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

（六安市農業科學研究院，安徽六安 237000）

土地利用是全球環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劃的前提［2］。研究土地的利用分類也是研究城市擴張［3］、植被演變［4］與災害預測［5］的重要基礎。

土地利用分類主要包括水體、陸地、城市、森林及農業用地5個部分。然而，由于受到地形、地貌、植被類型復雜、分布零散等因素的限制，人們很難對區域內所有土地利用類型進行直接、長期的地面調查。遙感作為一種新興的探測技術，具有信息量大、信息獲取速度快、周期短、時效性強的特點，近年來被廣泛地應用于土地資源的調查中［6］。該研究主要通過對六安市遙感數據的裁剪，使用不同的波段組合技術，基于調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實現（數據預處理、制作訓練樣本、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律與植被演化提供基礎數據。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況該研究選用安徽省六安市部分區域展開研究，地理位置為115°36′～116°54′E、31°01′～32°07′N，土地總面積8432.52 km2，所包含行政區域包括金寨縣、霍山縣、裕安區和葉集區。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。冬季以偏北風為主，夏季以偏南風為主，春、秋兩季是風向轉換季節，全年最多風向為偏東風，年平均風速為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。境內樹種資源起源較早、區系復雜、種類繁多，80%的喬灌木樹種分布在西南中山地區。全市森林覆蓋率高達36.2%，野生植物資源分布廣、藏量豐，經濟價值高［7］。

1.2 數據來源該研究使用Landsat8衛星影像數據，該衛星攜帶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傳感器波段數為9個，空間分辨率為30 m，數據的投影坐標為WGS_1984_Albers，地理坐標系為GCS_WGS_1984。該研究選取春季2個不同時間節點。2021年4月1日、2021年04月16日的影像數據，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 調查與現場勘測 該研究通過對六安市自然資源相關文獻與勘察綜述進行調研，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，農業用地主要分布在裕安區與葉集區等地［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個單獨的紅外末端，其各個波段主要參數如表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分更為有利，如表2所示為常見波段組合。

表1 Landsat8-OLI波段數據參數

表2 常見波段組合列

續表2 常見波段組合列

1.3.3 數據處理 該研究根據影像數據質量以及所研究區域特征，對原始數據進行了裁剪，裁剪工具選擇ENVI工具，裁剪后的影像數據包含Band 1～Band 7波段，符合土地利用分類研究的數據要求。裁剪后的數據如圖1所示。

圖1 裁剪后的所研究區域矢量數據與影像數據效果

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數據，設置波段組合為564，如圖2a所示。該波段組合可用于分類陸地和水體（水體表現為深藍色和黑色區域）；②右擊ArcGIS空白處，選擇圖像分類；選擇繪制多邊形構建樣本。此處選擇了11個水體樣本，包括城內水域；③將水體樣本進行合并，并命名為Water；同時將波段組合調整為432，觀測分類效果，如圖2b所示；④將波段組合調整為543組合，進行陸地與市區分類，重復②和③操作，如圖2c所示；⑤將波段調整為562和652，進行森林與農業用地分類，重復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 “交互式監督分類”，輸出所研究區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

根據分類步驟及樣本管理圖可知，樣本的選擇與制作直接關系到分類的正確性與準確性。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確性。例如：波段543中制作的樣本，可在波段562與波段564中進行驗證之后再確定；同理，分類后的效果可在波段432與波段652中進行人工檢驗。

2 結果與分析

該研究模擬試驗環境為臺式電腦，硬件參數為Inter（R）Core（TM）i7-10700K CPU@3.8 GHz，內存32 GB；操作系統為Windows 10專業版，64位；軟件工具為ArcMap 10.1。

根據表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。

根據土地利用分類效果（圖3）與六安市土地資源分布勘測結果對比可知，該研究針對六安市部分區域的土地利用分類效果基本上符合實際情況。森林區域主要集中在霍山縣與金寨縣，農業用地主要集中在裕安區與葉集區，城鎮主要分布在裕安區和葉集區以及河流附近。同時森林分布區域，也是土地分布相對集中區域，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個時間段的影像數據進行樣本的制作與驗證，最大程度保障分類的正確性與準確性。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，通過持續的調研、勘測，不斷地豐富樣本庫。同時，針對同一區域不同時間段的影像數據，可以進一步保障樣本的可靠性。

六安市作為安徽省農業重點城市之一，無論是建設用地還是農業用地，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監測。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。