嘉陵第一曲流—青居曲流土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測

何 湘 王 杰

(西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院， 四川 南充 637009)

嘉陵第一曲流—青居曲流土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測

何 湘 王 杰

(西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院， 四川 南充 637009)

四川省南充市嘉陵江青居曲流以其359°的Ω型曲流而聞名于世，2001年在該曲流頸部修建了青居水電站，水電站的建設(shè)給曲流周邊土地覆蓋帶來巨大的影響。本文基于1998、2002、2007年以及2011年的TM影像，利用支持向量機(jī)方法，結(jié)合土地利用分類圖監(jiān)測研究區(qū)相應(yīng)時(shí)段土地覆蓋類型變化，分析自電站建設(shè)以來研究區(qū)的土地覆蓋變化時(shí)空分布特性。研究結(jié)果顯示：1998-2002年，水體、沙地、灌叢面積有所增加，林地及建筑用地的面積減少，其中林地減少了62.76km2。2002-2007年土地利用類型的變化趨勢則與1998-2002年相反，水體、沙地、灌叢都呈現(xiàn)下降趨勢，而林地、建筑用地面積上升。2007-2011年間，除了建筑用地和灌叢外，其他用地類型均為正增長。

土地覆蓋；動(dòng)態(tài)變化；遙感監(jiān)測；支持向量機(jī)；青居曲流

青居曲流被譽(yù)為天下第一曲流，該曲流位于嘉陵江中游南充市高坪區(qū)境內(nèi)，曲流呈359°回旋，封閉率達(dá)0.98[1]，為世界曲流奇觀。青居曲流所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境良好，是四川省“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的“新五大旅游區(qū)”之一，也是南充市政府在“十一五”期間打造“一城六景區(qū)”的啟動(dòng)項(xiàng)目。2001年，在青居曲流修建水電站，這對地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，但電站的修建也會(huì)對該段的河流環(huán)境以及曲流環(huán)內(nèi)的生產(chǎn)建設(shè)帶來一定的影響。

在利用遙感進(jìn)行土地動(dòng)態(tài)覆蓋監(jiān)測研究方面，劉洪江等人[2]設(shè)計(jì)了重分類的方法對瀾滄江電站庫區(qū)土地覆蓋進(jìn)行監(jiān)測得出該區(qū)土地覆蓋時(shí)空變化規(guī)律。楊海波等人[3]結(jié)合景觀結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)時(shí)段的TM數(shù)據(jù)和CBERS遙感影像分析了泰安水能蓄電站的建設(shè)對周邊土地利用狀況的影響。孫百生等人[4]采用TM / OLI影像對2000-2014年承德市建成土地覆蓋類型統(tǒng)計(jì)分析并采用了轉(zhuǎn)移矩陣做變化監(jiān)測。美國的Cakir等人[5]對多個(gè)TM遙感時(shí)段圖像進(jìn)行了相關(guān)性分析，從而監(jiān)測土地覆蓋變化分析。目前有關(guān)青居的研究主要集中在人文方面：蔣芩[6]提到了如何開發(fā)和打造青居曲流，符永利等[7]對青居城的遺址進(jìn)行調(diào)查，認(rèn)為青居城具有重大的旅游價(jià)值。遙感技術(shù)已成為土地變化監(jiān)測的有力工具，本文利用遙感中的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測功能，并以土地覆蓋類型的變化為切入點(diǎn)探究電站建設(shè)對周圍土地覆蓋的影響?；?998年、2002年、2007年以及2011年四個(gè)時(shí)期的TM遙感影像，對電站修建后青居周圍的土地覆蓋進(jìn)行變化監(jiān)測，為青居的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域大致位于30°42′N～31°18′N、106°E～106°22′E之間,途經(jīng)永安鎮(zhèn)、曲水鎮(zhèn)、青居鎮(zhèn)、河西鄉(xiāng)、西頭鄉(xiāng)、李渡鎮(zhèn)、新場鄉(xiāng)、土門鄉(xiāng)、臨江鄉(xiāng)、烈面鎮(zhèn)以及部分南充市區(qū)。本地氣候?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，降水的季節(jié)分配極不均勻，夏秋多雨，冬春少雨；年降雨量1 100 mm。紫色土分布廣泛，其土質(zhì)疏松易被侵蝕。出露地層為上侏羅紀(jì)同蓬萊鎮(zhèn)組厚塊層砂巖，遂寧組泥巖，泥巖夾沙巖及中侏羅紀(jì)上沙溪廟組的泥巖，砂巖互層[6]，地勢東高西低，屬于丘中古和淺丘帶壩地貌，地形以丘陵為主。青居鎮(zhèn)人口約1.9萬，常住人口約1.7萬，轄有9個(gè)行政村。區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)為主，主要的農(nóng)作物有水稻、玉米、小麥，兼產(chǎn)紅薯、油菜籽，特產(chǎn)有青居冬菜，經(jīng)濟(jì)林以柑橘、桑樹為主，也是高坪區(qū)主要的蠶桑養(yǎng)殖基地。

