蕪湖市土地利用/覆蓋變化的遙感分析*

白洪偉，吳滿意，葛 艷

（1.宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽宿州234000；2.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西西安710054）

蕪湖市土地利用/覆蓋變化的遙感分析*

白洪偉1，吳滿意2，葛 艷1

（1.宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽宿州234000；2.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西西安710054）

以安徽省蕪湖市四區(鏡湖區、弋江區、鳩江區、三山區)為研究區，利用1994年Landsat-5的TM影像、2006年和2014年Landsat-7的ETM+影像解譯結果，獲取蕪湖市四區三期土地利用/覆蓋分類圖，并基于ENVI圖像分析和數理統計方法對蕪湖市四區1994—2014年土地利用/覆蓋變化做定量分析研究，分析各土地利用類型間的相互轉化關系，探討各類面積發生變化的主要原因。

蕪湖市；土地利用/覆蓋變化；遙感分析

土地利用/覆蓋變化是研究地球變化的重要內容,是在不同時間和空間尺度上由自然和社會系統相互作用引起的一種復雜變化[1-2]。人類活動深刻地干預并改變著自然地理環境，這種作用的主要表現形式是土地利用，而其直接表征是土地利用/覆蓋狀況的改變[3]。隨著遙感影像的發展以及高分辨率遙感影像的廣泛應用，遙感技術已經成為研究土地利用覆蓋/變化的重要手段[4]。過去研究土地利用/覆蓋主要以各種統計數據為基礎，數據本身的局限性使得土地動態變化的空間特征分析不能得到有效的開展。國內學者利用遙感技術對土地利用/覆蓋這類課題的研究主要集中在大城市、經濟發展較為快速的地區以及中國西部等生態環境較為脆弱的地區，對經濟發展緩慢的小城市使用遙感技術進行此類研究的相對較少。近年來，利用蕪湖市土地相關統計數據進行過土地利用變化分析以及土地利用與生態環境的協調研究。但沒有研究蕪湖市近期的土地利用/覆蓋變化情況。本文利用1994年Landsat-5的TM影像解譯結果、2006年和2014年Landsat-7的ETM+影像解譯結果，獲取蕪湖市四區三期土地利用/覆蓋分類圖，并基于ENVI空間分析和數理統計方法對蕪湖市四區1994—2014年土地利用/覆蓋變化做定量研究分析。

1 研究方法

1.1 數據的收集與預處理

1.1.1 數據的收集

本次研究將中國科學院地理科學與資源研究所提供的三期遙感衛星Landsat TM/ETM+影像作為信息源，具體包括成像時間為1994年7月6日的Landsat-5 TM影像，2006年9月31日和2014年7月 21日兩景Landsat-7 ETM+影像，研究區內影像天氣狀況均為無云且空間分辨率均為30 m。利用ENVI遙感圖像處理軟件得到以馬鞍山市為研究區的土地利用分類結果圖和面積變化統計分析表。輔以馬鞍山市2006年行政區劃Landsat-5影像數據，從而提取蕪湖市四區矢量邊界。

1.1.2 數據的預處理

首先將下載的分波段單獨存儲的各時期TM/ ETM+影像數據進行波段的疊合。其次對遙感影像進行幾何糾正。在糾正前，利用ENVI遙感圖像處理軟件將3景衛星影像的投影和坐標統一為UTM,Zone 50 North,WGS-84。即以2014年的蕪湖市四區影像為基準圖像，將2006、1994年影像作為配準影像。首先在基準影像上滿幅均勻選取特征明顯的控制點，然后在配準圖像上找與其對應的同名點，控制點共選取20個，兩次配準操作分別進行。位置的校正和灰度重采樣方法分別選取二次多項式和雙線性內插法，最終得出最小均方差誤差RMS分別為0.256和0.412，均滿足糾正要求的1個像元內。最后進行影像的裁剪，使用ENVI遙感圖像處理軟件利用糾正后的2006年蕪湖市四區行政區劃影像數據建立矢量文件，依次對3期配準后影像進行掩膜得到裁剪后的研究區影像數據。

1.2 影像的分類

1.2.1 分類體系的建立

為了有效反映各地類相互轉換的具體情況，基于現有條件，結合三景影像的實際解譯能力和土地利用特征，將馬鞍山市土地利用/覆蓋分為：耕地、林業用地、建設用地、水域和其它用地5個類別。

