基于Landsat影像的城市土地利用動態(tài)監(jiān)測

摘要：土地是自然界不可或缺的資源，土地利用反映了人地關(guān)系。隨著人口數(shù)量的持續(xù)增加和社會工業(yè)化、城市化的持續(xù)推進(jìn)，如何科學(xué)地開發(fā)利用寶貴的土地資源越來越受到人們的重視。本文通過2013年和2023年的Landsat影像數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感與GIS，對10年間合肥市土地資源進(jìn)行監(jiān)測與分析，結(jié)果表明，經(jīng)過10年的城市發(fā)展，合肥市耕地面積減少了65 707.92hm2，建設(shè)用地增長了39 181.05hm2，林地減少了1 728.27hm2，水域增加了28 255.14hm2。

關(guān)鍵詞：遙感；地理信息系統(tǒng)；土地利用；動態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.08.007

引文格式：趙德良，盧曉龍，李鵬，等.基于Landsat影像的城市土地利用動態(tài)監(jiān)測［J］.山東國土資源，2024，40（8）：42-47.ZHAO Deliang， LU Xiaolong， LI Peng，" et al. Dynamic Monitoring of Urban Land Use Based on Landsat Images［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（8）：42-47.

0 引言

土地是人類生產(chǎn)和生活的載體，也是人類生存和延續(xù)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)和物質(zhì)來源，土地利用、土地覆蓋是整個地球環(huán)境變化探索領(lǐng)域的重要組成部分之一［1］。以現(xiàn)代遙測和地理信息系統(tǒng)技術(shù)為工具，分析研究土地利用、土地覆蓋的時空變化特征和驅(qū)動因素，對優(yōu)化及調(diào)整土地資源，改善生態(tài)環(huán)境，推動地區(qū)持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著十分重要的指導(dǎo)作用。土地利用變化研究的數(shù)據(jù)來源包括遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，土地利用結(jié)構(gòu)變化驅(qū)動力研究常采用多元變量統(tǒng)計的方法，使用較多的有主成分分析、逐步回歸分析、灰色關(guān)聯(lián)分析和典型相關(guān)分析［2-7］。

1 研究區(qū)域概況

合肥市地處華東地區(qū)、長江流域下游及長江三角洲西端，江淮之間，安徽省中部。與7個地級市接壤，分別是東南部馬鞍山市、蕪湖市，西南部安慶市、銅陵市，西部六安市，北部淮南市，東北部滁州市。截至2023年，全市下轄4個區(qū)、4個縣，代管1個縣級市，總面積11445km2，常住人口985.3萬人，城鎮(zhèn)化率85.55%，中國內(nèi)地城市綜合排名17名［8］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

我國的衛(wèi)星遙感事業(yè)在2012年后突飛猛進(jìn)，陸續(xù)發(fā)射了多種衛(wèi)星，包含了光學(xué)衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星，衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)處于世界先進(jìn)行列［9］。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)得到快速發(fā)展，遙感影像包含了越來越豐富的地表信息，為遙感解譯各地物屬性提供了更多可利用的決策信息［10-12］。本文選用合肥地區(qū)2008年Landsat-5 TM數(shù)據(jù)，2018年Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)（表1、表2）。

結(jié)合表1、表2及合肥地區(qū)的土地利用類型，最終確認(rèn)2013年的陸地衛(wèi)星TM遙感影像數(shù)據(jù)采用的波段組合是標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成的方法，即432（RGB）波段，2023年的陸地衛(wèi)星OLI影像選取的波段組合以標(biāo)準(zhǔn)假彩色543（RGB）波段。由于兩期圖像的數(shù)據(jù)都是陸地衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)，從地理空間數(shù)據(jù)云上下載所得，大大減少了數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作量，無需對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行Radiation correction和geometric correction處理，對原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正即可。本文采用envi5.3軟件作為處理的主要工具，在envi5.3中使用輻射定標(biāo)工具Radiometric Calibration進(jìn)行輻射定標(biāo)的處理工作，F(xiàn)laash大氣校正模塊對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正處理，用合肥市矢量行政邊界圖層對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪處理，最終得到2013年、2023年地區(qū)研究影像（圖1、圖2）。

2.2 遙感影像的分類方法

平行算法和最小距離方法沒有顧慮到不同頻帶上每個類的內(nèi)部方差，以及不同類別的直方圖重疊的頻率分布。假設(shè)類別a和b的平均亮度不同，但是在整個亮度分布之間存在重疊，并且兩種類型重疊的頻率不同。假設(shè)亮度值c落在其重疊區(qū)域中，根據(jù)平行算法和最小距離方法，除非定義任意閾值，否則難以將c歸于a或b。

