基于J48決策樹算法的遙感土地利用變化分析

史澤鵬，馬中文，馬友華，王強(qiáng)，於忠祥

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所，合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源研究所，合肥 230036)

1 引 言

土地利用變化是人類社會發(fā)展的一面鏡子，它反映了人類與自然界相互影響、相互作用的一種特殊而又復(fù)雜的涉及土地資源自然屬性和人類利用方式的社會自然現(xiàn)象[1]。早在1993年，“國際地圈與生物圈計劃(IGBP)”和“全球變化人類影響和響應(yīng)計劃(HDP)”就共同將土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)列為全球變化研究的核心計劃[2]。國際上利用遙感技術(shù)對土地利用的研究至少可以追溯至20世紀(jì)20年代。到了20世紀(jì)70年代，美國第一顆陸地球衛(wèi)星(Landsat)的發(fā)射，開創(chuàng)了利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行大范圍土地利用調(diào)查的新紀(jì)元[3]。到了80年代后期，隨著遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)在土地研究中的廣泛應(yīng)用，土地利用動態(tài)變化監(jiān)測得到了迅速的發(fā)展，并開始了以此為基礎(chǔ)的土地利用優(yōu)化決策的定量分析研究[4]。到90年代中期，則開始利用TM影像按州進(jìn)行土地利用調(diào)查[3]。而國內(nèi)這這方面的研究則起步較晚，直到20世紀(jì)70年代，才開始采用航空遙感與衛(wèi)星相結(jié)合的方法進(jìn)行土地資源調(diào)查。其中“中科院780工程”的“騰沖縣大型綜合航空遙感試驗(yàn)研究項目”，取得了豐碩的成果。在“七五”、“八五”及“九五”期間，國家逐漸將RS、GIS和GPS技術(shù)綜合應(yīng)用研究列為國家科技攻關(guān)重點(diǎn)項目[5-7]。

隨著遙感和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，很多學(xué)者開始利用遙感影像和GIS技術(shù)獲取土地利用變化信息[8-9]。而選擇合適的遙感分類方法則是遙感和GIS的土地利用變化分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，本文以合肥市肥東縣為研究區(qū)域，在遙感和GIS的支持下，采用WEKA的J48決策樹算法和監(jiān)督分類中的最大似然法兩種分類方法提取肥東縣2000年～2011年的土地利用變化信息并進(jìn)行分析，對于認(rèn)識和了解肥東縣甚至合肥市區(qū)域土地利用變化和社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的健康、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

2 研究區(qū)概況

肥東縣地處江淮之間，居皖中腹地，位于省會合肥市東側(cè)，北緯31°35′～北緯32°16′，東經(jīng)117°19′～東經(jīng)117°52′。交通便捷，區(qū)位優(yōu)越，南臨巢湖，北接定遠(yuǎn)縣，東與全椒縣、巢湖市接壤，西與長豐縣、合肥市相連，史稱“吳楚要沖、包公故里”。地勢北高南低，縣域總面積2206km2，人口109.5萬，轄18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、3個開發(fā)園區(qū)、340個行政村。屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均降水量960ml，蒸發(fā)量1483ml，蒸發(fā)量過大使地下水位有所降低，光照充足，無霜期較長，達(dá)235天，年平均氣溫在15℃。土壤類型以水稻土和黃棕壤為主。受東南太平洋季風(fēng)氣候影響，水、熱、光資源均較為豐富，適宜多種植被生長。

3 研究材料與方法

3.1 研究數(shù)據(jù)和軟件

本文的研究數(shù)據(jù)主要有涵蓋研究區(qū)的2000年、2006年、2011年3期美國Landsat-7 ETM+影像和2011年德國RapidEye影像(表1)；地形圖(比例尺1∶50000)、肥東縣行政區(qū)劃圖(比例尺1∶50000)。

本文運(yùn)用的主要軟件有WEKA 3.6(用于J48數(shù)據(jù)挖掘)、ENVI 4.7(用于遙感圖像處理)、ArcGIS 10.0(用于土地利用變化分析)。

表1 遙感數(shù)據(jù)列表

3.2 研究方法

本文主要采用WEKA的J48決策樹算法和監(jiān)督分類中的最大似然法兩種方法進(jìn)行遙感圖像解譯，提取肥東縣3期遙感影像的土地利用變化信息；并利用ArcGIS 10.0對遙感圖像解譯結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，為土地利用轉(zhuǎn)換矩陣的建立提供基礎(chǔ)；通過一些土地利用變化模型來進(jìn)行土地利用變化分析。本研究的技術(shù)流程圖如圖1所示。

