毕业设计（论文）-基于RS与GIS的泰安市土地利用分析.pdf

题 目： 基于 RS 与 GIS 的泰安市土地利用分析 目录目录 摘要 . I Abstract II 1 研究的背景及意义 . 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究意义 1 1.3 研究现状 2 1.3.1 国外研究情况 2 1.3.2 国内研究情况 3 1.4 研究内容与技术路线 4 1.4.1 研究内容 . 4 1.4.2 技术路线 4 2 研究区域概况 . 6 2.1 泰安概况 6 2.1.1 泰安市地理位置 6 2.1.2 自然环境条件 6 2.1.3 社会经济条件 . 7 2.2 研究数据 8 2.2.1 数据来源 8 2.2.2 数据处理 9 3 土地利用遥感影像分类 11 3.1 分类方法 . 11 3.2 分类结果 . 11 4 土地利用动态分析及预测 15 4.1 土地利用结构变化的幅度 . 15 4.2 土地利用结构变化的速率 . 16 4.3 土地利用数量变化的转移矩阵分析 . 17 4.4 土地利用变化的区域差异分析 . 20 4.5 预测 . 23 4.5.1 马尔柯夫链基本原理 . 23 4.5.2 转移矩阵的确立 25 4.5.3 土地利用变化的模拟 26 4.5.4 对马尔柯夫过程模拟土地利用变化的检验 . 27 4.5.5 2008 年后泰安市土地利用变化趋势 28 5 结论与展望 30 5.1 结论 . 30 5.2 展望 . 30 致谢 31 参考文献 32 I 摘要摘要 土地是人类社会赖以生存与发展的物质基础，土地利用/覆被变化（简称 LUCC）是当前全球环境变化研究的热点及前沿课题。本文选择山东省中部城市 泰安市作为研究区域，所用数据为泰安市 2000 年与 2007 年的两期遥感影像。 利用遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术对这一区域的土地利用情况进行分 析。研究内容如下： （1）对两期遥感影像进行分类后，分别统计了泰安市 2000 年与 2007 年各 地类的面积情况， 并分析了土地利用结构变化的幅度以及土地利用结构变化的速 率，进而分析土地利用变化的特征，探讨影响土地利用变化的原因； （2）本研究中将研究区域分为靠近水库区和远离水库区，引入土地利用相 对变化率来分析区域差异； （3）利用空间叠加方法计算得到土地利用转移矩阵，详细分析了从 2000 年到 2007 年泰安市不同地类之间的相互转变情况。应用马尔柯夫链基本原理对 土地利用的变化进行预测。结果表明，2007 年的预测值与 2007 年土地利用状况 比较接近， 从而证实采用马尔柯夫过程模拟土地利用变化是可行性。 最后对 2007 年以后泰安市土地利用变化情况进行预测，发现该区域未来 20 年的土地利用/ 覆被变化的趋势是：耕地与林地面积不断减小，其他 4 种地类的面积呈逐步增加 的趋势，其中居民地及工矿用地的面积增加的速度最快。综合考虑泰安市的自然 与社会经济状况，可以分析出人口增长、工业化及城镇化是引起泰安市土地利用 变化的主要原因。 关键词：关键词：土地利用；遥感；地理信息系统；泰安市 II AbstractAbstract Land is the foundation for the human societys survival and development. Land Use / Cover Change (LUCC) is one of hot topics in global environmental change study in nowadays. In this paper, the study area is the central city of Shandong Province - Taian City, and main research data include two remote sensing images of Taian City in 2000 and 2007. The situation of land use and its change are analyzed by using remote sensing (RS) and geographic information systems (GIS) technology. The main study content is as follows: (1) After supervised classification of two terms remote sensing images is completed, different land use area are calculated in 2000 and in 2007 respectively. We discussed the structural changes in land use, as well as the extent of structural changes in land-use rate, and analyzed the characteristics of land-use change, and explored