土地利用覆蓋變化混合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究_地理論文

1、土地利用/覆蓋變化混合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究_地理論文    文章摘要：                         摘要：針對(duì)當(dāng)前土地利用/覆蓋變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中常用的分類(lèi)后比較法中存在的誤差累積，夸大變化程度的缺陷，提出了把變化矢量分析和分類(lèi)后比較法相結(jié)合進(jìn)行混合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的新方法。從北京市海淀區(qū)的實(shí)例研究來(lái)看，盡管該方法

2、對(duì)單景圖像分類(lèi)精度提高不明顯，卻可以大大降低常規(guī)分類(lèi)后比較法中誤差累積的程度，改善了常規(guī)分類(lèi)后比較方法中誤差累積、出現(xiàn)不合理變化類(lèi)型的缺陷，從而得到較為準(zhǔn)確的土地利用/覆蓋變化定量信息。關(guān)鍵詞：變化矢量分析；分類(lèi)后比較；土地利用/覆蓋變化；北京；海淀中圖分類(lèi)號(hào)：F301.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10003037(2001)030255081 前言當(dāng)前，基于衛(wèi)星遙感的土地利用/覆蓋變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法基本上可以分為光譜直接比較法和分類(lèi)后比較法兩大類(lèi)，二者各有所長(zhǎng)。光譜直接比較法對(duì)變化比較敏感，可以避免分類(lèi)過(guò)程所導(dǎo)致的誤差。但需要進(jìn)行嚴(yán)格的輻射標(biāo)準(zhǔn)化，排除大氣狀況、太陽(yáng)高度角、土壤濕度、物候等“噪聲

3、”因素對(duì)圖像光譜的影響，由于目前對(duì)各種干擾（尤其是物候）導(dǎo)致的輻射差異的校正方法仍不成熟，因此，只能通過(guò)選擇同一傳感器、同一季相的數(shù)據(jù)來(lái)盡可能減小“噪聲”。這種對(duì)數(shù)據(jù)和預(yù)處理的過(guò)高要求極大地限制了光譜直接比較法的廣泛使用。同時(shí)光譜直接比較法只注重變化象元的提取，而不能提供各時(shí)期土地利用/覆蓋類(lèi)型信息。與之相對(duì)照，分類(lèi)后比較法對(duì)輻射糾正要求相對(duì)較低，適用于不同傳感器、不同季相的數(shù)據(jù)的比較，同時(shí)該方法不僅可以提供變化信息，而且還能夠給出各時(shí)期的土地利用/覆蓋類(lèi)型信息。但由于不同時(shí)期的分類(lèi)結(jié)果誤差的累積，最終對(duì)土地利用/覆蓋變化信息的判別精度較低1，2。因此，在目前的土地利用/覆蓋變化遙感監(jiān)測(cè)研究中

4、，結(jié)合光譜直接比較和分類(lèi)后比較的混合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法逐漸受到重視，并有了一些成功的案例研究。Jenson 通過(guò)對(duì)濕地變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究表明：先利用光譜直接比較探測(cè)變化區(qū)，再進(jìn)行圖像分類(lèi)確定變化類(lèi)型的混合法是一種非常有效的變化檢測(cè)方法3；Macleod 和 Congalton 的工作也表明以差值法為基礎(chǔ)的混合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法優(yōu)于傳統(tǒng)分類(lèi)后比較法4。已有的研究表明混合法成功的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確合理的提取變化象元，變化象元的確定直接決定了最終的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)精度2。但現(xiàn)有的研究一般以單波段的差值或比值的比較結(jié)果劃分變化和非變化象元，往往忽略不同地物在不同波段敏感性存在差異的特點(diǎn)，此外，在變化和非變化象元的劃分時(shí)多使用經(jīng)驗(yàn)

5、判定的方法，缺乏一套成熟有效的變化閾值確定方法。鑒于以上混合法的問(wèn)題，本文提出了把變化矢量分析和分類(lèi)后比較法相結(jié)合進(jìn)行土地利用/覆蓋變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的新方法。變化矢量分析法是一種非常有效的光譜直接比較法5，它可以利用較多甚至全部的波段來(lái)探測(cè)變化象元，以避免單一波段比較所帶來(lái)的信息不完整性。此外針對(duì)變化閾值的確定問(wèn)題，我們提出了雙窗口變步長(zhǎng)閾值搜尋的方法。它可以較為準(zhǔn)確地確定變化象元閾值，劃分變化和非變化象元6。本文重點(diǎn)介紹應(yīng)用以上新方法對(duì)北京市海淀區(qū)土地利用/覆蓋變化監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)本工作的研究區(qū)是位于北京市西北部的海淀區(qū)。該區(qū)人口 124.9 萬(wàn)，面積 426km2，地勢(shì)西高東低

