基于RS和GIS技术的龙口市土地利用时空变化监测与分析

(1.山东地质矿产学院，济南250014；2.山东建筑大学土木工程学院，济南250101)

作者简介:徐秋晓(1979—)，女，助理工程师，主要从事遥感、水文地质和环境地质勘查工作。

遥感技术和地理信息系统技术的发展为研究全球变化和可持续发展提供了信息源和技术手段。作为地球表层系统最突出的景观标志，土地利用变化是近年来全球变化研究的重要领域。本文以山东省龙口市为研究区域，应用基于遥感影像综合理解模型的龙口市土地利用/土地覆盖分类方法，建立地学规律知识库，提取不同时期的土地利用类型。最后，利用地理信息图监测和分析土地利用的时空变化。

关键词:土地利用；遥感图像；地学辅助信息；信息图谱

遥感技术和地理信息系统技术的发展为研究全球变化和可持续发展提供了信息源和技术手段。作为地球表层系统最突出的景观标志，土地利用变化是近年来全球变化研究的重要领域。只有监测和分析土地利用的时空变化，更好地认识土地利用变化的过程和机制，调整人类社会经济活动，才能使土地利用更加合理，保证国家宏观战略决策的针对性和有效性，才能达到土地可持续利用的目的。龙口作为中国较早的沿海城市，其土地利用变化具有代表性。

1研究区概况

龙口市位于胶东半岛西北部，东临蓬莱市，南接栖霞市和招远市，西、北濒渤海。东西最大水平距离46.08km，南北最大垂直距离37.43km。总土地面积(包括桑岛和一岛)为893.32平方公里

本研究区由1∶10000地形图矢量化生成的研究区边界切割遥感影像得到，作为遥感数据信息，面积为***89217.45hm2(不含桑岛和一岛)。

2.基于遥感图像综合理解模型的龙口市土地利用/土地覆盖分类。

图像理解是通过计算机系统研究对图像的解读，从而实现与人类视觉系统相似的对外部世界的理解的学科。在图像理解系统中，有两个基本任务:从输入图像中提取适合模型的图像结构或线索，然后完成输入图像中的图像结构与模型中的目标之间的正确映射(周成虎，1999)。图像理解不同于模式识别。模式识别通常只是简单地根据预先定义的测量集对物体进行分类，而图像理解需要对图像进行描述和解释，这就需要涉及不同处理层次的实体之间的交互(王润生，1994)。

根据土地利用/土地覆盖的分类特点，构建了基于GIS信息的遥感图像综合理解模型。该模型分为两个过程，即遥感图像理解过程和地理信息系统处理过程。这两个过程的具体内容如下:

(1)遥感影像理解过程，主要完成遥感影像的预理解过程，包括以下过程:

1)遥感图像预处理:包括图像格式转换、图像校正和图像增强变换。图像格式转换完成遥感图像到REDAS软件系统处理格式的转换(-。img)；影像校正完成遥感影像的大气校正、几何校正、辐射增强、匹配和镶嵌；遥感图像信息增强和变换处理可以突出相关的专题信息。这次使用的主要方法有线性拉伸、K-T空间变换和边界增强。

2)与地学辅助信息配准:主要完成遥感影像与地学辅助信息(各类专题GIS数据主要是坡度和高程)之间的坐标和投影系统转换，使遥感影像和采用的地学辅助信息纳入统一的坐标和投影系统。

3)“训练区”的选取与计算:通过对遥感影像信息特征的初步了解，结合地学辅助信息和实地调查，确定样本“训练区”。“培训区”应该是典型的、可分离的。确定“训练区域”后，计算“训练区域”的数据，确定样本的统计信息(均值、最大最小值、方差矩阵、协方差矩阵等。).

本次提取的土地利用类型为六种，分别是建筑用地、耕地、水域、园地、林地和未利用地。采用AOI扩展法选择训练区域。使用该方法选择训练区域时，初始种子像素和光谱距离的阈值非常重要，任何训练区域的初始种子和光谱距离的阈值都要经过多次实验才能确定。这两个参数在不同的土地类型中是不同的。一般选择2 ~ 3个训练区域后，观看告警屏蔽，立即修改调整这两个参数。增加训练区域时，及时叠加告警掩码和之前的告警掩码，判断样本数据的质量变化，并进行调整，直到告警掩码与实际地面类更加一致，即选择了这类训练区域。一类地训练结束后，需要对最终的训练区域进行整体分析，以保证谱的纯度。

(2)地理信息系统处理，在GIS系统的支持下，完成对地学辅助信息的处理，主要包括以下过程:

