基于TM影像的土地利用動態變化分析研究——以煙臺市六區為例

黃寶華，孫治軍，周利霞，史淑一，馬玉強

（1.中國農業大學（煙臺），山東 煙臺 264670；2.山東省煙臺市地理信息中心，山東 煙臺 264670；3.山東省煙臺市自然博物館，山東 煙臺 264003）

1 引言

土地是人類賴以生存的主要物質基礎，人們通過利用土地的性能開展一定的活動來滿足自身需要。而隨著世界人口的急劇膨脹和社會經濟的發展，特別是城市建設步伐的加速，城市土地利用的廣度和深度不斷加強，帶來全球的資源、環境、經濟、社會方面的一系列問題。因此，引起全球變化的土地利用問題已成為人們研究的熱點之一。傳統的土地利用調查需要花費大量的人力、時間和經費，難以適應土地利用的這種快速變化。遙感以其覆蓋面大、信息更新快、人為干擾因素小等優點已逐漸應用到土地利用動態監測中，并成為當今遙感技術應用的熱點之一［1～3］。本文以煙臺市為例，以多時相的遙感數據為基礎，探討煙臺市1989～2002年的土地利用類型變化的動因，為煙臺市制定今后的發展規劃提供依據。

2 研究區概述與數據源選擇

2.1 研究區概況

煙臺市地處山東半島東部，位于北緯36°16′～38°23′，東經119°34′～121°57′，地形為低山丘陵區，山丘起伏和緩，溝壑縱橫交錯。山地占總面積的36.62%，丘陵占39.70%，平原占20.78%，洼地占2.90%。擁有909km海岸線和2.6萬km2的海域面積，大小基巖島嶼63個，有居民的島15個。煙臺市區共轄芝罘、萊山、牟平、福山、開發區和高新區6個區，面積2 643.6km2，人口168.45萬人。

2.2 數據源選擇

研究所用遙感數據為1986年8月2日、1996年10月8日和2002年6月11日的Landsat TM和ETM數據各一景和1∶5萬地形圖，圖像成像時研究區域內沒有云層覆蓋，圖像質量良好。

3 土地利用遙感動態監測研究方法與技術路線

3.1 數據預處理

遙感數據預處理包括遙感數據的波段合成、幾何精校正、影像配準、大氣校正、反射率反演。以1∶5萬地形圖及其地圖投影參數為基準對1986年TM影像數據進行幾何精校正，然后以此為基準，在對1996、2002年數據進行幾何精校正。利用Flassh算法對影像進行大氣校正和反射率反演。

3.2 最小噪聲分離變換（MNF）

最小噪聲分離變換［4］本質上含有兩次疊置處理的主成分分析變換。第一步，利用高通濾波器模板對整幅影像或具有同一性質的影像數據塊進行濾波處理，得到噪聲協方差矩，并將其對角化為矩陣D N：

其中，D N是∑N的特征值按照降序排列的對角矩陣，U是有特征向量組成的政教矩陣。公式（1）可以進一步變化數據中的噪聲具有單位方差，且波段間不相關。

第二步，對白噪聲數據進行標準主成分變換。

其中，∑D－adj是∑D－adj的特征值按照降序排列的對角矩陣，通過以上兩個步驟得到MNF的變換矩陣：

由此可知，MNF變換具有主成分分析變換的性質，是一種正交變換，變換后得到的向量中的各元素互不相關，第一分量集中了大量的信息，隨著波段數的增加，影像質量逐漸下降，按照信噪比從大到小排列，通常用于噪聲去除、特征提取、變化檢測、數據減維等。同時在MNF轉化過程中，使光譜特征向類特征向量匯集，增強分類信息。

經過MNF變換后的影像特征值主要集中在前3個波段，將前3個波段進行彩色合成，從合成圖中可以看出變換后影像特點。紋理信息明顯，有林地順著山體呈現連續但是不規則形狀；農田呈現塊狀規則的分布形狀。色彩信息明顯，有林地呈現深紅色或深藍色；農田呈現綠色；城鄉建設用地呈現淡藍色；水體呈現粉紅色。MNF變換的作用是提高面向對象的分類精度（圖1、圖2、表1）。

圖1 真彩色合成影像

圖2 MNF變換后前3個波段合成影像

表1 1989年TM影像MNF的特征值

3.3 面相對象分類

面向對象分類［5］的基礎是多尺度分割，它用于以任意選定的尺度進行影像對象提取。使用不同尺度進行影像對象提取。使用不同尺度的分割來構建影像對象層次網絡。這種分類方法，重新建立了一套完整的遙感影像分類的模式，即吸收了傳統的分類方法中的優點，又充分利用對象所具有的多種空間結構和紋理屬性信息，很多研究表明可以大大提高分類精度（圖3）。

圖3 研究技術路線

4 TM數據分類結果及精度評定

4.1 分類結果

按照煙臺市典型覆蓋類型，在目視判讀和實地考察基礎上，確定研究區土地利用類型為4大類，即城鄉建筑用地、有林地、農田、內陸水體。

4.2 精度評估

用的精度評價指標是基于混淆矩陣的總體精度和Kappa系數。通過檢驗樣本與實際分類結果的比較，分別對TM1989、1996、2002分類結果進行驗證，得出了各自的混淆矩陣。根據這些混淆矩陣，最終得出總體分類精度分別是82.61%、87.49%、85.32%，Kappa值分別是0.78、0.84、0.82。從總體精度和Kappa兩項精度評價指標上分析，基于面向對象＋MNF分類對于該實驗是成功的（圖4、圖5、圖6）。