6、，平均海拔 50m 左右的平原占全區(qū)面積的 3/4，是首都北京的科研文化中心和重要的蔬菜副食品生產(chǎn)基地，也是全國(guó)有名的高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū) 7。使用的數(shù)據(jù)是季相一致的，質(zhì)量較好，無(wú)云，完全覆蓋研究區(qū)的編號(hào)為 123/32 的兩期 Landsat TM數(shù)據(jù) (19910506，19970516)。3 方法基本思路是首先利用變化矢量分析和雙窗口變步長(zhǎng)閾值搜尋方法提取從 1991 到 1997 年的變化象元，然后對(duì)變化象元進(jìn)行分類(lèi)和比較研究。主要包括遙感圖像預(yù)處理、單景圖像分類(lèi)、變化象元提取和分類(lèi)、動(dòng)態(tài)信息提取 4 個(gè)步驟，依據(jù)圖 1 所示的流程進(jìn)行。圖 1 變化矢量分析和分類(lèi)后比較法相結(jié)合的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)流程

7、圖 Fig.1 Flow chart of the combination of Change Vector Analysis and Post-classification3.1 遙感圖像的預(yù)處理遙感圖像的預(yù)處理主要包括幾何校正、相對(duì)輻射校正和研究區(qū)提取 3 個(gè)步驟。首先以 15 萬(wàn)的地形圖為基準(zhǔn)，在圖像指北旋轉(zhuǎn)后，利用二次多項(xiàng)式和雙線形內(nèi)插法對(duì) 1991 年的 TM 圖像進(jìn)行了圖像到地圖的幾何校正，經(jīng)重新選點(diǎn)檢驗(yàn)，誤差在一個(gè)象元內(nèi)，接著以校正好的 1991 年圖像為基礎(chǔ)，對(duì) 1997 年圖像進(jìn)行了圖像到圖像的配準(zhǔn)處理，經(jīng)檢驗(yàn)二者的 RMS 誤差小于 0.5 個(gè)象元。然后應(yīng)用 SCR(Sca

8、ttergram Controlled Regression) 方法，以一次線性回歸 Yk=akXkbk 的形式對(duì)兩期的遙感影像進(jìn)行簡(jiǎn)易標(biāo)準(zhǔn)化8，最后在糾正好的遙感影像上提取出研究區(qū)。3.2 1991年圖像分類(lèi)參照 Anderson J R 的分類(lèi)體系9，在 1991 年圖像非監(jiān)督分類(lèi)、相關(guān)輔助資料和野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，將該區(qū)的土地利用類(lèi)型劃分為：高密度城市用地、中低密度城市用地、水域、稻田、菜地、水澆地、園地、灌草地、林地，共九大類(lèi)。然后利用采用基于光譜特征的最大似然監(jiān)督分類(lèi)法和利用象元空間相關(guān)性的概率松弛法相結(jié)合的結(jié)構(gòu)分類(lèi)器進(jìn)行了土地利用/覆蓋分類(lèi)10、11，從而得到了 1991 年的土地利

9、用/覆蓋分類(lèi)圖（圖 3a）。3.3 1997年變化象元提取和分類(lèi)作為光譜比較的變化矢量分析主要是建立在對(duì)變化矢量強(qiáng)度的計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行的 12。為了克服常用混合中以單一波段為基礎(chǔ)提取變化象元而忽略不同波段對(duì)不同地物敏感性不同的缺陷，我們首先選用了 1991 年和 1997 年 TM 圖像的所有波段（第 6 波段除外）進(jìn)行變化矢量分析，得到了變化強(qiáng)度圖（圖 2）。圖 2 矢量變化強(qiáng)度分析Fig.2 Change magnitude from Change Vector Analysis method在變化強(qiáng)度圖計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用雙窗口變步長(zhǎng)閾值搜尋算法進(jìn)行變化和非變化象元的劃分。其基本思路是通過(guò)對(duì)

