應(yīng)用遙感影像的土地利用變化特征分析
——以高平市為例

王 斐 （高平經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)，山西 高平 048400）

土地是人類(lèi)進(jìn)行生產(chǎn)生活的重要組成部分，通過(guò)分析土地利用的變化，能夠反映土地利用的廣度、深度，可以展現(xiàn)出人類(lèi)改變土地的利用和管理方式，可以掌握人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。土地利用的變化也影響著區(qū)域氣候和全球氣候。

1 研究區(qū)域概況

高平市位于晉城市，在山西省東南部，太行西南邊緣，四面環(huán)山，中部平坦，總面積946km2，總?cè)丝?8.49萬(wàn)。高平市是溫帶季風(fēng)氣候，冬寒夏暑，四季分明。高平還是中華民族人文始祖炎帝的故里，歷史上著名長(zhǎng)平之戰(zhàn)的發(fā)生地。高平礦產(chǎn)資源較豐富，主要有煤、硫鐵礦、鐵礦、鋁土礦等，還是“煤鐵之鄉(xiāng)”、“黃梨之鄉(xiāng)”、生豬之鄉(xiāng)“。

高平是中部百?gòu)?qiáng)縣市、山西省園林城市、山西省衛(wèi)生城市、山西省文明和諧城市、山西省文化強(qiáng)縣市。

2 研究方法

以 4期（2003、2011、2015、2018年）遙感影像和實(shí)地調(diào)查為基礎(chǔ)，首先對(duì)影像輻射定標(biāo)、大氣校正、波段融合，然后利用Envi軟件對(duì)4個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行分類(lèi)，得到地類(lèi)分類(lèi)圖，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

2.1 影像獲取和實(shí)地調(diào)查

Landsat是美國(guó)NASA的陸地衛(wèi)星，于2013年發(fā)射。陸地衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)是與太陽(yáng)同步的圓形軌道。ETM傳感器共8個(gè)波段，其中1-5、7波段分辨率為30m，6波段分辨率為60m，8波段為15m。OLI傳感器1-7、9波段分辨率為30m，8波段分辨率為15m。TIRS傳感器的分辨率為100m。

研究利用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選擇云量少的遙感數(shù)據(jù)。通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云下載了2003年、2011年、2015年、2018年四個(gè)時(shí)期遙感影像。對(duì)實(shí)地地類(lèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，便于解譯對(duì)地類(lèi)的判別。

2.2 影像預(yù)處理

以Landsat衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，利用envi對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，然后用高平市矢量邊界對(duì)影像圖進(jìn)行切割，得到研究區(qū)的影像。見(jiàn)圖2.

圖1

圖2

2.3 影像解譯

此次將地類(lèi)分為建設(shè)用地、城市綠地、林地、耕地、水體五類(lèi)。建設(shè)用地影像顏色主要為灰、灰白和白色，紋理比較粗糙。城市綠地地塊比較規(guī)則，顏色主要呈綠色和淺綠色。林地呈紅、鮮紅、粉紅色，紋理比較雜亂。耕地的地塊比較整齊，顏色為紅、暗紅、黑紅和單藍(lán)色。水體影像顏色呈現(xiàn)深藍(lán)色、藍(lán)色或淡藍(lán)色，質(zhì)地比較細(xì)膩、紋理清晰、顏色均勻。解譯結(jié)果如下圖。

2.3.1 建設(shè)用地

建設(shè)用地指土地上的構(gòu)筑物和建筑物，主要包括城鄉(xiāng)的住宅、公共設(shè)施用地、工礦用地、交通水利等用地。

此次影像圖有Landsat7和Landsat8兩種影像。對(duì)于Landsat7影像，利用321波段合成真彩色。對(duì)于Landsat8影像，利用432波段合成自然真彩色。為使影像更接近真彩色，在ENVI中進(jìn)行Gram-Schimdt算法的圖像融合方法[1]。

建設(shè)用地的解譯利用NDBI（歸一化建筑指數(shù)）=fix（（float（TM5）-TM4）/（TM5+TM4）×10000）。

2.3.2 城市綠地

城市綠地主要包括兩種用地，一種是城市建設(shè)用地范圍內(nèi)用于綠化的土地，另一種是城市建設(shè)用地之外對(duì)城生態(tài)、景觀和居民休閑生活具有積極作用、綠化環(huán)境較好的區(qū)域，包括公園綠地、居住區(qū)綠地、生產(chǎn)綠地、防護(hù)綠地。

城市綠地的提取利用歸一化植被指數(shù)監(jiān)督分類(lèi)。歸一化植被指數(shù)NDVI=（IR-R）/（IR+R），IR是近紅外波段，R為紅外波段[2]。

2.3.3 林地

林地包括郁閉度0.2以上的喬木林、灌木林、火燒跡地和苗圃。

由于所選影像圖都在9月份左右，在分類(lèi)前首先對(duì)影像進(jìn)行光譜增強(qiáng)處理，對(duì)影像的波段進(jìn)行主成分變換（PCA），然后對(duì) PCA3、PCA2、PCA1進(jìn)行 RGB 合成，分類(lèi)時(shí)采用監(jiān)督分類(lèi)[3]。

