黃河上游龍羊峽水庫庫區(qū)土地利用土地覆蓋變化的遙感監(jiān)測

黃河上游龍羊峽水庫庫區(qū)土地利用土地覆蓋變化的遙感監(jiān)測

土地使用和屋頂變化（luc）是全球環(huán)境變化研究的主要領(lǐng)域。近年來,土地利用/覆被變化(LUCC)在中長時(shí)間尺度上取得了巨大的成果,短時(shí)間尺度上進(jìn)行積極探索和研究[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]。由于多分辨率圖象的使用日益增多,傳統(tǒng)分類方法(最大似然法監(jiān)督分類或ISODATA非監(jiān)督分類)在對(duì)多分辨率圖象分類中受到限制。現(xiàn)在單純以監(jiān)督分類法或非監(jiān)督分類法對(duì)影象單元進(jìn)行識(shí)別與劃分已不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用要求,不適于現(xiàn)代科學(xué)研究依賴于高精度數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢,因此,在對(duì)高精度遙感分類數(shù)據(jù)獲取的理論與方法也在不斷的更新與發(fā)展,逐漸出現(xiàn)較為成熟的應(yīng)用化的模式識(shí)別技術(shù),在算法上以知識(shí)庫為基礎(chǔ)的多種復(fù)合分類方法相繼產(chǎn)生并迅速發(fā)展。1過渡性生物氣候亞帶共和盆地地處青藏高原東北部,中間被黃河自西南向東北切割成一個(gè)外泄盆地。盆地內(nèi)的龍羊峽庫區(qū)介于101°00′～101°31′E,36°00′～36°27′N,總面積11496.5km2(圖1)。庫區(qū)海拔2400～3600m,屬高原溫帶內(nèi)半干旱干草原和干旱荒漠草原的過渡性生物氣候亞帶。土壤以栗鈣土、棕鈣土、風(fēng)沙土為主。整個(gè)庫區(qū)除周邊山地和下切河谷外較平坦,略具波狀起伏。區(qū)內(nèi)長期以來始終保持流動(dòng)、半流動(dòng)、半固定、固定沙丘和大小草地并存的草原型沙漠(或沙地)的基本性質(zhì),從而在水平方向上構(gòu)成風(fēng)成砂與黃土,砂質(zhì)畝土壤與粉砂質(zhì)古土壤,以及黃土、風(fēng)成砂與河湖相沉積的逐步過渡關(guān)系;在垂直方向上構(gòu)成風(fēng)成砂、黃土、古土壤(或剝蝕面、河湖相物質(zhì))互為間層的沉積系列,并在西北部、東南部和山麓邊緣分別形成以風(fēng)蝕、流沙堆積和黃土堆積為主的三個(gè)區(qū)域分異。地表植被覆蓋低,生態(tài)環(huán)境脆弱。前人曾對(duì)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及成因進(jìn)行了全面分析研究,具有一定的研究基礎(chǔ),為我們的工作提供了部分可對(duì)比資料。目前,遙感技術(shù)在資源管理、環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域已有廣泛深入應(yīng)用,特別是對(duì)自然條件嚴(yán)酷、人跡罕至區(qū)域開展大規(guī)模研究有特殊意義。2土地使用和土壤覆蓋類型的系統(tǒng)分類通過野外考察,總結(jié)已有研究成果,建立研究區(qū)土地利用及土地覆被類型系統(tǒng)(圖2)。3土地利用/土地覆被變化以1987年Landsat5的133/35和132/35兩景TM圖象和1999年Landsat7的133/35和132/35兩景ETM+圖象做為土地利用/土地覆被變化(LUCC)的主要數(shù)據(jù)。3.1區(qū)域管理信號(hào)系統(tǒng)的確定遙感圖象幾何精糾正是實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的主要環(huán)節(jié),直接影響分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)多次試驗(yàn),本區(qū)域圖象像糾正變換關(guān)系采用二次曲線擬合法結(jié)果較理想;選擇高斯-克呂格投影系統(tǒng),采用最近鄰法重采樣(重采樣后分辨率30m)。