蕪湖市土地利用/覆蓋變化的遙感分析*

白洪偉，吳滿意，葛 艷

（1.宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州234000；2.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西西安710054）

蕪湖市土地利用/覆蓋變化的遙感分析*

白洪偉1，吳滿意2，葛 艷1

（1.宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州234000；2.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西西安710054）

以安徽省蕪湖市四區(qū)(鏡湖區(qū)、弋江區(qū)、鳩江區(qū)、三山區(qū))為研究區(qū)，利用1994年Landsat-5的TM影像、2006年和2014年Landsat-7的ETM+影像解譯結(jié)果，獲取蕪湖市四區(qū)三期土地利用/覆蓋分類圖，并基于ENVI圖像分析和數(shù)理統(tǒng)計方法對蕪湖市四區(qū)1994—2014年土地利用/覆蓋變化做定量分析研究，分析各土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，探討各類面積發(fā)生變化的主要原因。

蕪湖市；土地利用/覆蓋變化；遙感分析

土地利用/覆蓋變化是研究地球變化的重要內(nèi)容,是在不同時間和空間尺度上由自然和社會系統(tǒng)相互作用引起的一種復雜變化[1-2]。人類活動深刻地干預并改變著自然地理環(huán)境，這種作用的主要表現(xiàn)形式是土地利用，而其直接表征是土地利用/覆蓋狀況的改變[3]。隨著遙感影像的發(fā)展以及高分辨率遙感影像的廣泛應用，遙感技術(shù)已經(jīng)成為研究土地利用覆蓋/變化的重要手段[4]。過去研究土地利用/覆蓋主要以各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)本身的局限性使得土地動態(tài)變化的空間特征分析不能得到有效的開展。國內(nèi)學者利用遙感技術(shù)對土地利用/覆蓋這類課題的研究主要集中在大城市、經(jīng)濟發(fā)展較為快速的地區(qū)以及中國西部等生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地區(qū)，對經(jīng)濟發(fā)展緩慢的小城市使用遙感技術(shù)進行此類研究的相對較少。近年來，利用蕪湖市土地相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行過土地利用變化分析以及土地利用與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)研究。但沒有研究蕪湖市近期的土地利用/覆蓋變化情況。本文利用1994年Landsat-5的TM影像解譯結(jié)果、2006年和2014年Landsat-7的ETM+影像解譯結(jié)果，獲取蕪湖市四區(qū)三期土地利用/覆蓋分類圖，并基于ENVI空間分析和數(shù)理統(tǒng)計方法對蕪湖市四區(qū)1994—2014年土地利用/覆蓋變化做定量研究分析。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)的收集與預處理

1.1.1 數(shù)據(jù)的收集

本次研究將中國科學院地理科學與資源研究所提供的三期遙感衛(wèi)星Landsat TM/ETM+影像作為信息源，具體包括成像時間為1994年7月6日的Landsat-5 TM影像，2006年9月31日和2014年7月 21日兩景Landsat-7 ETM+影像，研究區(qū)內(nèi)影像天氣狀況均為無云且空間分辨率均為30 m。利用ENVI遙感圖像處理軟件得到以馬鞍山市為研究區(qū)的土地利用分類結(jié)果圖和面積變化統(tǒng)計分析表。輔以馬鞍山市2006年行政區(qū)劃Landsat-5影像數(shù)據(jù)，從而提取蕪湖市四區(qū)矢量邊界。

1.1.2 數(shù)據(jù)的預處理

首先將下載的分波段單獨存儲的各時期TM/ ETM+影像數(shù)據(jù)進行波段的疊合。其次對遙感影像進行幾何糾正。在糾正前，利用ENVI遙感圖像處理軟件將3景衛(wèi)星影像的投影和坐標統(tǒng)一為UTM,Zone 50 North,WGS-84。即以2014年的蕪湖市四區(qū)影像為基準圖像，將2006、1994年影像作為配準影像。首先在基準影像上滿幅均勻選取特征明顯的控制點，然后在配準圖像上找與其對應的同名點，控制點共選取20個，兩次配準操作分別進行。位置的校正和灰度重采樣方法分別選取二次多項式和雙線性內(nèi)插法，最終得出最小均方差誤差RMS分別為0.256和0.412，均滿足糾正要求的1個像元內(nèi)。最后進行影像的裁剪，使用ENVI遙感圖像處理軟件利用糾正后的2006年蕪湖市四區(qū)行政區(qū)劃影像數(shù)據(jù)建立矢量文件，依次對3期配準后影像進行掩膜得到裁剪后的研究區(qū)影像數(shù)據(jù)。

