基于Landsat8 遙感影像的六安市土地利用分類研究

徐 旋 方吉男 王璐璐 周 潔 胡華萍 王清明

（六安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，安徽六安 237000）

土地利用是全球環(huán)境變化人文因素計劃與國際地圈生物圈計劃的核心研究內(nèi)容之一，也是全球變化研究的重要因素之一［1］。土地利用分類的研究是及時掌握土地覆蓋變化，合理制定土地利用規(guī)劃的前提［2］。研究土地的利用分類也是研究城市擴(kuò)張［3］、植被演變［4］與災(zāi)害預(yù)測［5］的重要基礎(chǔ)。

土地利用分類主要包括水體、陸地、城市、森林及農(nóng)業(yè)用地5個部分。然而，由于受到地形、地貌、植被類型復(fù)雜、分布零散等因素的限制，人們很難對區(qū)域內(nèi)所有土地利用類型進(jìn)行直接、長期的地面調(diào)查。遙感作為一種新興的探測技術(shù)，具有信息量大、信息獲取速度快、周期短、時效性強(qiáng)的特點，近年來被廣泛地應(yīng)用于土地資源的調(diào)查中［6］。該研究主要通過對六安市遙感數(shù)據(jù)的裁剪，使用不同的波段組合技術(shù)，基于調(diào)查的主要土地利用類型使用影像分類方法展開土地利用分類研究；并利用ArcGIS平臺完成所有的技術(shù)實現(xiàn)（數(shù)據(jù)預(yù)處理、制作訓(xùn)練樣本、在線分類及生成土地利用分類效果圖），為研究六安市土地分布規(guī)律與植被演化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況該研究選用安徽省六安市部分區(qū)域展開研究，地理位置為115°36′～116°54′E、31°01′～32°07′N，土地總面積8432.52 km2，所包含行政區(qū)域包括金寨縣、霍山縣、裕安區(qū)和葉集區(qū)。六安位于大別山北坡面向淮北平原的斜面上，西南高、東北低，由南向北呈現(xiàn)階梯狀分布，大體分為山地、丘陵、崗地和平原4個類型。大部分地區(qū)多年平均氣溫為l4.6～15.6 ℃，自東北向西南隨地勢抬高而遞減。冬季以偏北風(fēng)為主，夏季以偏南風(fēng)為主，春、秋兩季是風(fēng)向轉(zhuǎn)換季節(jié)，全年最多風(fēng)向為偏東風(fēng)，年平均風(fēng)速為3.2～3.4 m/s。六安市屬于北亞熱帶常綠闊葉林植被帶、皖中落葉與常綠闊葉混交林地帶。境內(nèi)樹種資源起源較早、區(qū)系復(fù)雜、種類繁多，80%的喬灌木樹種分布在西南中山地區(qū)。全市森林覆蓋率高達(dá)36.2%，野生植物資源分布廣、藏量豐，經(jīng)濟(jì)價值高［7］。

1.2 數(shù)據(jù)來源該研究使用Landsat8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星攜帶OLI（operational land imager，陸地成像儀）和TIRS（Thermal infrared sensor，熱紅外傳感器）2種傳感器。其中，OLI傳感器波段數(shù)為9個，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)為WGS_1984_Albers，地理坐標(biāo)系為GCS_WGS_1984。該研究選取春季2個不同時間節(jié)點。2021年4月1日、2021年04月16日的影像數(shù)據(jù)，此時正值植被生長茂盛，光譜信息特征明顯，有利于制作豐富可靠的樣本。

1.3 研究方法

1.3.1 調(diào)查與現(xiàn)場勘測 該研究通過對六安市自然資源相關(guān)文獻(xiàn)與勘察綜述進(jìn)行調(diào)研，初步可知金寨縣土地利用分布以森林和陸地為主，霍山縣以森林為主要分布類型，農(nóng)業(yè)用地主要分布在裕安區(qū)與葉集區(qū)等地［8-9］。

1.3.2 波段組合 該研究使用的OLI陸地成像儀包含9個波段，TIRS傳感器含2個單獨(dú)的紅外末端，其各個波段主要參數(shù)如表1所示。OLI傳感器提供了波普范圍更窄、空間分辨率更高全色波段，這對于植被與非植被特征的區(qū)分更為有利，如表2所示為常見波段組合。

表1 Landsat8-OLI波段數(shù)據(jù)參數(shù)

