基于TM影像對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)——以福州市為例

林耀奔 ，陳炳超 ，2

（1.廣西師范學(xué)院國(guó)土資源與測(cè)繪學(xué)院，廣西南寧530000；2.南寧市綠洲景觀園林建設(shè)工程有限責(zé)任公司，廣西南寧530000）

土地是人類的巨大財(cái)富，人類依靠土地進(jìn)行繁衍生活。全球環(huán)境變化的主要原因來(lái)自人類對(duì)土地的開(kāi)發(fā)利用而造成的土地利用類型的改變，這也是當(dāng)前全球研究的熱點(diǎn)話題[1-2]。傳統(tǒng)的土地變化監(jiān)測(cè)方法需要消耗大量的物力和人力，并且耗時(shí)、浪費(fèi)資源，難以滿足當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的需求。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的掌握與分析變得更為快捷有效，同時(shí)也對(duì)人們提出了新的要求，要求采用更新更有效的技術(shù)方法來(lái)綜合運(yùn)用這些數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展同時(shí)也造成了土地利用類型的不斷變化，遙感技術(shù)作為土地利用動(dòng)態(tài)檢測(cè)的新技術(shù)，因具有人為干擾性小、操作周期短、覆蓋面積大等其他方法技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而被廣泛地應(yīng)用與研究[3-4]。

遙感圖像可以客觀真實(shí)地反映影像的各類數(shù)據(jù)信息，是土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠數(shù)據(jù)來(lái)源，十分有益于定性定量地分析，其多時(shí)相的特性極具現(xiàn)實(shí)研究意義。

1 研究區(qū)概況

福州市是沿海省份福建的省會(huì)城市，位于福建省東部閩江下游沿海地區(qū)，介于東經(jīng)118°08′～120°31′，北緯 25°15′～26°39′。福州市地理位置十分重要，北鄰寧德市，南接莆田市，西面則是南平市和三明市，東臨東海，臺(tái)灣省與之隔海相望，是福建省的交通樞紐、經(jīng)濟(jì)和文化中心。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，福州市作為國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的最早的對(duì)外開(kāi)放城市，近年來(lái)其經(jīng)濟(jì)得到了迅猛的增長(zhǎng)。城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張使得福州市的土地利用類型也發(fā)生了巨大的變化，因此，利用遙感圖像研究其土地利用變化情況對(duì)城市未來(lái)發(fā)展有著重要意義。

2 數(shù)據(jù)的獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究所采用的數(shù)據(jù)源包括：福州市1989年5月4日和2009年6月6日2個(gè)時(shí)相的TM影像圖；福州市行政區(qū)劃矢量圖。獲得的研究區(qū)內(nèi)遙感影像的云層覆蓋為零，質(zhì)量良好。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 遙感影像的校正 包括幾何校正和輻射校正，以校正和消除幾何畸變和輻射失真[5]。

2.2.2 獲取圖像 在ERDAS中加載1989，2009年的TM遙感影像和福州市行政區(qū)劃矢量圖，并利用AOI裁剪的方法對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪，得到福州市TM遙感影像，為接下來(lái)的監(jiān)督分類做好準(zhǔn)備。

2.2.3 合成彩色圖像 由于TM單波段影像不利于目視判讀，因此，根據(jù)彩色圖像合成原理，將3個(gè)波段圖像安放3個(gè)通道上，并分別對(duì)其設(shè)置成紅、藍(lán)、綠3種顏色，便可得到彩色的遙感圖像。為了便于研究區(qū)的信息提取，需選擇易于目視解譯的波段合成的彩色圖像，此次選擇波段5、波段4、波段3進(jìn)行彩色合成。

2.2.4 影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn) 包括遙感影像數(shù)據(jù)與不同類型其他數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)以及不同時(shí)相的遙感影像間的配準(zhǔn)2個(gè)方面，這是遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。具體步驟是首先在1989年與另外的其中一個(gè)時(shí)相（如2009年）的遙感影像上找到6個(gè)以上的同名地物，同名地物點(diǎn)一般為具有較高能辨度的點(diǎn)，如清晰的十字路口、標(biāo)志性建筑物以及規(guī)則幾何地塊的棱角等，選用的樣點(diǎn)分布應(yīng)均勻，盡量鋪滿整個(gè)研究區(qū)范圍。隨后的小波模型則是根據(jù)這些樣點(diǎn)與相應(yīng)的二階多項(xiàng)式生成的，并采用雙線性內(nèi)插法作為重采樣方法，為使配準(zhǔn)精度小于0.5個(gè)像元而對(duì)遙感影像進(jìn)行不斷地配準(zhǔn)[6]。

