基于遙感影像的武漢地區(qū)土地利用變化分析

詹皖欣

（武漢大學(xué)　資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北　武漢　430072）

基于遙感影像的武漢地區(qū)土地利用變化分析

詹皖欣

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430072）

摘要：以武漢地區(qū)為研究對(duì)象，采用2006年和2013年兩期遙感影像，利用遙感技術(shù)進(jìn)行目視和計(jì)算機(jī)解譯，分析了土地利用變化的空間特征.在研究區(qū)劃分出城區(qū)、水體、植被、其他（主要是裸土地）共4個(gè)土地利用類(lèi)型，據(jù)此建立起2006-2013年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，并分析了研究區(qū)的土地利用變化幅度.結(jié)果表明，7年間武漢地區(qū)城區(qū)面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，水體、植被呈減少趨勢(shì).進(jìn)一步分析表明，該區(qū)土地利用變化的影響因素是多樣的，驅(qū)動(dòng)力主要為城市擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)因素、宏觀政策等.

關(guān)鍵詞：土地利用；武漢地區(qū)；遙感；土地利用變化

土地利用是導(dǎo)致地球表層系統(tǒng)景觀變化的主要因素，人類(lèi)通過(guò)對(duì)與土地相關(guān)的自然資源的開(kāi)發(fā)和利用，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響[1].因此研究區(qū)域的土地利用的變化具有實(shí)際意義.遙感土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可以反映區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的時(shí)態(tài)特征[2].因此采用遙感技術(shù)對(duì)武漢市2006年至2013年主城區(qū)及近周邊范圍內(nèi)土地覆蓋類(lèi)型變化進(jìn)行檢測(cè).土地覆蓋類(lèi)型被分為植被、水體、主城區(qū)和其他四類(lèi).利用遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGE 9.1，基于對(duì)兩期遙感圖像進(jìn)行目視解譯和計(jì)算機(jī)解譯得到土地覆蓋圖，對(duì)比兩期覆蓋圖找出地類(lèi)變化范圍.

1　研究區(qū)概況

武漢，簡(jiǎn)稱“漢”，是湖北省省會(huì)，地處中國(guó)腹地中心，江漢平原東部.世界第三大河長(zhǎng)江及其最大支流漢水橫貫市境中央，將武漢一分為三，形成了武昌、漢口、漢陽(yáng)三鎮(zhèn)隔江鼎立的格局.武漢介于113°41'E-115°05'E，29°58'N-31° 22'N之間，有13個(gè)轄區(qū)，其中江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽(yáng)區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū)7個(gè)為中心城區(qū)，東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)、漢南區(qū)6個(gè)為新城區(qū).武漢市的土地類(lèi)型較為復(fù)雜，但主要可以分為城區(qū)、水體、植被、其他四類(lèi).近幾年武漢市發(fā)展迅速，在城市化進(jìn)程加快的同時(shí)，大面積的農(nóng)田、植被覆蓋區(qū)域被征用，土地利用類(lèi)型變化較為顯著.

2　數(shù)據(jù)源處理

2.1數(shù)據(jù)概況

本文所用的數(shù)據(jù)是2006年和2013年的武漢市遙感影像.2006年的武漢市遙感影像是11月1日獲取，為L(zhǎng)andsat5 TM數(shù)據(jù)，分辨率為30米，包含了1-5，7這六個(gè)波段.2013年的武漢市遙感影像為6月13號(hào)獲取，為L(zhǎng)andsat8 OLI數(shù)據(jù)，空間分辨率也是30米，輻射分辨率為12bit.

2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先需要對(duì)原始圖像進(jìn)行幾何校正，用一系列的數(shù)學(xué)模型消除或減少影像的誤差.而最為常見(jiàn)的幾何校正的方法就是多項(xiàng)式糾正法.