1.2 影像的分類

1.2.1 分類體系的建立

為了有效反映各地類相互轉(zhuǎn)換的具體情況，基于現(xiàn)有條件，結(jié)合三景影像的實際解譯能力和土地利用特征，將馬鞍山市土地利用/覆蓋分為：耕地、林業(yè)用地、建設(shè)用地、水域和其它用地5個類別。

1.2.2 分類方法的選擇

分類后專題圖的正確分類程度（也稱可信度）的檢核是對影像進行分析的重要環(huán)節(jié)，目前評定分類精度通常使用混淆矩陣，利用混淆矩陣進行定量分析的主要參數(shù)有：

（1）總分類精度及Kappa系數(shù)

式中Pc為總分類精度，m為分類類別數(shù)，N為樣本總數(shù)，PKK為第K類的判別樣本數(shù)。K為Kappa系數(shù)，N為樣本總數(shù)，Ppi為某一類所在列總數(shù)，Pli為某一類所在行總數(shù)。

在相同訓練樣本下，采用監(jiān)督分類中的其中四種分類方法（平行六面體法、最小距離法、馬氏距離法、最大似然法、神經(jīng)網(wǎng)絡）分別提取土地利用/覆蓋變化信息，分類精度經(jīng)統(tǒng)計分析如表1所示。因神經(jīng)網(wǎng)絡分類效果相對更好，故監(jiān)督分類采用此方法。

表1 分類精度比較

1.3 結(jié)果圖像的生成

使用ENVI5.0軟件對R、G、B依次賦短波紅外波段（Band5）、近紅外波段（Band4）、紅色波段（Band3）值打開影像，選取代表耕地、林業(yè)用地、建設(shè)用地、水域和其它用地五種土地利用/覆蓋的訓練樣本，并建立兩套感興趣區(qū)，一套使用最大似然法進行監(jiān)督分類，另一套運用Compute ROI Separability工具對感興趣區(qū)進行評價。處理結(jié)果如圖1所示。

圖1 土地利用/覆蓋分類圖

2 結(jié)果分析

2.1 地類面積變化分析

對3個時相的分類結(jié)果進行統(tǒng)計，得出蕪湖市四區(qū)1994、2006、2014年3個時期土地利用/覆蓋面積變化結(jié)果（如表2、3所示）。研究結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)土地面積共計約1 110.03 km2，建設(shè)用地和林業(yè)用地是近20年來蕪湖市四區(qū)土地利用/覆蓋的主要類型。

1994—2006年，蕪湖市四區(qū)林業(yè)用地面積從270.71 km2增加到400.52 km2，增幅達47.95%；水域面積也以47.54%的增幅從123.55 km2增加到182.28 km2；除耕地、林業(yè)用地、建設(shè)用地、水域以外的其它用地從67.05 km2減少到12.8 km2，減幅達-80.91%，為面積變化最大的土地利用類型（見表2、3）。

2006—2014年，蕪湖市四區(qū)耕地面積變化-13.87 km2，變化幅度達-5.97%；林業(yè)用地面積從400.52 km2減少到220.82 km2，變化幅度達-44.87%；水域、建設(shè)用地與其它用地面積各增加27.67 km2、155.73 km2及10.17 km2。

總的來說，1994—2014年近20年間，蕪湖市四區(qū)建設(shè)用地從120.09 km2增加到437.7 km2，增幅達264.48%，為面積變化幅度最大的土地類型；水域面積則以69.93%的增幅從123.55 km2增加到209.95 km2；耕地面積面積變化了-310.04 km2，變化增幅為-58.65%；林業(yè)用地面積變化了-49.89 km2，變化增幅為-18.43%；建設(shè)用地面積變化了-49.89 km2，變化增幅為-18.43%。

表2 土地利用/覆蓋類型面積及比例

表3 土地利用/覆蓋面積變化

2.2 土地利用動態(tài)變化分析

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣可以有效地表達2個時期不同類型土地之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系[5]。其數(shù)學模型為

采用該數(shù)學模型，得到1994—2006年、2006—2014年2個時段地類面積轉(zhuǎn)移矩陣，如表4、5所示，以及面積百分率轉(zhuǎn)移矩陣如表6、7所示。

表4 1994-2006年土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表5 2006-2014年土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表6 1994-2006年土地利用面積百分率轉(zhuǎn)移矩陣 %

由表3、6可分析得出蕪湖市四區(qū)1994—2006年地類轉(zhuǎn)移變化情況：林業(yè)用地面積增加了129.81 km2，增加的用地面積主要由53.85%的耕地、6.74%的建設(shè)用地轉(zhuǎn)化而來；建設(shè)用地面積增加了161.88 km2，增加的用地面積大多由耕地、林業(yè)用地和其他用地轉(zhuǎn)換而來，轉(zhuǎn)換百分比為33.02%、24.74%和12.14%。以此類推，可以從表3和表6中得出耕地、水域和其他用地的變化情況。

