基于Landsat系列數(shù)據(jù)對(duì)建設(shè)用地變化的提取研究

姚 月，朱大明，李小華

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.河北普冠地理信息技術(shù)有限公司，河北 三河 065201；3.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)，河北 三河 065201)

基于Landsat系列數(shù)據(jù)對(duì)建設(shè)用地變化的提取研究

姚 月1,2，朱大明1，李小華3

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.河北普冠地理信息技術(shù)有限公司，河北 三河 065201；3.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)，河北 三河 065201)

選取京津冀某地作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用Landsat系列數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互的方法，基于ArcGIS平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)2005年至2015年各年遙感影像，進(jìn)行建設(shè)用地的解譯工作。利用中低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行建設(shè)用地的人機(jī)交互解譯，能夠滿足建設(shè)用地面積統(tǒng)計(jì)分析的需要，但是投入的人力和時(shí)間較多。通過(guò)對(duì)該試驗(yàn)區(qū)近10年的新增建設(shè)用地面積及個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)與分析，得出實(shí)驗(yàn)區(qū)的建設(shè)用地增長(zhǎng)率與該地區(qū)的整體規(guī)劃相符合；在京津冀一體化相關(guān)政策的影響下，使得實(shí)驗(yàn)區(qū)未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃更加合理。

Landsat；建設(shè)用地；遙感解譯；京津冀一體化

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程步伐的加快，我國(guó)城鎮(zhèn)的建設(shè)用地面積逐年擴(kuò)張。由于遙感影像[3]覆蓋范圍大，能夠及時(shí)、客觀、周期性地獲取地表信息。因此可以利用衛(wèi)星影像進(jìn)行建設(shè)用地增加進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提取建設(shè)用地變化及空間分布信息[4]。文章結(jié)合Landsat系列數(shù)據(jù)對(duì)京津冀某實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了近十一年(2005～2015年)的建設(shè)用地面積及個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)與分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)區(qū)的建設(shè)用地增長(zhǎng)率符合該地區(qū)的總體規(guī)劃要求。通過(guò)運(yùn)用遙感衛(wèi)星影像對(duì)該地區(qū)的監(jiān)測(cè)，為京津冀一體化的發(fā)展規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)，為政府的決策提供相關(guān)的科學(xué)依據(jù)，將對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)介紹

文章采用的是2005年至2015年Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，影像的景號(hào)及成像時(shí)間如表1所示。

Landsat7ETM+影像數(shù)據(jù)具有8個(gè)波段，band1-band5及band7是空間分辨率為30m的波段，band6的空間分辨率為60m，band8是全色波段，空間分辨率為15m[5]。Landsat8OLI成像儀包括9個(gè)短波譜段其成像寬幅為185x185km。全色波段地面分辨率為15m，其它譜段地面分辨率為30m。OLI成像儀在保留ETM+短波譜段的基礎(chǔ)上，又新增了2個(gè)新波段分別為波段1觀測(cè)海岸帶氣溶膠和波段9觀測(cè)卷云[6]。

表1 數(shù)據(jù)信息表

2 技術(shù)流程和數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 技術(shù)流程

根據(jù)Landsat系列數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)區(qū)的具體情況制定技術(shù)流程圖，詳細(xì)見圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 去條帶處理

2003年5月31日，由于Landsat7ETM+的機(jī)載掃描行校正器ScanLines Corrector突然發(fā)生故障，因此2003-5-31日之后Landsat7的所有數(shù)據(jù)都是異常的，需要采用SLC-off模型校正[7]。針對(duì)Landsat ETM SLC-off條帶丟失的遙感影像，利用縫隙填充的方式進(jìn)行差值，彌補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)部分。首先設(shè)置影像條帶處的無(wú)效值為0值，然后利用Mask Function進(jìn)行掩膜運(yùn)算，對(duì)于0值的區(qū)域，利用鄰域統(tǒng)計(jì)算法去除這些無(wú)效值。文章所用的Landsat7數(shù)據(jù)均用Landsat ETM SLC-off條帶修復(fù)模型，進(jìn)行了去條帶處理。

2.2.2 波段組合

針對(duì)建設(shè)用地的紋理及色調(diào)特點(diǎn)，對(duì)于Landsat7數(shù)據(jù)采用321真彩色波段組合方案，Landsat8數(shù)據(jù)采用432自然真彩色波段組合方案。針對(duì)兩種數(shù)據(jù)的波段特點(diǎn)及不同組合方案進(jìn)行了介紹，詳細(xì)見表2。