圖1 研究區(qū)地理位置

青居電站于2001年6月開工建設(shè)，2005年9月竣工。電站上游接小龍門電站，下游接?xùn)|西關(guān)電站，控制流域面積76 753 km2，總庫容量6.035億m3。電站裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)容量136 MW，多年平均發(fā)電量5.99億kw·h。

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

廣泛收集地方志、水文資料、土地利用類型資料以及不同時(shí)期TM遙感影像，查閱相關(guān)文獻(xiàn)。整理出1998年、2002年、2007年和2011年的研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本數(shù)據(jù)采用Landsat TM5 影像，無云或少云覆蓋。利用已糾正好的遙感影像圖對研究區(qū)域的影像進(jìn)行幾何校正，空間分辨率為30 m，除去熱紅外波段后，剩下6個(gè)波段(分別為：0.485，0.55，0.66，0.83，1.65，2.215μm)。選擇1998、2002、2007和2011年四個(gè)時(shí)間段的遙感影像用于變化監(jiān)測，遙感時(shí)相一般選擇在6-8月，光譜差異較小。原始影像為DN值(Digital Number)，為了擴(kuò)大其范圍，提高樣本提取精度，需要將DN值轉(zhuǎn)換為大氣表觀反射率，其中計(jì)算公式如式(1)所示[8]：

(1)

上式中：ρλ為表觀反射率，π為圓周率，約等于3.141 59，d為日地距離。ESUNλ為大氣頂層的平均太陽輻射能量，θs為太陽天頂角。經(jīng)過上式轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)變成浮點(diǎn)型，數(shù)據(jù)大小增加了3倍。表觀反射率計(jì)算后，合并各個(gè)波段，添加波長信息。原始影像經(jīng)過預(yù)處理后，在ENVI中把原始柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，得到的矢量文件利用Arcgis10.2做一個(gè)5 km范圍的緩沖區(qū)。以緩沖區(qū)文件作為參考，在ENVI中利用感興趣區(qū)(ROI)裁剪四景影像。

由于水體的值與緩沖區(qū)外的背景值混合在一起，根據(jù)第一波段大于零的原則，用Band Math工具進(jìn)行掩膜處理使其分離，采用支持向量機(jī)分類法對研究區(qū)影像進(jìn)行分類，結(jié)果如圖2(a1998、b2002、c2007、d2011)。SVM(Support Vector Machine)法是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多優(yōu)勢[9]，可以用于分類問題和回歸問題的求解，在圖像分類領(lǐng)域中獲得了很好的應(yīng)用[10]，而且可以在小樣本的情況下獲得較高的準(zhǔn)確率[11]。

(a)1998年土地利用覆蓋 (b)2002年土地利用覆蓋

(c)2007年土地利用覆蓋 (d)2011年土地利用覆蓋圖2 1998、2002、2007、2011年研究區(qū)土地覆蓋類型狀況

2.3 精度檢驗(yàn)

本文選取了水體、沙地、建筑用地、林地和灌叢五種類型土地利用樣本。執(zhí)行監(jiān)督分類后，需要對分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。ENVI提供了多種評(píng)價(jià)方法，包括分類結(jié)果疊加、混淆矩陣(Confusion Matrices)和ROC曲線(ROC Curves)[12]。本文對分類結(jié)果的評(píng)價(jià)采用的是混淆矩陣的方法。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示1998年、2002年、2007年和2011年四景影像的總體分類精度達(dá)到了91.03%，Kappa系數(shù)也均在0.87以上，總體符合我們的評(píng)價(jià)要求。