the reasons for land-use change. (2)Study area is divided into two parts, near the reservoir area and away from the reservoir area. The relative rate of change of land use is introduced to analyze the regional differences individually. (3)The spatial overlay method has been used to get the land-use transfer matrix, and different types of changes in each other is analyzed in detail from 2000 to 2007 in order to predict the changes in land use by the basic principles of Markov chain. The results showed that the predicted values are close to the situation of land use in 2007, and confirmed that the use of Markov process to simulate of land-use change is the feasible. Finally, to predict changes in land use of Taian City after 2007,the trend of the regions land use / cover change in the next 20 years is as follows: arable land and woodland area decreases, the area of other 4 types was gradually increasing, which residents and industrial space in the fastest increase. Considered the natural and socio-economic situation of Taian City, we can analyze that the main reason of the land-use change in Taian City is population growth, industrialization and urbanization. Keywords：Land use; RS ; GIS ; Taian City 1 1 1 研究的背景及意义研究的背景及意义 1.1 1.1 研究背景研究背景 土地是人类社会生存与发展的物质基础。随着现代技术的迅速发展，人类对土地的利 用达到了前所未有程度，但是由于世界人口对资源与环境的压力，引起了一系列资源环境 与社会经济问题，土地利用变化成为了全球变化的重要组成部分与热点问题之一，尤其是 随着城市化的发展，城市土地利用也成为研究的重点之一。中国是土地利用/覆盖变化 (LUCC)研究计划最早发起者之一，国内学者及时呼应并跟踪国际 LUCC 研究，开展了许 多相关工作，以深化对土地利用与可持续发展相互关系的认识，从整体对土地利用时空变 化和驱动力因果关系进行探讨的基础上，提高土地利用变化的模拟预测水平，从而实现土 地资源的可持续利用 1 。目前，由于科学技术发展的限制，人类对土地利用认识局限于一 定的水平，如土地利用变化的速度、范围、特征、驱动机制、土地利用对全球环境变化中 的影响等问题。尤其我国，人口众多，这对资源与环境产生巨大的压力，严重影响了我国 社会经济的发展，土地资源在开发利用中，存在土地退化、耕地面积急剧缩小、人均耕地 面积低于世界平均水平等问题，土地资源的利用直接影响了人们的生活状况、资源的合理 开发与保护、 生态环境的保护与治理等社会经济可持续发展问题， 关系到国家的长治久安。 因此，有必要对土地利用情况及其变化进行深入研究，了解并分析同一时期不同区域的空 间差异和不同时期同一区域的空间变化，探寻土地利用变化的速度、范围、特征、驱动机 制，从而科学地预测未来土地利用变化的趋势，为相关政策法规制定提供依据，实现土地 资源的可持续利用与社会经济的可持续发展。 1.2 1.2 研究意义研究意义 城市作为人类行为对自然景观影响较大的区域， 它的土地利用及其变化引起了人们的 极大关注。城市土地的可持续利用对于社会经济的可持续发展十分重要。城市土地可持续 利用是综合城市土地利用哲学观、城市土地利用地理学观、城市土地利用生态观、城市土 地利用经济观和美学观的一种城市土地利用观， 它强调社会进步和经济增长的重要性和必 要性的同时，更加注重城市质量的不断提高，包括城市的生态质量、环境质量等方面，最 终实现城市社会、经济、生态环境的均衡发展，更加公平合理地利用土地，提高城市土地 利用效益。城市土地可持续利用就是既要满足城市经济增长对土地的需要，又要提高公共 设施、绿地等用地水平，提高人居环境质量，优化土地利用结构，节约用地 2 。 