基于Landsat遥感影像的东昌府区建成区扩展监测

目录1.引言 51.1研究区概况 51.2数据来源 61.3技术路线 82．数据预处理 92.1辐射定标 92.2大气校正 92.3裁剪 102.4几何校正 103.建成区信息提取 113.1训练样本的建立及评价 113.2分类器 123.3分类结果及精度评价 133.3.1分类结果 133.3.2分类精度评价 144.建成区扩展监测与分析 154.1扩展监测 164.2监测分析 175结论 17参考文献 18摘要随着我国经济发展和城镇化进程的推进，涌现出了一系列城市病。城市建成区的信息，可以反映一个城市发展的概况，准确提取分析城市建成区信息是解决这些城市问题的关键。本文以聊城市东昌府区2003，2018年2期Landsat遥感影像数据为基础，采用监督分类和叠加分析技术对其进行了城市扩展监测。研究结果表明：2003年到2018年东昌府区建成区面积增加了387.96km2，年增长率为25.86km2/a，为东昌府区城市扩展监测和发展规划提供了数据支持。关键词：Landsat遥感影像；东昌府区；监督分类；建成区扩展；AbstractWiththeeconomicdevelopmentandadvancementofChina'surbanizationprocess,aseriesofproblemskeepemerging.Therangeofurbanbuilt-upinformationcanreflectthegeneralsituationofacity'sdevelopment,andtheaccurateextractionandanalysisofurbanbuilt-upinformationisthekeytothestudyofsolvingthosecityproblems.TheresearchbasedonDongChangFudistrictofLiaoChengLandsatremotesensingimagedatain2003and2018,usingthesupervisedclassificationandoverlayanalysistechnologyofimagetomonitorurbanexpansion.Theresultsshowthatthebuilt-upareaofDongChangFudistrictincreasedby387.96km2from2003to2018,withanannualgrowthrateof25.86km2/a,whichprovidesdatasupportforurbandevelopmentplanninginDongChangFudistrict.Keywords:Landsatremotesensingimage;DongChangFudistrict;supervisedclassification;Expansionofbuilt-upareas1引言在行政意义上，城市建成区是指市政区范围内经过征用的土地并实际建设发展起来的非农业的生产建设地段，包括市区集中连片的部分以及分散在近郊区与城市有着密切联系、具有基本完善的市政公用设施的城市建设用地（如水泥道路、机场、污水处理厂、通信电台）[[]陈双.城市规划概论[M].科学出版社,2009.9[]陈双.城市规划概论[M].科学出版社,2009.9[]于汧卉,王崇倡.沈阳市建成区扩展动态监测[J].测绘与空间地理信息,2019,42(02):148-150.因为航天技术的精进，传感器本身的误差减小、分辨率提高，高分辨率卫星遥感影像在城市扩展研究中发挥着举足轻重的作用。对于城市扩展的监测，目前多选用高分辨率的卫星遥感影像作为研究的数据基础，如LandsatTM、LandsatETM+、SPOT和QuickBird等[[]邓超,程钢,孙震辉.基于TM[]邓超,程钢,孙震辉.基于TM影像的焦作市城市扩张与驱动力分析[J].测绘工程,2015,24(08):57-61+67.[]李详.利用多时相遥感影像进行聊城市城市扩展的监测[D].聊城大学,2006.1.1研究区概况东昌府区位于山东省西部、聊城市中部，居鲁西平原，黄河在境内蜿蜒百余里，其所在市与冀、豫两省交界，区位独特，自然条件适宜。借助百度地图可知，其地理位置在东经115°14″—116°06″、北纬36°16—36°42″之间，总面积1443Km2；东昌府区傍水而生，依水而兴，水域足足占去城区面积的三分之一，主要河流有徒骇河、马颊河、京杭大运河，同时拥有我国江北最大的人工城市淡水湖泊——东昌湖；东昌府区属于暖温带季风气候区，气候适宜，光照充足，夏季雨热同期，全年光照时数在2463--2741小时之间，平均气温13.3℃，年平均降水量约610mm，无霜期201天以上新华网.