4 遙感影像分類處理

4.1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

因購買的涵蓋研究區(qū)的RapidEye影像已經(jīng)經(jīng)過輻射校正和幾何校正等相關(guān)預(yù)處理，故本文主要對3期ETM+影像進(jìn)行大氣校正、幾何精校正、圖像裁剪等預(yù)處理。大氣校正選擇了ENVI中的Quick Atmospheric Correction功能進(jìn)行快速大氣校正；幾何精校正的檢驗(yàn)均方差RMS(Root Means Squared)小于0.7個像元，并選用了雙線性插值法(Bilinear)對影像進(jìn)行了重采樣；使用了包含研究區(qū)行政界矩形框的規(guī)則裁剪方式對研究區(qū)3期ETM+影像進(jìn)行切割。

圖1 技術(shù)流程圖

4.2 遙感圖像分類

本文以全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系為基礎(chǔ)，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際和本文的研究目的建立了本研究的遙感分類體系，共為6類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。在分類方法上，監(jiān)督分類方面，選擇了監(jiān)督分類中最常用、也是精度相對較高的最大似然法[10]；決策樹分類方面，本文主要用WEKA的J48決策樹算法。WEKA的J48決策樹算法實(shí)際上是對Quinlan的C4.5決策樹算法的實(shí)現(xiàn)，并增加了很好的剪枝過程，其優(yōu)點(diǎn)在于訓(xùn)練出的決策樹規(guī)則易于理解且準(zhǔn)確度較高，但對前期訓(xùn)練樣本采集的準(zhǔn)確性要求也較高。

本文運(yùn)用WEKA的J48決策樹分類算法的具體步驟是：通過在Google Earth中采集樣本(保證較高的樣本精確度)，用采樣樣本在ArcGIS 10.0中提取遙感影像柵格值，將提取的柵格值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，再利用WEKA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，采用J48算法對樣本進(jìn)行訓(xùn)練，獲取決策樹規(guī)則，再將規(guī)則帶入ENVI4.7中進(jìn)行決策樹分類，得到分類結(jié)果，流程圖見圖2。

圖2 J48決策樹分類流程圖

4.3 分類后處理及分類精度驗(yàn)證

本文選用了ENVI中的Majority分析以及結(jié)合人機(jī)交互方式分別對分類結(jié)果進(jìn)行了處理，并利用ENVI的精度評價功能，選取50個地面數(shù)據(jù)并結(jié)合Google Earth目視解譯等方法，組成驗(yàn)證樣本，構(gòu)建混淆矩陣，對兩種分類結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證，精度比較見表2。從表2中可以看出決策樹分類的總精確度和Kappa系數(shù)均高于監(jiān)督分類，且決策樹分類的總精確度均在85%以上。故本文采用J48決策樹分類的結(jié)果進(jìn)行土地利用變化信息分析。

表2 監(jiān)督分類與決策樹分類精度比較

5 土地利用變化分析

土地利用變化主要體現(xiàn)在土地利用類型的變化、數(shù)量和質(zhì)量的變化、土地利用結(jié)構(gòu)和程度的變化以及土地利用區(qū)域差異的變化等方面[11]。本文主要從土地利用類型的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和程度3個方面對肥東縣土地利用變化進(jìn)行分析。

5.1 土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣分析

按照本文建立的分類體系和遙感影像分類步驟，通過利用決策樹分類的結(jié)果，提取了肥東縣2000年、2006年、2011年的土地利用信息，并利用ArcGIS的制圖功能得到肥東縣2000年、2006年、2011年的土地利用分類圖(圖3)。

圖3 2000年～2011年肥東縣土地利用分類圖

從3期土地利用分類圖中可以明顯看出，肥東縣建設(shè)用地不斷增加，耕地不斷減少。其中，建設(shè)用地主要由肥東縣城向四周擴(kuò)散；2000年～2006年間，主要向西南方向擴(kuò)張；2006年～2011年間，主要向西北、東南方向擴(kuò)張；林地、草地、水域、未利用地均呈減少趨勢。

為了量化各土地利用類型的變化情況，將3期分類結(jié)果在ArcGIS中進(jìn)行空間疊加并進(jìn)行處理，最后構(gòu)建土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣(見表3、表4)。