控制點(diǎn)選在道路變化明顯處、河流交匯處和道路河流交叉處效果較好,數(shù)量不得少于15個(gè)點(diǎn)。糾正后圖象經(jīng)RMS檢驗(yàn),誤差低于半個(gè)像元(0.2個(gè)像元),完全滿足分類要求。3.2etm+數(shù)據(jù)分析兩期數(shù)據(jù)源于Landsat5和Landsat7的TM和ETM+,TM數(shù)據(jù)有7個(gè)波段,ETM+數(shù)據(jù)有9個(gè)波段,信息量豐富、混雜。圖象每一波段對(duì)地物有不同貢獻(xiàn),選擇參與分類波段是有效提取地物信息關(guān)鍵,對(duì)研究區(qū)TM數(shù)據(jù)(除6波段)和ETM+多光譜數(shù)據(jù)做主成分分析(表1,表2)。ETM+有9個(gè)波段,其中對(duì)熱波段B61和B62數(shù)據(jù)在本項(xiàng)研究中未予考慮,B80波段是一分辨率為15×15m的全色數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)分析與處理中作用特殊;對(duì)其余ETM+各多光譜波段數(shù)據(jù)主成分分析。分析表明,3,4,5波段對(duì)累積貢獻(xiàn)率大于95%的PC1,PC2,PC3三個(gè)主分的權(quán)值較大,在各波段亮度范圍、信息離散度和相關(guān)性分析基礎(chǔ)上,結(jié)合主成分分析,我們選擇3,4,5三個(gè)波段作為最大似然法監(jiān)督分類的特征波段,以此有效減小分類波段的冗余信息,降低分類波段維數(shù)。為獲得高質(zhì)量監(jiān)督分類訓(xùn)練樣本,對(duì)這三個(gè)波段進(jìn)行拉伸、彩色處理、圖象去霾處理等,最終以543-RGB假彩色圖象作為選取訓(xùn)練樣本的背景圖象。對(duì)ETM+的543-RGB多光譜數(shù)據(jù)與其Pan波段進(jìn)行分辨率融合,可有效提高多光譜數(shù)據(jù)分辨率、選取訓(xùn)練樣本,提高分類精度。3.3訓(xùn)練樣本區(qū)期經(jīng)過1987和1999兩期遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和增強(qiáng)處理后,在1987景543RGB影象上選取訓(xùn)練樣本區(qū),在1999景用543和Pan波段融合的影象上選擇訓(xùn)練樣本區(qū),利用最大似然法監(jiān)督分類方法對(duì)研究區(qū)一級(jí)類型耕地、水體、未利用土地類型中的二級(jí)類型沼澤地和裸巖等類型可獲得較好結(jié)果,而對(duì)草地類型信息提取結(jié)果不太理想,對(duì)其另作分類,方法詳述于后。對(duì)沙地單獨(dú)進(jìn)行專題信息提取,通過主成分分析,利用主成分第二分量可有效提取。4f—多尺度空間分層聚類算法部分的監(jiān)督分類法對(duì)草地信息的提取本區(qū)草地面積較大,草地覆蓋類型多樣化、較復(fù)雜,根據(jù)野外實(shí)際考察和前人在本區(qū)的研究結(jié)果,對(duì)區(qū)內(nèi)草地類型劃分較為詳細(xì),劃分11級(jí)三級(jí)類型。為提高分類精度,對(duì)本區(qū)草地信息提取設(shè)計(jì)了基于非監(jiān)督分類算法的地理知識(shí)參與的部分監(jiān)督分類法(圖3)設(shè)數(shù)據(jù)樣本空間的樣本為x=(x1,x2,x3,...,xn),樣本點(diǎn)xi在空間尺度變化后趨向的平衡點(diǎn)為y。根據(jù)熱力學(xué)原理,設(shè)e(x)表示系統(tǒng)中在微觀狀態(tài)x下的內(nèi)部能量,對(duì)于給定溫度T,若系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)e(x)應(yīng)服從Boltzmann分布,分布函數(shù)P(x)為:P(x)=e-e(x)/KT/Z,其中Z=∑xe-e(x)/KT,K為Boltzmann常數(shù)。設(shè)聚類系統(tǒng)內(nèi)部能量函數(shù)e(x)=(x-y)2,相當(dāng)于距離的平方,其幾何意義是樣本空間中各點(diǎn)分布受力均勻條件下點(diǎn)之間距離的平方。