聊城频道[R].2020.；截止到2018年，全区常住人口132.05万，现辖11个镇、10个街道、11个乡，即：古楼街道、柳园街道、新区街道、湖西街道、东城街道、闫寺街道、北城街道、道口铺街道、凤凰街道、蒋官屯街道、侯营镇、沙镇、堂邑镇、梁水镇、郑家镇、斗虎屯镇、张炉集镇、于集镇、许营镇、朱老庄镇、顾官屯镇、韩集乡新华网.聊城频道[R].2020.聊城市统计局.聊城市统计年鉴[R].2018.图1东昌府区2018年假彩色合成遥感影像1.2数据来源本文采用的影像数据为美国陆地卫星（Landsat）系列卫星图像，由美国航天局（NASA）和美国地质调查局（USGS）共同发射管理；自1972年起，Landsat系列卫星陆续发射，至今已发射8颗卫星，轨道高度705Km,随着航天技术的进步，卫星传感器的时空分辨率逐渐提高，其中Landsat7和Landsat8的分辨率最高可达15m,其前6个波段范围从蓝、绿、红、到红外，回归周期为16天，由于设置多光谱观察、对地观测范围很大、数据收集快，并具有宏观和直观性；陆地卫星主要用于获取遥感影像数据，其应用目的为调查生物资源、矿产资源、海洋资源，监测资源使用情况，观察并预测植物生长状况、评估农作物产量，考察和预报自然灾害和环境污染，对全球变化情况进行相关研究刘雨晴.浅述陆地卫星传感器发展[J].科技创新与应用,2015(12):47.。它在我国国民经济中发挥了强有力的作用。本次研究利用的数据分别为东昌府区2003年Landsat7的ETM+影像、2018年Landsat8刘雨晴.浅述陆地卫星传感器发展[J].科技创新与应用,2015(12):47.马宏林.美国陆地卫星及遥感器的发展[J].航天返回与遥感,1998(04):14-25.表1ETM+传感器各波段波段波长范围（微米）波段性质10.45-0.52蓝色20.52-0.60绿色30.63-0.69红色40.76-0.90近红外51.55-1.75短波红外610.40-12.50热红外表2 OLI传感器各波段波段波长范围（微米）波段性质10.43-0.45蓝色20.45-0.51蓝色30.53-0.59绿色40.64-0.67红色50.85-0.88近红外61．57-1.65中红外1.3技术路线20182018年遥感影像2003年遥感影像辐射定标辐射定标大气校正大气校正图像图像裁剪几何校正几何校正图像分类图像分类18年18年建成区分布03年建成区分布导入ArcGIS导入ArcGIS叠加处理叠加处理结果分析结果分析得出结论得出结论图2技术路线2数据预处理传感器获取遥感影像时由于大气的辐射、散射、吸收，造成太阳辐射能量的减弱并使像元灰度值发生变化，从而导致影像数据达不到应用要求。卫星的飞行高度、速度、姿态的差异以及地球自转等原因造成图像几何位置的畸变。遥感图像预处理工作的目的就是减小这些因素造成的遥感影像数据误差[[]邬志刚[]邬志刚.基于RS与GIS城市扩展的驱动因素及效应研究[D].江西理工大学,2017.2.1辐射定标辐射定标的原理是将记录的原始DN（DigitalNumber）值转换为大气外层表面反射率（或称为辐射亮度值），从而来消除传感器本身产生的误差，确定传感器入口处的准确辐射值；辐射定标一般有两种方式：一种是利用计算公式计算辐射亮度和反射率；一种是利用定标工具进行定标，获取辐亮度或反射率。本次研究所使用的影像数据来自于地理空间数据云，具有较原始性，加上第二种方法的简便性，因此将两期影像的多光谱波段均利用ENVI5.3中的radiometriccalibration工具进行辐射定标，其中outputinterleave设置为BIL格式，scalefactor设置为0.1，即可得到辐射定标后的图像。2.2大气校正大气校正的目的是消除或减小大气散射、吸收、反射引起的误差[[]梅安新.遥感导论[M].科学出版社,2001.7]。大气校正中最常用的模型为F[]梅安新.遥感导论[M].科学出版社,2001.7韩晓庆,苏艺,李静,张芸,刘佳,高伟明.海岸带地区SPOT卫星影像大气校正方法比较及精度验证[J].地理研究,2012,31(11):2007-2016.L式中，L为像元接收到的总光谱辐射亮度；ρ为像素表面反射率；ρe为像素周围的平均表面反射率；S为大气球面反照率；A、B为取决于大气条件和几何条件的两个系数；L为大气后向散射辐射率（大气程辐射）。