最大似然規(guī)則使用有效的決策規(guī)則來確定誰更類似于類別a或類別b。該算法基于訓(xùn)練樣本的均值和方差來評估其他像素和訓(xùn)練類別之間的相似性，可以同時定量地考慮兩個或多個波段和類別，并且是一種廣泛使用的分類器［10-11］。最大似然法分類方法是遙感監(jiān)督分類器中最被廣泛使用的方法之一。與其他方法相比，具有明確的參數(shù)解釋能力，易于與先進(jìn)的經(jīng)驗知識集成，易于實現(xiàn)。假設(shè)每個類別訓(xùn)練數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息是高斯正態(tài)分布，計算給定像素屬于特定分類樣本的似然性，并將像素劃分為具有最大似然的像素［10］。

在本文當(dāng)中使用envi5.3 classic版對合肥地區(qū)的待研究影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，對分類后的數(shù)據(jù)做聚類統(tǒng)計處理。在envi中完成分類后，利用ArcGIS10.2軟件對圖層更進(jìn)一步優(yōu)化處理，得到2013年、2023年合肥地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖（圖3、圖4）。

3 結(jié)果與誤差分析

3.1 誤差

分類結(jié)果評價是進(jìn)行土地覆蓋、遙感動態(tài)監(jiān)測的重要一環(huán)，同時也是分類結(jié)果是否可信的一種度量，所以通常采用誤差矩陣法或混淆矩陣法作為評定分類結(jié)果的主要依據(jù)。從混淆矩陣中得到各種精度的統(tǒng)計值，如總體精度、使用者精度、Kappa coefficient等。

（1）總體分類精度?？傮w分類準(zhǔn)確度等于被正確分類的像元數(shù)量總和除以總的像元數(shù)。并且被正確分類的像元數(shù)量沿混淆矩陣的對角線排列，總體像元數(shù)目等于所有真實參考源的像元總數(shù)［10］。

（2）Kappa coefficient。它是把所有實際參考的像元總數(shù)（N）乘以混淆矩陣對角線（Xkk），減去某一個類中實際參考像元數(shù)與該類中像元總數(shù)的乘積。除以像元總數(shù)的平方，并減去某一類中真實參考像元總數(shù)與該類中被分類像元總數(shù)之積，然后對所有類別的結(jié)果求和。通常kappa系數(shù)在0～1之間，可分為5組，表示不同水平的一致性：0.0～0.20表示非常低的一致性，0.21～0.40表示一般一致性，0.41～0.60表示中等一致性。性別，0.61～0.80表示高度一致性，0.81～1表示幾乎相同一致［10］。

（3）用戶精度。指其中的一個像元被分配至其中指定對應(yīng)的地物類別的概率［4］。通過envi5.3中工具箱Post Classification內(nèi)的工具條可得到兩期影像的混淆矩陣，進(jìn)行匯總后如表3、表4。

可以看出，本次監(jiān)督分類的精度較為理想，2013年與2023年影像分類的總體使用精度與系數(shù)均在90%以上，在用戶精度上只有2013年的耕地精度為73.68%，其他地物的用戶精度都比較良好，總的來說各類地物的辨別度都比較高，能滿足使用的要求。

3.2 土地利用類型時空變化特征

3.2.1 土地利用類型時間變化序列

（1）土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

通常在土地利用類型覆蓋變化研究當(dāng)中，對土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的研究是一種非常直觀且對比性強，識別度高的重要方法［11］。因為轉(zhuǎn)移矩陣可以更加直接，更加具體地闡明土地類型變化的動向以及對應(yīng)的土地變化數(shù)量。在envi5.3中使用Change Detection Statistics工具選項，分析兩個時期的影像數(shù)據(jù)可得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，清晰地表示出兩個階段的土地利用類型變更情況（表5）。

（2）土地轉(zhuǎn)移數(shù)量分析

建設(shè)用地轉(zhuǎn)移數(shù)量分析。2013—2023年，有102.69hm2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀?357.53hm2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水域，32428.71hm2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地。建設(shè)用地主要來源于耕地的74026.62hm2，來自林地、水域分別是753.12hm2、1290.24hm2。

林地轉(zhuǎn)移數(shù)量分析。林地要分布在合肥市東南部，2013—2023年，有11908.08hm2轉(zhuǎn)為耕地，753.12hm2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，629.55hm2轉(zhuǎn)為水域，林地主要來源于耕地的11416.95hm2，水域和建設(shè)用地分別是42.84hm2、102.69hm2。這10年間耕地和林地轉(zhuǎn)換比較頻繁。