1)专题信息的介绍和预处理:收集地学辅助信息(包括各种专题信息和统计数据等。)通过地面调查或专家知识经验，导入GIS系统完成辅助信息的预处理，包括各种矢量数据的数字化和编辑、拓扑关系的建立、统计数据的整理、地学编码和统计数据的空间化等。

2)辅助数据的生成:利用前期处理的辅助数据，转换各种数据格式，如矢量数据的栅格化、点统计数据的插值(IDW/克里金等方法)生成面数据；最后，统一坐标和投影系统，实现与遥感数据的配准。

3)建立各种地学辅助因子数据库:在GIS软件的支持下，基于上面生成的各种辅助数据，建立专题数据库，形成地学辅助因子数据库。

(3)知识库的生成过程，即建立专家知识库，主要是地学规律知识库，包括以下过程:

1)知识获取:通过对比遥感影像，进行实地调查，根据各种具有代表性的影像特征，调查该区域所有地貌条件下的土地利用/土地覆盖、植被分布和生态环境状况，获取各种实用知识。

2)知识库生成:对获取的知识进行整理，概括总结各种规律，形成知识规则，通过对“训练区”中的数据不断训练、修改、调试，最终形成地学规律知识库。

土地覆被/土地利用类型对海拔有明显的依赖性。根据研究区现有土地利用图分析，建设用地和园地主要分布在海拔300m以下；大部分耕地分布在海拔150m以下；林地在不同海拔高度分布广泛，10m以下林地主要为沿海防护林和公路绿化林地。海拔350m以上，仅分布林地，无其他土地类型。

坡度数据可用于区分一些土地覆盖/土地利用类型。根据实地调查结果，结合地形图和现有土地利用现状图分析，建设用地、灌溉地和园地主要分布在坡度小于20°的区域，坡度大于10时灌溉地较少。因此，遥感数据的光谱特征也表现为绿色植被，在难以判断是水浇地还是林地时，坡度数据是一个有价值的参数。以下是几种土地类型与海拔和坡度的详细关系。

在这个分类知识库中，专家规则以下列基本形式表示:

IF(条件)THEN(结论)，Confidence(结论可信度)

可靠度范围为[0，1]，当值为0时，完全排除当前像素属于给定类别的可能性；当值为1时，保持像素的原始可信度，当前结论始终成立。可信度可以通过地学经验或专家打分来确定。

知识的表示和知识库的构建要结合地学问题的研究特点。通过不断修改和调试知识库，图像判读结果基本达到人工目视判读的效果。当可靠度的值为0时，排除当前像素属于(结论)给出的类别的可能性；当值为1时，不应更改现有的可靠性值。这种表示方法既考虑了遥感图像解译的特点，又明显减少了知识库中规则的数量。这对于大数据量的遥感数据处理是极其重要的。以下是规则库中的规则:

如果value = 1dem < 300，坡度< 20，则建设用地CF = 1。

如果值= 2 DEM < 50，坡度< 10，则灌溉土地CF = 1。

I值=3，则waters cf = 1

如果值= 4，DEM < 300，坡度< 20，则旱地CF = 1。

如果值= 5dem < 300，坡度< 20，则花园cf = 1。

如果值=6，则woodland cf = 1

否则，如果DEM > = 300或坡度> = 20，则林地cf = 1。

Elseif50 = < DEM < = 250，10 = < slope < 20，则garden cf = 0.5。

ELSE woodland cf = 1

本次分类结果精度评价采用分层随机抽样方法，主要参考龙口市土地利用现状图，结合目视解译和实地核查结果，对两期分类结果进行精度评价。通过直接查阅当年土地利用现状图，验证各期遥感分类结果的准确性。由于遥感分类系统与土地利用现状分类系统存在一定的差异，因此在随机抽样前，应适当统一遥感分类影像的土地利用类型分类和土地利用现状分类。然后，每期遥感分类结果选取300个样本点，每类保证10个以上的样本点。采用基于误差矩阵的精度评价方法对龙口市2003年和1989年的分类结果进行了评价。实际Kappa系数计算表明，龙口市1989和2003年土地利用TM遥感分类结果总体精度和用户精度均在75%以上，Kappa系数在0.8以上，满足最低允许判别精度0.7的要求。这些表明龙口市土地利用遥感分类结果较为理想，各类别分类精度也较高。

3龙口市土地利用时空变化分析

随着地球信息科学的兴起和发展，可供人们利用的资源极其丰富，信息处理技术也有了很大的提高，特别是动态可视化技术取得了新的突破。在这种需求和技术背景下，陈先生倡导在传统地学地图集的基础上进行地学信息地图集的探讨和研究。地理信息图谱是地理信息图谱的自然延伸，是按照一定的指标渐变规律或分类体系，能够反映地理空间信息规律的一组数字地图、图表、曲线或图像。地理信息图谱是“图”和“谱”的结合，具有图形和谱系的双重特征。