第一个括号整体代表太阳辐射经大气入射到地表后，直接反射进入传感器的辐射亮度；第二个括号整体为经大气散射后进入传感器的辐射亮度；第三个括号整体为大气程辐射率。为确保分类的精确，本次研究对辐射定标后的影像数据进行大气校正，运用到的遥感技术为ENVI5.3中的FLAASH工具，将辐射亮度或者地面反射率转换为地表实际反射率。2.3裁剪为使各个时期遥感影像的信息具有可比性，需要进行遥感影像的裁剪。其目的是除去研究区之外的区域，常用的是以行政区划边界或自然区划边界为矢量特征数据进行遥感影像的掩膜提取。由于原始数据范围较大，而本文研究区域仅为东昌府区，不能保证数据的准确性。因此，以东昌府区行政矢量图为基础，对大气校正后的影像采用Arcmap10.5中的不规则掩膜提取技术进行裁剪，从而得到东昌府区遥感影像数据。2.4几何校正图像的几何变形一般分为两大类：系统性和非系统性。所以相应的几何校正分为几何粗校正和几何精校正。系统性有规律可循，相对应的几何粗校正工作由卫星接收站完成。非系统性几何变形是不规律的，可以是传感器本身的高度、姿态等不稳定，也可以是地球曲率及空气折射的变化以及地形的变化等，从数学上说，消除非系统性几何变形的几何精校正就是通过选取一组地面控制点，建立原始的畸变图像空间与校正图像空间的坐标变换关系[[]邓书斌.ENVI遥感图像处理方法（第二版）[M].高等教育出版社.2014]。几何精校正工作由影像数据应用者进行，其变换模型包括仿射变换（RST）、多项式变换、局部三角网等。常用的变换模型为多项式变换，利用多项式变换进行卫星影像校正时，地面控制点要尽可能均匀分布在遥感影像中，并要求边缘和四角均必须有地面控制点分布，对n次多项式来说，满足要求的最基本的地面控制点数量为((n+l)(n+2))/2[[]李爱民.[]邓书斌.ENVI遥感图像处理方法（第二版）[M].高等教育出版社.2014[]李爱民.基于遥感影像的城市建成区扩张与用地规模研究[D].解放军信息工程大学,20093建成区信息提取建成区信息的提取可采用分类的方法。传统的分类方法包括监督分类和非监督分类，二者的区别在于是否有大量的人工训练样本点。监督分类常用于对研究区域比较了解的情况，需要进行人工选取大量训练样本点。监督分类这个方法主要包括以下步骤：人工选取大量样本点、对训练样本进行精度检验、按照训练样本选择合适的分类器进行分类、分类结果评价、处理分类后的结果、统计分类特征，将分类结果可视化[[]王立言[]王立言.基于遥感影像的城市扩展研究[D].长安大学,2014.3.1训练样本的建立及评价本文对两期影像数据利用训练样本选取感兴趣区（RegionofInterest，ROI），根据影像波谱特性，把影像分为建成水体、植被、建成区，并通过感兴趣区的可分离性矩阵来判断波谱可分离性。当ENVI中用于衡量可分离性的Jeffries-Matusita和TransformedDivergence两个参数值大于1.90时，说明所选的ROI之间分离性较好，如果参数值偏低，应该编辑ROI或选择新的ROI来提高它们之间的可分离性。训练区类别的可分离性矩阵见下表：表32003年训练区类别可分离性矩阵植被水体建成区植被1.992.001.992.00水体1.992.001.931.99建成区1.992.001.931.99表42018年训练区类别可分离性矩阵植被水体建成区植被1.992.001.992.00水体1.992.001.971.99建成区1.992.001.971.993.2分类器根据分类的复杂度、精度需求选择分类器，监督分类的分类器主要包括平行六面体、最大似然，最小距离、马氏距离、波谱角（SAM）张明,黄双燕.基于Landsat-8的遥感影像分类研究[J].测绘与空间地理信息,2019,42(01):177-180.。其中最大似然是一种普遍使用的遥感图像监督分类的分类器。最大似然法基于贝叶斯准则，服从高斯正态分布，在统计学的基本思想上，通过比较每个像元对于各个类别的后验概率的大小来确定像元所属类别。此算法有严密的理论和清晰的参数解释说服能力，易与先验知识融合满足一些比较简单的分类要求，操作简便张明,黄双燕.基于Landsat-8的遥感影像分类研究[J].测绘与空间地理信息,2019,42(01):177-180.[]方文,李朝奎,梁继,胡焜豪.多分类器组合的遥感影像分类方法[J].测绘科学,2016,41(10):120-125.杨鑫.浅谈遥感图像监督分类与非监督分类[J].四川地质学报,2008(03):251-254.李爽,丁圣彦,许叔明.