泰安市位于山东省中部，地貌类型较多，山地、丘陵、平原、洼地、湖泊兼而有之， 其中丘陵与平原分别占全市土地总面积的 41.1和 36.1，地势起伏不大，利于耕 种与发展经济。该区土地利用历史悠久，土壤肥沃，垦殖率比较高，以耕地为主。 2 由于该地区农业发达，人口较多，土地利用变化受人为因素的影响较大。泰安市社会 经济发展与水电站建设，是引起土地利用的变化的主要原因。我国是农业大国，研究该区 域对我国大部分地区具有借鉴意义。同时，开展泰安市土地利用的时空变化研究对于该区 域的社会经济发展、 生态环境的保护与土地资源的可持续利用都有很大的理论意义与现实 意义。 1.3 1.3 研究现状研究现状 土地利用/覆盖变化(LUCC)作为全球变化研究的核心主题之一，反映了自然和人文交 叉最为密切的问题，己经成为两大学科领域众多学者的共识 1 。土地利用/覆被变化在全 球环境变化中具有重要的意义，是各国学术界和公共管理决策界研究与关注的热点 3 。 从土地系统演进过程看，土地利用与土地覆被是相互关联的两个方面，前者侧重于土 地的社会经济属性，后者更侧重于土地的自然属性。从两者关系看，土地利用方式转变很 可能引起土地覆被变化，即土地利用变化是土地覆被变化的主要原因，土地覆被变化是土 地利用变化的直接响应，多数土地利用/土地覆被变化受人类土地利用过程所驱动。因此， 人的土地利用行为， 土地系统的演变过程及人地关系， 都是 LUCC 研究所关注的焦点。 LUCC 计划开展以来，国内外开展了众多关于土地利用/土地覆被的研究项目，并取得了积极的 进展 4 。 1.3.1 国外研究情况 （1）RS 与 GIS 发展状况 遥感已成为基础地理信息重要的采集手段 5 。遥感技术可以使用特定影像处理软件， 对飞机或卫星获取的像片或数字影像进行处理，获取和处理地球表面的信息，尤其是自然 资源与人文环境方面的信息。 遥感技术广泛用于军事侦察、军事测绘、导弹预警、海洋 监视、气象观测等。在民用方面，遥感技术广泛用于地球资源普查、植被分类、土地利用 规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋研制、地震监测等方面。遥感 技术总的发展趋势是：提高遥感器的分辨率和综合利用信息的能力，研制先进遥感器、信 息传输和处理设备以实现遥感系统全天候工作和实时获取信息， 以及增强遥感系统的抗干 扰能力。目前世界资源遥感技术发展的总趋势将趋向于国际间互相配合，共同发展，共同 使用，不仅提高遥感技术水平还要提高遥感技术应用水平，使世界资源遥感技术及应用走 向整体化、系列化与国际化。 目前，地理信息系统的应用领域越来越广泛，计算机技术的迅速发展，使得 GIS 发生 了新的变化。GIS 正朝着一个可运行的、分布式的、开放的、网络化的全球 GIS 发展。在 未来几十年内，GIS 将向着数据标准化、数据多维化、系统集成化、系统智能化、平台网 络化和应用社会化的方向发展。 其中三维 GIS、 时态 GIS 和网络 GIS 已经成为 GIS 发展的 趋势和研究热点。GIS 的这些发展并不是孤立的，而是相互影响、相互促进的，这样将更 好地为人类赖以生存与发展的环境服务。 3 （2）国际土地利用变化研究情况 土地利用土地覆被变化(LUCC)是人类活动与自然界长期相互作用的结果。国外在 LUCC 方面的研究起步较早，但是由于当时技术条件有限，对土地利用过程和机理变化也 停留在很低的水平，对人类因素的影响不够全面。20 世纪 70 年代，由于人们对全球气候 变化研究的深入，才逐渐认识到由人类活动所导致的土地利用/土地覆被变化（LUCC）是 引起生态环境和气候变化的主要驱动力，会对人类社会的可持续发展产生重大的影响。进 入 20 世纪 80 年代后，人们已在洲际范围内利用气象卫星数据进行土地覆盖的研究，并取 得了有效的成果 1 。自 20 世纪 90 年代以来，许多全球变化研究计划都将 LUCC 作为研究 的重点。1995 年，国际地圈与生物圈计划（IGBP）和全球环境变化人文计划（IHDP）共 同把 LUCC 设为核心项目。国际应用系统分析研究所(IIASA)将揭示 LUCC 的主要社会、经 济驱动力及其反馈机制，作为 LUCC 研究计划的 3 大目标。联合国环境署(UNEP)、美国、 日本等都开展了大规模的 LUCC 研究 6 。总的来说，国外 LUCC 研究主要集中在几个关键性 领域：土地利用变化的动力机制、土地覆盖变化、LUCC 的区域与全球模型以及遥感技术 在 LUCC 研究中的应用等 7 。 （3）RS 与 GIS 方法在土地利用研究中的应用 在土地利用/覆被变化研究中，一般采用：数据采集遥感影像处理GIS 分析 模型应用结果分析及预测。具体应用为：以遥感软件为平台，对研究区域的遥感数据 进行影像处理与分类。分类后的栅格数据转化为矢量数据，然后利用 GIS 软件进行统计分 析，及时准确地获取监测区域土地利用及其变化情况。 利用遥感影像信息所能表达的动态信息， 结合地理信息系统技术进行土地利用类型统 计，分析结构特征，掌握土地利用变化的时间、空间特征及其变化趋势，探索土地利用变 化的驱动机制，对于地区或者全球的变化研究和土地资源的可持续利用、社会的可持续发 展具有重要的意义。 1.3.2 国内研究情况 随着社会经济技术的发展，我国对 LUCC 的研究也有一定的成效。