3 結(jié)果及分析

3.1 總體變化情況分析

研究區(qū)的總面積為240.67km2。1998年研究區(qū)土地覆蓋類型面積大小排序?yàn)椋毫值?灌叢>建筑用地>水體>沙地；林地和灌叢是研究區(qū)的主要土地覆蓋方式，總面積占整個(gè)研究區(qū)的80.09%。2002年研究區(qū)土地覆蓋類型面積大小排序?yàn)椋汗鄥?林地>水體>沙地>建筑用地，與1998年相比五種地類中灌叢和林地的面積變化較大；2007年和2011年的土地覆蓋面積大小排序中，水體和建筑用地的變動(dòng)較大，林地和灌叢仍然是研究區(qū)的主要土地覆蓋方式，二者總面積占研究區(qū)的比例超過70%(表1)。

表1 1998、2002、2007、2011年研究區(qū)土地覆蓋面積及百分比

1.2 土地覆蓋類型變化分析

土地覆蓋類型變化見表2、圖3及圖4。

表2 1998、2002、2007、2011年研究區(qū)土地覆蓋變化面積及變率

(1)水體變化分析

1998-2002年，水體面積增加了19.73km2(表2)。分別由沙地和建筑用地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化率分別為28.3%、64.3%。2002-2007年間，約有20.05 km2的水體發(fā)生轉(zhuǎn)化，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫?，轉(zhuǎn)化率為97.4%。2007-2011年，水體的面積有所上升增加了22.53 km2，分別由建筑用地和灌叢轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化率分別為37%、54.4%。四個(gè)時(shí)間段水體面積此消彼長，因此水體面積變化不大。

(2)沙地變化分析

1998-2002年期間，沙地增加了8.34km2。主要由灌叢、林地和建筑用地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化率分別為24.4%、32.2%、42.9%。2002-2007年，沙地面積減少了4.32 km2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)楣鄥?，轉(zhuǎn)化率為 52.5%。2007-2011年，由其它地類轉(zhuǎn)化為沙地的面積增加了9.22 km2。林地和灌叢向沙地的轉(zhuǎn)化率都在36%以上。

(3)建筑用地變化分析

從圖3可以看出1998-2011年間，建筑用地的面積總體來說呈現(xiàn)的是一個(gè)下降的趨勢。1998-2002年期間，建筑用地面積減少了12.88 km2。

其中建筑用地轉(zhuǎn)為灌叢的面積占50.8%，轉(zhuǎn)為林地的面積只占15.8%。2002-2007年期間，由沙地、灌叢等地類轉(zhuǎn)為建筑用地的面積增加了15.13 km2，轉(zhuǎn)化率為20.2%和46.5%。2007-2011年，建筑用地面積減少了20.75km2，主要轉(zhuǎn)化為水體，轉(zhuǎn)化率為85.5%。

圖3 各地類總量變化圖

圖4 各地類每年變化增減圖

(4)林地的變化

1998-2002年間是林地變化最明顯的階段，減少了62.76 km2，林地向水體、灌叢的轉(zhuǎn)化率分別為31.1%、64.3%。2002-2007年期間，林地面積增加了24.7 km2，主要來源于灌叢，轉(zhuǎn)化率為85.2%。2007-2011年，林地面積增加了7.46 km2，分別由沙地和灌叢轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化率分別為15.8%、79.7%。

(5)灌叢變化分析

1998-2002年，灌叢增加了47.58km2，由沙地、林地、建筑用地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化率分別為10.5%、65.2%、22.9%，此期間灌叢的變化是四個(gè)時(shí)間段里波動(dòng)最劇烈的(圖4)。2002-2007年，有15.46 km2的灌叢發(fā)生轉(zhuǎn)化，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，轉(zhuǎn)化率為89.1%。2007-2011年，灌叢的面積減少了18.46 km2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)樯车睾土值?，轉(zhuǎn)化率分別為16.6%、74%。

總體上，各地類轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)是水體、沙地和灌叢的面積總數(shù)變化不大，林地和建筑用地的面積總數(shù)變化明顯，但地類間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換大，呈現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)的平衡。

