基于遙感技術的土地利用變化監測與分析

編者按：隨著遙感技術的不斷發展，其監測范圍大、可覆蓋全球;瞬時成像、實時傳輸、快速處理、迅速獲取信息和實施動態監測、受地面影響小等優勢不斷被大眾了解，本文主要對江油市2006年以及2018年的Landsat-8以及Landsat-5遙感影像進行預處理，基于ENVI，利用決策樹分析江油市12年的土地利用變化。

引言

由于遙感技術能夠宏觀地對地表物體進行觀測，對于土地利用方面的應用也在不斷地進步，再加上一些分析技術的應用，遙感技術已經成為監測與分析土地利用變化的一種方便有效的技術手段。

通過遙感技術量化LUCC、演繹變化過程，建立模型，對于土地利用進行定量和定性分析。相關研究已經證明，政策、經濟發展和人口增長及自然災害等因素是城市景觀格局變化的主要影響因子。

研究概況

研究區自然概況

江油地理位置處于北緯31°32′26″～32°19′18″、東經104°31′35″～105°17′30″之間。市境輪廓呈東北-西南走向的條形狀，東西寬約48.4千米，南北長約86.6千米，面積2719平方千米。按地貌主要類型分，平壩面積占22.2%，丘陵面積占26.5%，山地面積占51.2%，臺地面積占0.1%。

數據處理

研究數據來源

本文所采用的遙感的數據源是2006年6月30號Landsat5 TM影像和2018年4月9號Landsat 8 OLI 的影像。兩種遙感傳感器的波譜信息如表1所示。

除此之外還用到研究區DEM（數據高程模型）數據用以計算坡度。

研究數據預處理

為了在遙感影像上提取的信息能夠準確對影像進行預處理，主要包括輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌、影像裁剪，以此得到研究區的遙感影像（見圖1）。

遙感土地利用分類

數據處理

計算2006年以及2018年的遙感影像植被指數以及建筑指數。

（1）歸一化植被指數

歸一化植被指數（NDVI）由ROSE等于1973年提出，是植被指數中應用最廣泛的一種指數。

NDVI計算公式為：

（1）

式中：ρNIR為和ρred為近紅外波段和紅光波段的反射率。

（2）建筑指數

歸一化建筑指數（NDBI）是經過歸一化植被指數演變而來，建筑用地中紅外波段以及近紅外波段的反射率差異較為明顯，所以選擇這兩個波段來計算建筑指數較為科學。

NDBI計算公式為：

（2）

式中：ρMIR為中波段的地表反射率。

決策樹分類

遙感圖像分類技術分為監督分類與非監督分類兩種，前者需要訓練樣本，而后者不需要。

對四種常見遙感的監督分類方法進行比較分析，發現決策樹分類中的土地利用分類最接近實際情況，分類精度最高。BP神經網絡法次之，最大似然法第三，支持向量機的精度。

根據表2中現有的對于遙感影像數據分類方法精度進行研究精度對比，本文將采取最佳分類方法，即決策樹方法對江油市的遙感影像進行土地分類。

決策樹分類是在遙感影像以及空間數據的基礎上，采用具有專家經驗的總結、數學統計分析和歸納等方法，獲得分類的規則，通過此分類規則分類的方法。決策樹分類大致可分為4步：規則定義、規則輸入、決策樹運行和分類后處理。難點是規則的獲取，本文采用統計數值以及多次試驗的方法從樣本中獲取規則。

以此根據本文所用到的數據對遙感影像建立決策樹規則，以下為2006年的規則參數：

對于植被的提取：根據統計得NDVI值大于0.28時，分類結果為植被。

對于草地的提取：根據常識得，當地表的坡度小于5（slope<5）時，地物為草地。

對于耕地的提取：當地表的坡度大于5小于20（5<slope<20）時，地物為耕地。

對于林地的提取：當坡度大于20（slope>20）時，地物為林地。

對建筑用地的提取：據統計得，當NDBI值在（-0.12，0）范圍內時，為建筑用地。

對于水體的提取：當上述用地被分類出來時，剩下的部分即為水體。

在獲取規則后新建決策樹并輸入規則，本文建立的決策樹如圖3所示。

對于決策樹規則建立，就是不斷通過對地物確定指數范圍后一層一層劃分出地物的類別。得到如下土地利用分類結果圖。

在ENVI中對2006到2018年的土地利用分類結果進行分類結果對比，得到土地利用類型轉移矩陣。橫字段表示2006年（initial state）的土地利用類別，縱字段為2018年（final state）的土地利用類別，橫縱字段交叉處表示變化值。

結論

通過對遙感影像的數據進行預處理，基于決策樹對江油市2006年到2018年的土地利用信息進行分類。從整體變化趨勢上來看，江油市在這12年發展過程中，建設用地面積持續增加，而耕地、草地、林地總體呈現減少的趨勢，并向建筑用地轉化。耕地面積在向建筑用地轉移的同時，有一部分轉化為水體。

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本文受云南省教育廳科學研究基金項目“以傳統工藝振興鞏固脫貧攻堅成果——大理巍山地區扎染實踐”（2021J0787）的資助。

作者簡介：劉學（19980824），女，漢，四川綿陽。碩士學位，地質資源與地質工程（資源環境遙感），成都理工大學，四川身成都市，610059。