基于Landsat影像的廣東南三島土地利用變更調(diào)查研究

白旸++程振南++陳佳升

【摘 要】廣東南三島海岸屬于中國(guó)南部砂質(zhì)海岸帶，風(fēng)沙活動(dòng)，海風(fēng)侵蝕和人為因素等原因造成土地利用情況在近幾十年來(lái)發(fā)生了較大變化?；贚andsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)1992年到2015年間的南三島4個(gè)不同時(shí)期土地利用變更做出了分析。通過(guò)圖像預(yù)處理、監(jiān)督分類、快速制圖等處理得出，由于礦藏的開發(fā)、水產(chǎn)用地的增加等因素，南三島的土地利用情況發(fā)生了顯著的改變。

【關(guān)鍵詞】Landsat影像;廣東南三島;土地利用;調(diào)查研究

Landsat（陸地資源衛(wèi)星）是美國(guó)發(fā)射用來(lái)重復(fù)獲取地表的信息資源的多光譜，中等分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)。自從1972年美國(guó)第一個(gè)Landsat衛(wèi)星發(fā)射升空以來(lái)，Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)就一直為世界各國(guó)的各種研究者所使用，其豐富且高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源成為后來(lái)同類衛(wèi)星的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)[1]。在關(guān)于海岸帶的研究中，周相君[2]基于Landsat影像提取了1973至2013年的5期廣西大陸海岸線，并分析了海岸線的位置、長(zhǎng)度、類型的分布狀況及海岸蝕淤面積變化，在研究方法上提供了一定的參考依據(jù)。湛江位于中國(guó)大陸的最南端，廣東省的西部，南三島位于麻斜河與鑒江河口間，是由沙壩潟湖發(fā)育成的砂島，東部的海積平原和海灘寬廣， 南三島與東海島、硇洲島等許多島嶼組成湛江港的外圍防護(hù)欄。南三島海岸沙地分布廣泛，土地類型多樣，因?yàn)轱L(fēng)沙而帶來(lái)的海岸侵蝕和風(fēng)沙災(zāi)害對(duì)南三島的居民生活造成了一定的影響。通過(guò)對(duì)近23年Landsat影像變化的分析，可以直觀的觀測(cè)出南三島土地利用的具體變化，對(duì)南三島的海島建設(shè)和海島經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有重要的參考價(jià)值。在目前我國(guó)研究海岸帶與海島建設(shè)的趨勢(shì)與背景下，3s技術(shù)和海岸帶與海島的土地利用變更調(diào)查的結(jié)合是有效且有意義的。

一、研究方法

運(yùn)用遙感Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)同一地方的重復(fù)取景，選取1992-2015年南三島影像，經(jīng)過(guò)圖像校正，局部增強(qiáng)等預(yù)處理技術(shù)，再通過(guò)監(jiān)督分類選取訓(xùn)練樣本，感興區(qū)域，分別對(duì)南三島1992年10月16日，1995年9月23日，2009年1月16日，2015年1月17日，四個(gè)不同時(shí)期的影像進(jìn)行海岸沙丘空間分布演變的提取。遙感數(shù)據(jù)不同波段的組合能夠突出顯示不同的地物信息，如4、3、2波段的組合能夠突出植被的信息而被廣泛應(yīng)用。本文在對(duì)Landsat影像進(jìn)行處理時(shí)選擇波段5、4、3的假彩色組合，因?yàn)?、4、3波段所含的地物信息最為豐富，能夠充分顯示各種地物特征的差別，方便在監(jiān)督分類中對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)地進(jìn)行選取，并保證訓(xùn)練場(chǎng)地的準(zhǔn)確性。執(zhí)行監(jiān)督分類后，在ENVI自帶的classification statistic功能里可以統(tǒng)計(jì)分類結(jié)果中各分類系統(tǒng)在影像中所占比例。各景遙感圖像都是從地理空間數(shù)據(jù)云下載獲取的。第一步運(yùn)用黑暗象元法對(duì)各景數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，避免因?yàn)樵茖佣鴰?lái)的對(duì)地物性質(zhì)判斷的不準(zhǔn)確。對(duì)于應(yīng)用黑暗象元法之后的顯示效果不明顯的影像可以考慮運(yùn)用FLASSH大氣校正或者在進(jìn)行大氣校正后對(duì)影像進(jìn)行2%的線性拉伸來(lái)突出地物信息。然后對(duì)各景影像進(jìn)行裁剪，把裁剪范圍分別控制在湛江市南三島的東部地區(qū)。根據(jù)Landsat衛(wèi)星獲得的遙感數(shù)據(jù)多波段中等分辨率的特點(diǎn)，對(duì)研究區(qū)的圖像進(jìn)行不同波段的組合。經(jīng)過(guò)對(duì)比是否能很好突出研究對(duì)象的波段，發(fā)現(xiàn)Landsat5數(shù)據(jù)的5、4、3波段的組合和Landsat8數(shù)據(jù)的6、5、4波段組合能夠清晰的反映出海岸沙丘的地物信息，方便各種地物的分類。Landsat影像上各地物所表現(xiàn)出的顏色是不同的，當(dāng)電磁輻射能量入射到地物表面上，將會(huì)出現(xiàn)三種過(guò)程：一部分入射能量被地物反射;一部分入射能量被地物吸收，成為地物本身內(nèi)能或部分再發(fā)射出來(lái)，一部分入射能量被地物透射。不同地物對(duì)入射電磁波的反射能力是不一樣的。反射能力強(qiáng)的地物反射率大，在黑白的遙感圖像上呈現(xiàn)的色調(diào)就淺。反之，在遙感圖像的色調(diào)就深，在對(duì)地物的判讀中色調(diào)的差異是很重要的標(biāo)志。對(duì)于Landsat5 衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)的波段5、4、3的組合方式，影像視圖中林地田地呈現(xiàn)出深綠和嫩綠色，沙地和裸地顯示為一般土壤的顏色，在沙丘集中分布的地方沙地會(huì)由于對(duì)光線的反射率很強(qiáng)會(huì)呈現(xiàn)出白色。建筑影像在Landsat的中等分辨率圖像中和裸地具有一定的相似性，在區(qū)分建筑集中地和裸地時(shí)，主要根據(jù)其分布地是否在河流的附近或者靠近水源，地形平坦的地方。另外建筑用地在Landsat5衛(wèi)星數(shù)據(jù)的5、4、3波段組合中色調(diào)要深于裸地。由此可以判斷區(qū)分建筑用地和裸地。遙感數(shù)據(jù)圖像的監(jiān)督分類，首先選取合適的訓(xùn)練樣本，根據(jù)地物不同性質(zhì)對(duì)電磁波的反射率和對(duì)遙感影像的處理經(jīng)驗(yàn)分析影像畫出訓(xùn)練樣本，選取樣本要注意各樣本在全圖覆蓋均勻度。在選取ROI完成后要使用ENVI軟件的Compute ROI Separability工具來(lái)計(jì)算任意類別的統(tǒng)計(jì)距離，這個(gè)距離用于確定兩個(gè)類別間的差異性程度。類別間的統(tǒng)計(jì)距離是基于Jeffries-Matusia距離和轉(zhuǎn)換分離Transformed Divergence來(lái)衡量訓(xùn)練樣本的可分離性?？煞蛛x性的參數(shù)值為0-2，大于1.9說(shuō)明樣本之間可分離性好，屬于合格樣本。小于1.8，需要重新選擇樣本。小于1則考慮合并兩個(gè)樣本為同一類。執(zhí)行監(jiān)督分類后對(duì)分類的結(jié)果進(jìn)行分類后處理，對(duì)于不合理的分類象元可以進(jìn)行合并或者刪除[3]。

