區(qū)域土地利用/覆蓋信息提取的實(shí)現(xiàn)

梁永剛

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心—遼寧省基礎(chǔ)測(cè)繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

土地開發(fā)利用管理是構(gòu)成人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的一種基本經(jīng)濟(jì)管理活動(dòng)。當(dāng)前，土地開發(fā)利用已經(jīng)不僅僅是單純地向其索取資源，更重要的是合理地利用土地資源，并對(duì)其進(jìn)行開發(fā)、整治和保護(hù)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展、人口數(shù)量快速增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程的不斷加快，人們對(duì)于土地資源的利用和需求急劇增長(zhǎng)，但是，因?yàn)橥恋刭Y源的數(shù)量有限，因此土地的發(fā)展和數(shù)量之間就會(huì)產(chǎn)生矛盾。在一個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)，土地綜合利用發(fā)生變化會(huì)存在很多的影響因素，因此，分析這個(gè)區(qū)域內(nèi)的自然環(huán)境因素和其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的變化發(fā)展情況將更加有利于準(zhǔn)確揭示未來土地綜合利用發(fā)展情況和基本變化過程，并對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來經(jīng)濟(jì)變化發(fā)展方向以及研究制定實(shí)施相應(yīng)的相關(guān)政策法規(guī)起到關(guān)鍵性的作用[2]。

我國開展土地利用資源調(diào)查研究的信息技術(shù)手段進(jìn)入了一個(gè)快速健康發(fā)展的嶄新階段，土地資源利用調(diào)查研究的技術(shù)內(nèi)容也隨之得到全面豐富，研究技術(shù)手段和特點(diǎn)得到了進(jìn)一步更新，遙感和計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)被廣泛運(yùn)用在我國土地資源利用調(diào)查和氣象分析等方面[3]。中國科學(xué)院地理科學(xué)與中國資源環(huán)境研究所共同領(lǐng)導(dǎo)，調(diào)查研究全國范圍內(nèi)的土地資源利用情況，獲得了全國范圍及各省、市、區(qū)等多個(gè)尺度的土地資源利用數(shù)據(jù)。特別是近些年來，我國在土地利用研究領(lǐng)域邁進(jìn)了更為廣闊而深入的階段，土地利用/覆蓋調(diào)查研究的技術(shù)手段和方法也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。基于衛(wèi)星遙感影像的土地調(diào)查分類方法和應(yīng)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)開展土地資源調(diào)查、評(píng)價(jià)的技術(shù)體系逐漸發(fā)展和成熟起來。

1.研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線

1.1 研究?jī)?nèi)容

以某城市為試驗(yàn)區(qū)，利用2007年、2011年和2016年三期LandsatTM遙感影像，提取并分析土地利用/覆蓋變化信息，為研究土地利用變化、變化發(fā)展趨勢(shì)和城市規(guī)劃管理提供決策支持。

1.2 技術(shù)路線

以土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基本理論為基礎(chǔ)，對(duì)下載的研究區(qū)遙感影像進(jìn)行幾何校正、大氣校正等預(yù)處理，然后對(duì)處理后的影像進(jìn)行監(jiān)督分類，提取土地利用/覆蓋信息，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和分析模型進(jìn)行研究，最后分析試驗(yàn)區(qū)近十年的土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)變化情況。主要技術(shù)路線（如圖1所示）：

圖1 技術(shù)路線圖

2.土地利用/覆蓋信息提取

2.1 數(shù)據(jù)源選取

由于土地利用現(xiàn)狀提取和變化檢測(cè)工作需要多期采集數(shù)據(jù)，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)源類型選擇的時(shí)候，除了需要考慮利用影像源的空間量和分辨率，還需要綜合考慮利用試驗(yàn)區(qū)占地范圍、物候和利用影像源的成像環(huán)境條件。物候和成像條件是影響提取精度的重要因素，在云量滿足要求的情況下，從地理空間數(shù)據(jù)云和USGS上將2007年、2011年、2016年的TM遙感氣象影像分別進(jìn)行下載。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感氣象影像預(yù)處理的工作過程主要包括圖像幾何校正(包括地理圖像定位、幾何精確度校正、圖像圖形配準(zhǔn)、正射圖像校正等)、圖像圖形融合、圖像圖形鑲嵌、圖像圖形裁剪、去云及高光陰影圖像處理和觀測(cè)大氣氣象校正等幾個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）幾何校正與圖像配準(zhǔn)。幾何物體變形校正使用該影像中的物體幾何圖形與該影像物體在所使用選定的地圖投影圖像中的物體幾何圖像在形狀和物體位置上可能產(chǎn)生較大差異，從而使這些圖像同時(shí)產(chǎn)生了物體幾何上的形狀或位置上某一方面的較大失真。為了避免這些誤差對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成影響，必須對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正；