2.2.5 建立分類體系 根據(jù)研究區(qū)的土地利用特征以及影像成像特征，并且參照國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定研究區(qū)的土地利用分類體系為建設(shè)用地、裸地、火燒跡地、耕地、林地、水體等6種土地利用類別[7]。

2.2.6 選取訓(xùn)練樣本 監(jiān)督分類的關(guān)鍵是選擇合適的訓(xùn)練場(chǎng)地，此類樣本應(yīng)是光譜特征較為均一的區(qū)域，并且要有較多的光譜特征變化較大的地物點(diǎn)，從而能科學(xué)可靠地反映該區(qū)域的變化情況。此次操作中，每類至少選擇10個(gè)訓(xùn)練樣本。利用AOI工具在1989，2009年的TM影像上選取合適的樣本建立訓(xùn)練區(qū)。

2.2.7 執(zhí)行監(jiān)督分類 根據(jù)選取的訓(xùn)練樣本，利用ERDAS提供的監(jiān)督分類模塊，導(dǎo)入TM遙感影像和訓(xùn)練樣本執(zhí)行監(jiān)督分類。

2.2.8 分類結(jié)果檢查糾正 在同一窗口中添加裁剪后的影像和分類后的影像，使用wipe工具進(jìn)行分類結(jié)果糾正。若發(fā)現(xiàn)分類結(jié)果與遙感影像有明顯出入時(shí)，可以利用Raster→Tools菜單中的工具進(jìn)行手動(dòng)修改。

2.2.9 監(jiān)督分類后處理 一般情況下，監(jiān)督分類之后會(huì)產(chǎn)生一些小圖斑，這些圖斑必須剔除以提高遙感圖像數(shù)據(jù)分析的精準(zhǔn)度以及出圖的美觀可靠性。

首先進(jìn)行聚類統(tǒng)計(jì)。聚類統(tǒng)計(jì)（Clump）是為產(chǎn)生一個(gè)Clump類組輸出圖像，而對(duì)每個(gè)分類圖斑的面積進(jìn)行計(jì)算以及記錄相鄰區(qū)域中最大圖斑面積的分類值等操作[8]。

然后進(jìn)行去除分析。去除分析（Eliminate）就是將刪除的小圖斑合并到相鄰的最大的分類當(dāng)中，適用于刪除原始分類圖像中聚類圖像的小Clump類組或是小圖斑。去除分析法的一個(gè)便捷之處就是其處理之后的Clump圖像，會(huì)將小類圖斑的相關(guān)屬性值自動(dòng)恢復(fù)到處理前的原始分類編碼。

2.2.10 精度評(píng)估 為得到精度評(píng)估報(bào)告可使用Accuracy Assessment模塊對(duì)分類后的影像進(jìn)行精度評(píng)估。報(bào)告顯示，1989年的分類精度結(jié)果為81.67%，2009年的分類結(jié)果精度為79.44%[9]。

3 土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

3.1 動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

利用Modeler模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，其計(jì)算公式如下：＄n2_class_fz1989_el*10+＄n12_class_fz 2009_cl_el，并執(zhí)行土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型。此外，再執(zhí)行 Raster→Attribute→Edit→Add area column添加面積屬性，其中，Row列數(shù)值ij的含義為1989—2009年期間，福州市i類土地轉(zhuǎn)變成j類土地，而Histogram列的數(shù)值含義為福州市i類土地轉(zhuǎn)變?yōu)閖類土地的像元數(shù)[10]。

3.2 變化監(jiān)測(cè)及出圖

使用ENVI5.1中的Thematic ChangeWorkflow功能，以福州市1989年土地利用類型分布圖為初始化底圖，以福州市2009年土地利用類型分布圖為第2幅圖，得到福州市1989—2009年土地利用類型變化圖，并通過(guò)ArcMap和PhotoShop工具制作成圖。分別得到3幅專題地圖（圖1，2，3）。