圖4 煙臺市1989年土地利用類型

圖5 煙臺市1996年土地利用類型

圖6 煙臺市2002年土地利用類型

5 土地利用動態變化分析

5.1 土地利用類型總量變化分析

分別對3期土地利用圖形數據統計分析（表2），結果表明：煙臺市土地利用類型以有林地和農田為主，其次為建設用地。該地區13年來土地利用方式發生顯著變化，城鄉建筑用地呈現明顯遞增；有林地在1989～1996年呈現遞增，1996～2002年呈現遞減現象；農田呈現遞減，且1989～1996年的遞減速度大于1996～2002年遞減速度；內陸水體呈現小幅度遞增趨勢。

由表3可知，13年間煙臺市土地利用覆蓋變化比較大。1989年～1996年年間城鄉建設用地增加了27km2，內陸水體增加20.6km2，有林地增加232.86km2，農田減少272.47km2。1996～2002年年間城鄉建設用地增加了109.2km2，內陸水體增加5.72km2，有林地減少77.67km2，農田減少39km2。減少的農田、有林地主要變為建筑用地，其原因是人口增長、居住條件的改善和城市化的發展，城鎮用地消耗量大（圖7）。

表2 煙臺市1989、1996和2002年3期土地覆蓋面積及比重

表3 煙臺市1989～1996、1996～2002年土地利用類型面積變化 km2

圖7 煙臺市89、96、02年土地利用類型面積圖

5.2 土地利用動態變化分析

為了進一步說明煙臺市這13年的土地利用變化特征，采用土地動態度這一指標定量描述研究區域土地利用變化的速度，對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有積極的作用。土地動態度可以分為單一土地利用類型動態度（表4）和綜合土地利用動態度。前者反映研究區域內一定時間內某種土地利用類型數量變化的速度和幅度，而后者則反映研究區域各種土地利用類型整體的速度變化情況［6］。

5.2.1 單一土地利用動態度

單一土地利用類型動態度可表達區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，公式表達為：

式中K為研究時段內某一土地利用類型的變化率，稱為動態度；t－t0為監測時間；u1，ut0，分別為研究開始、結束時某時段內某土地類型面積。

表4 煙臺市單一土地利用動態度變化 %

根據公式計算了煙臺市不同時期的單一土地類型動態度見圖8。從不同土地利用類型的動態度來講，城鄉建設用地年變化速率排序依次是：1996～2002年＞1989～1996年；有林地、農田、內陸水體用地變化強度排序依次是：1989～1996年＞1996～2002年。從1989年～2002年年變化率上看，1989年到2002年間變化快慢排序依次是內陸水體＞農田＞城鄉建設用地＞有林地。

圖8 煙臺市1989～2002年單一土地利用動態度（K值）

5.2.2 綜合土地利用動態度

某一研究樣區的綜合土地利用動態度可表示為：

其中Lui監測起始第i類土地利用類型的面積，ΔLui－j為監測時段內第i類土地利用類型轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值，t－t0為監測時段長度，LC的值是該研究區土地利用變化率；n為土地利用類型數目。

綜合土地利用動態度可以反映區域某一土地利用類型數量的速度變化，它既可以表示單一土地類型的時空變化，也可以對區域土地利用動態變化的總體情況進行評價。根據土地利用動態度的大小，中國土地利用的時間動態特征分為4種類型：動態度為21－24的屬于土地利用急劇變化型；動態度為13－20的屬于土地利用快速變化型；動態度為4－12的屬于土地利用慢速變化型，動態度為0－3的屬于土地利用極緩慢型。通過計算得知1989～1996年煙臺市土地利用變化動態度為4.8，1996～2002年的土地利用變化動態度為2.33，屬于土地利用慢速范圍，還說明了1996～2002年的土地利用動態利用動態度小于1989～1996年，這也說明了煙臺市在土地利用方面做出了較多的工作。

6 結語

本研究根據煙臺市地物遙感信息的特點，充分挖掘遙感資料信息、綜合運用研究人員的經驗。將依賴于專家經驗的目視解譯與計算機自動分類有機融合，實現了該區土地利用遙感信息高精度快速提取。建立的經MNF變換的面向對象分類方法，地類的提取發揮了重要作用，具有很好的效果。隨著我國基礎數據庫的不斷完善，在今后的研究中還可以將更多的非遙感資料應用于分類中，分類精度有望進一步提高。

近幾年煙臺市經濟發展迅速，房地產業發展較快。因此，城區用地的快速擴展成為煙臺市建筑用地增長的主要因素。農村居民點和工礦建筑用地的增加也是建筑用地增長的因素之一，農村人口增加，相應的住房條件也得到改善，住房面積增加，從而農村居民宅基地面積增加。因此，煙臺市應在科學分析土地資源總量，使土地利用結構和城市發展規模與國家規劃相符合方面加大力度。

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