基于Landsat影像的廣東南三島土地利用變更調查研究

白旸++程振南++陳佳升

【摘 要】廣東南三島海岸屬于中國南部砂質海岸帶，風沙活動，海風侵蝕和人為因素等原因造成土地利用情況在近幾十年來發生了較大變化。基于Landsat衛星數據，對1992年到2015年間的南三島4個不同時期土地利用變更做出了分析。通過圖像預處理、監督分類、快速制圖等處理得出，由于礦藏的開發、水產用地的增加等因素，南三島的土地利用情況發生了顯著的改變。

【關鍵詞】Landsat影像;廣東南三島;土地利用;調查研究

Landsat（陸地資源衛星）是美國發射用來重復獲取地表的信息資源的多光譜，中等分辨率衛星系統。自從1972年美國第一個Landsat衛星發射升空以來，Landsat衛星數據就一直為世界各國的各種研究者所使用，其豐富且高質量的數據源成為后來同類衛星的一個參考標準[1]。在關于海岸帶的研究中，周相君[2]基于Landsat影像提取了1973至2013年的5期廣西大陸海岸線，并分析了海岸線的位置、長度、類型的分布狀況及海岸蝕淤面積變化，在研究方法上提供了一定的參考依據。湛江位于中國大陸的最南端，廣東省的西部，南三島位于麻斜河與鑒江河口間，是由沙壩潟湖發育成的砂島，東部的海積平原和海灘寬廣， 南三島與東海島、硇洲島等許多島嶼組成湛江港的外圍防護欄。南三島海岸沙地分布廣泛，土地類型多樣，因為風沙而帶來的海岸侵蝕和風沙災害對南三島的居民生活造成了一定的影響。通過對近23年Landsat影像變化的分析，可以直觀的觀測出南三島土地利用的具體變化，對南三島的海島建設和海島經濟的發展都有重要的參考價值。在目前我國研究海岸帶與海島建設的趨勢與背景下，3s技術和海岸帶與海島的土地利用變更調查的結合是有效且有意義的。

一、研究方法

運用遙感Landsat衛星數據對同一地方的重復取景，選取1992-2015年南三島影像，經過圖像校正，局部增強等預處理技術，再通過監督分類選取訓練樣本，感興區域，分別對南三島1992年10月16日，1995年9月23日，2009年1月16日，2015年1月17日，四個不同時期的影像進行海岸沙丘空間分布演變的提取。遙感數據不同波段的組合能夠突出顯示不同的地物信息，如4、3、2波段的組合能夠突出植被的信息而被廣泛應用。本文在對Landsat影像進行處理時選擇波段5、4、3的假彩色組合，因為5、4、3波段所含的地物信息最為豐富，能夠充分顯示各種地物特征的差別，方便在監督分類中對訓練場地進行選取，并保證訓練場地的準確性。執行監督分類后，在ENVI自帶的classification statistic功能里可以統計分類結果中各分類系統在影像中所占比例。各景遙感圖像都是從地理空間數據云下載獲取的。第一步運用黑暗象元法對各景數據進行大氣校正，避免因為云層而帶來的對地物性質判斷的不準確。對于應用黑暗象元法之后的顯示效果不明顯的影像可以考慮運用FLASSH大氣校正或者在進行大氣校正后對影像進行2%的線性拉伸來突出地物信息。然后對各景影像進行裁剪，把裁剪范圍分別控制在湛江市南三島的東部地區。根據Landsat衛星獲得的遙感數據多波段中等分辨率的特點，對研究區的圖像進行不同波段的組合。經過對比是否能很好突出研究對象的波段，發現Landsat5數據的5、4、3波段的組合和Landsat8數據的6、5、4波段組合能夠清晰的反映出海岸沙丘的地物信息，方便各種地物的分類。Landsat影像上各地物所表現出的顏色是不同的，當電磁輻射能量入射到地物表面上，將會出現三種過程：一部分入射能量被地物反射;一部分入射能量被地物吸收，成為地物本身內能或部分再發射出來，一部分入射能量被地物透射。不同地物對入射電磁波的反射能力是不一樣的。反射能力強的地物反射率大，在黑白的遙感圖像上呈現的色調就淺。反之，在遙感圖像的色調就深，在對地物的判讀中色調的差異是很重要的標志。對于Landsat5 衛星的影像數據的波段5、4、3的組合方式，影像視圖中林地田地呈現出深綠和嫩綠色，沙地和裸地顯示為一般土壤的顏色，在沙丘集中分布的地方沙地會由于對光線的反射率很強會呈現出白色。建筑影像在Landsat的中等分辨率圖像中和裸地具有一定的相似性，在區分建筑集中地和裸地時，主要根據其分布地是否在河流的附近或者靠近水源，地形平坦的地方。另外建筑用地在Landsat5衛星數據的5、4、3波段組合中色調要深于裸地。由此可以判斷區分建筑用地和裸地。遙感數據圖像的監督分類，首先選取合適的訓練樣本，根據地物不同性質對電磁波的反射率和對遙感影像的處理經驗分析影像畫出訓練樣本，選取樣本要注意各樣本在全圖覆蓋均勻度。在選取ROI完成后要使用ENVI軟件的Compute ROI Separability工具來計算任意類別的統計距離，這個距離用于確定兩個類別間的差異性程度。類別間的統計距離是基于Jeffries-Matusia距離和轉換分離Transformed Divergence來衡量訓練樣本的可分離性。可分離性的參數值為0-2，大于1.9說明樣本之間可分離性好，屬于合格樣本。小于1.8，需要重新選擇樣本。小于1則考慮合并兩個樣本為同一類。執行監督分類后對分類的結果進行分類后處理，對于不合理的分類象元可以進行合并或者刪除[3]。

