)陸域面積大約36.67平方公里，這部分的主要還是以前已有的陸地；2010年圍海造陸面積約84.67平方公里，造陸面積擴(kuò)大了一倍多；2012年圍海造陸面積是113.35平方公里。還有很大一部分已經(jīng)做好圍擋，但是還沒形成陸地。

②從結(jié)合專題圖及影像分析可以得到，2010年時(shí)候臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)的北區(qū)現(xiàn)已吹填造陸40平方公里，已建成投產(chǎn)項(xiàng)目用地0.9平方公里，在建項(xiàng)目用地15.4平方公里，具備建設(shè)條件用地5.3平方公里，中區(qū)已吹填造陸24平方公里。

③2010年是臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展的高峰時(shí)期，圍海造陸速度加快，一年之間增加陸域面積約45平方公里。在2010年底，原有臨港工業(yè)區(qū)和臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)合并成立了臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)后，臨港土地發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)的南部。

④從影像變化情況可以看出，在2011年臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)的圍海造陸進(jìn)程比較緩慢，主要是在進(jìn)行土地整理工作，一直到2012年下半年才開始進(jìn)行圍海造陸工作。

⑤結(jié)合臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用情況看，截止到2012年底，按照臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃圖分析，目前臨港有百億元以上項(xiàng)目4個(gè)，已投產(chǎn)項(xiàng)目11個(gè)，開工建設(shè)項(xiàng)目22個(gè)、已簽約籌建和在談項(xiàng)目33個(gè)，“一港（天津市第二深水港區(qū)）、一帶（生態(tài)綠化隔離帶）、一園（公用工程園）、六個(gè)基地（造修船、海上工程設(shè)備和重型裝備制造基地，生態(tài)型化工基地，糧油基地，港口物流基地，配套生活服務(wù)基地，研發(fā)轉(zhuǎn)化基地）”的土地利用模式已經(jīng)初步形成。

5 小結(jié)

通過影像實(shí)驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

進(jìn)行變化檢測，圖像預(yù)處理過程尤其重要。選擇高精度的配準(zhǔn)原始影像，進(jìn)行幾何配準(zhǔn)是做好變化檢測的前提，也是提高變化檢測的精度的保證。

基于差值運(yùn)算的結(jié)果影像上變化區(qū)域還是比較破碎凌亂，要想確定變化區(qū)域的土地性質(zhì)還需結(jié)合其他已有專題數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲得最終的目標(biāo)區(qū)變化面積和土地類別信息。

差值變化檢測對影像的時(shí)相要求比較高，最好影像拍攝的月份時(shí)間不能差異太大。差值圖像存在很多噪聲，由于存在同譜異物或異物同譜的現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生很多假變化區(qū)域信息，造成誤差。

截止到2012年底，天津市臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)的圍海造陸面積已經(jīng)達(dá)到了約120平方公里。針對此區(qū)域的土地變化使用無人機(jī)遙感影像檢測方法十分有效。

6 應(yīng)用展望

使用遙感影像變化檢測技術(shù)可以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)圍海造陸的土地變化信息，也便于統(tǒng)計(jì)分析土地利用情況，有助于制定適宜的規(guī)劃決策。多源（多時(shí)相）遙感影像變化檢測和GIS技術(shù)結(jié)合并利用已有的專題數(shù)據(jù)是進(jìn)行圍海造陸情況監(jiān)測的有效手段，可以快速、準(zhǔn)確地對海域變化、土地變化進(jìn)行及時(shí)、科學(xué)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測，十分便捷、直觀。同時(shí)，使用基于差值運(yùn)算的檢測方法十分簡單，但是如果結(jié)合圖像的灰度、紋理以及更多的特征圖像來綜合監(jiān)測地物變化情況應(yīng)該效果更好。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該結(jié)合研究區(qū)域的地物特點(diǎn)來選擇監(jiān)測方法。

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作者簡介：吳洪濤（1978-），男，湖北紅安人，副高級工程師，碩士學(xué)歷，主要研究方向：攝影測量與遙感。