本文中，2013年武漢市遙感影像是已經(jīng)過(guò)幾何校正的，而2006年武漢市遙感影像是變形的，因此利用ERDAS IMAGE 9.1遙感軟件以2013年武漢市遙感影像為參考影像，對(duì)2006年武漢市遙感影像進(jìn)行幾何校正.對(duì)應(yīng)選取了12個(gè)分布均勻具有特征的相同幾何位置的GCP，采用二次多項(xiàng)式糾正，控制平均誤差控制在1個(gè)象元之內(nèi)，然后利用三次卷積法進(jìn)行重采樣，且設(shè)置輸出的圖像分辨率為30米.最后進(jìn)行裁剪獲得實(shí)驗(yàn)區(qū).

3　研究方法

3.1目視解譯

目視解譯是從遙感圖像中提取感興趣信息的主要手段之一.此處采用計(jì)算機(jī)輔助目視解譯的方法對(duì)武漢城區(qū)范圍進(jìn)行解譯.關(guān)鍵是建立正確的解譯標(biāo)志是為了使之能正確識(shí)別以保證目視解譯的精度.而此處城區(qū)界定為建筑物密度高的、但可以包含道路和少量植被及水體的區(qū)域.可以觀察到，在真彩色的彩色合成方式下，城區(qū)顏色主要呈現(xiàn)紫色，藍(lán)灰色和白色，因?yàn)槌菂^(qū)中地物的種類(lèi)比較復(fù)雜還包含其他的道路和綠色植被等，所以顏色比較混雜.城區(qū)的紋理較為混雜，形狀不規(guī)則但分布較為集中，主要集中分布在長(zhǎng)江和漢江兩岸.

建立解譯標(biāo)志后，在預(yù)處理后的2006年和2013年武漢市遙感影像上建立單精度的矢量圖層，然后使得新建矢量圖層處于可編輯狀態(tài)后目視繪制城區(qū)范圍，得到2006年和2013年武漢城區(qū)的矢量圖.再建立拓?fù)鋵⑹噶繄D層?xùn)鸥窕?，最后通過(guò)建模工具設(shè)置算法為將城區(qū)部分賦值為1，非城區(qū)部分賦值為0，得到城區(qū)柵格二值化圖像.

3.2計(jì)算機(jī)解譯

3.2.1植被解譯

歸一化差值植被指數(shù)是利用衛(wèi)星不同波段探測(cè)數(shù)據(jù)組合而成的，能反映植物生長(zhǎng)狀況的指數(shù).此次進(jìn)行植被解譯運(yùn)用了歸一化植被指數(shù)以將其與其他地物區(qū)別開(kāi)來(lái)，計(jì)算公式為：NDVI =（DNNIR -DNR)/（DNNIR + DNR).利用建模工具設(shè)置算法并運(yùn)行后輸出2006年恨2013年的武漢市歸一化植被指數(shù)圖像.再采取樣本，在2006年和2013年的武漢市歸一化植被指數(shù)圖像上分別新建一個(gè)AOI圖層并圈出數(shù)量足夠多，植被足夠聚集的植物樣本，將其群組后導(dǎo)入到分類(lèi)模板編輯器中，查看統(tǒng)計(jì)值.2006年和2013年的武漢市歸一化植被指數(shù)圖像中AOI樣本的平均值分別為0.312和0.291，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.105和0.054.由標(biāo)準(zhǔn)差和平均值的數(shù)據(jù)，根據(jù)平均值減去適當(dāng)倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差的閾值確定方法，得到2006年和2013年的圖像分割閾值分別為0.1545和0.21.再利用建模工具分割閾值制作出植被指數(shù)分割圖，設(shè)置算法為被植被覆蓋的像素被賦值為1，而未被覆蓋的被設(shè)置為成背景，得到了武漢市2006年和2013年的植被指數(shù)分割圖.

3.2.2水體解譯

歸一化水體指數(shù)是基于中紅外與近紅外波段的歸一化比值指數(shù).用遙感影像的特定波段進(jìn)行歸一化差值處理，以凸顯影像中的水體信息.其公式為：NDWI =（GREEN -NIR)/（GREEN + NIR).

