龔文峰,劉芳平,王笑峰,劉 濤,陳月鑫,吳 娟,王鑫鑫,孔 達(dá)

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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基于面向?qū)ο蟮奶?yáng)島土地利用信息提取研究

龔文峰,劉芳平,王笑峰,劉 濤,陳月鑫,吳 娟,王鑫鑫,孔 達(dá)

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

文章以哈爾濱市太陽(yáng)島為研究對(duì)象，以2003年和2013年的QuickBird 和WorldView-2遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，在RS和GIS的支持下，基于面向?qū)ο蟮姆椒?，定量提取該區(qū)域的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，探究土地利用時(shí)空演變特征，揭示土地利用變化成因，以期為該區(qū)域土地合理利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：10 a間水域和未利用地面積增加，水域增加最大，為206.42 hm2，其他地類(lèi)面積減少，濕地減少最多；濕地向水域的轉(zhuǎn)變量最大，為169.35 hm2，其次是草地轉(zhuǎn)換為未利用地，為91.73 hm2，水域的保留量最大，為459.35 hm2；太陽(yáng)島區(qū)域內(nèi)生態(tài)功能下降，生態(tài)安全程度降低，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域惡化。

太陽(yáng)島;面向?qū)ο?GIS;RS;土地利用信息

城市濕地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有重要的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)服務(wù)功能，為實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供重要的水資源和生態(tài)環(huán)境保障。因此，合理開(kāi)發(fā)利用濕地資源是城市可持續(xù)發(fā)展的重要前提[1]。太陽(yáng)島濕地位于松花江哈爾濱段，屬于哈爾濱重要城市濕地[2]，是江漫灘濕地草原型風(fēng)景名勝區(qū)，更是哈爾濱唯一的一個(gè)5A級(jí)旅游景區(qū)。然而，由于自然原因、人口增長(zhǎng)以及日益加速的城市化進(jìn)程，使得城市內(nèi)與城市周?chē)臐竦刭Y源被大面積開(kāi)墾、改造，造成了城市濕地景觀的結(jié)構(gòu)變化與某些生態(tài)功能的改變或喪失[3]，從而致使城市濕地面積減少、水質(zhì)惡化、植被退化、生態(tài)功能減退等[4]，特別是哈爾濱市松北區(qū)的快速開(kāi)發(fā)建設(shè)[5]，致使局部區(qū)域植物被砍伐、動(dòng)物的生存空間被占領(lǐng)、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞，城市建筑、垃圾、噪聲、水體和大氣等污染，都對(duì)濕地的生態(tài)環(huán)境造成很大的威脅[5]，并且2005年和2010年發(fā)生的松花江污染事故，使松花江下游嚴(yán)重污染，也使太陽(yáng)島濕地公園的生態(tài)安全面臨危機(jī)，嚴(yán)重威脅到濕地區(qū)域乃至城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[6-7]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者運(yùn)用各種方法與技術(shù)對(duì)濕地資源進(jìn)行了大量的研究，取得了很多成果[3]?；趥鹘y(tǒng)像元的遙感影像分類(lèi)方法，并且主要以像元的光譜特征為基礎(chǔ)[8]，結(jié)合典型區(qū)域濕地做了一定量的研究，并取得明顯的成果[9-14]。但這些研究雖然做到了結(jié)合地物的空間信息和光譜信息，但不能充分地利用高分辨影像中地物豐富的紋理、形狀和幾何特征信息[8]，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代城市濕地土地利用信息數(shù)據(jù)的精度要求[15]。隨著遙感信息技術(shù)的不斷提升，尤其是小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和高空間分辨率的遙感影像的大量產(chǎn)出[8]，為濕地資源信息的提取研究提供了大量的資料，但高空間分辨率影像中不同地物間的光譜特征相互重疊，影像中“同譜異物”和“同物異譜”現(xiàn)象嚴(yán)重[8]，使得傳統(tǒng)遙感分類(lèi)技術(shù)不斷受到挑戰(zhàn)[16]，且傳統(tǒng)基于像元的分類(lèi)方法很難獲得滿意的分類(lèi)結(jié)果[8]。然而，面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法卻能夠充分地利用高空間分辨率影像中的顏色、形狀、光譜、紋理、幾何和結(jié)構(gòu)特征等信息進(jìn)行分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)土地利用信息的高精度提取。

基于此，本文在RS和GIS技術(shù)支持下，以2003年和2013年高分率遙感數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，應(yīng)用面向?qū)ο蠓椒ㄍ瓿商?yáng)島土地利用信息的定量提取，在定量分析土地利用變化的基礎(chǔ)上，探究其時(shí)空演變特征與演化規(guī)律，以期為太陽(yáng)島城市濕地資源的合理利用與開(kāi)發(fā)、城市生態(tài)環(huán)境的改善與治理、景區(qū)規(guī)劃和濕地保護(hù)等提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