遥感影像分类方法比较研究J河南大学报：自然科学版，2002，32（2）：70-73.D=ln(i)-[0.5ln（Covi）]-[0.5（X-Mi）T(X-Mi)]公式中，D、i、X分别表示加权距离、某一特征类型和像元的测量矢量，Mi、Covi、i分别表示类别i的样本均值、协方差矩阵和待分像元属于类别i的概率。图4最大似然法基本原理本次研究利用最大似然分类器进行分类。3.3分类结果及精度评价3.3.1分类结果由上述方法得到的2期分类结果如下：图52003年遥感影像分类结果图图62018年遥感影像分类结果图3.3.2分类精度评价对遥感图像进行分类后，需要对分类结果的精度进行检验，若分类结果与实际地物分类相差较多，需进行实地考察来提高分类精度。分类精度的检验常选用建立混淆矩阵的方法，可检测不同地物互相混分的情况，比如建成区和水体的混分。其中，Kappa系数的大小可以说明不同地物的分类结果与真实地物空间分布的一致性。当Kappa系数小于0.4时，说明一致性程度不够理想；当Kappa系数在0.4-0.7之间时，说明两者一致性良好；当Kappa系数大0.75时，说明两者具有很高的一致性[[]王敏,高新华[]王敏,高新华,陈思宇,冯琦胜,梁天刚.基于Landsat8遥感影像的土地利用分类研究——以四川省红原县安曲示范区为例[J].草业科学,2015,32(05):694-701.表5各时期遥感影像分类精度检验表年份OverallAccuracyKappaCoefficient200390.12%0.87201886.5%0.85表62003年GroundTruth(Pixels)Class水体植被建成区TotalUnclassified0000水体[Red]21021016227植被[Yellow]1151001511建成区[Blue]00889889Total21115119052627表72018年GroundTruth(Pixels)Class水体植被建成区TotalUnclassified0000水体[Red]69608704植被[Maroon]0111401114建成区[Cyan]6210951103Total702111611032921由表5、6、7可知，2期遥感影像的分类结果与真实地物空间分布的一致性很好，为本文建成区扩展监测打下了坚实的基础。4建成区扩展监测与分析城市建成区的扩展过程中因为城市建设用地的增加而使建成区扩大，并导致其周边其他土地利用类型的变化，发现这些变化，面积以及空间差异等是城市建成区扩展遥感监测的主要内容[[]谭文彬,刘斌,张增祥,赵晓丽,易玲,[]谭文彬,刘斌,张增祥,赵晓丽,易玲,汪潇.近三十年来昆明市建成区扩展遥感监测与分析[J].地球信息科学学报,2009,11(01):117-124.4.1扩展监测本文利用叠加分析的方法进行建成区扩展监测可视化。叠加分析是地理信息系统（GIS）中常用的提取空间隐含信息的方法之一，叠加结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时叠加分析新的空间关系和新的属性关系；GIS中普通将叠加分析分为矢量数据叠加分析和栅格数据叠加分析[[]汤国安.地理信息系统教程[]汤国安.地理信息系统教程[M].等教育出版社,2007.4以2003年和2018年分类结果图为栅格数据基础，利用ArcGIS的转换工具将分类后的栅格图像转换为矢量图像，然后对矢量数据进行融合，而后采用叠加分析下的union（联合）模块进行叠加分析，以此将两期图像的属性并列在同一图层下，最终在新生成的属性表中新建一个字段，通过字段计算器对两个字段的内容进行比较[王家伟[王家伟.基于ArcGIS的黄陵县土地利用变化模式研究[D].西安科技大学,2018.致谢行文至此落笔之处，意味着四年大学生涯即将结束。求学聊大，始于2016年秋，终于2020年夏，生命在此升华。四年光阴如彩虹，静而多彩，点滴生活，历历在目。犹记得教学楼前长廊下的早自习、和队员一起获得广播体操大赛获奖的愉悦、摆渡与东西校之间的小绿、夜晚10点的逸夫图书馆……有过低落、有过迷茫,但也有过坚定，有过努力，有过关怀，留下的是青春和沉甸甸的不舍。桃李不言，下自成蹊。首先，我非常感谢我的指导老师老师,从选题到设计大纲及多次修改后的定稿，这篇论文的每个细节和数据，每一步都离不开马老师的指导和帮助；在疫情期间，仍多次在线上审阅给出修改意见，她的意见总是切中要害，令我茅塞顿开，幸的老师指导，本文才得以成型。饮水思其源，成学念吾师。衷心感谢给予我教导的各位老师们。感谢我的舍友们，给我意见和支持，带我长见识，给我温暖和