表3 2000年～2006年肥東縣土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣 單位：hm2

表4 2006年～2011年肥東縣土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣 單位：hm2

從表3、表4中可以看出，2000年～2006年和2006年～2011年間，肥東縣土地利用類型轉(zhuǎn)換面積最大的為均為耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)化面積分別為26080.41hm2和31607.48hm2。同時段耕地轉(zhuǎn)換為其他土地利用類型空間分布圖見圖4。

圖4 肥東縣耕地轉(zhuǎn)換為其他用地類型圖

5.2 土地利用類型的數(shù)量變化分析

本文主要通過分析土地利用變化幅度、單一土地利用類型變化率和綜合土地利用年變化率，來了解土地利用類型的總量變化和總體態(tài)勢。

5.2.1 土地利用變化幅度

土地利用變化幅度反映的是某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)土地利用類型的數(shù)量變化情況[12]。土地利用變化率更好地反映了土地利用變化幅度。結(jié)合肥東縣土地利用類型轉(zhuǎn)換矩陣的相關(guān)數(shù)據(jù)以及土地利用變化幅度、變化率公式(式1、式2)，計算得到肥東縣2個研究時段的土地利用變化幅度及變化率(圖5、圖6)。

ΔU=Uj-Ui

(1)

(2)

其中，ΔU表示研究時段內(nèi)某一土地利用類型的變化幅度；S表示研究時段內(nèi)某一土地利用類型的變化率；Ui表示研究初期某一土地利用類型的面積；Uj表示研究末期某一土地利用類型的面積。

圖5 2000年～2011年肥東縣土地利用類型數(shù)量變化幅度

從圖5、圖6中可以看出，2000年～2006年和2006年～2011年期間，建設(shè)用地面積均增加，除2000年～2006年期間水域面積略有增加外，其他土地利用類型均呈減少趨勢。兩個研究時段的土地利用類型變化幅度和變化率最大的均是建設(shè)用地，分別為25332.06hm2、64.00%和31632.18hm2、48.73%。

圖6 2000年～2011年肥東縣土地利用變化率

5.2.2 單一土地利用類型年變化率

單一土地利用類型年變化率，又叫單一土地利用類型動態(tài)度，它是以研究時段內(nèi)單一土地利用類型的變化面積為基礎(chǔ)，可以直觀地反映單一土地利用類型的動態(tài)度。單一土地利用類型年變化量和年變化率計算模型(式3、式4)：

(3)

(4)

式3、式4中，L表示研究區(qū)某一土地利用類型年變化量；K表示研究區(qū)某一土地利用類型年變化率；T表示研究時段年數(shù)；ΔU同式(1)；S同式(2)。

通過公式(3)、公式(4)計算得到肥東縣2個研究時段各土地利用類型的年變化量和變化率，如表5所示。

從表5中可以看出，2000年～2006年和2006年～2011年期間，建設(shè)用地的年變化量和年變化率最大的均為建設(shè)用地，分別為4222.01hm2、10.67%和6326.44hm2、9.75%。

表5 2000年～2011年肥東縣單一土地利用類型年變化量及變化率

5.2.3 綜合土地利用年變化率

綜合土地利用年變化率，又叫綜合土地利用動態(tài)度，它能反映研究區(qū)某一時間段土地利用總體趨勢[5]。其計算模型(式5)：

(5)

式5中，Z表示研究區(qū)某一時間段內(nèi)綜合土地利用年變化率；ΔZx-y表示研究時段內(nèi)第x類土地利用類型轉(zhuǎn)換為非x類土地利用類型面積的絕對值；Zx表示研究初期第x類土地利用類型面積；T表示研究時段年數(shù)。

按照土地利用年變化率可以將中國土地利用的時間動態(tài)特征劃分為4種類型[13]，見表6。

表6 中國土地利用時間動態(tài)特征類型

通過公式5計算得到2000年～2006年、2006年～2011年兩個研究時段的綜合土地利用年變化率分別為7.68和8.48，再結(jié)合表6，可以發(fā)現(xiàn)研究時段內(nèi)，肥東縣土地利用變化均處于慢速變化類型，但很明顯變化速度越來越快。由此可見，在不久的將來，肥東縣土地利用變化很快就會進(jìn)入快速變化時期。

5.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

運(yùn)用遙感分類結(jié)果和ArcGIS的空間數(shù)據(jù)庫等功能，得到肥東縣2000年、2006年、2011年土地利用結(jié)構(gòu)信息(表7)。

