Landsat影像海岸帶土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

白玨瑩，徐威杰，管明雷，周　立

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008; 2. 淮海工學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

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Landsat影像海岸帶土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

白玨瑩1，徐威杰1，管明雷2，周立2

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008; 2. 淮海工學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

Study on Landsat Images Land Use Dynamic Monitoring Methods of Coastal Zone

BAI Jueying,XU Weijie,GUAN Minglei,ZHOU Li

摘要：海岸帶土地利用變化在全球環(huán)境變化中備受關(guān)注。因此，比較分析適宜的、精度較高的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)海岸帶土地利用研究具有相當(dāng)重要的意義。本文選取連云港內(nèi)土地利用變化強(qiáng)度較大的海岸帶作為研究對(duì)象，針對(duì)1986年和2013年兩期Landsat影像采用圖像差值法、主成分分析法和波段組合法3種差值法進(jìn)行比較分析和精度評(píng)定，得出主成分分析法最適宜研究區(qū)。

關(guān)鍵詞：土地利用；監(jiān)測(cè)；海岸帶；主成分分析法；圖像差值法；波段組合法

海岸帶是海陸連接、復(fù)合和交叉的地理單元[1]，資源豐富，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)地域中的“黃金地帶”。近年來(lái)，沿海城市海岸帶資源的開(kāi)發(fā)和利用大大加速了海岸帶土地利用變化，不同地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和規(guī)模不同，其土地利用模式不盡相同[2]。但海岸帶自有的脆弱性和敏感性時(shí)刻提醒著人們要合理利用土地。因此，選擇一種合理的監(jiān)測(cè)方法對(duì)海岸帶的發(fā)展有著深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

土地利用變化信息監(jiān)測(cè)方法眾多，其中基于灰度值變化的方法，包括圖像差值法、圖像比值法、變化向量分析法、主成分分析法等[3]。范海生等采用圖像差值法提取了攀枝花仁和區(qū)各土地利用變化類(lèi)型像元數(shù)據(jù)[4]。K.NACKAERTS等利用改進(jìn)的變化向量分析法實(shí)現(xiàn)了對(duì)森林變化信息的有效監(jiān)測(cè)[5]。張曉祥等針對(duì)江蘇海岸帶比較了主成分分析法和變化向量分析法等，并得出主成分分析法更適用于該研究區(qū)域[6]。

土地利用監(jiān)測(cè)方法很多，將其應(yīng)用于具體研究區(qū)時(shí)，應(yīng)根據(jù)其土地利用變化特點(diǎn)及影像特征確定適宜的土地利用變化信息提取方法。目前，針對(duì)連云港海岸帶土地利用變化特點(diǎn)所做的研究還較少。連云港海岸帶景觀格局變化頻繁，與內(nèi)地的土地利用變化明顯不同。本文選擇連云港海岸帶內(nèi)包括連云區(qū)、港口、田灣核電站在內(nèi)的海岸帶為研究區(qū)域，基于光譜特征變化，研究確定適宜海岸帶土地利用變化信息提取的方法，為連云港海岸帶土地利用變化信息的快速提取提供技術(shù)方法參考。

一、研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)

連云港海岸帶位于南黃海西岸，江蘇省東北部，南起灌河口，北到銹針河口，有大陸標(biāo)準(zhǔn)海岸線約162 km。自20世紀(jì)90年代至今，連云港海岸帶土地利用動(dòng)態(tài)變化顯著，城區(qū)不斷擴(kuò)張，耕地林地非農(nóng)業(yè)化變化顯著，建設(shè)用地面積增長(zhǎng)迅速。圍海造地活動(dòng)加劇，海域開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度加大，交通運(yùn)輸用地的面積實(shí)現(xiàn)了從零到有的突變，該類(lèi)型用地也發(fā)生了從無(wú)到有的變化。包括連云區(qū)、港口、田灣核電站在內(nèi)的海岸帶在連云港海岸帶中土地利用動(dòng)態(tài)變化最為活躍，具有代表性。既包括海域到交通運(yùn)輸用地的變化，也包括耕地到住宅交通用地、工業(yè)用地的變化。研究此區(qū)域有利于比較出適合連云港海岸帶土地利用變化的監(jiān)測(cè)方法，同時(shí)獲得其1986年至2013年土地利用變化及未變化區(qū)域。

本文以成像時(shí)間為1986年4月11日的Landsat5 TM影像和2013年4月21日的Landsat 8 OLI-TRIS同月份影像為數(shù)據(jù)源，以盡可能減少季相不同造成的誤差。

二、研究方法

1. Landsat影像預(yù)處理

影像預(yù)處理主要包括幾何校正、大氣校正和研究區(qū)提取，其中，以2013年的Landsat 8影像為基準(zhǔn)，選取12個(gè)地物特征明顯的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，完成兩期多光譜影像的配準(zhǔn)，配準(zhǔn)誤差在0.5個(gè)像元以內(nèi)；對(duì)兩期影像都采用快速大氣校正方法，消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響。