10、經(jīng)過(guò)幾何糾正等預(yù)處理的兩個(gè)時(shí)相的圖像進(jìn)行比較，同時(shí)參照地面輔助圖件，首先在 1997 年圖像上選擇若干包含不同變化類(lèi)型的典型變化區(qū)為訓(xùn)練樣區(qū)，然后在變化強(qiáng)度范圍內(nèi)進(jìn)行變步長(zhǎng)變化強(qiáng)度閾值搜尋，當(dāng)確定某一變化強(qiáng)度閾值，使訓(xùn)練樣區(qū)內(nèi)的變化檢測(cè)精度達(dá)到最大時(shí)，則認(rèn)為該閾值可以使整景圖像的變化檢測(cè)精度達(dá)到最大，該算法具體內(nèi)容見(jiàn)文獻(xiàn) 6。經(jīng)過(guò)對(duì)海淀區(qū) 1991 到 1997 年變化強(qiáng)度圖的搜尋，最終確定變化象元的閾值強(qiáng)度為 38.9，并據(jù)此提取了海淀區(qū) 1997 年圖像上的變化象元。在得到了 1997 年變化象元之后，采用與 1991 年同樣的分類(lèi)體系和分類(lèi)器，對(duì)變化象元進(jìn)行了分類(lèi)（圖 3b）。然后，根據(jù)

11、地圖代數(shù)的原理，把 1997 年變化象元分類(lèi)結(jié)果圖與 1991 年分類(lèi)圖疊加，從而得到了 1997 年土地利用/覆蓋分類(lèi)圖（圖 3c）。圖 3 基于光譜比較和分類(lèi)比較的海淀區(qū)土地利用/覆蓋變化監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Land use/cover change in Haidian District from 1991 to 1997based on spectral and classification comparison 3.4 土地利用/覆蓋變化信息提取根據(jù)地圖代數(shù)原理，對(duì) 1991、1997 年兩期土地利用/覆蓋分類(lèi)圖，采用 (1) 式的地圖代數(shù)方法10，Cij=Aijk×10A

12、ijk1( 土地利用類(lèi)型 10 時(shí)適用 ) (1）式中，Aijk、Aijk1 和 Cij 分別代表 k 和 k1 時(shí)期 i 行 j 列的象元及疊加后得到的象元，可以求得反映土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化定量關(guān)系的轉(zhuǎn)移矩陣（表 1）。表 1 基于混合法的海淀區(qū) 19911997 年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)換矩陣Table 1 The land use/cover change matrix from 1997 to 1997 in Haidian District based on Hybrid change detection19911997高密度城鎮(zhèn)用地中低密度城鎮(zhèn)用水域水田菜地水澆地園地灌草地林地合計(jì)（占有

13、率 %）高密度城鎮(zhèn)用地14.5490.3240.0290.0000.0190.0100.0300.0050.00014.964B97.2212.1650.1920.0000.1260.0660.1980.0300.000(3.484)C70.8800.2670.0730.0000.0490.0460.0310.0210.000中低密度城鎮(zhèn)用地5.327111.2241.9420.3522.3590.2101.7560.3280.008123.505B4.31390.0561.5730.2851.9100.1701.4220.2650.007(28.758)C25.95491.7024.8901

14、.2506.0580.9671.8041.5570.020水域0.0321.41025.6221.9881.1301.7531.5350.2720.00433.746B0.0934.17975.9255.8913.3505.1954.5500.8050.011(7.858)C0.1531.16364.5107.0622.9038.0861.5781.2920.009水田0.0050.7773.49117.6891.5713.4071.6660.1280.00028.733B0.0162.70312.15061.5635.46911.8565.7980.4450.000(6.690)C0.022

15、0.6408.79062.8324.03615.7111.7120.6070.000菜地0.2203.6750.8060.37530.9180.3652.2870.0750.00138.722B0.5679.4902.0830.96979.8460.9445.9060.1930.002(9.016)C1.0703.0302.0301.33379.4051.6852.3500.3550.002水澆地0.0521.4553.8955.8021.60014.5623.1720.2130.17630.928B0.1694.70612.59518.7615.17447.08410.2550.6900.5

16、67(7.201)C0.2541.2009.80720.6114.11067.1623.2591.0140.430園地0.3382.2843.8301.8971.3171.36986.6481.0841.11299.877B0.3382.2873.8341.9001.3181.37186.7551.0851.113(23.256)C1.6441.8839.6426.7393.3826.31489.0445.1502.724灌草地0.0050.1260.1000.0490.0150.0050.18818.9363.94523.369B0.0190.5390.4270.2080.0650.0230

17、.80581.03216.880(5.441)C0.0220.1040.2050.1730.0390.0250.19389.9959.666林地0.0000.0130.0030.0000.0070.0010.0280.00235.56735.620B0.0000.0350.0080.0000.0200.0030.0780.00599.851(8.294)C0.0000.0100.0070.0000.0180.0040.0290.00987.150合計(jì)20.525121.28839.71828.15238.93721.68297.30921.04140.811429.463占有率 (%)4.77