利用建模工具設(shè)置算法并運(yùn)行后輸出2006年恨2013年的武漢市歸一化水體指數(shù)圖像.再采取樣本，在2006年和2013年的武漢市歸一化水體指數(shù)圖像上分別新建一個(gè)AOI圖層，然后在圖像上圈出數(shù)量足夠多，水體足夠集中的樣本.然后將其群組后導(dǎo)入到分類(lèi)模板編輯器中，查看統(tǒng)計(jì)值，2006年的武漢市歸一化水體指數(shù)圖像中AOI樣本的平均值為0.538，標(biāo)準(zhǔn)差為0.076.2013年的植被樣本的平均值為0.126，標(biāo)準(zhǔn)差為0.04.由標(biāo)準(zhǔn)差和平均值的數(shù)據(jù)，根據(jù)一般閾值的確定方法，即平均值減去適當(dāng)倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差確定，因此確定2006年和2013年的圖像分割閾值分別為0.20和0.066.用此建模工具分割閾值制作出水體指數(shù)分割圖，設(shè)置算法為被水體覆蓋的像素被賦值為1，而未被覆蓋的被設(shè)置為成背景，分別得到了武漢市2006年和2013年的水體指數(shù)分割圖.

1）監(jiān)督分類(lèi)

監(jiān)督分類(lèi)是以建立統(tǒng)計(jì)識(shí)別函數(shù)為理論基礎(chǔ)，依據(jù)典型樣本訓(xùn)練方法進(jìn)行分類(lèi)的技術(shù).要求訓(xùn)練區(qū)的選擇要具有準(zhǔn)確性、代表性和統(tǒng)計(jì)性.本文中，用最大似然法對(duì)2006年和2013年的影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，分類(lèi)成水體、植被、城區(qū)、其他四類(lèi)地物.

首先生成監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果圖.先勾選訓(xùn)練區(qū)，對(duì)2006年和2013年的武漢市遙感影像圖分別新建一個(gè)AOI圖層，依次勾選一定數(shù)目的水體、植被、城區(qū)和其他的地物的訓(xùn)練區(qū)，并將同類(lèi)地類(lèi)群組后各自保存.需要注意的是對(duì)2013年的武漢市遙感影像執(zhí)行操作時(shí)需把波段選擇為2-7波段后再處理；再生成圖像特征文件，根據(jù)目視估計(jì)各地類(lèi)的先驗(yàn)概率后將其輸入到特征文件中；然后生成監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果，輸入武漢市2006和2013年的遙感影像及其特征文件，設(shè)置參數(shù)規(guī)則為最大似然法并使用先驗(yàn)概率生成監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果.最后進(jìn)行分類(lèi)精度評(píng)估.將監(jiān)督分類(lèi)前后的圖像相關(guān)聯(lián)后生成160個(gè)隨機(jī)點(diǎn).對(duì)這160個(gè)人隨機(jī)檢驗(yàn)點(diǎn)檢驗(yàn)其類(lèi)別號(hào)，對(duì)不正確的進(jìn)行改正.評(píng)估的結(jié)果最終生成精度報(bào)告，并制作出混淆矩陣，精度評(píng)估混淆矩陣如表1、表2所示.

表1 2006年分類(lèi)精度評(píng)估混淆矩陣

表2 2013年分類(lèi)精度評(píng)估混淆矩陣

3.3解譯結(jié)果綜合

3.3.1城區(qū)

