遥感技术在土地利用变化调查中的应用以苏州市东山镇为例

遥感技术在土地利用变化调查中的应用——以苏州市东山镇为例王佳雨李溢涵谢舒莹李孟莹王若嘉颜莉娟任智星程灿摘要：以苏州市东山镇地区旅游图，地形图，遥感图像为依据，采用传统人文地理野外实习和遥感技术手段相结合的方法对实习前数据和实地实习结果进行了分析，利用envi3.5软件的融合和分类功能，绘制了表达这些东山镇土地利用空间分类图及土地利用动态监测图。研究结果表明：因鱼塘经济效益显著，鱼塘面积有相当大的扩大，显现芦苇面积也逐步变小。果树种植面积也不断扩大。建筑用地扩大，但同时也体现了当地绿化条件的改善。在野外能够根据实际调查的情况，合理地选择地物类型，采集GPS点位信息，为遥感图像的监督分类训练区的选取及分类后处理精度评判提供依据。而室内则在分类处理，动态监测的基础上宏观掌握土地利用变化信息。野外为室内提供选取和精度依据，室内则为野外活动提升科研高度。关键词：遥感土地利用调查分类技术中图分类号：文献标识码：A文章编号:1．东山基本介绍东山，又名洞庭东山，位于苏州城西南23.5公里处，它是延伸于太湖中的一个半岛，三面环水，全镇总面积96.6平方公里，现有常住人口五万三千余人。境内自然风光秀丽，物产丰富。图1.1东山镇图图1.2东山镇三维景观图Fig.1.1MapofDongshanFig.1.23-DviewofDongshan东山镇属亚热带季风海洋性气候，因太湖小气侯的调节作用，东山相比同纬度其它地区暖湿，四季分明，台风、霜冻等自然灾害极少。境内以海拔100-300米的石英砂岩丘陵和冲积平源为主，地势较高，地质坚硬，土壤类型多样，土层深厚，肥力较高，PH值中性至弱酸性。全镇果园、茶园面积2万5千余亩，水稻及蔬菜地面积1万余亩，淡水养殖面积2万8千余亩，适宜花果、花木、蔬菜、淡水养殖及农副产品加工等生产经营。2．基本理论和方法土地是一个综合的自然地理概念。它是地表某一地段各种自然要素(地质、地貌、气候、水文、植被、土壤等)相互作用及人类活动影响在内的自然综合体。它处于地圈—生物圈与大气圈相互作用的界面，是各种自然过程(物理、化学、生物、地学过程)及人类活动最活跃的场所。因此土地利用是人文地理研究的主要内容之一，这次野外实习，就东山镇土地利用做了进一步的分析。土地遥感是研究土地及其变化的最重要的手段之一。遥感对土地的宏观研究，主要包括土地覆盖、土地利用、土地资源评价以及土地覆盖、土地利用动态监测等内容。使用空间分辨率为10米至1公里的可见光及近红外波段遥感数据．例如Landsat-TMMSS，SPOT-HRV以及NOAA-AVHRR，同时使用我国现有的土地利用分类及遥感数据融合技术，运用目视解译定性分析方法和计算机自动分类方法（非监督和监督）就能达到对土地利用进行动态监测的目的。在野外能够根据实际调查的情况，合理地选择地物类型，采集GPS点位信息，为遥感图像的监督分类训练区的选取及分类后处理精度评判提供依据。能够利用GPS获取的点进行地形图的实际定位。进行遥感图像的实际定位。根据采集的数据联系实行情况对东山地区的土地利用类型进行分类。2.1波谱曲线对比我们在遥感影像上采集已知点的波谱曲线如图：图2.11991年典型地物采集点波谱曲线图Fig2.1Thetypicalspectralcurveselectedintheimageof1991图2.22001年典型地物采集点波谱曲线图Fig2.2Thetypicalspectralcurveselectedintheimageof2001图例：我们利用多光谱遥感影像对土地利用进行分类，就是利用对波谱曲线进行统计学分析，将光谱曲线相似的像元归为一类，而我们下面要进行的动态监测也要用到这些曲线。对于不同地物的监测，要用到不同的波段进行彩色合成。2.2加色原理另外，我们的显示器为RGB模式。RGB模型是由红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三色光按不同的比例和强度来表示颜色的。典型的情况是：R、G、B3个色值同时为0时，最终呈现的颜色为黑色；而如果R、G、B3个色值同时为255时，最终呈现的颜色为白色。由于RGB模型是由红、绿、蓝三原色叠加在一起而产生白色的(也就是指所有的光都反射回来了)，因此我们又称它为加色原理。它们相同比例的组合有如下规律：图3RGB模型Fig3theRGBModle我们下面进行的动态监测分析都离不开这两点知识。3．遥感影像判读与野外前期工作已知土地利用类型的初步判读利用两期的TM、ETM影像，利用已知训练区的土地类型、光谱特征数据对计算机进行训练，计算出对应于各种土地类型的多元统计特征，并以此建立分类判定规则，对未知地区进行计算机自动分类。采用非监督分类中的K-MEANS方法，得到分类图，并结合已有的其它图件，大致确定分类的种类和数量。3．