18、928.2429.2486.5559.0665.04922.6584.8999.503100.00變化率 (%)37.162-1.79617.695-2.0200.556-29.895-2.571-9.96014.574年變化率 (%)6.194-0.32.949-0.340.093-4.98-0.43-1.662.429注：在表中，行表示的是 k 時(shí)期的 i 種土地利用/覆蓋類(lèi)型，列則表示 k+1 時(shí)期的 j 種土地利用/覆蓋類(lèi)型；黑字部分表示的是 k 時(shí)期的土地利用/覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)?k+1 時(shí)期各種類(lèi)型的面積（單位：km2）。B 表示 k 時(shí) i 種土地利用/覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)?k+1 時(shí)期

19、j 種土地利用/覆蓋類(lèi)型的比例；C 表示 k+1 時(shí)期的 j 種土地利用中由 k 時(shí)期的 i 種土地利用/覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)化而來(lái)的比例。行、列的合計(jì)分別表示 k 時(shí)期和 k+1 時(shí)期各種土地利用/覆蓋類(lèi)型的面積（單位：km2）及其占總土地面積的比例。變化率表示 k+1 時(shí)期各種土地利用類(lèi)型/覆蓋相對(duì) k 時(shí)期的變化程度。年變化率表示各種土地利用/覆蓋類(lèi)型的年均變化程度。4 精度檢驗(yàn)和比較為了比較本文方法與常規(guī)分類(lèi)后比較法的差別，我們對(duì) 1997 年的遙感圖像采用與 1991 年同樣的分類(lèi)體系和分類(lèi)器進(jìn)行了整景圖像分類(lèi)（圖 3d），并仍然采用如式 (1) 的地圖代數(shù)法計(jì)算了轉(zhuǎn)移矩陣（表 2）。通過(guò)對(duì)比

20、混合法和分類(lèi)后比較法得到的結(jié)果（圖 3c,d; 表 1,2），我們發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)基本特點(diǎn)：表 2 基于分類(lèi)后比較的海淀區(qū) 19911997 年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)換矩陣Table 2 The land use/cover change matrix from 1997 to 1997 in Haidian District based onPost-classification change detection method19911997高密度城鎮(zhèn)用地中低密度城鎮(zhèn)用水域水田菜地水澆地園地灌草地林地合計(jì)（占有率 %）高密度城鎮(zhèn)用地10.6324.0750.2030.0000.0250.0090.01

21、40.0060.00014.964B71.04727.2331.3590.0000.1680.0600.0900.0420.000(3.484)C23.6414.0520.4490.0000.0550.0430.0170.0360.000中低密度城鎮(zhèn)用地31.99172.8314.4860.4478.2920.7973.5101.1370.014123.505B25.90358.9703.6320.3626.7140.6462.8420.9200.012(28.758)C71.13672.4109.9121.60418.2613.7864.3506.4800.029水域0.3221.97319

22、.3695.6361.0802.3441.8751.1390.00933.746B0.9555.84657.39516.7003.2006.9455.5553.3760.027(7.858)C0.7161.96142.80020.2062.37811.1292.3246.4950.018水田0.0250.7728.25313.8330.5513.6211.4740.2030.00028.733B0.0882.68828.72448.1441.91712.6015.1310.7080.000(6.690)C0.0560.76818.23749.5951.21317.1931.8271.1600.

23、000菜地0.64511.5701.1190.34520.5210.6193.8400.0620.00038.722B1.66729.8812.8890.89052.9961.5999.9180.1600.000(9.016)C1.43511.5042.4721.23645.1932.9404.7600.3540.000水澆地0.0722.5744.7175.4862.3679.8025.3300.3950.18530.928B0.2338.32315.25117.7377.65331.69317.2331.2770.599(7.201)C0.1602.55910.42319.6675.213

24、46.5456.6062.2520.378園地1.2366.5146.6282.07812.5283.81160.3323.2603.49099.877B1.2376.5226.6362.08112.5433.81560.4073.2643.495(23.256)C2.7486.47714.6457.45127.59018.09574.77818.5837.112灌草地0.0470.2590.4520.0680.0380.0213.2839.7979.40423.369B0.2001.1091.9330.2890.1620.08914.05041.92640.243(5.441)C0.1040