P(x)為分布函數(shù),表示某樣本x對(duì)y的貢獻(xiàn)值,在一定的尺度1/β中,總能量∑xp(x)e(x)保持不變,為使樣本空間中的各點(diǎn)趨于平衡態(tài),則系統(tǒng)熵值為極大,定義系統(tǒng)自由能F=lgZ/β。在平衡態(tài)中,熵值U達(dá)到極大,則自由能F為極小,也就是:?F/?Y=0Y=∑x[xe?βe(x)/∑xe?βe(x)]?F/?Y=0Y=∑x[xe-βe(x)/∑xe-βe(x)]從上式可解析非線形動(dòng)力學(xué)方程,得到Y(jié)i→Y+∑x[(x?y)e?βe(x)/∑xe?βe(x)]Yi→Y+∑x[(x-y)e-βe(x)/∑xe-βe(x)]在β不變條件下,y值通過一定次數(shù)迭代后,可收斂到一個(gè)固定值,該值表示y在尺度β下趨向的新聚類中心點(diǎn)。當(dāng)β值極大時(shí),每個(gè)點(diǎn)收斂于其本身,也就是每一個(gè)點(diǎn)為一個(gè)聚類中心,當(dāng)β極小時(shí),全部點(diǎn)都收斂于一個(gè)聚類中心,也就是全部樣本只有一個(gè)類別。當(dāng)空間尺度β從某一極大值變化到某一極小值時(shí),融合點(diǎn)yj由收斂于每一樣本點(diǎn)xi到所有樣本點(diǎn)收斂于一個(gè)點(diǎn),此時(shí)迭代運(yùn)算過程將終止,同時(shí)也產(chǎn)生若干個(gè)收斂中心,即融合點(diǎn),對(duì)于融合點(diǎn)的有效性可按如下公式判定:FFE(β)=∑x∈QP(x)=∑x∈Qe?β(x?y)2/ZFFE(β)=∑x∈QΡ(x)=∑x∈Qe-β(x-y)2/ΖQ表示融合點(diǎn)y包含的樣本點(diǎn)集;FFE(β)反映Q點(diǎn)集對(duì)y的貢獻(xiàn)度,FFE(β)可反映某一聚類中心優(yōu)劣程度;0.0﹤FFE(β)﹤1.0,FFE(β)越接近1時(shí),表示聚類中心貢獻(xiàn)值主要來自于該類別密集分布的各個(gè)點(diǎn)集;當(dāng)FFE(β)越趨近0時(shí),表示聚類中心貢獻(xiàn)值來源很分散,點(diǎn)集比較離散。因此,FFE(β)可作為評(píng)價(jià)所得融合點(diǎn)是否為分類優(yōu)秀中心點(diǎn)的指標(biāo),FFE(β)越接近1,表明該點(diǎn)作為一個(gè)聚類中心參與分類;FFE(β)越趨近0時(shí),表明該點(diǎn)為一無效聚類點(diǎn),不可以作為特征點(diǎn)參與分類;FFE(β)介于0～1時(shí),該點(diǎn)和其它點(diǎn)可再次融合產(chǎn)生新特征點(diǎn),進(jìn)一步判斷該點(diǎn)是否為最優(yōu)聚類中心點(diǎn)。對(duì)研究區(qū)的一級(jí)類型草地進(jìn)行SSHC(多尺度空間分層聚類)方法的嘗試性分類,在剔除沙地、耕地、沼澤、裸巖和水體等類型后只剩草地的遙感影象上進(jìn)行草地的精細(xì)分類。針對(duì)研究區(qū)草地的三級(jí)劃分類型單元,分別利用TM6個(gè)波段數(shù)據(jù)(除熱紅外波段)和ETM7個(gè)波段數(shù)據(jù)(除兩個(gè)熱紅外波段),在先驗(yàn)知識(shí)參與下均勻選擇各類型訓(xùn)練樣本200個(gè),再選取隨機(jī)訓(xùn)練樣本800個(gè)進(jìn)行聚類運(yùn)算。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn),選擇初始空間尺度值β1=5,此時(shí)全部樣本點(diǎn)以自身為中心獨(dú)成類別開始向下一級(jí)融合,可以認(rèn)為是各樣本點(diǎn)開始融合的臨界值,經(jīng)迭代運(yùn)算圖象所有類型融合為一點(diǎn)時(shí)的空間尺度值β2=0.000032。根據(jù)分類區(qū)域影象地類的復(fù)雜程度和對(duì)分類結(jié)果精細(xì)程度的要求,設(shè)置空間尺度遞增率為Δβ=1.05較為適宜,則聚類樹的層數(shù)為N=lg(β1/β2)/lgΔβ),共為245層,利用最優(yōu)聚類評(píng)價(jià)指標(biāo)FFE(β)判斷,刪除無效點(diǎn)后共有18個(gè)類型。