2不确定图斑分布区域确定3.2.1水中点状漂浮物1、在RGB->432合成的标准假彩色影像上，在湖水中有高反射亮点存在，由其曲线可以估计为植被。如图（白色为湖水中亮点的波谱曲线，灰色为陆地植物波谱曲线，由于水体的影响，其曲线在4、5波段值要低，但形状为植被曲线，暂时将其判别为水生植物如浮萍、荷花等）：2、在鱼塘中有一大面积不明实体，经过实地调查及询问得知那个方位原来为芦苇塘，而现今已经全部改为了鱼塘，实地走在有九十度折角的鱼塘小路，可以发现路的东部鱼塘面积较大，而西边较小，（从遥感图像中可以轻易看出）具体原因，需进一步调查当地政府政策。因此在以上的分类中亦将其作芦苇（白色为不明实体的波谱曲线，灰色为植被曲线）。3、东山镇区按颜色明显分为两块儿，估计为房屋建造材质不同造成的，暗色调区域为江南传统的青砖青瓦建造，而亮色调区域为科技园区。（白色为暗色调区波谱曲线，灰色为亮色调区波谱曲线）由波谱曲线可以看出，两者的反射率是不同的，房屋建造的材质和年代也是不同的，暗色调区域可能为旧城区，而亮色调区为新城区。4．土地利用类型分类及变化土地利用类型野外调查在东山镇我们进行了三天的野外调查：第一天观察村镇和土地利用水平分布情况，第二天进行了农户的问卷调查，第三天进行植被垂直分布的调查以及对自己感兴趣区域的重点调查。通过调查基本掌握了东山半岛土地利用的水平和垂直分异情况：1、东山西部、北部为山地，主要经营水果（如著名的杨梅、枇杷、桔子等）和茶叶，严禁水产业；而东部南部则主要发展水产养殖，有着大面积的茶基、桑基、桔基鱼塘。2、东山镇位于东山半岛北部，分新城和旧城，旧城为传统的砖瓦结构，新城则有水泥等现代建筑材料建造，并且东部有新兴的工业园区。3、经过对农户和渔民的调查，了解到由于水田的经济效益很低，越来越多的农民都放弃了种田和选择种植果树或承包鱼塘，直至现在水田在东山半岛已经基本消失，另外，在东山半岛东南角和鱼塘内曾有大量芦苇，到现在大面积的芦苇也已经基本上消失了。针对这些情况，我们对1991年和2001年的分类中应选择不同的分类类型数。图4东山实习航迹Fig4thetrackofthepracticeinDongshan4.2土地利用类型分类统计通过实地定点调查，利用两期的TM、ETM影像，利用已知训练区的土地类型、光谱特征数据对计算机进行训练，计算出对应于各种土地类型的多元统计特征，并以此建立分类判定规则，对未知地区进行计算机自动分类。采用MaximumLikelihood方法，得到分类图像如图4.1、图4.2：图5.1东山镇土地利用分类图（1991）Fig5.1thelanduseclassificationofDongshan(1991)[ZSY2]图5.2东山镇土地利用分类图（2001）Fig5.2thelanduseclassificationofDongshan(2001)通过进行监督分类，将东山半岛各个地类统计如下：TM1991类型分布主要信息（ClassDistributionSummary[ZSY3]）Unclassified:0points(0.000%)(0.0000Meters?植被[Green3]454points:36,750points(2.825%)(29,850,187.5000Meters?水田[Green1]583points:11,161points(0.858%)(9,065,522.2500Meters?鱼塘[Blue1]272points:37,648points(2.894%)(30,579,588.0000Meters?建筑用地[Purple2]168points:14,283points(1.098%)(11,601,366.7500Meters?芦苇[Green2]96points:8,878points(0.683%)(7,211,155.5000Meters?湖水[Blue3]382points:176,611points(13.578%)(143,452,284.7500Meters?ETM2001年ClassDistributionSummaryUnclassified:0points(0.000%)(0.0000Meters?山地植被[Green3]144points:19,942points(1.256%)(16,197,889.5000Meters?芦苇[Yellow1]31points:1,135points(0.071%)(921,903.7500Meters?塘基荷花等[Green2]91points:17,639points(1.111%)(14,327,277.7500Meters?平原植被[Green1]96points:22,184points(1.397%)(18,018,954.0000Meters?建筑用地[Magenta3]270points:14,124points(0.890%)(11,472,219.0000Meters?