25、.2580.9980.2420.0830.0984.06955.85119.164林地0.0020.0130.0290.0000.0060.0361.0241.54232.96935.620B0.0050.0350.0810.0000.0180.1012.8754.32892.556(8.294)C0.0040.0130.0640.0000.0140.1711.2698.78967.185合計(jì)44.972100.58145.25527.89245.40821.05980.68217.54246.072429.463占有率 (%)10.47223.42010.5386.49510.5734.90

26、418.7874.08510.728100變化率 (%)200.529-18.56134.102-2.92617.267-31.908-19.218-24.93429.342年變化率 (%)33.422-3.0945.684-0.4882.878-5.318-3.203-4.1564.890注：在表中，行表示的是 k 時(shí)期的 i 種土地利用/覆蓋類(lèi)型，列則表示 k+1 時(shí)期的 j 種土地利用/覆蓋類(lèi)型；黑字部分表示的是 k 時(shí)期的土地利用/覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)?k+1 時(shí)期各種類(lèi)型的面積（單位：km2）。B 表示 k 時(shí) i 種土地利用/覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)?k+1 時(shí)期 j 種土地利用/覆蓋類(lèi)型的比例；

27、C 表示 k+1 時(shí)期的 j 種土地利用中由 k 時(shí)期的 i 種土地利用/覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)化而來(lái)的比例。行、列的合計(jì)分別表示 k 時(shí)期和 k+1 時(shí)期各種土地利用/覆蓋類(lèi)型的面積（單位：km2）及其占總土地面積的比例。變化率表示 k+1 時(shí)期各種土地利用類(lèi)型/覆蓋相對(duì) k 時(shí)期的變化程度。年變化率表示各種土地利用/覆蓋類(lèi)型的年均變化程度。(1) 分類(lèi)后比較顯示的土地利用/覆蓋變化強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)混合法得到的結(jié)果。例如，分類(lèi)后比較中，高密度城鎮(zhèn)用地、菜地、林地的年增加率達(dá)到了 33.42%、2.88% 和 4.89%，園地的年減少率達(dá)到了 3.20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混合法得到的 6.19%、0.09%、2.43

28、% 和 0.43% 的結(jié)果。(2) 兩種方法得到的結(jié)果中都不可避免地出現(xiàn)了許多不合理轉(zhuǎn)化類(lèi)型，但分類(lèi)后比較中不合理轉(zhuǎn)化類(lèi)型的面積和比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混合法得到的結(jié)果。例如，分類(lèi)后比較中高密度城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)化為水域，中低密度城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)化為水域的面積分別為 0.20km2 和 4.48km2，所占比例分別達(dá)到 1.36% 和 3.63%；而混合法中兩種轉(zhuǎn)化類(lèi)型的面積只有 0.03km2 和 1.94km2，所占比例分別是 0.19% 和 1.57%。為了定量比較兩種結(jié)果的差異，在輔助資料和野外資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)隨機(jī)選取若干樣本區(qū)，計(jì)算分類(lèi)混淆矩陣和 Kappa 系數(shù)的方法，對(duì)得到的土地利用/覆蓋分類(lèi)圖（圖

29、3a，c，d）進(jìn)行精度檢驗(yàn)，其 Kappa 系數(shù)分別是 0.85、0.82 和 0.85（表 3）。這表明單景圖像的結(jié)果均比較理想13，但混合法比直接分類(lèi)法精度有所提高。表 3 土地利用/覆蓋變化分類(lèi)精度評(píng)價(jià)Table 3 The error matrix of land use/cover classification and accuracy assessment高密度城鎮(zhèn)用地中低密度城鎮(zhèn)用地水域稻田菜地水澆地園地灌草地林地總和高密度城鎮(zhèn)用地 A201520008000261B356690000000425C208370000000245中低密度城鎮(zhèn)用地 A2050600403200059

30、8B315944086207100806C05086077163900646水域 A002463400000280B00342000000342C00352000000352稻田 A00018900000189B0031168090000289C0029158189200279菜地 A0280017001000208B043002920000335C0640038401700465水澆地 A000002712600297B00100272900282C002002711900282園地 A0000330180022235B00000027500275C00400048100485灌草地 A00000012482251B0000001012825163C000004015910173林地 A00000005135140B0000001012825163C00000000294294總和 A2215862462232433112172531592459B3877063781683783823651483193231C2086093931584623805581593043231總精度 A87%B84%C87%Kappa 系數(shù) A0.85B0.82C0.85注：A 表示 1991 年數(shù)據(jù)；B 表示 1997 年直接分類(lèi)結(jié)果；C 表示 1997 年混合法結(jié)果。為了進(jìn)一步比較兩種方法在