18個(gè)類型的特征值存入聚類中心模式庫,以此聚類中心值為特征值,利用最小距離法對(duì)所有待分樣本進(jìn)行監(jiān)督分類,經(jīng)此方法分類所獲各類型草地,按已有的分類系統(tǒng)由第三級(jí)類型歸并為第二級(jí)類型,即草地類型按高、中、低蓋度類型劃分三類。對(duì)由SSHC、Bayes、PCA(主成分分析)方法所獲各結(jié)果數(shù)據(jù)分別進(jìn)行濾波、剔除碎斑、合并小圖斑及類型純化等后期處理,將三者結(jié)果統(tǒng)一歸并賦值,形成最終分類結(jié)果(圖4)。5分析與討論的結(jié)果綜上,在GIS支持下得到共和盆地龍羊峽庫區(qū)土地利用與土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化信息(表3～5)。5.1草場面積、土地沙漠化率增加表3可知,自1987～1999年庫區(qū)土地質(zhì)量惡化,土地覆蓋度呈下降趨勢。除耕地面積擴(kuò)大外,各類型草場面積呈縮減趨勢,大面積草場退化在全區(qū)內(nèi)普遍發(fā)生。在此期間各蓋度草場面積共減少500.82km2,年均遞減為41.73km2;沙地面積急劇增加,區(qū)內(nèi)土地沙漠化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,沙漠化發(fā)展速度很快,12年來沙地面積增加了219.81km2,擴(kuò)展面積平均為18.32km2。裸巖、沼澤地變化不甚明顯,水體面積的擴(kuò)大是由區(qū)內(nèi)修建水庫造成的。庫區(qū)內(nèi)土地退化、土地覆蓋度下降除受控于區(qū)域地質(zhì)地貌、氣象氣候等自然因素影響外,過牧、墾伐、開荒等地方經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)是造成土地質(zhì)量下降、草場退化的直接和最主要因素。5.2沙化—庫區(qū)草場退化,土地沙化日趨嚴(yán)重表4可知,庫區(qū)土地利用類型及土地覆蓋變化過程是草場退化,各類型草場面積日趨縮小,其中除部分被開墾為耕地外,大部分草場由高蓋度向中、低蓋度逐步退化發(fā)展,但在某些區(qū)域各類型草場退化速度快,沙化嚴(yán)重,庫區(qū)內(nèi)沙地面積呈擴(kuò)大趨勢,主要由草場退化而來。庫區(qū)生態(tài)環(huán)境日趨惡化,庫區(qū)草場退化普遍發(fā)生,土地沙化嚴(yán)重。高蓋度草場變化為中蓋度草場的凈退化量是70.29km2,轉(zhuǎn)為沙地的凈退化量為60.96km2,高蓋度草場退化嚴(yán)重;中蓋度草場變化為低蓋度草場的凈退化量是34.31km2,轉(zhuǎn)為沙地的凈退化量為80.75km2;低蓋度草場退化為沙地的凈變化量為76.50km2。雖然沙地在局部區(qū)域有逆轉(zhuǎn),發(fā)展為各種類型的草場,草場蓋度也在某些區(qū)域有較大提高,草場質(zhì)量相對(duì)有些改善,但庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總趨勢在退化。5.3沙漠化土地現(xiàn)狀類型對(duì)庫區(qū)主要區(qū)域土地利用類型變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見表5)。土地利用類型土地覆蓋變化最顯著區(qū)域?yàn)辄S河西岸的塔拉灘,塔拉灘各種土地利用類型都有所變化,草場退化最為嚴(yán)重。從本區(qū)域草場變化看,除部分被開墾為耕地外,更多的退化為沙地。土地退化速度最快,土地退化程度最為強(qiáng)烈,是庫區(qū)土地生產(chǎn)力退化、土地覆蓋度下降最為普遍最為強(qiáng)烈的區(qū)域。其中高蓋度草場面積減少75.70km2,中蓋度草場面積減少102.62km2,低蓋度草場面積減少35.11km2,草場總面積減少215.43km2,占全區(qū)草場退化量的43%;水澆地面積增加32.50km2,是全區(qū)內(nèi)水澆地面積增幅最大區(qū)域,占全區(qū)水澆地增加量的51%;沙地面積擴(kuò)大158.41km2,本區(qū)的沙地面積1987年為545.76km2,到1999年沙地面積擴(kuò)大為704.17km2,年均增長率為13.2%,是庫區(qū)沙漠化土地發(fā)展最強(qiáng)烈也是最嚴(yán)重的區(qū)域。黃河及其支流河谷區(qū)域土地利用變化幅度較小。河卡灘土地利