20 世纪 90 年代以 来的土地利用变化研究在土地利用变化模型构建方面， 我国一项开拓性的工作是建立土地 利用度、土地利用动态度指数的定量化模型及区域土地利用程度变化模型，这些模型为土 地利用变化的定量研究奠定了基础。在 20 世纪 90 年代以前，土地利用研究主要偏重于土 地生产利用与规划，满足于人类土地利用功能目的。20 世纪 90 年代以后，土地利用变化 研究在全球变化研究的热潮中呈现综合化研究的趋势， 偏向于土地利用的生态环境效益的 影响与评价，而且逐渐重视土地利用变化对全球变化、地区生态环境及资源安全与生态安 全的影响等方面。 我国在跟踪国际、国内前沿的调查、评价技术和信息技术的基础上，以先进的“3S” 技术应用为主，辅助常规内、外业调查手段，准确、及时地获取我国土地资源集约利用的 基础数据， 建立数据的动态更新机制和共享机制， 并对上述调查内容的调查技术进行规范， 4 为土地资源节约、集约利用重要标准的制订提供指南 8 。 鉴于我国目前土地利用研究的现状， 研究尺度方面， 我们应加强开展多层次、 分区域， 包括大城市以外的中小城市、小城镇的农业土地集约利用的研究。 1.4 1.4 研究内容研究内容与技术路线与技术路线 1.4.1 研究内容 本文选取泰安市范围为研究对象， 以泰安市2000年与2007年两幅遥感影像为数据源， 基于遥感与 GIS 软件平台，统计与分析泰安市这 7 年间的土地利用情况，并构建马尔柯夫 链基本原理，对土地利用的变化进行预测，从而为土地利用管理与决策提供依据。 本研究的内容由以下 3 部分组成： （1）利用 ERDAS 对遥感影像进行处理与分类，然后利用 ArcView 统计 2000 年与 2007 年泰安市各地类的土地利用基本情况;(ArcView 统计？ENVI 不能统计么？) （2）分析 20002007 年泰安市土地利用结构变化的幅度、土地利用结构变化的速率、 土地利用数量变化的转移矩阵以及土地利用变化的区域差异（分县区？） ； （3）构建马尔柯夫模型，预测 2007 年后的土地利用情况。 1.4.2 技术路线 本文基于遥感与 GIS 平台，首先对遥感影像进行处理和分类，然后利用 GIS 软件对 研究区各地类土地利用情况进行统计。根据统计结果，分析泰安市这 7 年间土地利用结构 变化的幅度与速度、区域差异以及转移矩阵，然后构建马尔柯夫模型对 2007 年后的土地 利用变化进行预测（预测精度如何验证？） ，最后得出结论。研究的整个技术路线如图 1 1 所示： 5 图 11 技术路线图 遥感影像预处理 监督分类 土 地 利 用 结 构 变 化 幅 度 土 地 利 用 结 构 变 化 速 率 土 地 利 用 变 化 转 移 矩 阵 构建马尔柯夫模型 土地利用变化预测及分析 土 地 利 用 变 化 区 域 差 异 结论与展望 土地利用变化情况统计 6 2 2 研究区域概况研究区域概况 2.12.1 泰安概况泰安概况 2.1.1 泰安市地理位置 泰安市位于山东省中部， 地处东经11602至11759、 北纬3538至3628 之间，东西长约 176.6 公里，南北宽约 93.5 公里。 泰安市属鲁中经济区。北以泰山与济南为界，南与济宁市相连，东与莱芜和临沂地区 毗邻，西隔黄河与聊城市相望。处于山东省东部大开放和西部大开放的结合部，利于东拓 西进，开展经济技术协作与联合。 泰安市交通发达， 铁路、 公路纵横成网， 航运正在起步。 铁路有国家大干线“京沪路” 穿越南北，辛泰、泰肥、磁博三支线横跨东西；市内公路四通八达，其中国道 289.8 公里， 省道 845.7 公里，县路 1364.9 公里，乡路 1817.7 公里，专用路 32.4 公里；泰安处京沪、 京福两高速公路汇合口，东平还有济菏高速，市区东部有泰莱高速。 2.1.2 自然环境条件 （1）地貌概况 泰安地处鲁中山区的一部分，整个地势自东北向西南倾斜，境内拥有多种地貌类型， 山地、丘陵、平原、洼地、湖泊兼而有之。山地集中分布在市域北部和东部，面积 14.07 万公顷，占全市土地总面积的 18.3。一般海拔高度在 400800 米之间；丘陵主要分布 在新泰市西南部、宁阳县东部、市郊区西北部、肥城盆地边缘及东平县北部，面积 31.64 万顷， 占全市土地总面积的 41.1，海拔高度一般在 120400 米之间。丘陵区林果、油 料、 畜牧业生产已具备了一定基础，并具有较大的开发潜力；平原主要分布在山麓及河 流沿岸，多为河谷平原和山前冲、洪积冲平原，面积 27.76 万公顷，占全市土地面积的 36.1，海拔高度在 60120 米之间。平原区地势平坦，土层深厚，土质肥活，水资充足， 灌溉条件好，种植业和农区畜牧业十分发达，具有深度开发的巨大潜力；洼地主要分布于 东平县内东平湖、稻屯湖、州城湖周围，面积 3.43 万公顷，占全市总面积的 4.5，洼地 地面高程在 38-60 米之间；湖泊集中在东平县境内。东平湖水质好，饵料丰富，风光秀丽， 具有发展水产养殖业和旅游业的巨大潜力。 （2）气候情况 泰安市属于温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明，寒暑适宜，光温同步， 雨热同季。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季晴和气爽，冬季寒冷少雪。 