1.2.2 分類方法的選擇

分類后專題圖的正確分類程度（也稱可信度）的檢核是對影像進行分析的重要環節，目前評定分類精度通常使用混淆矩陣，利用混淆矩陣進行定量分析的主要參數有：

（1）總分類精度及Kappa系數

式中Pc為總分類精度，m為分類類別數，N為樣本總數，PKK為第K類的判別樣本數。K為Kappa系數，N為樣本總數，Ppi為某一類所在列總數，Pli為某一類所在行總數。

在相同訓練樣本下，采用監督分類中的其中四種分類方法（平行六面體法、最小距離法、馬氏距離法、最大似然法、神經網絡）分別提取土地利用/覆蓋變化信息，分類精度經統計分析如表1所示。因神經網絡分類效果相對更好，故監督分類采用此方法。

表1 分類精度比較

1.3 結果圖像的生成

使用ENVI5.0軟件對R、G、B依次賦短波紅外波段（Band5）、近紅外波段（Band4）、紅色波段（Band3）值打開影像，選取代表耕地、林業用地、建設用地、水域和其它用地五種土地利用/覆蓋的訓練樣本，并建立兩套感興趣區，一套使用最大似然法進行監督分類，另一套運用Compute ROI Separability工具對感興趣區進行評價。處理結果如圖1所示。

圖1 土地利用/覆蓋分類圖

2 結果分析

2.1 地類面積變化分析

對3個時相的分類結果進行統計，得出蕪湖市四區1994、2006、2014年3個時期土地利用/覆蓋面積變化結果（如表2、3所示）。研究結果表明：研究區內土地面積共計約1 110.03 km2，建設用地和林業用地是近20年來蕪湖市四區土地利用/覆蓋的主要類型。

1994—2006年，蕪湖市四區林業用地面積從270.71 km2增加到400.52 km2，增幅達47.95%；水域面積也以47.54%的增幅從123.55 km2增加到182.28 km2；除耕地、林業用地、建設用地、水域以外的其它用地從67.05 km2減少到12.8 km2，減幅達-80.91%，為面積變化最大的土地利用類型（見表2、3）。

2006—2014年，蕪湖市四區耕地面積變化-13.87 km2，變化幅度達-5.97%；林業用地面積從400.52 km2減少到220.82 km2，變化幅度達-44.87%；水域、建設用地與其它用地面積各增加27.67 km2、155.73 km2及10.17 km2。

總的來說，1994—2014年近20年間，蕪湖市四區建設用地從120.09 km2增加到437.7 km2，增幅達264.48%，為面積變化幅度最大的土地類型；水域面積則以69.93%的增幅從123.55 km2增加到209.95 km2；耕地面積面積變化了-310.04 km2，變化增幅為-58.65%；林業用地面積變化了-49.89 km2，變化增幅為-18.43%；建設用地面積變化了-49.89 km2，變化增幅為-18.43%。

表2 土地利用/覆蓋類型面積及比例

表3 土地利用/覆蓋面積變化

2.2 土地利用動態變化分析

2.2.1 土地利用轉移矩陣

轉移矩陣可以有效地表達2個時期不同類型土地之間的相互轉換關系[5]。其數學模型為

采用該數學模型，得到1994—2006年、2006—2014年2個時段地類面積轉移矩陣，如表4、5所示，以及面積百分率轉移矩陣如表6、7所示。

表4 1994-2006年土地利用面積轉移矩陣 km2

表5 2006-2014年土地利用面積轉移矩陣 km2

表6 1994-2006年土地利用面積百分率轉移矩陣 %

由表3、6可分析得出蕪湖市四區1994—2006年地類轉移變化情況：林業用地面積增加了129.81 km2，增加的用地面積主要由53.85%的耕地、6.74%的建設用地轉化而來；建設用地面積增加了161.88 km2，增加的用地面積大多由耕地、林業用地和其他用地轉換而來，轉換百分比為33.02%、24.74%和12.14%。以此類推，可以從表3和表6中得出耕地、水域和其他用地的變化情況。