表2 波段組合方案及用途

2.2.3 融合與裁切

影像融合是將影像數(shù)據(jù)按照一定的算法或規(guī)則進(jìn)行處理,獲得具有更豐富的空間、光譜和時(shí)間信息的處理過(guò)程。

文章經(jīng)過(guò)多種融合結(jié)果對(duì)比分析，效果更接近自然真彩色的方法是利用ENVI進(jìn)行Gram-Schimdt Spectral Sharpening融合方法[8]?；贕ram-Schimdt算法的圖像融合方法既能使融合影像保真度較好，計(jì)算又簡(jiǎn)單。采用GS光譜銳化方法(Gram-Schimdt Spectral Sharpening)的融合圖像與原圖相比均值差異較小，GS變換融合方法能在提高空間信息的同時(shí)又保證高保真的光譜信息，而且變換同一地物的波譜曲線形狀沒有發(fā)生明顯變化[9]。

影像裁切是為了提高作業(yè)效率，縮小提取建設(shè)用地的范圍，降低成本。本次研究利用實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍邊界外擴(kuò)1km，對(duì)鑲嵌后DOM進(jìn)行裁切處理，形成該實(shí)驗(yàn)區(qū)的正射影像圖。

3 建設(shè)用地變化信息提取及解譯方法

3.1 信息自動(dòng)提取

建設(shè)用地的提取從NDVI中得到啟發(fā)，在TM4與TM5兩波段之間，除了城鎮(zhèn)灰度值變大，其他地類值均變小。因此在其研究成果的基礎(chǔ)上提出了NDBI(歸一化建筑指數(shù))：NDBI=(TM5- TM4)/(TM5+TM4)，影像上NDBI值大于0的位置即建設(shè)用地。為了使自動(dòng)解譯的建設(shè)用地的值在-1和1之間，將上述NDBI公式改寫為NDBI=fix((float(TM5)- TM4)/(TM5+TM4)*10000)。圖2為運(yùn)用ENVI軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)2015年1月10日Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行NDBI自動(dòng)提取結(jié)果，右圖中白色為建設(shè)用地。

圖2 2015年實(shí)驗(yàn)區(qū)遙感影像圖和自動(dòng)解譯圖

Landsat系列數(shù)據(jù)分辨率為15 m，基于ENVI軟件的對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行的建設(shè)用地，可以用來(lái)進(jìn)行建設(shè)用地識(shí)別，考慮到準(zhǔn)確性不建議進(jìn)行建設(shè)用地面積的統(tǒng)計(jì)工作。由于分辨率較低的影像受混合像元的影響較大，影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的參考價(jià)值，對(duì)于中低分辨率的影像統(tǒng)計(jì)建設(shè)用地面積不建議運(yùn)用自動(dòng)解譯方法提取，若有高分辨率影像可以嘗試，對(duì)比分析后再投入大批量的生產(chǎn)項(xiàng)目中。

3.2 人機(jī)交互解譯

建設(shè)用地類別參照國(guó)家土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2007)。建設(shè)用地是指建造建筑物、構(gòu)筑物等的土地，是指城鄉(xiāng)住宅和公共設(shè)施用地，工礦用地，能源、交通、水利及通信等基礎(chǔ)設(shè)施用地，旅游用地以及軍事用地等。土地利用類型包括居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、教育用地、娛樂用地、林業(yè)用地及農(nóng)業(yè)用地[10]。

傳統(tǒng)的基于單個(gè)像元光譜信息提取方法主要有監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、決策樹信息提取方法等。宏觀地物信息的提取主要包括建設(shè)用地、林草地、耕地、水體、道路等研究對(duì)象信息提取。基本像元的特征識(shí)別分析，不能充分考慮影像中地物的空間分布、紋理以及形狀等的特征信息[11]。本次研究采用人工交互式解譯的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)區(qū)的建設(shè)用地變化統(tǒng)計(jì)分析工作。