全市年平均气温 13，7 月份气温最高，平均 26.4，1 月份最低，平均-2.6。极 端最高气温 41，极端最低气温-27.5。在地域分布上，南部、西部较高，东部、北部 7 偏低。无霜期平均 195 天，最长可达 241 天，最短为 161 天。气温适宜，满足了农作物一 年两熟或通过间作套种一年三熟的需要。 全市多年平均降水量为 697 毫米。因受季风气候影响，年际降水变幅较大， 年最大 降水量 1498 毫米，年最小降水量 199 毫米，相差 7.5 倍。因受地貌影响，东部降水多于 西部， 山区降水多于平原， 东部山区年平均降水量为 700-750 毫米， 西部平原则为 600-650 毫米，总趋势是自东北向西南逐渐减少。年内降水分布很不匀衡，夏季降水最多，占年降 水量的 65.2，冬季最少，仅占 3.6；一年之中 7 月份最多，占年降水量的 32.1，雨 热同季，对农作物和林果生长发育十分有利，1 月份最少，仅占 0.96。受地形、地貌影 响，垂直的变化，地域的差异，形成了一些局部小气候区。 （3）水利资源 全市多年平均天然水资源总量为 19.22 亿立方米，多年平均水资源可利用总量为 17 亿立方米，其中地表水可利用量为 6.3 亿立方米，地下水可开采量为 10.7 亿立方米。泰 安市水资源状况较好，人均和亩均分别为 400 和 431 立方米。目前已开发利用的地表水占 可利用量的 63.4， 尚有 2 亿立方米可供开发。 地下水开发利用量已达可利用量的 101， 个别地区属超采利用，需限采和补源。 全市水能资源比较丰富，可分为水库水电站、河道水电站、渠道水电站 3 种类型， 可开发利用的水电站计有 195 余处，装机总容量可达 2 万千瓦，开发潜力较大。 全市现有大中型水库 14 座，小型水库和塘坝 3000 余座，总面积 12 万亩；境内的东 平湖为山东省第二大淡水湖，常年平均水面面积 21 万亩；池塘星罗棋布，总面积 7 万多 亩；再加上其它宜渔水面，全市现有宜渔水面 40 余万亩。 （4）生物资源 泰安生物资料种类繁多，现有高等植物 239 科 1212 种，动物 4 纲 385 种，浮游生物 35 科 136 种。 此外还有少量珍稀、濒危动物以及一些古树、名木、花卉等。农作物分为 粮食、经济作物和蔬菜 3 大类。林果有木本植物 71 科 471 种。经济树种主要有苹果、梨、 桃、板栗、核桃等 30 余种。观赏性树种有 40 余种，主要有雪松、园柏、银杏等。此外， 还有珍稀树木 11 种；名古树木 16 种 884 株，主要有汉柏、唐槐、六朝松等。中药材分属 110 科 488 种，名贵中药材有泰山灵芝、何首乌、紫草、四叶参、黄精和汶河的“九草香 附” 等。其中，何首乌、四叶参、紫草、黄精为泰山四大名药。畜禽品种 50 多个，鲁西 黄牛、小尾寒羊、大黑山羊、东平湖麻鸭等属于地方良种。全市水生生物种类繁多，共 290 多处。其中，珍稀动物有属国家一类保护的黑鹳，国家二类保护的红角鹗、金雕。 2.1.3 社会经济条件 泰安是中国山东省中部一座著名的文化旅游城市，境内的泰山是国家重点风景名胜 区。泰安市总面积 7762 平方公里，全市 2008 年末常住人口 545.6 万人，增长 4.2，其 中城镇人口 258.2 万人，辖泰山区、岱岳区、新泰市、肥城市、宁阳县、东平县 6 个县市 区。 8 经济发展方面，初步核算，2008 年全市实现生产总值（GDP）突破 1500 亿元，达到 1513.3 亿元，按可比价格计算（下同） ，比上年增长 13.4。其中，第一产业 161.1 亿元， 增长 2.6；第二产业 839.3 亿元，增长 12.5；第三产业 512.9 亿元，增长 18.4。三次 产业结构由上年的 10.8：56.2：33.0 调整为 10.6：55.5：33.9。人均生产总值达到 27794 元，突破 4000 美元；全市规模以上工业实现增加值 800.6 亿元，比上年增长 16.8，增 速比上年回落 6.7 个百分点；全市规模以上固定资产投资完成 803.0 亿元，比上年增长 25.8，增速同比提高 0.8 个百分点；全市实现社会消费品零售总额 466.8 亿元，比上年 增长 23.4，提高 4.5 个百分点 2008 年，全市完成进出口贸易总值 15.1 亿美元，比上年 增长 12.1。其中，出口 9.2 亿美元，进口 5.9 亿美元，分别增长 8.0和 19.1；2008 年共接待海内外游客 1867.7 万人次，旅游总收入 142.8 亿元，分别增长 23.0和 30.2。 其中，国内游客 1848.7 万人次，旅游收入 136.9 亿元，分别增长 23.0和 30.6；境外游 客 19.0 万人次，增长 25.9，旅游外汇收入 8465.8 万美元，增长 30.4；同年实现地方 财政收入 76.4 亿元，增长 19.0。 2008 年，市区居民人均可支配收入 16095 元，比上年 增长 16.5；农民人均纯收入 6046 元，增长 13.9。 改革开放以来，泰安国民经济快速发展，社会事业兴旺发达，人民群众安居乐业，科 技事业进一步发展， 教育事业健康发展， 社会保障体系完善。 