2. 比較分類(lèi)方法

(1) 圖像差值法

圖像差值法的原理是在不考慮其他因素(傳感器、大氣條件等)的情況下，圖像中未發(fā)生變化的地類(lèi)在兩個(gè)時(shí)相的遙感影像上一般具有相等或相近的灰度值，而當(dāng)?shù)仡?lèi)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的灰度值將有較大差別[7]。它是將已配準(zhǔn)的影像進(jìn)行對(duì)應(yīng)波段逐像元直接相減，獲得差值影像，再在此基礎(chǔ)上分析光譜信息，確定閾值，提取變化區(qū)域。本研究選擇中紅外波段差值圖。

(2) 主成分分析法

主成分變換(K-L變換)能將各波段信息壓縮到數(shù)量較少的某幾個(gè)特征向量上，是實(shí)現(xiàn)降低波段之間數(shù)據(jù)冗余的特征空間變換方法，并使信息損失達(dá)到最小，其中第一主成分包含原始波段線性組合的最大方差，第二主成分包含和第一主成分正交的最大可能方差，其他主成分與此類(lèi)似[6,8]。主成分分析法是比較主成分變換后某主成分的對(duì)應(yīng)像元的灰度值，若地類(lèi)發(fā)生變化，它們會(huì)有很大差別。本研究選擇第一主成分差值圖。

(3) 波段組合法

同一地物對(duì)不同波段的吸收能量和反射能量不同，使同一地物在不同波段上的灰度值不同。波段組合法充分利用這一特性，在分析各波段地物光譜特征的基礎(chǔ)上，組合同期影像的不同波段，再將波段組合圖逐像元相減。本研究將同期TM影像的中紅外波段與近紅外波段相減，分別得到兩期影像的波段組合圖，再做兩個(gè)波段組合圖的差值圖。

三、結(jié)果分析

1. 研究區(qū)土地利用變化主要特點(diǎn)

1986年研究區(qū)TM影像如圖1所示，2013年研究區(qū)TM影像如圖2所示。

圖1　1986年研究區(qū)TM影像

圖2　2013年研究區(qū)TM影像

由圖1和圖2可以看出，自1986年至2013年，研究區(qū)土地利用變化具有明顯特點(diǎn)，連云區(qū)城市擴(kuò)張和田灣核電站的興建使研究區(qū)耕地大量變?yōu)樽≌煌ㄓ玫睾凸I(yè)用地，港口碼頭的建立使海域由零突變?yōu)榻煌ㄟ\(yùn)輸用地[9]。圖2中，區(qū)域①表示填海工程導(dǎo)致的海域轉(zhuǎn)向交通運(yùn)輸用地區(qū)域；區(qū)域②表示連云區(qū)城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地轉(zhuǎn)向住宅交通用地區(qū)域；區(qū)域③表示田灣核電站導(dǎo)致的耕地轉(zhuǎn)向工業(yè)用地區(qū)域。

2. 不同方法波段選擇結(jié)果分析

3種差值法的變化信息模板如圖3所示，其中，(a)為圖像差值法變化信息模板圖，即中紅外波段差值圖，(b)為主成分變換法變化信息模板，即第一主成分差值圖，(c)為波段組合法變化信息模板。

圖3　變化信息模板

在圖像差值法中選擇中紅外波段，因?yàn)門(mén)M影像的6個(gè)波段光譜圖像中，一般第5個(gè)波段包含的地物信息最豐富，而且水體幾乎全部吸收了中紅外波段內(nèi)的全部入射能量，反射能量很少，而植物、土壤在這兩個(gè)波段內(nèi)的吸收能量較少，而反射能量較多，這就使得水體在這個(gè)波段上與植物、土壤有所區(qū)別[10]。且在該波段中，住宅交通用地和工業(yè)用地的灰度值遠(yuǎn)大于耕地的灰度值。所得差值圖中，海域到交通運(yùn)輸用地、耕地到工業(yè)用地和耕地到住宅交通用地的變化都良好地呈現(xiàn)了出來(lái)。因此，在比較6個(gè)波段的差值影像后，選擇最能突出變化區(qū)域的中紅外波段。

主成分變換中選擇第一主成分差值圖。因?yàn)橹鞒煞肿儞Q后，最大方差投影在第一主成分上，第一主成分包含主要的信息。且在圖像中可以看出第一主成分差值圖中海域呈現(xiàn)出較暗色調(diào)，海域到交通運(yùn)輸用地，耕地到工業(yè)用地、住宅交通用地等變化區(qū)域呈現(xiàn)出較亮色調(diào)，符合該區(qū)域土地利用變化的特點(diǎn)，有利于下一步的閾值確定。其他主成分差值圖中噪聲較多，土地利用變化特征表現(xiàn)效果不佳，且影響閾值的選擇。

波段組合法中選擇中紅外波段和近紅外波段的差值圖。因?yàn)樽≌煌ㄓ玫亍⒔煌ㄟ\(yùn)輸用地等在近紅外和中紅外波段之間呈大幅上升趨勢(shì)，林地、耕地、海域等呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。中紅外與近紅外的差值圖中，變?yōu)樽≌煌ㄓ玫亍⒔煌ㄟ\(yùn)輸用地和工業(yè)用地等區(qū)域的灰度值為正，其他的為負(fù)。此特性正好符合研究區(qū)域的土地利用變化，能高效監(jiān)測(cè)出耕地到住宅交通用地、工業(yè)用地和海域到交通運(yùn)輸用地等的光譜變化。