表7 2006-2014年土地利用面積百分率轉(zhuǎn)移矩陣 %

由表3、7可以分析得出蕪湖市四區(qū)2006—2014年地類轉(zhuǎn)移變化情況：建設(shè)用地面積有所增加，其面積變化最大，增加的面積主要由耕地、林業(yè)用地組成，轉(zhuǎn)換百分比為12.78%、31.89%；林業(yè)用地減少了-179.7 km2，減少的面積主要轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地和耕地，轉(zhuǎn)移百分比依次為34.85%和24.11%。以此類推，可以從表3和表7中看出耕地、水域和其他用地的變化情況。

2.2 單一土地利用動態(tài)度

將某研究區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化的定量反映稱為單一土地利用動態(tài)度，其數(shù)學表達式為：

根據(jù)公式（3）可計算整理得出1994—2006年、2006—2014年、1994—2014年蕪湖市四區(qū)單一土地利用動態(tài)度，如表8～10所示。

2.3 綜合土地利用動態(tài)度

將某研究區(qū)域綜合土地利用變化的速度的定量反映稱為綜合土地利用動態(tài)度，其數(shù)學表達式為：

根據(jù)公式（4）可計算整理得出1994—2006年、2006—2014年、1994—2014年3個時間段蕪湖市四區(qū)綜合土地利用/覆蓋類型動態(tài)變化表，如表8～10所示。

研究結(jié)果表明，1994—2006年年變化率最大的土地利用類型為建設(shè)用地，其數(shù)值為11.23%，其次為其他用地，數(shù)值為-6.74%，其他如表8所示。

2006—2014年其他用地為單一的土地利用動態(tài)度最大的土地利用類型，數(shù)值為9.93%。其次為建設(shè)用地，其數(shù)值為6.90%。其他如表9所示。

總的來說，1994—2014年，建設(shè)用地是近20年來土地利用動態(tài)度最大的土地利用類型，為13.22%。其次為水域，年變化率為3.50%。如表10所示，經(jīng)計算，蕪湖市四區(qū)1994—2006年、2006—2014年、1994—2014年間綜合土地利用動態(tài)度分別為2.40%、3.00%、1.63%。

表8 1994-2006年土地利用動態(tài)度變化表 %

表9 2006-2014年土地利用動態(tài)度變化表 %

表10 1994-2014年土地利用動態(tài)度變化表 %

3 結(jié)論

（1）從土地利用分類圖可看出：蕪湖市四區(qū)土地利用類型分布特點基本與地形特點相適應。

（2）1994—2014年近20年來，蕪湖市四區(qū)土地利用類型中的建設(shè)用地和林業(yè)用地所占面積比相對較高。地類面積變化明顯，發(fā)生變化的土地利用面積約占總面積的55.85%。

（3）1994—2014年間，土地利用/覆蓋在數(shù)量和空間布局上都發(fā)生了明顯變化。建設(shè)用地和水域面積有所增加，而耕地、林業(yè)用地和其它用地則減少。究其原因，蕪湖市四區(qū)處于規(guī)劃期，耕地、林業(yè)用地及其它用地得以大規(guī)模開發(fā)和利用。

注釋及參考文獻：

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[3]李發(fā)珍,劉友兆．蕪湖市四區(qū)土地利用與生態(tài)環(huán)境[J]．國土與自然資源研究,2007(1):36-37．

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Remote Sensing Analysis of Land Use/Cover Change in Wuhu City

BAI Hong-wei1,WU Man-yi2，GE Yan1
（1.Anhui Province Coal Mine Exploration Engineering Technology Research Center,Suzhou University,Suzhou, Anhui 234000；2.The First Topographic Surveying Brigade of SBSM,Xi`an,ShanXi,710054）

As the research area of the four regions of Wuhu City in Anhui Province(Jinghu region,Yijiang region,Jiujiang region,Sanshan region),use of the 1994 Landsat-5 TM image,2006 and 2014 Landsat-7 ETM+ image solution results,aquired of Wuhu City,four regions land use/cover classification map,and based on envi image analysis and mathematical statistics method of Wuhu City,four region 1994-2014 land use/cover change to do quantitative analysis of various land use types between the mutual transformation relationship,to explore the main reason for the changes in various area.Research for the further development of the city planning and construction has a certain reference.

Wuhu city;land use/cover change;remote sensing analysis

P237；F301.2

A

1673-1891（2015）04-0074-04

2015-09-01

宿州學院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開放課題資助（2013YKF04）。

白洪偉（1987-），男，安徽宿州人，助教，碩士，研究方向：測繪與3S技術(shù)。