泰安的主要工业门类有机械、 电子、化工、纺织、轻工、建材、煤炭、电力、仪器，粮、棉、油、果、蔬菜、畜牧等农 产品十分丰富，旅游、商贸、餐饮、中介、咨询、社会服务设施完善，对外经贸合作扩展 到 90 多个国家和地区，进出口商品 400 多种，有 30 多个国家和地区的客商在泰安投资兴 办企业。泰安市的对外交往起步于 1984 年，现有 10 余个友好城市，其利用友好城市关系 这一桥梁与纽带，推动泰安市积极有力地进行国际经济、科技、文化的交流与合作，在开 拓国际市场、引进技术和人才、吸引投资等方面取得了一定成就，推动了泰安经济和社会 的发展，提高了泰安的国际知名度，加快了泰安与世界接轨的步伐。 2.2 2.2 研究数据研究数据 2.2.1 数据来源 本文选取泰安市作为研究区域， 所用数据为泰安市 2000 年与 2007 年两个时段的遥感 影像图，以 ERDAS 为遥感软件平台，对两幅影像进行处理与分类。具体要使用的遥感数 据规格如下表： 表 21 2000 年与 2007 年遥感影像的信息 名称 代码 时相 数量（幅） 分辨率 （米） 格式 CBER S 372-59-070801-432 2007 年 8 月 1 日 1 19.5 .img 9 ETM 12235-m-re 2000 年 5 月 31 日 1 15 .img 2.2.2 数据处理 基于遥感平台对遥感数据进行处理， 从而提高影像质量， 以达到提高分类精度的目的。 根据要求，分别进行图像校正、重采样和图像增强等。 （这几步我都没做） （1）图像校正 图像校正就是指从具有畸变的图像中消除畸变的处理过程， 主要目的是使观测数据更 接近于真实值。图像校正分为辐射校正和几何校正。消除图像数据中依附在辐射亮度中的 各种失真的过程叫辐射校正。辐射校正一般包括传感器的辐射校正、大气校正、照度校正 等。辐射校正是目前遥感研究的一个非常活跃的领域，辐射校正方法的选择可对最后的结 果起到决定性的作用 9 。一般卫星地面站提供给用户的计算机兼容磁带(Computer compatible tape，CCT)都己进行了传感器辐射校正；照度校正一般用于不同时相影像进行 对比研究时或不同地区影像进行镶嵌时（处理亮度不同的影像镶嵌） ；大气校正通常是指 大气散射校正，即消除大气散射对辐射失真的影响，主要有辐射传递方程计算方法、野外 波谱测试回归分析法、 多波段影像对比分析法等， 前两种方法由于在实际操作中比较困难， 一般很少使用。多波段间的对比分析法包括直方图平移法和回归分析法，是实践中常用的 方法。 其余的大气校正方法还有暗组(darkset)一亮组(brigtset)法 9 ， 另外如果对各个波段影 像灰度级运行 99.9的切除，然后再进行线性拉伸，这样的处理可以认为大概去除了大气 散射的影响 10 。 在通常的几何校正过程中，是在校正后的输出地图坐标系上设定正方格，求出格点上 对应的图像数据。几何校正包括几何粗校正和几何精校正。一般情况下，在该输出图像坐 标系的格点上所对应的输入图像坐标通常不是整数值， 所以必须用输入图像上周围点的像 元值对所求点的像元值进行内插来求出。用于几何校正的主要内插方法有以下 3 种：最 邻近内插法，双线性内插法，3 次卷积内插法。本研究中，选择双线性内插法进行运 算。 （2）重采样 校正后， 为了使原始影像里的像元与输出影像的参考像元能够匹配， 必须进行重采样。 重采样实际上就是依据未校正图像像元值计算生成一副校正图像的过程， 原始图像里面所 有栅格数据层都需要进行重采样，最邻近内插法、三次卷积插值法、双线性内插方法是常 用的三种方法，本次研究中，采用三次卷积方法进行运算，能够使影像均衡化，且更加清 晰。 （3）剔除噪声 噪声分为随机噪声、孤立噪声等，不同噪声产生原因不同，去除的方法也有所差异， 实际上任何妨碍分类精度的信息都可视为噪声，如土壤信息在土壤分类中是有用信息，而 在作物分类中则可视为噪声。本研究中，在对研究区域进行图像分类训练区选择时，用 10 ERDAS 软件提供的 Majority 滤波(其原理是用一定大小窗口内出现频率最高的值代替窗口 中心像元值)进行了训练区的纯化，以此减弱噪声对训练区的统计信息的影响，而且卫星 影像中最常见的孤立噪声分布面积较小， 即使分类过程中被错分， 分类后进行制图综合时， 一般也能归到正确的类别，不会对最后的成图精度造成较大影响，因此本文数据预处理过 程中对选取的训练区进行了降噪处理。 （4）图像增强 图像增强就是采用一系列技术去增强图像中用户感兴趣的信息，其目的主要有两个： 一是改善图像的视觉效果，提高图像成分的清晰度；二是使图像变得更有利于计算机处理 11 。从方法上说，则是设法摒弃一些认为不必要或干扰的信息，而将所需要的信息得以 突出出来，以利于分析判读或作进一步的处理。为了更好的解译遥感影像，可以适当的采 用卷积增强处理、锐化增强处理、滤波分析、直方图处理、主成分分析、色彩变换等。 11 3 3 土地利用遥感影像分类土地利用遥感影像分类 3.1 3.1 分类方法分类方法 利用遥感手段获得土地利用/覆盖信息的一个重要的中间环节就是分类 12 。 遥感影像 分类常用的两种方法是监督分类法与非监督分类法，两种方法各有优缺点。非监督分类具 有快速、灵活等优点，适于多种遥感影像分类，但其精度低于人工判读，也不能识别地物 的某些特征，如三维空间特征。