4 結(jié)果與分析

首先以2005年03月11日該實(shí)驗(yàn)區(qū)的Landsat7遙感影像為基準(zhǔn)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行建設(shè)用地現(xiàn)狀信息提取。然后運(yùn)用2005年提取的建設(shè)用地圖斑作為已有建設(shè)用地，疊加在2006年該實(shí)驗(yàn)區(qū)正射影像圖，借助ArcGIS[12]平臺(tái)，通過(guò)卷簾的方式進(jìn)行2006年新增建設(shè)用地的提取工作。同樣進(jìn)行2007～2015年該實(shí)驗(yàn)區(qū)的年度新增建設(shè)用地圖斑提取工作。其中2013～2015年遙感影像是Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

4.1 面積統(tǒng)計(jì)

由于影像分辨率為15 m，受到混合像元、影像清晰度以及解譯人員對(duì)地類的判讀能力等多方面因素影響，經(jīng)過(guò)多次檢查后，最終得出交互式解譯年度新增建設(shè)用地面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖3 年度新增建設(shè)用地面積統(tǒng)計(jì)圖

結(jié)合2005年對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行的建設(shè)用地現(xiàn)狀提取面積統(tǒng)計(jì)，以及交互式解譯年度新增建設(shè)用地面積統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，對(duì)2006年至2015年該實(shí)驗(yàn)區(qū)年度新增建設(shè)用地面積增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)如圖4所示：

圖4 新增建設(shè)用地增長(zhǎng)率

4.2 變化分析

實(shí)驗(yàn)區(qū)近10年(2006～2015年)新增建設(shè)用地個(gè)數(shù)如表3所示。

表3 年度新增建設(shè)用地個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，該試驗(yàn)區(qū)分別在2007年、2013年和2015年出現(xiàn)明顯的建設(shè)用地面積迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

結(jié)合相關(guān)資料顯示，該地區(qū)建設(shè)用地增加的主要原因有：(1)受到周邊城市流動(dòng)人口的影響，導(dǎo)致居住人口增加；(2)受到當(dāng)?shù)胤績(jī)r(jià)的影響，隨著相關(guān)政策的頒布、房?jī)r(jià)波動(dòng)從而影響人們的消費(fèi)觀念；(3)受到交通情況的影響，隨著實(shí)驗(yàn)區(qū)與京、津兩城市的交通條件的改善，人們會(huì)選擇距人口密集區(qū)較遠(yuǎn)的地區(qū)居住。

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用中低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行建設(shè)用地自動(dòng)解譯精度不能滿足建設(shè)用地面積統(tǒng)計(jì)分析的需要，人機(jī)交互能夠滿足精度要求但是投入的人力和時(shí)間較大。因此有待開發(fā)能夠滿足統(tǒng)計(jì)分析需求的遙感影像自動(dòng)解譯軟件。

(2)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)近十年建設(shè)用地面積及個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)與分析，實(shí)驗(yàn)區(qū)的建設(shè)用地增長(zhǎng)率與該地區(qū)的整體規(guī)劃相符合。在京津冀一體化相關(guān)政策的影響下，實(shí)驗(yàn)區(qū)未來(lái)的發(fā)展會(huì)更加合理。

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Investigation on the Extraction Dynamic Change of Land for Construction by Landsat Data

YAO Yue1 2,ZHU Da-ming1,LI Xiao-hua3

(1.KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,650093,China;2.HebeiPuGuanGeographicInformationTechnologyco.,LTD,Sanhe,065201,China;3.ExplorationUnitofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Sanhe,065201,China;)

This paper based on one area of Beijing-Tianjin-Hebei for using the Landsat image to interpret the land for construction[1]from 2005 to 2015 11years by ArcGIS platform.Low resolution satellite data’s human computer interactive interpretation may reach the accuracy requirement of statistical analysis,but it should be cost a lot of labor and time.First,it interpreted the land for construction of the area from 2005to 2015 11years by ArcGIS platform; second,it researched the statistical area and analysis data of each year between 2005and 2015 years; finally,it obtained growth rate of the land for construction[2].In brief,the statistical analysis about land for construction of the area is consistent with the overall planning.Under the policy of Beijing-Tianjin-Hebei integration,the future development and planning of the area will be better.

Landsat; land for construction; remote sensing interpretation; Beijing-Tianjin-Hebei integration

2016-08-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(40661012)；云南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2000D0005Q，2004D0007Q)；云南省自然科學(xué)基金(2007D042M)

姚月(1987-)，女，遼寧葫蘆島人，碩士，昆明理工大學(xué)助理工程師，主要從事遙感測(cè)繪技術(shù)方面的研究。E-mail：738176987@qq.com

P237

A

1672-7169(2016)05-0111-05