3. 海岸帶土地利用動(dòng)態(tài)變化提取結(jié)果

觀察兩期TM原始影像和變化信息模板的直方圖尾部的變化，找到左右兩邊的凸點(diǎn)點(diǎn)位，確定差值影像的閾值。其中圖像差值法的閾值為-666和1748，主成分變換法的閾值為-1524和1521，波段組合法的閾值為-1933和324。用灰度值最小表示土地利用類(lèi)型已變化區(qū)域，得到3種差值法結(jié)果如圖4所示，其中，(a)為圖像差值法結(jié)果圖，(b)為主成分變換法結(jié)果圖，(c)為波段組合法結(jié)果圖。

圖4　結(jié)果圖

4. 精度及方法評(píng)價(jià)

本研究隨機(jī)選擇10個(gè)區(qū)域共500個(gè)采樣點(diǎn)比較3種差值法的精度，精度比對(duì)見(jiàn)表1。實(shí)際變化像元總共為300，實(shí)際未變化像元總共為200。據(jù)表1得知，主成分分析法的精度最高，為83.20%，圖像差值法和波段組合法精度相當(dāng)，約為81%。

研究過(guò)程中，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的因素很多，如預(yù)處理過(guò)程中的大氣校正、幾何校正，研究人員對(duì)研究區(qū)域的熟悉程度，研究人員在閾值選擇時(shí)的主觀性，研究人員對(duì)波譜特性的熟悉程度等。

表1　精度比對(duì)表

圖像差值法能夠有效監(jiān)測(cè)出該研究區(qū)域主要地物變化。通過(guò)觀察結(jié)果圖，可以發(fā)現(xiàn)其精度和監(jiān)測(cè)出的變化區(qū)域與主成分分析法十分相近。因?yàn)樵诘谝恢鞒煞稚希?個(gè)波段均為正值，其中第5波段貢獻(xiàn)率最大[10]。但畢竟只是分析的單波影像，此方法必然會(huì)丟失其他波段的信息。分類(lèi)結(jié)果顯示，耕地到工業(yè)用地、住宅交通用地及海域到交通運(yùn)輸用地，其漏檢像元和虛檢像元數(shù)目均略高于主成分分析法，總體精度低于主成分分析法。

波段組合法也能夠有效監(jiān)測(cè)出主要地物變化，但相對(duì)于圖像差值法和主成分分析法較復(fù)雜，需要選擇合適的波段進(jìn)行組合，以及合適的組合方式。另外，近紅外波段對(duì)綠色植物類(lèi)別差異最敏感[11]，耕地狀態(tài)、植被生長(zhǎng)狀況等的不同使未變化地塊的地物波譜特征出現(xiàn)差別，在差值圖像中就不可避免地產(chǎn)生偽變化信息，導(dǎo)致耕地到住宅交通用地區(qū)域虛檢像元比較多。港口碼頭和田灣核電站的監(jiān)測(cè)精度也略低于主成分分析法。

相比之下主成分分析法表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。去除了波段間的相關(guān)性，能集中6個(gè)波段的主要信息，是一種簡(jiǎn)單有效的土地利用監(jiān)測(cè)方法，且操作十分簡(jiǎn)單。且此方法的差值圖影像亮度對(duì)比明顯，變化區(qū)域呈現(xiàn)接近白色或黑色，未變化區(qū)域呈現(xiàn)不同亮度級(jí)別的灰色。主要土地利用變化也相對(duì)明顯。與圖像差值法相比，DN值的變化幅度更大，有利于閾值的分析與確定。其漏檢像元、虛檢像元都比較低，且精度最高，最適合提取此研究區(qū)域的土地利用變化。

四、結(jié)束語(yǔ)

任何一種土地利用監(jiān)測(cè)方法都有各自適宜的區(qū)域特點(diǎn)，也不可能同時(shí)提取出研究區(qū)所有的地物變化，學(xué)者需要研究的是針對(duì)特定區(qū)域的，符合自己研究需要的土地利用監(jiān)測(cè)方法。本文基于Landsat TM

影像，以連云港海岸帶變化強(qiáng)度最大的區(qū)域?yàn)榇恚\(yùn)用圖像差值法、主成分分析法、波段組合法提取研究區(qū)土地利用類(lèi)型變化區(qū)域，其中，主成分分析法精度最高，更適宜該研究區(qū)域。

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中圖分類(lèi)號(hào)：P229

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0084-03

作者簡(jiǎn)介：白玨瑩(1990—)，女，碩士生，主要從事海洋測(cè)繪研究 。E-mail: 947340280@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng) (201105004)；江蘇省科技支撐計(jì)劃( BE2010125)

收稿日期：2015-03-16

引文格式： 白玨瑩，徐威杰，管明雷,等. Landsat影像海岸帶土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：84-86.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0055.