太陽(yáng)島位于哈爾濱市松花江南北大堤之間(見(jiàn)圖1)，現(xiàn)隸屬于哈爾濱市松北行政區(qū)，而松北區(qū)是哈爾濱市新建立的行政區(qū)，它是經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)

在原松北開(kāi)發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的政區(qū)型開(kāi)發(fā)區(qū)[17]。太陽(yáng)島的地理坐標(biāo)為：E：126°34′21″～126°38′13″，N:45°46′32″N～45°48′65″。屬中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.3 ℃，年平均降水量為523.3 mm。其主要由江漫灘、濕地、崗丘等地貌構(gòu)成，地形自然平緩起伏，土壤類(lèi)型較為復(fù)雜，主要為沙土、草甸土和沼澤土等[17-19]。植被類(lèi)型主要為榆樹(shù)森林草原或森林草甸草原[5]，加之受不同地形變化、土壤類(lèi)型和水分狀況的分布，從而形成了不同的天然植被群落[5]。

圖1 太陽(yáng)島地理位置圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

在遙感影像軟件ENVI 5.1的支持下，完成太陽(yáng)島衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)QuickBird(2003年7月)和WorldView-2(2013年7月)的彩色合成、輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)和大氣校正等初步處理工作，基于哈爾濱市DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合野外調(diào)查收集樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用RPC物理模型完成影像的正射校正。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用研究區(qū)域矢量數(shù)據(jù)完成遙感影像的裁剪，從而獲得該區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用類(lèi)型

根據(jù)國(guó)家土地利用分類(lèi)系統(tǒng)和哈爾濱城市濕地類(lèi)型特點(diǎn)，并充分利用高空間分辨率影像中的顏色、形狀、光譜、紋理、幾何和結(jié)構(gòu)特征等信息，本文將研究區(qū)的土地利用劃分為6類(lèi)：建筑用地、林地、草地、濕地、水域和未利用地。

2.3 基于面向?qū)ο蠓椒ǚ诸?lèi)

利用FeatureExtraction模塊中的EBFE模型，根據(jù)式(1)、式(2)調(diào)整光譜異質(zhì)性、區(qū)域整體緊密度的對(duì)應(yīng)權(quán)重，使得影像分割效果滿足地類(lèi)要求且破碎度小。經(jīng)調(diào)整觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光譜異質(zhì)性(x)權(quán)重為0.7、邊界平滑度(υ)權(quán)重為0.5時(shí)的影像分割結(jié)果與地物實(shí)際異質(zhì)性接近，滿足解譯要求。在分割的結(jié)果上對(duì)影像對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)本文所擬定的6種地類(lèi)選取適當(dāng)?shù)姆诸?lèi)算法對(duì)影像進(jìn)行分類(lèi)，本次研究選用的算法為基于樣本的最鄰近算法[20]。

(1)

式中：x1為光譜異質(zhì)性，ω1為光譜異質(zhì)性對(duì)應(yīng)權(quán)重，0≤ω1≤1；x2表示形狀異質(zhì)性。其中x1、x2的計(jì)算方法采用

(2)

式中：σi為第i影像層光譜值的標(biāo)準(zhǔn)差，ζi為對(duì)應(yīng)權(quán)重；v為影響臨近區(qū)域整體緊密度，ω2為對(duì)應(yīng)權(quán)重，0≤ω2≤1；υ為邊界平滑度。

(3)

式中：C為影像區(qū)域?qū)嶋H的邊界長(zhǎng)度；n為影像區(qū)域的像元總數(shù)；L為包含影像區(qū)域范圍的矩形邊界總長(zhǎng)度[17]。

基于上述地類(lèi)分類(lèi)原理，利用由特征信息構(gòu)成的知識(shí)庫(kù)與具有代表性的地類(lèi)樣本，完成對(duì)知識(shí)庫(kù)的信息的填充，以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域地類(lèi)影像的初步分類(lèi)。在此基礎(chǔ)上對(duì)比原有影像圖對(duì)分類(lèi)有誤的地類(lèi)重新識(shí)別分類(lèi)。

2.4 技術(shù)流程

以2003—2013年為時(shí)間尺度，以高分辨遙感圖像為主要數(shù)據(jù)，借助于ENVI的FX模塊，利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄍ瓿蛇b感圖像的尺度分割和土地利用信息的定量提取，在分析太陽(yáng)島的土地利用信息變化情況的基礎(chǔ)上，探究其時(shí)空變換規(guī)律。具體的技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程路線圖