二、研究結果與分析

由圖1可知，1992年的南三島海岸沙丘發育良好，分布廣泛。當地的主要土地類型是沙丘地貌和林地農田，屬于人為影響很小的狀態，建筑面積少，海岸沙丘集中連片分布，林地也呈集中大面積分布狀態。1992-1995年之間的3年時間內，從圖中可以明顯看出人類活動對海岸地帶的影響，連片集中分布的海岸沙丘由于受到人類各種活動的影響被農田和建筑用地分割開來。研究區的南部出現規則的矩形沙質地帶可以看出明顯是當地人為開挖沙地所致。從2009年當地的土地利用分類圖中，可以看出人類活動仍在巨大地改變著南三島的海岸沙丘的空間分布。研究區的南部、中部以及北部地區均出現了集中分布的規則形狀水域，說明當地的水產養殖業在短暫的十幾年間發展迅速。人類活動破壞了植被以及地表的阻礙物，更有利于風沙的活動，促使海岸沙丘在短時間內迅速向外擴張。在2015年南三島海岸土地利用圖中可以明顯看出，水產養殖業對當地地貌所產生的巨大影響，整個研究區域均分布了大量人工開挖的水塘。無節制的采礦也導致了當地天然海岸沙丘分布的減少。如此多的人類活動破壞了海岸沙丘穩定的外部環境，在海風強烈的季節就會加速擴散到被人為破壞的地區，致使當地風沙遍布，嚴重影響了當地居民的生活。這也可以很好的解釋為什么南三島二十幾年的發展中島上的居民建筑面積并沒有迅速增加。由近年的Landsat影像分析可知，南三島建筑面積增加幅度不大。采礦以及水產業對當地的海岸沙丘空間分布影響最大，反復無節制的采礦和其他工業活動導致了南三島地貌改變較大，從而影響當地居民生活質量和生態環境。

三、結束語

南三島研究區是較為典型的砂質海島，從遙感數據分析來看近年來土地利用變更情況較為明顯，具有一定的研究價值。本文所采用的數據源是Landsat衛星，屬于多光譜中分辨率衛星，并且Landsat7的衛星數據出現損壞對研究結果造成一定的影響。如果在數據源上能采用高分辨率的衛星數據，將能對研究區做進一步更加精細的分類，得到的結果當然也會更客觀真實。另外受到年份跨度限制，早年的數據資源難以獲得，或者數據資源質量達不到使用要求也是研究地區研究情況不足的一個原因。基于Landsat衛星數據和ENVI軟件，采用Landsat 5和8衛星的TM數據，最高分辨率為30米。結果輸出了1992年10月16日，1995年9月23日，2009年1月16日，2015年1月17日，四個不同時期的南三島海岸沙丘空間分布圖，并分析了近23年來研究區海島土地利用演變的狀況和原因，即水產用地的增加和礦物資源的開采為土地利用變更的主要原因。

基金項目：國家自然科學基金（41401003）;廣東省自然科學基金（S2013040011651）。

作者簡介：白旸（1982—），女，回族，山西太原人，博士，講師，惠州學院旅游系，主要研究方向：地貌與環境變化。

參考文獻：

[1]周相君.1973-2013年廣西大陸海岸線遙感變遷分析[D]. 國家海洋局第一海洋研究所，2014.

[2]孫家柄.遙感原理及應用[M].武漢大學出版社，2009. 54-68.