本文中對(duì)武漢城區(qū)采用了目視解譯和圖像分類(lèi)兩種方法進(jìn)行解譯，得到了兩種分布圖，通過(guò)比較最終確定目視解譯得到的城區(qū)結(jié)果更好.目視解譯主要依靠的是人眼的特性及人對(duì)武漢城區(qū)特征的理解和判斷，由于城區(qū)較為復(fù)雜，里面往往會(huì)摻雜其他的地物，因此人的目視解譯可以較好地判斷城區(qū)的范圍.但也存在缺點(diǎn)，由于人具有主觀性，解譯會(huì)很大程度上受到解譯者的心理特點(diǎn)的影響.而在監(jiān)督分類(lèi)中，由于選取了足夠多數(shù)量的先驗(yàn)樣本，因此能夠較為完全地把影像中的建筑物顯現(xiàn)出來(lái).但同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題，由于城區(qū)分布范圍不均勻，形狀不規(guī)則，內(nèi)部的地物復(fù)雜，因此監(jiān)督分類(lèi)會(huì)將非城區(qū)區(qū)域的建筑物和城區(qū)內(nèi)的草地綠化帶和池塘等也顯示出來(lái)，使得結(jié)果不準(zhǔn)確.綜合了以上兩種解譯結(jié)果，最終確定城區(qū)目視解譯的結(jié)果比監(jiān)督分類(lèi)的結(jié)果要可靠，因此選定城區(qū)的目視解譯的結(jié)果作為城區(qū)解譯的最終結(jié)果.

3.3.2水體

本文中對(duì)水體運(yùn)用了歸一化水體指數(shù)技術(shù)和圖像閾值分割技術(shù)、監(jiān)督分類(lèi)兩種方法進(jìn)行解譯，得到了兩種解譯結(jié)果.通過(guò)對(duì)比二者，可以看出由于水體自身的特征較為明顯，與其他地物的區(qū)別很大，因此解譯結(jié)果的區(qū)別不大.但綜合兩種解譯的精度評(píng)估數(shù)據(jù)可以看出監(jiān)督分類(lèi)的精度更高.因此，選擇監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果作為最終的水體解譯結(jié)果.

3.3.3植被

本文中，我們對(duì)植被運(yùn)用了歸一化植被指數(shù)技術(shù)和圖像閾值分割技術(shù)、監(jiān)督分類(lèi)兩種方法進(jìn)行解譯.對(duì)于歸一化植被指數(shù)解譯法，正常情況下綠色植被在近紅外波段有一反射陡坡，至1.1μm處有一峰值，在中紅外波段反射率大大下降.而本文中，由于遙感影像沒(méi)有進(jìn)行輻射校正，并且當(dāng)時(shí)大氣中水汽比較充足的可能因素存在，導(dǎo)致植被的光譜曲線在近紅外波段的值偏低，使得影像有些地方模糊失真，分辨率和對(duì)比度下降.因此NDVI指數(shù)法并不能很好地區(qū)分植被與其他地物.而對(duì)于監(jiān)督分類(lèi)解譯法，此法得到的植被中存在被錯(cuò)分的可能性，且像元的光譜矢量與其所屬類(lèi)別的均值向量之間的距離越大，則錯(cuò)分的可能性越大.綜合了這兩種方法的精度評(píng)估數(shù)據(jù)，最終決定將兩種方法進(jìn)行綜合，采用邏輯交運(yùn)算降低誤差.

4　土地利用變化分析

在進(jìn)行地物分類(lèi)時(shí)，得到的地類(lèi)分布圖都是二值化后的圖.因此，可以運(yùn)用差值運(yùn)算進(jìn)行地類(lèi)變化檢測(cè)，即將2013年各類(lèi)地物分布圖像像元值減去2006年對(duì)應(yīng)的地類(lèi)分布圖的像元值，如果小于0，則表明地物減少；若為0，則地物類(lèi)型的象元不變；若大于0，則13年較06年的地物增加.

據(jù)此，可分別對(duì)水體、植被、城區(qū)進(jìn)行變化檢測(cè)，已知圖像分辨率為30米，所以可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)減少、不變、增加的像素?cái)?shù)量統(tǒng)計(jì)出地類(lèi)減少、不變、增加的面積以及面積比.由此

表3武漢市地類(lèi)變化統(tǒng)計(jì)表

可以得到武漢地區(qū)地類(lèi)變化統(tǒng)計(jì)情況表.

分析：通過(guò)地類(lèi)變化統(tǒng)計(jì)表可以看出，2013年與2006年相比較，主城區(qū)的面積增加了32.52%，呈現(xiàn)了極高的城市化水平，說(shuō)明在這8年里武漢市的城區(qū)擴(kuò)張非常迅速，城區(qū)面積迅速增加；而植被的面積減少了44.96%，說(shuō)明在城市化進(jìn)程的過(guò)程中植被被砍伐了；而水體的面積減少了9.83%，說(shuō)明人類(lèi)對(duì)湖泊的侵占圈占在一定程度上增加了.