本文针对的泰安市土地利用变化情况，对分类精度要求比 较高，因此采用的是监督分类。根据泰安市土地利用分类的实际情况，鉴于所用遥感影像 的精度以及研究土地利用变化的目的， 将土地利用类型的一级地类分为 6 类， 分别为耕地、 林地、草地、水域、居民地及工矿用地、未利用地，每一个一级地类分别对应相应的二级 地类，由于二级地类数目较多，鉴于遥感影像的精度不高，对二级地类不做具体分类。泰 安市土地利用类型分类如表 31 所示： 表 31 泰安市土地利用类型分类体系 一级地类 二级地类 1.耕地 粮棉生产用地、旱地、草地 2.林地 乔木林地、灌木林地、半灌木林地、为成林造林地 3.草地 荒山荒坡草丛、山丘疏林草丛、平原沙滩荒漠草甸、湖洼沼泽 4.水域 水库、塘坝、湖泊、池塘、 渔水面 5.居民地及工矿用地 建制镇、农村居民点、牲畜饲养地、设施农业用地、 工业厂房和企业公司用地 6.未利用地 裸露岩石砾地、荒草地、田坎 3.2 3.2 分类结果分类结果 利用 ERDAS 软件，将泰安市 2000 年与 2007 年的地物类型按照耕地、林地、草地、水 域、居民地及工矿用地和未利用地 6 类进行监督分类。监督分类后生成相应的 img 文件， 然后依次对分类后的图像进行聚类统计（Clump）与去除分析(Eliminate)，并合理设置相 应的参数，最后将栅格数据转化为矢量数据。泰安市 2000 年与 2007 年地物监督分类结果 分别如图 31 和图 32 所示： 12 图 31 2000 年泰安市土地利用分类图（一级分类） 图 32 2007 年泰安市土地利用分类图（一级分类） 13 利用 GIS 平台 ArcView 对 2000 年与 2007 年的土地利用类型面积进行统计， 结果如表 32 所示： 表 32 2000 年与 2007 年土地利用类型面积统计表（hm 2 ） 类型 年份 耕地 林地 草地 水域 居民地及 工矿用地 未利用地 2000 年 9922.69 3643.53 165.05 845.01 4443.17 84.29 2007 年 9572.73 3484.02 209.12 867.35 4862.44 108.09 泰安市2000年2007年土地利用结构变化图 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 耕地林地草地水域居民地及工矿用地未利用地 2000年 面积（公顷） 2007年 面积（公顷 ） 图 33 泰安市 2000 年2007 年土地利用结构变化图 从表 32 与图 33 可以看出， 泰安市 2000 年与 2007 年两个时期各种土地利用类型 面积分布情况，面积由大到小依次为：耕地居民地及工矿用地林地水域草地未利用 地。由泰安市 2000 年2007 年土地利用结构变化图，可以看出 7 年间，泰安市土地利用 结构发生了很大的变化，其中草地、水域、居民地及工矿用地与未利用地的面积都有不同 程度的增加，而耕地与林地的面积都有所减少。 20002007 年，泰安市各种土地利用类型之间的转化情况，如图 34 所示： 14 图 34 2000 年2007 年土地利用变化图（一级分类） （图像如何生成？） 从图 34 可以看出，7 年间，有部分耕地分别转变为林地、草地、水域、居民地和 未利用地，其中，耕地转化为居民地的面积最大；同时，部分林地转化为耕地，这主要是 由于耕地保护政策，同时由于经济的发展，也有部分林地被毁，转化为居民地；另外，由 于人口压力，部分水域转化为耕地与居民地；也有少量居民地转化为耕地与林地。 15 4 4 土地利用动态分析及预测土地利用动态分析及预测 4.1 4.1 土地利用土地利用结构变化结构变化的幅度的幅度 土地利用结构变化的幅度指的是土地利用类型在面积方面的变化幅度， 体现在不同土 地利用类型在总量的变化上，反映土地利用变化总体情况和土地利用结构的变化情况。其 数学模型表示为： U=Ub-Ua 式中 U a、Ub分别表示研究初期和研究末期某种土地利用类型的面积。根据泰安市 2000 年和 2007 年遥感影像分类后得到的土地利用各地类的面积统计数据，根据公式 4-1 得出土地利用类型变化幅度，如表 41 所示： 表 41 泰安市 2000 年与 2007 年土地利用分类面积统计表（hm 2 ，） 年份 类型 2000 年 2007 年 20002007 面积 比例 面积 比例 变化面积 变化率 耕地 9922.69 51.94 9572.73 50.11 -349.96 -3.53 林地 3643.53 19.07 3484.02 18.24 -159.51 -4.38 草地 165.05 0.86 209.12 1.09 44.07 26.7 水域 845.01 4.42 867.35 4.54 22.34 2.64 居民地及 工矿用地 4443.17 23.26 4862.44 25.45 419.27 9.44 未利用地 84.29 0.44 108.09 0.57 23.8 28.24 16 51.94% 0.86% 23.26% 0.44% 4.42% 19.07% 耕地林地 草地水域 居民地及工矿用地未利用地 50.11% 18.24% 1.09% 25.45% 0.57% 4.54% 耕地林地 草地水域 居民地及工矿用地未利用地 图 41 泰安市 2000 年与 2007 年的土地利用结构图 由表 41 与图 41 可以看出，土地利用占地面积最大的类型是耕地，占 50以上。 