3 結(jié)果與分析

3.1 分類(lèi)精度驗(yàn)證

分類(lèi)精度是評(píng)價(jià)分類(lèi)方法可取之處的重要依據(jù)。利用遙感影像對(duì)地物進(jìn)行分類(lèi)與地物的實(shí)際情況存在差異，對(duì)于分類(lèi)的影像數(shù)據(jù)是否能夠滿足分類(lèi)的要求，本文在研究區(qū)域隨機(jī)選取了270個(gè)樣本，利用混淆矩陣計(jì)算各種地類(lèi)的生產(chǎn)者/使用者精度、總精度以及kappa系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，來(lái)計(jì)算其分類(lèi)精度，分析結(jié)果如表1、表2所示。

從精度分析表可以看出，兩期遙感影像的分類(lèi)總精度分別為85.92%和89.26%，kappa系數(shù)分別為83.02%和87.04%。雖然草地受濕地和林地影響在解譯時(shí)精度相對(duì)偏低，但各使用者精度均達(dá)到80%以上，據(jù)此可說(shuō)明遙感影像的地物分類(lèi)效果很好，滿足分類(lèi)精度要求。

表1 地物分類(lèi)混淆矩陣及精度分析表(2003年)

表2 地物分類(lèi)混淆矩陣及精度分析表(2013年)

3.2 面積變化分析

結(jié)合面向?qū)ο蠓治龇椒ê鸵巴鈱?shí)地調(diào)查，在ArcGIS的支持下，獲取2003年和2013年哈爾濱市太陽(yáng)島土地利用空間分布圖(圖3)，基于ArcGIS空間分析與統(tǒng)計(jì)功能，通過(guò)對(duì)兩個(gè)時(shí)相研究區(qū)域土地利用信息的定量分析，獲取其屬性特征(表3)。為了更直觀地反映10 a間該區(qū)域土地類(lèi)型組成所占面積比例發(fā)生的變化，本文采用餅狀圖來(lái)表示 2003年和2013年間研究區(qū)域土地利用類(lèi)型組成(圖4(a、b))。

圖3 研究區(qū)域2003年、2013年土地利用信息提取

2003年面積/hm2百分比(%)建筑用地150.212.38林地145.812.02水域459.3537.87草地168.0513.86濕地208.7117.21未利用地80.766.66總和1212.871002013年面積/hm2百分比(%)110.739.1391.057.51665.7754.8974.76.1657.244.72213.3817.591212.87100變化量/hm2年變化率(%)-39.47-2.63-54.75-3.76206.424.49-93.35-5.55-151.47-7.26132.6216.420

圖4 研究區(qū)域2003年、2013年土地利用類(lèi)型構(gòu)成

由表3可知，研究區(qū)域水域面積占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，其面積比例為37.87%和54.89%，呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，由于太陽(yáng)島地處松花江江心，在大頂子山水庫(kù)竣工蓄水后，水位雍高，哈爾濱段的江水位將常年保持在116 m，比原來(lái)提高四五米，江道水面大大增加的同時(shí)，致使部分區(qū)域的其他地類(lèi)被淹沒(méi)，水域面積擴(kuò)張，從2003到2013年，面積增加了206.42 hm2。2003年濕地占據(jù)較大的面積比例，為17.21%，2013年未利用地占據(jù)一定的面積比例，達(dá)到17.59%，且該地理10 a間面積增加了132.62 hm2，年變化率最大，為16.42%。此外，研究區(qū)域的建筑用地、林地、草地和濕地的面積減少，濕地面積減少的最多，為151.47 hm2，年減少率最大，為7.26%，濕地面積的減少除了受大頂子山水庫(kù)竣工影響外，還與松花江水質(zhì)及哈爾濱市及其上游城市工業(yè)化發(fā)展息息相關(guān)。此外，隨著哈爾濱市人口增長(zhǎng)，松花江流域農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)不斷向低河漫灘濕地逼近，城市和工業(yè)用水進(jìn)一步減少了濕地的水源供應(yīng)[18]，在一定程度上也導(dǎo)致濕地喪失和退化。其次是草地，減少面積為93.35 hm2，建筑用地減少的面積最少，為39.47 hm2，很大程度上源于2003年市政府推行的生態(tài)移民工程?？傊?，10 a間研究區(qū)域水域和未利用地的面積增加，而其他地類(lèi)面積減少。

3.3 空間變換分析

為更好地反映土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，基于ArcGIS空間分析支持下，完成兩期土地利用信息的空間疊加對(duì)比分析，在統(tǒng)計(jì)土地利用變化情況基礎(chǔ)上，計(jì)算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，進(jìn)而探究各地類(lèi)之間的空間轉(zhuǎn)換特征。