表7 2000年～2011年肥東縣土地利用類型面積及比例

從表7中可以看出，肥東縣的耕地面積占土地總面積的比例由2000年的55.41%下降達(dá)到2006年的45.75%，到2011年，耕地面積比例則下降到39.73%；建設(shè)用地占土地總面積中的比例由2000年的17.94%上升到2006年的29.43%，2011年時，建設(shè)用地則上升到43.77%；草地、林地和未利用地在2000年～2011年時間段均呈減少趨勢。

5.4 土地利用程度變化分析

一個地區(qū)的土地利用程度的變化是該區(qū)域中多種土地利用類型綜合變化的結(jié)果，它可以定量地反映該區(qū)域土地利用的綜合水平和變化趨勢[14]。在中國資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫中，劉紀(jì)遠(yuǎn)等從生態(tài)學(xué)的角度提出了土地利用程度分級標(biāo)準(zhǔn)(表8)[15]。

表8 土地利用類型分級指數(shù)表

土地利用程度及其變化可分別用土地利用程度綜合指數(shù)(式6)[ 12、16]、土地利用程度變化量(式7)和變化率(式8)[12]表示。

(6)

(7)

(8)

上式中，Ma和Mb分別表示a時段和b時段土地利用程度綜合指數(shù)，土地利用程度指數(shù)介于100～400之間；Ax表示第x級土地利用程度綜合指數(shù)；Cx表示第x級土地利用類型面積百分比；Cxa和Cxb分別表示a時段和b時段第x級土地利用類型面積百分比；ΔMb-a表示土地利用程度變化量；R表示土地利用程度變化率。

若ΔMb-a>0，表示該區(qū)域土地利用處于發(fā)展期；若ΔMb-a<0，表示該區(qū)域土地利用處于衰退期或調(diào)整期。根據(jù)上式計算得到表9。

表9 2000年～2011年肥東縣土地利用程度綜合指數(shù)、變化量及變化率

從表9中可以看出，肥東縣2000年、2006年、2011年的土地利用程度綜合指數(shù)分別為289.64、303.57、327.53，這與土地利用程度綜合指數(shù)的最大值400相比，說明研究時段內(nèi)肥東縣土地利用程度綜合指數(shù)值都比較高且呈增加趨勢，與肥東縣地形地貌和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相符合；2000年～2006年和2006年～2011年肥東縣土地利用程度變化量、變化率分別為13.12、4.81%和23.96、7.89%，研究時段內(nèi)變化量均大于0，說明肥東縣在研究時段內(nèi)土地利用處于發(fā)展期，且后一階段變化量和變化率均大于前一階段，說明肥東縣土地利用變化越來越快。

6 結(jié)束語

在遙感圖像解譯方法上，采用WEKA的J48決策樹算法的分類精度要高于監(jiān)督分類中的最大似然法。J48決策樹算法增加了很好的剪枝過程，其優(yōu)點(diǎn)在于訓(xùn)練出的的決策樹規(guī)則比較容易理解并且準(zhǔn)確度較高，因此，利用其訓(xùn)練出的規(guī)則進(jìn)行土地利用分類，可以得到較高的分類精度。但是運(yùn)用該方法的前提是一定要保證前期采集的訓(xùn)練樣本的準(zhǔn)確性，否則就會降低最終的分類精度。

在土地利用變化分析方面，肥東縣2000年～2011年的11年間土地利用類型在數(shù)量、結(jié)構(gòu)和程度方面發(fā)生了較大的變化。在數(shù)量方面，建設(shè)用地在兩個研究時段的土地利用變化幅度和變化率均最大；2000年～2006年和2006年～2011年肥東縣的綜合土地利用年變化率分別為7.68%和8.48%，盡管兩個研究時段均處于土地慢速變化型的范圍內(nèi)，但可以預(yù)見，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，肥東縣的土地利用變化速度正在逐漸加快。在結(jié)構(gòu)方面，建設(shè)用地在肥東縣土地總面積中所占比例從2000年的17.94%上升到2011年的43.77%，耕地在肥東縣土地總面積中所占比例從2000年的55.41%下降到2011年的39.73%，草地、水域、林地和未利用地所占比例在研究時段內(nèi)均呈減少趨勢。在程度方面，2000年、2006年和2011年肥東縣的土地利用程度綜合指數(shù)分別為289.64、303.57和327.53，說明肥東縣的土地利用綜合水平隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展在逐步提高且速度越來越快。

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