表2 常見波段組合列

續(xù)表2 常見波段組合列

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 該研究根據(jù)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量以及所研究區(qū)域特征，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了裁剪，裁剪工具選擇ENVI工具，裁剪后的影像數(shù)據(jù)包含Band 1～Band 7波段，符合土地利用分類研究的數(shù)據(jù)要求。裁剪后的數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 裁剪后的所研究區(qū)域矢量數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)效果

1.3.4 Landsat8的土地利用影像分類研究 基于ArcGIS平臺，針對Landsat8的圖像監(jiān)督分類的具體操作步驟與方法流程如下：①Step1：使用ArcGIS打開Landsat8數(shù)據(jù)，設(shè)置波段組合為564，如圖2a所示。該波段組合可用于分類陸地和水體（水體表現(xiàn)為深藍(lán)色和黑色區(qū)域）；②右擊ArcGIS空白處，選擇圖像分類；選擇繪制多邊形構(gòu)建樣本。此處選擇了11個水體樣本，包括城內(nèi)水域；③將水體樣本進(jìn)行合并，并命名為Water；同時將波段組合調(diào)整為432，觀測分類效果，如圖2b所示；④將波段組合調(diào)整為543組合，進(jìn)行陸地與市區(qū)分類，重復(fù)②和③操作，如圖2c所示；⑤將波段調(diào)整為562和652，進(jìn)行森林與農(nóng)業(yè)用地分類，重復(fù)②和③操作，如圖2d所示，其中圖2e所示為最終完整版樣本管理圖；⑥最后選擇ArcGIS “交互式監(jiān)督分類”，輸出所研究區(qū)域的土地利用分類初步效果，如圖3所示。

圖2 Landsat8的土地利用影象分類

根據(jù)分類步驟及樣本管理圖可知，樣本的選擇與制作直接關(guān)系到分類的正確性與準(zhǔn)確性。該研究所使用的多波段交叉制作樣本的方法，其不僅能夠保證樣本的多樣性，同時能夠保證樣本的準(zhǔn)確性。例如：波段543中制作的樣本，可在波段562與波段564中進(jìn)行驗證之后再確定；同理，分類后的效果可在波段432與波段652中進(jìn)行人工檢驗。

2 結(jié)果與分析

該研究模擬試驗環(huán)境為臺式電腦，硬件參數(shù)為Inter（R）Core（TM）i7-10700K CPU@3.8 GHz，內(nèi)存32 GB；操作系統(tǒng)為Windows 10專業(yè)版，64位；軟件工具為ArcMap 10.1。

根據(jù)表1、2所示，不同的波段組合適用于不同的土地分類研究，與其他利用Landsat8研究土地利用分類的研究不同，該研究并不拘泥于某1種或2種波段組合展開土地利用分類研究，而是利用多種波段組合研究不同的土地利用分類特征，同時不同的波段組合特征之間還可以互相驗證，主要以432、652、543、564、654展開研究。例如：543波段組合中的深紅色區(qū)域主要表示森林，其與波段562中的深綠色表征類型一致。2種不同波段中的不同顏色表征了同一種土地利用分類，可知不同的波段組合可用于驗證分類的正確性。

根據(jù)土地利用分類效果（圖3）與六安市土地資源分布勘測結(jié)果對比可知，該研究針對六安市部分區(qū)域的土地利用分類效果基本上符合實際情況。森林區(qū)域主要集中在霍山縣與金寨縣，農(nóng)業(yè)用地主要集中在裕安區(qū)與葉集區(qū)，城鎮(zhèn)主要分布在裕安區(qū)和葉集區(qū)以及河流附近。同時森林分布區(qū)域，也是土地分布相對集中區(qū)域，這也是比較符合六安市實際地情。綜上，該研究所用的六安市土地利用分類技術(shù)具有一定的實用價值，其分類可靠。

圖3 土地利用分類效果

3 討論

該研究利用2個時間段的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本的制作與驗證，最大程度保障分類的正確性與準(zhǔn)確性。此外，基于ArcGIS平臺在線使用圖像樣本分類，其支持后期手動修改、增加及刪減樣本庫，通過持續(xù)的調(diào)研、勘測，不斷地豐富樣本庫。同時，針對同一區(qū)域不同時間段的影像數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步保障樣本的可靠性。

六安市作為安徽省農(nóng)業(yè)重點城市之一，無論是建設(shè)用地還是農(nóng)業(yè)用地，其比例都在顯著增高，主要來源是未利用地和耕地。提高土地有效利用率，離不開對土地利用分類的研究與動態(tài)監(jiān)測。如何提高土地利用分類的精度與實時更新，是下一步需要研究的工作。