耕地轉(zhuǎn)移數(shù)量分析。合肥市是屬于平原地區(qū)，土地肥沃，耕地占比達(dá)七成。2013—2023年，共有74026.62hm2的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，11416.95hm2轉(zhuǎn)為林地，26702.37hm2轉(zhuǎn)為水域。耕地主要來源于建設(shè)用地和林地，分別是32428.71hm2、11908.08hm2，水域有2101.23hm2轉(zhuǎn)為耕地。這10年間耕地的總面積有所下降，這一方面也是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，另一方面，耕地的面積來源又有所補充，說明隨著合肥市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展人民的生活水平不斷提升，越來越多的人已經(jīng)意識到對耕地，土地的保護(hù)和合理的使用。

水域轉(zhuǎn)移分析。水域主要分布在北部和東部及巢湖，2013—2023年，水域面積有所上升，共有1290.24hm2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)為林地、耕地，分別為42.84hm2、2101.23hm2。水域主要來自于耕地和建設(shè)用地，分別為26702.37hm2和4357.53hm2，林地有629.55hm2轉(zhuǎn)為水域。水域的變化不僅影響著城市的水環(huán)境、水資源的分布，還與城市的綠化，熱島效應(yīng)密切相關(guān)。

除林地外，每一種地物類型都存在著不同程度的轉(zhuǎn)變，而林地的面積下降了一部分，但就總的10年間的發(fā)展而言，其間的變換趨勢仍比較明顯且耕地面積gt;水域面積gt;建設(shè)用地面積gt;林地面積。

3.2.2 土地利用類型空間變化序列

通過分類處理后結(jié)果的對比分析，認(rèn)為合肥市建設(shè)用地主要分布在主城區(qū)及其鄰近的周邊區(qū)域，巢湖市中心，廬江縣縣城及長豐縣縣城。主城區(qū)建設(shè)用地呈現(xiàn)出以主城區(qū)為中心向四周延伸的趨勢，且以NE—SW方向增加尤為顯著；巢湖市建設(shè)用地呈現(xiàn)以市中心為中心向東北方向增加的趨勢；長豐縣建設(shè)用地則是以縣城為中心向周邊發(fā)展，主要是往西和往南發(fā)展最為顯著；廬江縣建設(shè)用地呈現(xiàn)出以縣城為中心向其鄰近區(qū)域發(fā)展的趨勢［12-19］。

4 結(jié)論

通過近10年landsat衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)的監(jiān)測，基于RS和GIS，對10年間的土地利用情況進(jìn)行了定量的分析，2013—2023年，耕地資源下降嚴(yán)重，減少了65707.92hm2，建設(shè)用地的面積上升比較明顯，2013年建設(shè)用地面積為74821.95hm2，2023年為114003hm2，是4類地物中增長幅度最大的。此外，水域面積有所上升，增長約28255.14hm2。林地面積有所下降，下降幅度不大，減少面積為1728.27hm2。充分說明城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地職能轉(zhuǎn)變是城市發(fā)展的需要，如何用有限的土地上創(chuàng)造更多更大的價值，是當(dāng)前或者今后一段時期需要迫切考慮的問題，隨著“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”的提出，如何合理地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，生態(tài)宜居，生活富裕，已經(jīng)是寫在日程上的方案。促進(jìn)農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程，發(fā)展新型農(nóng)村建設(shè)，振興鄉(xiāng)村促進(jìn)鄉(xiāng)村旅游，離不開土地分配，離不開土地集約使用，離不開生態(tài)文明的建設(shè)。

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Dynamic Monitoring of Urban Land Use Based on Landsat Images

ZHAO Deliang1，2， LU Xiaolong3， LI Peng1，2， WANG Yuanmei1，2， WANG Xiufeng4， WU Yanyan5， QI Jian6

Abstract：Land is an indispensable resource in nature， and land use reflects the relationship between humans and land. Accompanying with continuous increase in population and continuous promotion of social industrialization and urbanization， how to scientifically develop and utilize valuable land resources has been increasingly valued by people. In this paper， by using Landsat image data from two periods in 2013 and 2023， and combining with remote sensing and GIS， land resources in Hefei city over the past decade" have been monitored and analyzed. As showed by the comparison results， after ten years of urban development， the cultivated land area in Hefei city has decreased by 65707.92 hectares， construction land has increased by 39181.05 hectares， forest land has decreased by 1728.27 hectares， and water bodies have increased by 28255.14hm2.

Key words：Remote sensing; geographic information systems; land use; dynamic monitoring

收稿日期：2024-04-30；修訂日期：2024-05-10；編輯：曹麗麗

基金項目：山東省地質(zhì)測繪院2019年度科研項目，基于空天地一體多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的糧食作物識別關(guān)鍵技術(shù)研究，編號KY201907

作者簡介：趙德良（1981—），男，山東濟(jì)南人，高級工程師，主要從事測繪地理信息等方面的研究；E-mail：zhaodeliangzhao@163.com

*通訊作者：吳艷艷（1982—），女，山東臨沂人，高級工程師，主要從事測繪地理信息等方面的研究；E-mail：116587885@qq.com