表7 2006-2014年土地利用面積百分率轉移矩陣 %

由表3、7可以分析得出蕪湖市四區2006—2014年地類轉移變化情況：建設用地面積有所增加，其面積變化最大，增加的面積主要由耕地、林業用地組成，轉換百分比為12.78%、31.89%；林業用地減少了-179.7 km2，減少的面積主要轉移為建設用地和耕地，轉移百分比依次為34.85%和24.11%。以此類推，可以從表3和表7中看出耕地、水域和其他用地的變化情況。

2.2 單一土地利用動態度

將某研究區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化的定量反映稱為單一土地利用動態度，其數學表達式為：

根據公式（3）可計算整理得出1994—2006年、2006—2014年、1994—2014年蕪湖市四區單一土地利用動態度，如表8～10所示。

2.3 綜合土地利用動態度

將某研究區域綜合土地利用變化的速度的定量反映稱為綜合土地利用動態度，其數學表達式為：

根據公式（4）可計算整理得出1994—2006年、2006—2014年、1994—2014年3個時間段蕪湖市四區綜合土地利用/覆蓋類型動態變化表，如表8～10所示。

研究結果表明，1994—2006年年變化率最大的土地利用類型為建設用地，其數值為11.23%，其次為其他用地，數值為-6.74%，其他如表8所示。

2006—2014年其他用地為單一的土地利用動態度最大的土地利用類型，數值為9.93%。其次為建設用地，其數值為6.90%。其他如表9所示。

總的來說，1994—2014年，建設用地是近20年來土地利用動態度最大的土地利用類型，為13.22%。其次為水域，年變化率為3.50%。如表10所示，經計算，蕪湖市四區1994—2006年、2006—2014年、1994—2014年間綜合土地利用動態度分別為2.40%、3.00%、1.63%。

表8 1994-2006年土地利用動態度變化表 %

表9 2006-2014年土地利用動態度變化表 %

表10 1994-2014年土地利用動態度變化表 %

3 結論

（1）從土地利用分類圖可看出：蕪湖市四區土地利用類型分布特點基本與地形特點相適應。

（2）1994—2014年近20年來，蕪湖市四區土地利用類型中的建設用地和林業用地所占面積比相對較高。地類面積變化明顯，發生變化的土地利用面積約占總面積的55.85%。

（3）1994—2014年間，土地利用/覆蓋在數量和空間布局上都發生了明顯變化。建設用地和水域面積有所增加，而耕地、林業用地和其它用地則減少。究其原因，蕪湖市四區處于規劃期，耕地、林業用地及其它用地得以大規模開發和利用。

注釋及參考文獻：

[1]蒙吉軍，吳秀芹，李正國．黑河流域1988—2000年土地利用/覆蓋變化研究[J]．北京大學學報(自然科學版)，2004,40（6）：922-929．

[2]馮洋,濮國梁．土地利用/覆蓋鏈式遙感分類方法研究[J]．遙感信息,2012,27(6):62-66．

[3]李發珍,劉友兆．蕪湖市四區土地利用與生態環境[J]．國土與自然資源研究,2007(1):36-37．

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[7]鄧聰，涂建軍,王德惠，等．2003—2008年香港土地利用/覆蓋變化監測與分析[J]．西南大學學報(自然科學版)，2010,32（1）:112-117．

Remote Sensing Analysis of Land Use/Cover Change in Wuhu City

BAI Hong-wei1,WU Man-yi2，GE Yan1
（1.Anhui Province Coal Mine Exploration Engineering Technology Research Center,Suzhou University,Suzhou, Anhui 234000；2.The First Topographic Surveying Brigade of SBSM,Xi`an,ShanXi,710054）

As the research area of the four regions of Wuhu City in Anhui Province(Jinghu region,Yijiang region,Jiujiang region,Sanshan region),use of the 1994 Landsat-5 TM image,2006 and 2014 Landsat-7 ETM+ image solution results,aquired of Wuhu City,four regions land use/cover classification map,and based on envi image analysis and mathematical statistics method of Wuhu City,four region 1994-2014 land use/cover change to do quantitative analysis of various land use types between the mutual transformation relationship,to explore the main reason for the changes in various area.Research for the further development of the city planning and construction has a certain reference.

Wuhu city;land use/cover change;remote sensing analysis

P237；F301.2

A

1673-1891（2015）04-0074-04

2015-09-01

宿州學院安徽省煤礦勘探工程技術研究中心開放課題資助（2013YKF04）。

白洪偉（1987-），男，安徽宿州人，助教，碩士，研究方向：測繪與3S技術。