鱼塘[Blue2]175points:73,426points(4.624%)(59,640,268.5000Meters?浮游植物[Yellow3]38points:17,349points(1.093%)(14,091,725.2500Meters?清洁水体[Blue1]366points:370points(0.023%)(300,532.5000Meters?污染水体[Blue3]383points:72,735points(4.581%)(59,079,003.7500Meters?白云[Red]177points:443points(0.028%)(359,826.7500Meters?表11991年与2001年东山土地利用分类像元对比Tab.1TheComparingofclassifiedpixelforLanduseatDongshan1991年像元数2001年像元数1991年面积km22001年面积km2植被36,75042,12633.07537.91水田11,161010.040鱼塘37,64873,42633.8866.08芦苇8,8781,1357.991.02建筑用地14,28314,12412.8512.71注：一个像元代表30m*30m=900m2[ZSY4]4.3十年内土地变化动态监测4.3.1水体与植被的变化按2001年band4->R;2001年band3->G;1991年band4->B进行彩色合成，由于植被在第3波段反射率低而在第4波段反射率高，因此由图我们可以看出植被的变化情况：大面积的绿色部分为水体。品红色部分为植被不变的区域，因为两期影像的第4波段反射率都很高，都为植被；红色说明2001年band4值较高，而2001年band3和1991年band4较低，可以得出：1991年红色区域为非植被，而2001年则有了植被。从1991年的TM影像上可以看出，红色区域为水体，说明了1991年到2001年之间，有部分的围湖造地活动，或者人们在近岸的湖水中种植了大量的水生植物，如荷花等。蓝色区域说明1991年第4波段反射率高，而2001年第3、4波段反射率都很低，由以上采集的波谱曲线可以得出，1991年蓝色区域为植被，而到了2001年，这些区域都变成了水体，由其纹理可以看出，从1991年到2001年，这些区域由水田变成了鱼塘。金黄色区域说明2001年第3、4波段值较高而1991年第4波段反射率值低，比2001年的第3波段值还要低，说明原来为水体，后变为反射值较高的芦苇或其他水生植物。这一发现是值得欣喜的，因为它为今天太湖的湖水污染，导致水生植物大量繁殖提供一定依据，但具体恶化情况，还需要相关部门数据，及野外实地调查。下面我们看一下波段融合后的总揽图（图6.1）：图6.1按2001年第四波段赋予红色，第三波段赋予绿色;1991年第四波段赋予蓝色彩色合成图Fig6.12001band4->R,band3->G,1991band4->B4.3.2植被与建筑用地的变化采用1991年band5->R,1991年band4->G,2001年band4->B方式进行彩色合成。对于陆地上的蓝色部分，说明植被完全被砍伐而代之以建筑用地或裸地。通过实地调查，此处为正在修建的一些度假村，利用遥感图像可以证实，植被已经被建筑用地所取代，这是单凭人文野外调查所不能看到的土地利用变化。陆地上的粉红色部分，说明1991年band5和2001年band4值很高，说明从1991年到2001年此区域由裸土改为了植被。对比东山镇地图，发现此处为通向启园等景点的道路两旁，且与当地行政区图由非常好的吻合，可以得出政府组织规划的结论。图6.1按1991年第5波段赋予红色，第4波段赋予绿色；2001年第4波段赋予蓝色彩色合成图Fig6.11991年band5->R，band4->G;2001年band4->B5．结论与讨论结论影响土地利用类型的变化的因素很多，自然因素是其中之一。东山地处亚热带与暖温带之间，又地处长江下游南岸的太湖之中，三面临湖，一面连陆，雨水充沛，光照充足，气候条件比较优越，自然环境变化不明显。对原有农业土地利用的影响较少。因此，这里将排除自然因素的影响。经济因素是影响动山土地利用的主要驱动力。区域外部的市场经济推动，使得东山产业结构发生巨大变化，农业的产业结构也随之变化。位于大苏州郊区的东山，其农业土地利用向着集约化的城郊农业转化。由于鱼塘单位面积的经济效益显著，当地农民倾向将原有的水田转而发展为鱼塘，地方政策主导发展鱼塘[ZSY5]，通过目视判读两期遥感影像图，对比可发现鱼塘面积有相当大的扩大。除此之外，芦苇面积也缩小。只坐在书斋中永远不能成为地理学家，但是，在科技飞速发展的今天，对于传统的罗盘定位，地形图定点，调查问卷等形式的野外实习，一些新的科技手段应该受到重用，实证不再是眼见为实，也可以同过遥感为实证提供辅助手段，这次遥感手段的介入，使得路线确定，土地利用分类，及发现异常事务并加以研