5　驅(qū)動(dòng)力分析

通過(guò)地類(lèi)變化檢測(cè)，我們可以很明顯地看出各個(gè)地類(lèi)變化的趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)武漢市近年來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，以及相關(guān)政策的了解，對(duì)地類(lèi)變化驅(qū)動(dòng)力有了一定的分析：

（1）2013年相較于2006年武漢市主城區(qū)的大面積擴(kuò)展，是武漢市高水平城市化的結(jié)果.通過(guò)城區(qū)變化檢測(cè)的結(jié)果圖可以看出城區(qū)增加和減少的區(qū)域都是在城區(qū)邊緣，因此這應(yīng)該是城區(qū)向外擴(kuò)張的原因，減少的部分城區(qū)應(yīng)該是城區(qū)改建的原因.城市化的驅(qū)動(dòng)力有政治、經(jīng)濟(jì)、人文因素的綜合作用.2006到2013年是武漢市乃至全國(guó)綜合國(guó)力飛速發(fā)展的時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與此同時(shí)城市化進(jìn)程也加快了.政策上武漢市作為湖北省的省會(huì)，起到其他地級(jí)市的帶頭拉動(dòng)作用，因此政府采取措施政策鼓勵(lì)武漢市的發(fā)展.人文上，武漢市自古以來(lái)就是荊楚大地，有著深厚的歷史文化底蘊(yùn)，因此對(duì)于城區(qū)建設(shè)也受到重視.

（2）植被的面積呈現(xiàn)大幅度減少的趨勢(shì)，這與城市化進(jìn)程有很大關(guān)系.我們可以通過(guò)土地變化檢測(cè)結(jié)果圖看出植被的增加主要在主城區(qū)外的邊緣部分，因此推測(cè)是農(nóng)田的增加；而植被的減少則在整幅圖上都存在，說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展植被覆蓋率降低.植被的變化也有時(shí)間的因素，2006年的武漢市遙感影像是在11月份獲取的，而2013年的遙感影像是在6月份獲取的，而6月份的植被比11月的植被要茂盛一些.因此真實(shí)情況比此次檢測(cè)得到的植被減少量還要多.

（3）水體總體上沒(méi)有太大的變化.出現(xiàn)水體減少、增加的區(qū)域主要是河流、湖泊兩岸，這可能與季節(jié)有關(guān)系，11月份的水應(yīng)該是平水期，而6月份接近豐水期，江里泥沙沉積、夏季降水豐富等因素都會(huì)對(duì)水的分布范圍有一定的影響.湖泊邊緣出現(xiàn)了水域的減少，這可能是圍湖造田或水量減少萎縮的原因，在城區(qū)外圍出現(xiàn)了水域的增加，經(jīng)過(guò)判斷這是水田增加和新建池塘的原因.武漢市位于長(zhǎng)江中下游段，在水資源上有地理優(yōu)勢(shì)，但近年來(lái)由于對(duì)水體的管理不當(dāng)，導(dǎo)致一些城中湖甚至是長(zhǎng)江水質(zhì)的惡化，因此武漢市應(yīng)該從這得到些警示，加強(qiáng)對(duì)水體質(zhì)量的改善.

6　結(jié)論

通過(guò)遙感技術(shù)獲取武漢市2006年和2013年的遙感影像，并分析了其土地利用變化情況.武漢市在2006到2013年土地利用變化情況為：主城區(qū)的面積增加了165.5km2，水體面積減少了31.15km2，植被面積減少了379km2.該區(qū)的土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力是受多因素的影響的，而主要因素還是城市擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)因素、宏觀政策等.在今后的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)該更加注意兼顧多方面，走可持續(xù)發(fā)展之路和和諧之路.

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中圖分類(lèi)號(hào)：F293.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2015）07-0046-03