本文采用的土地利用图分析模型包括两部分:①转移矩阵，从中可以看出各时间序列单元内土地利用变化的主要类型和各类别的补给来源。②分析不同时间序列单元的土地利用图，考察图单元的空间组合和时空位移。

3.1传递矩阵

转移矩阵在分析土地利用类型之间的流向方面具有重要作用，不仅可以定量解释土地利用类型之间的相互转化，还可以揭示不同景观类型之间的转移概率，从而更好地理解土地利用的时空演变过程。转移矩阵包括转移面积矩阵和概率矩阵。

表1 1 989 ~ 2003年土地利用转移矩阵(单位:hm2)

注:R为各类土地利用类型的出让比例(%)。

从表1可以看出，从1989到2003年，建设用地流转面积为487.61hm2，占初始建设用地面积的3.62%，没有明显的流向。耕地用途流转面积为17632.40hm2，占初始耕地面积的49.85%。主要流向为园地，占13835.82hm2，占初始耕地面积的39.11%，其次为建设用地，占3508.77hm2。水域流动面积为492.92hm2，占初始水域面积的8.72%，主要流向园地和林地，* * *占初始水域面积的比例为6.4%。花园的流水面积为1316.62hm2，占初始花园面积的7.89%。主要流向为建设用地，为759.25hm2，占初期园地面积的4.55%。林地用途流转面积为1405.45hm2，占初始林地面积的10.45%，主要流向为建设用地，为624.64hm2，占初始林地面积的4.66%。未利用地利用出让面积为2158.74hm2，占初始未利用地面积的47.24%。主要流向为园地，为1306.85hm2，占初始未利用地面积的28.60%，其次为林地和建设用地，* *与初始未利用地面积之比为65438+。

3.2土地利用信息图

在图集中，* * *有36种类型的图集单元，即土地利用变化类型，其中30种显示土地利用类型发生了变化，占研究区总面积的26.34%。为了更简单明了地阅读土地利用类型转移的主要方向，了解土地利用变化的主要特征，对30类变化的图单元按面积大小进行排序，计算各图单元的转换面积百分比和累计转换百分比，统计出占总变化面积92.04%的10类图单元，得到1989至2003年土地利用主要图单元类型面积排序表(表

1989-2003年主要图件单元土地利用类型面积排序表

从表2可以看出，从1989到2003年龙口市土地利用变化最显著的结构特征是耕地向园地的转化，该方向的耕地面积***13835.82hm2，占总变化面积的58.89%。其次是耕地转化为建筑用地，面积为3508.77hm2，占总变化面积的14.93%。第三是未利用地向园地的转化，面积为1306.85 hm2，占总变化面积的5.56%。可以看出，研究期间龙口市土地利用类型主要流向建筑用地和园地。

4结论

(1)本研究利用Landsat数据ETM++对龙口市土地利用进行了时空监测和分析，取得了良好的效果。然而，ETM ++影像的分辨率较低，主要反映一些综合性的土地利用信息。对于一些土地利用图件破碎、土地利用类型复杂的地区，难以提取地物，因此缺乏对土地利用变化的详细监测。在今后的研究中，应结合高分辨率卫星影像，积极探索新的动态监测方法，充分利用这些高分辨率遥感数据，获取更加可靠、准确的区域土地利用变化信息。

(2)如何充分利用GIS的空间数据库提供的丰富地理辅助数据，进而自动发现知识，整合多尺度、多时相的高分辨率遥感数据，建立灵活高效的推理机制，从而完成遥感影像专题信息的自动提取，是进一步的研究方向。

(3)“地理信息图谱”是一种新的学术思想，尚处于认识阶段，认识还不是很成熟。需要更多的学者和更多的研究工作来提高对它的认识。本文认为，利用遥感技术研究土地利用演变与发展的信息图谱，反演时空变化，进而认识客观世界，揭示和再现过去，是一种先进可行的技术途径。

(4)研究结果表明，在1998 ~ 2003年期间，龙口市土地利用格局变化频繁，变化强度大，矛盾突出。主要表现在耕地持续减少，园地和建筑用地持续增长；其主要流向是从耕地流向园地和建筑用地。这些变化导致龙口市耕地质量下降，利用率增强，给耕地保护带来巨大压力。因此，土地管理部门应注重宏观决策，处理好社会经济发展与土地储备资源的关系，实施可持续发展。

参考

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