黃土高原的林場(chǎng)主要包括油松類(lèi)、落葉松和柏屬、硬闊類(lèi)、軟闊類(lèi)、荒地、農(nóng)田、灌林地、采伐跡地、疏林地。油松類(lèi)顏色呈深紅色，落葉松和柏屬顏色是深紅色，硬闊類(lèi)顏色從紅色到淺紅色，軟闊類(lèi)主要是淺紅色，荒地呈白色區(qū)域，農(nóng)田和荒地相間分布，顏色略帶品紅色，灌木林植被稀疏，色調(diào)呈淡紅色，間有白色、黃色、淺褐色的斑塊，采伐地是藍(lán)色，片狀分布，疏林地與灌木林相似。

2.3.4 耕地

耕地是指種植農(nóng)作物的土地，包括水田、旱地、水澆地、無(wú)水澆地。

在耕地的提取中利用了波段合成、反差增強(qiáng)、圖像融合等方法，利用監(jiān)督分類(lèi)法提取。波段合成中利用適用于農(nóng)業(yè)的652波段。反差增強(qiáng)時(shí)對(duì)遙感影像進(jìn)行了2%的線性拉伸，更易于識(shí)別耕地。圖像融合時(shí)將空間分辨率30m的影像重采樣成15m的影像，然后與全色波段進(jìn)行融合[4]。

2.3.5 水體

水體包括江、河、湖、海、溪流等。

水體的提取中使用模型（KT3+TM2＞TM4+TM3），其中KT3是纓帽變換。此方法可以快速提取水體信息[5]。

2.4 精度評(píng)價(jià)

分類(lèi)精度的大小影響著結(jié)果的可信度，Kappa系數(shù)超過(guò)0.5，可信度就高。各期的精度和Kappa系數(shù)都能滿足實(shí)驗(yàn)的需求，具體精度如下文。

2018年整體分類(lèi)精度96.2897%，Kappa系數(shù)為0.9467。其中建設(shè)用地精度94.35%，城市綠地精度77.39%，林地精度98%，耕地精度97.10%，水體精度70.59%。

2015年整體分類(lèi)精度91.3305%，Kappa系數(shù)為0.8817。其中建設(shè)用地精度83.07%，城市綠地75.82%，林地精度95.72%，耕地精度90.97%，水體精度70.54%。

2011年整體分類(lèi)精度97.4447%，Kappa系數(shù)為0.9626。其中建設(shè)用地精度94.29%，城市綠地精度97.37%，林地精度99.63%，耕地精度99.60%，水體精度100%。

2003年整體分類(lèi)精度73.6702%，Kappa系數(shù)為0.5888。其中建設(shè)用地精度65.60%，城市綠地精度0，林地精度80.94%，耕地精度100%，水體精度100%。

3 結(jié)果與討論

從精度評(píng)價(jià)角度看，分類(lèi)基本能滿足對(duì)土地利用特征評(píng)價(jià)的需要。各年的分類(lèi)結(jié)果如下表。

建設(shè)用地 城市綠地 林地 耕地 水體2018 27.71% 9.20% 17.47% 11.11% 2.30%2015 5.4% 1.3% 21.53% 39.31% 0.02%2011 22% 6.3% 31.23% 7.58% 0.25%2003 26.61% 1.05% 39.16% 0.77% 0.04%

從組成部分來(lái)看，建設(shè)用地與裸地沒(méi)有很好的區(qū)分，2015年與其它年份相比有較大出入，但可以看出建設(shè)用地的比例增速不大，用地規(guī)模都保持在20%左右，從2003年的26%到2018年的27%。從空間布局看，建設(shè)用地基本都是沿著道路用地的走向而布局，隨著年份的增加，建設(shè)用地的破碎化也在增大。

城市綠地也是隨著年份的增加而不斷增加，從2003年的1.05%到2018年的9.20%。從空間布局看破碎化也在增大，明顯可以看到廊道的出現(xiàn)。

林地組分隨著年份的增長(zhǎng)不斷減小，從2003年的39.16%到2018年的17.47%。從空間布局上可以看到，隨著其它用地的變化，林地逐漸縮小。

耕地組分隨著年份的增加在逐漸增加，從2003年的0.77%到2018年的11.11%，從空間布局上看，破碎化也在加大。水體在近三年出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)，從2003年的0.04%到2018年的2.30%。

在具體分類(lèi)中，2015年出現(xiàn)了異常，這可能與影像圖有關(guān)，但依然可以看出土地利用的趨勢(shì)。但隨著國(guó)家退耕還林的政策，林地應(yīng)該逐漸增加，耕地應(yīng)該逐漸減小，這與研究結(jié)果不相符，可能是由于林地的等級(jí)不夠，錯(cuò)誤分為耕地，還有待進(jìn)一步研究。

從結(jié)果中可以看出，近幾年高平的建設(shè)用地增長(zhǎng)的比重慢于其它用地，城市綠地的布局還不很均勻，林地的面積一直在減少。在建設(shè)用地分類(lèi)提取中還有和其它用地分類(lèi)不清的狀況。在未來(lái)對(duì)地被的分類(lèi)中，還是有必要利用高清影像圖對(duì)各地類(lèi)的變化進(jìn)行分析。