其次是居民地及工矿用地约为 2326，林地所占比例约为 20，水域所占比例为 4.5，而草地所占比例约 1左右。所占比较最小的是未利用地，仅为 0.5。总体看来， 耕地、林地等农用地在整个研究区所占比例较大，从 2000 年的 71.01下降到 2007 年的 68.35，说明该区域垦殖率比较高，农林业比较发达；居民地及工矿用地所占比重不是 太大， 为 25左右， 客观反映出泰安市城市化水平比较好， 而其比例由 2000 年的 23.26 上市到 2007 年的 25.45，客观反映了泰安市经济发展的良好势头；未利用地所占比例 较小，仅为 0.5左右，说明泰安市土地利用率比较高，而未利用地由 2000 年的 0.44 上升到 2007 年的 0.57，主要是由于部分耕地转化而来，可能用来建设居民地及工矿用 地，只是暂时被闲置。 从土地利用变化幅度看来，7 年间，土地利用结构发生了很大的变化，比较两个时期 的土地利用类型变化依次为：居民地及工矿用地耕地林地草地 未利用地水域（变化 量绝对值） 。土地面积增加的有草地、水域、居民地及工矿用地和未利用地，其中以居民 地及工矿用地增幅最大，共增加 419.27 hm 2 ，草地增加了 44.07 hm 2 ，水域和未利用地 增幅分别为 22.34 hm 2 和 23.8 hm 2 。土地面积减少的有耕地与林地，耕地资源作为研究 区最重要的地类，也是减幅最大的地类，7 年减少了 349.96 hm 2 ，所占比重由 2000 年的 51.94下降为 2007 年的 50.11，变化率偏小仅为 3.53的主要原因是耕地基数较大； 变化率最大的是未利用地，为 28.24，最小的是水域，为 2.64。 综上表明，由于泰安市经济的快速发展，城镇用地逐步扩大，导致耕地及林地面积的 缓慢减少，居民地及工矿用地呈现增长势头。泰安市目前经济发展情况较好，但需要将耕 地面积严格控制耕地的红线之内，并且注重土地利用结构调整和土地资源保护。 4.4.2 2 土地利用结构土地利用结构变化变化的的速率速率 区域土地利用动态度可定量描述土地利用变化的速度。目前，土地利用动态度可以用 单一土地利用动态度来表示 13 。单一土地利用动态度可定量描述区域一定时间范围内某 种土地利用类型变化的速度， 它对于比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变 17 化趋势具有重要的意义。根据模型公式，计算出泰安市单一土地利用动态度 (表 42)。 单一土地利用动态度可以表达研究区域某时间范围内某种土地利用类型的数量变化 情况，并且可以直观的反映土地类型变化的幅度与速度，也易于通过类型间的比较来反映 期间的差异。其计算公式为： K=%100 1 TU UU a ab 式中，K 为研究时段内某一土地利用类型的动态度；Ua、Ub分别为研究期初及研究期 末某一土地类型的数量；T 为研究时段间隔，当 T 的时段设为年时，K 的值就是该研究区 域某种土地利用类型的年变化率。 表 42 泰安市 20002007 年各土地利用类型动态度 （） 时期 耕地 林地 草地 水域 居民地及工矿用地 未利用地 2000-2007 -0.50 -0.63 3.81 0.38 1.35 4.03 -1 0 1 2 3 4 5 耕地林地草地水域居民地及工矿用地未利用地 土地利用类型 土地利用动态度（%） 2000-2007 图 42 泰安市 20002007 年土地利用类型动态度 从表 42 和图 42 可知：2000 到 2007 年间，泰安市土地利用类型年变化率依次 为未利用地草地居民地及工矿用地耕地林地水域，其中未利用地的年际变化速度最 快，动态度达到 4.03；变化率最小的是水域，仅为 0.38。虽然耕地面积绝对量减少 了 347.96 hm 2 ，由于基数最大，其土地利用年变化率却相对较小，仅为-0.50；居民地 及工矿用地面积 7 年间增加了 419.27 hm 2 ，未利用地的面积增加了 23.8 hm 2 ，由于总量 较小，其土地利用年变化率却达到 4.03。出现这种情况的主要原因是：2000 年后，泰 安市城镇化进程的加快和工业化的快速发展，使居民地及工矿用地面积增加，占用了大量 耕地。 4.34.3 土地土地利用数量变化的利用数量变化的转移矩阵转移矩阵分析分析 18 对区域土地利用结构的幅度、速度等方面的数量分析，有助于从总体上把握区域土地 利用动态演变的趋势与特点。这种土地利用变化是基于时间特征，并不反映土地利用结构 变化内在过程，因而只有对区域不同土地利用类型间相互转化进行定量化研究，才能更为 深入和准确的认识区域土地利用的动态演变过程 1 。 一般认为，某种土地利用变化类型在一段时期内的空间格局变化可以包含三种空间 类型： 未变化部分； 转移部分： 第 i 类土地利用类型转变为其他非 i 类土地利用类型； 新增部分：其他非 i 类土地利用类型转变为第 i 类土地利用类型。只有充分考虑每种土 地利用类型变化的三个方面的去向及来源， 才能清晰地揭示区域内各土地利用类型之间的 相互转化规律 14 。 通过遥感影像分析、 地理信息系统软件处理后得