以2011年重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)為采集基準(zhǔn)，通過分析采集地面控制點(diǎn)的方式，將2007年和2016年的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了精確分析配準(zhǔn)。盡量選取遙感影像上具有明顯的清晰目標(biāo)點(diǎn)位的地理標(biāo)志，如，高速道路交叉點(diǎn)、河流交匯點(diǎn)等，且盡量控制地面控制節(jié)點(diǎn)上的目標(biāo)地物不隨時(shí)間發(fā)生改變。GCP圖片要均勻地分布在有完整幅面的影像內(nèi)，且必須有一定的圖片數(shù)量。由于重新定位后的像元在原影像中的分布是不均勻的，因此，采用了最鄰近法重采樣，再進(jìn)行亮度值的插值計(jì)算，建立新的影像矩陣；

（2）大氣校正。相機(jī)圖像中位置不同的大氣地物所對(duì)應(yīng)的不同像元的灰度值根據(jù)所受全球大氣溫度影響變化程度不同，且同一位置地物的不同像元對(duì)應(yīng)的灰度值也可能會(huì)因相機(jī)獲取圖像時(shí)間的不同等而受到不同程度的影響。因此，在進(jìn)行土地利用/覆蓋信息提取前有必要進(jìn)行大氣校正以消除這些影響。本試驗(yàn)使用遙感數(shù)據(jù)處理軟件中的輻射校正工具（Calibration Utility）對(duì)幾何校正后數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射定標(biāo)，定標(biāo)其輻射亮度值，再進(jìn)行快速大氣校正處理；

（3）圖像裁剪。對(duì)覆蓋三期試驗(yàn)區(qū)的全部三期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行依次鑲嵌裁剪處理后，利用覆蓋試驗(yàn)區(qū)影像矢量的分界線依次對(duì)三期全部影像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪鑲嵌處理，得到裁剪后的試驗(yàn)區(qū)影像數(shù)據(jù)；

（4）圖像增強(qiáng)。為了增強(qiáng)感興趣目標(biāo)和周圍背景間的反差，最大限度地增強(qiáng)圖像所反映的本底信息，針對(duì)圖像上反差較小的地物及難以辨認(rèn)的地物，進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)處理，使影像中的亮度值范圍拉伸或壓縮，從而提高圖像的對(duì)比度，再做直方圖均衡化處理(Histogram Equalization)，使像元之間的對(duì)比度增加，提高圖像的視覺顯示效果。

2.3 監(jiān)督分類

1992年～1995年，中國科學(xué)院和農(nóng)業(yè)部組織實(shí)施了“國家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查動(dòng)態(tài)研究”項(xiàng)目，建立了以資源環(huán)境組合分類系統(tǒng)為核心的分類體系[4]。本文根據(jù)該體系將土地利用類型分為6類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。具體（如表1所示）：

表1 土地利用覆蓋分類與解譯標(biāo)志

（1）分類器確定。根據(jù)各種分類的操作復(fù)雜度和操作精度需求等諸多因素可以確定分類器的種類。通常使用的三維分類器模型包括八種，即平行六面體（Parallelepiped）、最大似然（Maximum Likelihood）、最小距離（Minimum Distance）、馬氏距離（Mahalanobis Distance）等。本論文使用的是最大似然分類器，也就是在假定每個(gè)波段的每一類統(tǒng)計(jì)都呈正態(tài)分布的前提下，對(duì)給定像元屬于某一訓(xùn)練樣本的似然度進(jìn)行持續(xù)的統(tǒng)計(jì)，最后，把像元?dú)w類到似然度最大的一類當(dāng)中[5]。

（2）影像分類。使用軟件中的監(jiān)督分類功能，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后輸出分類結(jié)果。對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析、小斑點(diǎn)處理（分類后處理）、柵格矢量轉(zhuǎn)換等處理。其中，運(yùn)用新的遙感無線影像技術(shù)分類分析結(jié)果，不可避免地會(huì)直接產(chǎn)生一些小數(shù)點(diǎn)面積上的圖像色斑。無論從企業(yè)專題色斑圖片的制作，還是從實(shí)際技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)角度，都非常有必要對(duì)這些小而且面積大的圖形色斑圖片進(jìn)行類別刪除和色斑類別處理歸并。目前常用的小面積圖形色斑類別處理刪除方法主要有Majority/Minority分析和聚類（clump）濾（Sieve）。本文綜合采用了以上兩種方法進(jìn)行分類后處理，效果更好，處理后結(jié)果（如圖2所示）：

圖2 分類后處理結(jié)果圖

2.4 分類精度評(píng)價(jià)

對(duì)所得出的分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣做是為了確定其可靠性和精準(zhǔn)度，用得最多的驗(yàn)證精準(zhǔn)度的方法有混淆矩陣和ROC曲線。混淆矩陣是一種驗(yàn)證遙感分類精度的標(biāo)準(zhǔn)方法，可以用于很多高級(jí)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，它可以計(jì)算出一些體現(xiàn)分類總體精度情況的指標(biāo)，還可以計(jì)算出表示單個(gè)類別分類情況的指標(biāo)[5]。由于沒有一個(gè)比較高分辨率的影像數(shù)據(jù)源，本文將原來所分類的TM影像數(shù)據(jù)源當(dāng)成一個(gè)參考影像來源，在對(duì)其進(jìn)行了目視圖像解譯后即可得到一個(gè)真實(shí)的影像類別。三期影像分類后的精度評(píng)價(jià)結(jié)果（如表2所示）：