由表4可知：(1)濕地轉(zhuǎn)換水域的面積最大，為169.35 hm2，主要源于松花江下游大頂子山水庫(kù)蓄水，前水位壅高，松花江水位抬升，庫(kù)區(qū)水面增大，致使水域面積增加的同時(shí)，造成大量的濕地被水淹沒(méi)，濕地面積萎縮，原有濕地大量消失，最終將導(dǎo)致生物多樣性減少，不但影響濕地作為“地球之腎”的功能，也影響景觀可視性和旅游活動(dòng)的開(kāi)展[20]。(2)草地轉(zhuǎn)為未利用地的面積為91.73 hm2，林地轉(zhuǎn)換未利用地的面積達(dá)到37.68 hm2，該兩種地類(lèi)的轉(zhuǎn)換，主要源于當(dāng)時(shí)風(fēng)景區(qū)管理尚不完善，一些村民為了追求更多的經(jīng)濟(jì)利益，在風(fēng)景區(qū)用地內(nèi)開(kāi)荒種田，放牧養(yǎng)殖[21]，致使部分區(qū)域的林地和草地被破壞，加之松北區(qū)的部分居民的過(guò)度放牧[21]，導(dǎo)致部分區(qū)域地被植物消失，植被覆蓋面積減少、使得地表裸露程度加大，局部區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生了一定變化，出現(xiàn)了土地沙化、水土流失嚴(yán)重、旱澇災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題[22]，區(qū)域未利用地面積增加，因此，今后要加大推行“退耕還林、還草”等生態(tài)工程，加大破壞林地和植被的懲罰力度，防止造成新的人為水土流失[5]。與此同時(shí),當(dāng)?shù)卣畱?yīng)該加大植被的更新、恢復(fù)及保護(hù)措施等的資金投入。(3)建筑用地轉(zhuǎn)換為未利用地的面積達(dá)到了25.2 hm2，很大程度地源于濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)的居民住宅的生態(tài)搬遷，要加大對(duì)該區(qū)域的還草、還林和還濕等生態(tài)恢復(fù)措施，同時(shí)要結(jié)合現(xiàn)狀規(guī)劃，制定措施恢復(fù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，最大程度地減輕原來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾程度，進(jìn)而借助于生態(tài)恢復(fù)和重建,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

表4 2003年到2013年太陽(yáng)島土地利用/覆蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié) 論

基于RS和GIS支持下，以太陽(yáng)島作為研究對(duì)象，利用面向?qū)ο蠓椒ǚ治霁@取地類(lèi)利用信息。并對(duì)2003—2013年間城市濕地變化進(jìn)行了定量分析，以期為該研究區(qū)域土地利用規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。結(jié)果表明：

10 a間水域和未利用地面積增加，水域增加最大，為206.42 hm2，其他地類(lèi)面積減少，濕地減少最多；濕地向水域的轉(zhuǎn)變量最大，為169.35 hm2，建筑用地、林地、草地以及未利用地之間存在不同程度的轉(zhuǎn)變，草地轉(zhuǎn)換為未利用地的面積次之，為91.73 hm2，水域的保留量最大，為459.35 hm2；濕地、林地和草地等生態(tài)安全保障性地類(lèi)面積減少，而生態(tài)安全脆弱地類(lèi)(未利用地)面積增加，表明太陽(yáng)島區(qū)域內(nèi)局部區(qū)域的生態(tài)功能下降，生態(tài)安全程度降低，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域惡化。

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Land use information extraction based on object-oriented classification method in SunIsland of Harbin City

GONG Wenfeng,LIU Fangping,WANG Xiaofeng,LIU Tao, CHEN Yuexin,WU Juan,WANG Xinxin, KONG Da

(CollegeofHydraulicandElectricalEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150086,China)

Taking Sun island in Harbin as study area, QuickBird images (2003) and WorldView-2 images (2013) as data sources, based on the object-oriented approach with the help of RS and GIS, the land use remote sensing information were studied. Then, analyzed the findings, features and drives of the land use/cover changes in 2003 and 2013, providing a rational-using of land and environment protect theoretical basis in the region. What was the result as following shows: Areas of territorial water and unused land were increased, and the water area in study area was the largest, increased with 206.42 hm2. But apart from these were decreased, the area of wetland decreased largest. There are reciprocal transformation relationships between types land with varying degrees of change, in which areas of wetland changes to water land with 169.35 hm2were the largest, and then , 91.73 hm2, was the grassland changes to the unused land. The maximum of reserved was the territorial water with 459.35 hm2. What result of which lead to the bad was that the ecological function of Sun Island declined and the degree of ecological security reduced.

Sun Island; object-oriented method; GIS; RS; LUCC

黑龍江省自然基金(D201410)；黑龍江省教育廳科研項(xiàng)目(1253153)

龔文峰(1976-),男,教授,主要從事RS和GIS在資源監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用的研究工作。

F301.24

A

2096-0506(2016)10-0028-07