4 結(jié)論

基于4個(gè)時(shí)相的TM影像數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)分類方法提取了研究區(qū)1998-2011年的土地利用數(shù)據(jù)，然后基于該數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，根據(jù)得到的結(jié)果分析了研究期內(nèi)的土地利用變化情況。從研究結(jié)果中可以看出，各地類的轉(zhuǎn)化有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①沙地與灌叢，灌叢和林地一直處于相互轉(zhuǎn)化的階段。這些轉(zhuǎn)化充分說明了由于庫區(qū)建成后移民后置搬遷所引起的人地關(guān)系土地利用 / 覆蓋方式的變化 。②建筑用地與其他幾種地類間的轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)的是多樣化的趨勢，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換大。③水體與建筑用地之間的轉(zhuǎn)換存在關(guān)聯(lián)，1998-2002及2007-2011這兩個(gè)時(shí)間段水體面積有所增加，由建筑用地轉(zhuǎn)為水體的轉(zhuǎn)化率平均在40%以上，而2002-2007年，水體轉(zhuǎn)為建筑用地的轉(zhuǎn)化率更高達(dá)97.4%。

土地覆蓋類型總體變化情況為：水體的面積增減趨勢為增加-減少-增加的過程。原因是由于2001年10月青居電站開工建設(shè)，2002年10月實(shí)現(xiàn)第一期截流，蓄積了上游來水，2003年11月二期截流，2004年竣工下閘蓄水，2005年5月工程完工[13]。建筑用地的面積則與水體的變化趨勢表現(xiàn)相反，是一個(gè)減少-增加-減少的過程，主要原因是由于青居水電站樞紐工程、庫區(qū)淹沒、交通工程、工程零星等工程共征占、淹沒土地3.64 km2(其中渣場國有土地0.08 km2、耕地0.39 km2、國有河灘種植地2.53 km2、荒地0.05 km2、臨時(shí)用地0.2 km2) 、庫區(qū)防洪搬遷和地方擴(kuò)大拆遷719 32.72 m2。農(nóng)轉(zhuǎn)非人口1250人，搬遷安置人口5213人。庫區(qū)移民就地后靠安置和后期移民，使得大量居民用地廢棄。研究區(qū)內(nèi)林地面積的不斷增加表明庫區(qū)移民和退耕還林措施的實(shí)施也在一定程度上有利于植被的恢復(fù)。沙地呈現(xiàn)的是增加-減少-增加的波動(dòng)趨勢，從影像中可以看出曲流環(huán)內(nèi)沙地的形狀也由之前的大塊整體分布變得更加破碎化。森林在保持水土、維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定方面扮演著重要的角色，因此保證一定的林地面積也是必不可少的。本文由于可獲得的遙感影像時(shí)間跨度不大，因此有些樣本的變化不是很明顯。在后期的工作中獲取長時(shí)間連續(xù)的遙感影像對于監(jiān)測青居周圍土地覆蓋類型的變化更為有效。

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Remote sensing monitoring of dynamic change of land cover in the Qingju Meander- the First Meander of Jialing River

He Xiang, Wang Jie

(College of Land and Resources, China West Normal University, Nanchong 637009, China)

Qingju meandering is famous for the 359 degrees Omega meandering river in the world, which locates in Jialing River in Nanchong of Sichuan province. The hydropower station was constructed on meander in 2001. The construction of hydropower station would bring huge influence to the surrounding land cover. Based on the 1998, 2002 and 2007 and 2011 TM images, using Support Vector Machine(SVM) classification method, combined with land use classification maps, we analyzed land cover change since the construction of the power station. The result showed that, from 1998 to 2002, water, sand, shrub area increased, woodland and construction land area decreased, and woodland reduced by 62.76 square kilometers. The change trend of 2002-2007 was on the contrary to period of 1998-2002. From 2007 to 2011, all land types had positive growth except construction area and shrubs.

land cover; dynamic change; remote sensing monitoring; support vector machine; Qingju meandering

2016-09-23;2016-11-09修回

何湘，女，1992年生，研究生，研究方向：地理信息系統(tǒng)與水土保持。E-mail:cwnu_hexiang@163.com

王杰, 男，1984年生，博士，講師，研究方向：遙感數(shù)字圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘。E-mail:wangjie308@mails.ucas.ac.cn

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