表2 分類后精度評(píng)價(jià)結(jié)果

3.變化信息提取

遙感影像的動(dòng)態(tài)檢測(cè)依據(jù)不同歷史時(shí)期的各種遙感影像，定量、穩(wěn)定性地進(jìn)行分析提取地物發(fā)生變化時(shí)的特征與過程[3]。需要先確定變動(dòng)前后第一次地物的類別、范圍邊際線及變動(dòng)趨勢(shì)等各種能夠?yàn)槲覀兲峁┯嘘P(guān)地物的空間分布以及發(fā)生變動(dòng)的定性、定量資料[6]。主要包括影像直接比較法、分類后比較法、變化矢量分析法、主成分分析法等。本文采用影像直接比較法和分類后比較法這兩種方法進(jìn)行土地利用信息的變化分析。

3.1 影像直接比較法

影像計(jì)算分析方法比較常見，它的主要作用是對(duì)經(jīng)過配準(zhǔn)的兩個(gè)基于同步時(shí)相遙感器的影像文件中的每個(gè)像素和元值直接進(jìn)行比值運(yùn)算和轉(zhuǎn)換后處理，找出其中發(fā)生變化的像元位置和變化區(qū)間。目前常用的影像直接比較法主要包括各種圖像直接差異比值法、植被指數(shù)圖像比較法等相關(guān)影像分析以及混合式影像檢測(cè)法。但是沒有一種方法被認(rèn)為具有普適性，大部分存在自動(dòng)化程度不高、精準(zhǔn)度不夠、可靠性差、處理速度慢與效率不高等問題，在實(shí)際應(yīng)用中仍需要通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行處理。

影像直接比較法對(duì)兩個(gè)同一時(shí)相的影像進(jìn)行了差值運(yùn)算，在此基礎(chǔ)上又將所有數(shù)據(jù)值進(jìn)行歸一化及單位統(tǒng)一的數(shù)字預(yù)處理功能[7]。以下差值圖像中的紅色部分為變化區(qū)域，差值結(jié)果與統(tǒng)計(jì)（如圖3所示）：

圖3 差值結(jié)果與統(tǒng)計(jì)

3.2 分類后比較法

基于上述提取出的變化信息，將2007年～2016年土地利用動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)生成土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣和概率轉(zhuǎn)移矩陣（如表3所示）：

表3 2007年～2016年概率轉(zhuǎn)移矩陣

4.結(jié)束語

通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)2007年、2011年、2016年三期影像進(jìn)行自動(dòng)解譯后，利用結(jié)果比較法和影像直接比較法，分析了2007年、2011年、2016年該地區(qū)的土地利用/覆蓋信息動(dòng)態(tài)變化情況，得出了以下主要結(jié)論：

（1）研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)區(qū)土地資源類型多樣，6種土地利用變化類型全面。2007年～2016年，土地利用變化區(qū)域面積占區(qū)域土地總面積的17.61%；

（2）通過直接比較和分類后比較，得出2007年～2016年，各種用地類型均有轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的變化，其中，面積變化最大的是耕地、林地和水域，林地面積增加了79014.828公頃，年均變化率12.19%；水域面積擴(kuò)大3824.012公頃，年均變化率17.98%；耕地面積呈減少趨勢(shì)，共減少91361.965公頃，年均減少3.45%。從用地類型的變化可以看出：一方面，該地區(qū)近年來采取了植樹造林的方式來大力治理水土流失，同時(shí)由于擴(kuò)大了農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)工程和水利設(shè)施建設(shè)而占用了部分的耕地；另一方面，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，也同樣占用了較多的耕地。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，還會(huì)有更多的工程項(xiàng)目在該地區(qū)建設(shè)，將不可避免地占用大量耕地。因此，隨著耕地面積的逐年減少，人地供需矛盾將更加尖銳；

（3）在監(jiān)督分類過程中，對(duì)于水域和非水域分界處判斷很模糊，如何準(zhǔn)確判斷并且歸類是值得探討的問題，需要盡量多地選取訓(xùn)練樣本，增加訓(xùn)練次數(shù)，不斷調(diào)整主要參數(shù)的設(shè)置。此外，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的時(shí)候，若圖像過大，則產(chǎn)生的程序響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)；

（4）試驗(yàn)區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)總體上呈現(xiàn)林地和建設(shè)用地增加的趨勢(shì)，耕地和未利用地面積呈下降趨勢(shì)。從上述變化趨勢(shì)來看，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致新增建設(shè)項(xiàng)目占用大量耕地。因此，定期對(duì)土地利用情況開展監(jiān)測(cè)，獲得及時(shí)準(zhǔn)確的土地利用信息，能夠?yàn)樽匀毁Y源開發(fā)利用監(jiān)管以及科學(xué)、合理地展開國土規(guī)劃工作提供重要依據(jù)。應(yīng)適度展開土地整理，開發(fā)土地后備資源，使土地利用結(jié)構(gòu)和布局日趨合理，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)。