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)福州市土地利用變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表1）。

從表1可以看出，建設(shè)用地、林地、裸地三類土地類型的變化相對(duì)較大。比較建設(shè)用地類型的面積可以發(fā)現(xiàn)，1989年有1 424.52 km2的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其次是林地，有537.732 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。另外，林地還有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)為耕地，轉(zhuǎn)移面積為885.78 km2，還有一部分林地可能因?yàn)榘l(fā)生森林火災(zāi)或人為破壞轉(zhuǎn)為火燒跡地。同樣，裸地面積也在發(fā)生變化，其中有619.02 km2的裸地轉(zhuǎn)為林地，538.308 km2的裸地轉(zhuǎn)為耕地。對(duì)于火燒跡地這類土地類型來(lái)說(shuō)，其變化主要表現(xiàn)為有280.152 km2的面積轉(zhuǎn)為林地，轉(zhuǎn)為其他類型的土地面積相對(duì)少。同樣，水體的變化也不大，主要是轉(zhuǎn)為裸地類型。

表1 1989，2009年福州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4 結(jié)論

在土地利用類型的變化方面，福州市1989—2009年土地利用發(fā)生了較大變化：建設(shè)用地增加了1690.85 km2，增幅達(dá)76%，平均每年增加84.542 km2；裸地減少 1 084.323 km2；林地增加 4 561.88 km2；水體減少1 904.82 km2；火燒跡地增加536.436 km2；耕地減少了1 408.604 km2。

耕地面積總體來(lái)說(shuō)變化較大，林地面積有所增加，建設(shè)用地面積持續(xù)較快增長(zhǎng)，而裸地面積則大幅度減少，說(shuō)明福州市的城市化進(jìn)展不斷加快，但土地利用仍不大合理，亟待改進(jìn)。

運(yùn)用遙感圖像處理的相關(guān)技術(shù)對(duì)多時(shí)相影像進(jìn)行土地利用類型的提取以及土地利用動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)是科學(xué)可行的，可以較為直觀清晰地反映當(dāng)今城市在經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的背景下所帶來(lái)的土地利用類型變化的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。但是遙感影像在成像過(guò)程中容易受到大氣狀況、傳感器等諸多因素的影響，從而造成土地分類不夠精細(xì)。若采用高分辨率影像進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，一定會(huì)達(dá)到更好的效果。

［1］黃寶華，孫治軍，周利霞，等.基于TM影像的土地利用動(dòng)態(tài)變化分析研究：以煙臺(tái)市六區(qū)為例[J].綠色科技，2001（9）：9-13.

［2］曹雪，柯長(zhǎng)青.基于TM影像的南京市土地利用遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2006，31（11）：958-961.

［3］翁玉坤，劉排英，王鵬生.遙感技術(shù)在土地調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用綜述[J].北京測(cè)繪，2009（3）：60-62.

［4］張燦榮，伍素貞.利用遙感影像進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)：以東莞市長(zhǎng)安鎮(zhèn)為例[J].地礦測(cè)繪，2007，23（3）：17-19.

［5］姚薇，李志軍，姚珙.Landsat衛(wèi)星遙感影像的大氣校正方法研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（2）：251-256.

［6］張銳，姜挺，于瑤瑤.圖像重采樣對(duì)調(diào)制傳遞函數(shù)估算的影響[J].遙感學(xué)報(bào)，2012，16（3）：482-491.

［7］王人潮.試論土地分類[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2002，28（4）：355-361.

［8］么枕生.用于數(shù)值分類的聚類分析 [J].海洋湖沼通報(bào)，1994，2（1）：1-12.

［9］劉旭攏，何春陽(yáng)，潘耀忠，等.遙感圖像分類精度的點(diǎn)、群樣本檢驗(yàn)與評(píng)估[J].遙感學(xué)報(bào)，2006，10（3）：366-372.

［10］韓麗蓉.基于ERDAS的掩膜圖像生成方法探討 [J].國(guó)土資源遙感，2013，25（2）：81-86.