二、研究結(jié)果與分析

由圖1可知，1992年的南三島海岸沙丘發(fā)育良好，分布廣泛。當(dāng)?shù)氐闹饕恋仡愋褪巧城鸬孛埠土值剞r(nóng)田，屬于人為影響很小的狀態(tài)，建筑面積少，海岸沙丘集中連片分布，林地也呈集中大面積分布狀態(tài)。1992-1995年之間的3年時(shí)間內(nèi)，從圖中可以明顯看出人類活動(dòng)對(duì)海岸地帶的影響，連片集中分布的海岸沙丘由于受到人類各種活動(dòng)的影響被農(nóng)田和建筑用地分割開來(lái)。研究區(qū)的南部出現(xiàn)規(guī)則的矩形沙質(zhì)地帶可以看出明顯是當(dāng)?shù)厝藶殚_挖沙地所致。從2009年當(dāng)?shù)氐耐恋乩梅诸悎D中，可以看出人類活動(dòng)仍在巨大地改變著南三島的海岸沙丘的空間分布。研究區(qū)的南部、中部以及北部地區(qū)均出現(xiàn)了集中分布的規(guī)則形狀水域，說(shuō)明當(dāng)?shù)氐乃a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在短暫的十幾年間發(fā)展迅速。人類活動(dòng)破壞了植被以及地表的阻礙物，更有利于風(fēng)沙的活動(dòng)，促使海岸沙丘在短時(shí)間內(nèi)迅速向外擴(kuò)張。在2015年南三島海岸土地利用圖中可以明顯看出，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)氐孛菜a(chǎn)生的巨大影響，整個(gè)研究區(qū)域均分布了大量人工開挖的水塘。無(wú)節(jié)制的采礦也導(dǎo)致了當(dāng)?shù)靥烊缓０渡城鸱植嫉臏p少。如此多的人類活動(dòng)破壞了海岸沙丘穩(wěn)定的外部環(huán)境，在海風(fēng)強(qiáng)烈的季節(jié)就會(huì)加速擴(kuò)散到被人為破壞的地區(qū)，致使當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙遍布，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳?。這也可以很好的解釋為什么南三島二十幾年的發(fā)展中島上的居民建筑面積并沒(méi)有迅速增加。由近年的Landsat影像分析可知，南三島建筑面積增加幅度不大。采礦以及水產(chǎn)業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)氐暮０渡城鹂臻g分布影響最大，反復(fù)無(wú)節(jié)制的采礦和其他工業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致了南三島地貌改變較大，從而影響當(dāng)?shù)鼐用裆钯|(zhì)量和生態(tài)環(huán)境。

三、結(jié)束語(yǔ)

南三島研究區(qū)是較為典型的砂質(zhì)海島，從遙感數(shù)據(jù)分析來(lái)看近年來(lái)土地利用變更情況較為明顯，具有一定的研究?jī)r(jià)值。本文所采用的數(shù)據(jù)源是Landsat衛(wèi)星，屬于多光譜中分辨率衛(wèi)星，并且Landsat7的衛(wèi)星數(shù)據(jù)出現(xiàn)損壞對(duì)研究結(jié)果造成一定的影響。如果在數(shù)據(jù)源上能采用高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，將能對(duì)研究區(qū)做進(jìn)一步更加精細(xì)的分類，得到的結(jié)果當(dāng)然也會(huì)更客觀真實(shí)。另外受到年份跨度限制，早年的數(shù)據(jù)資源難以獲得，或者數(shù)據(jù)資源質(zhì)量達(dá)不到使用要求也是研究地區(qū)研究情況不足的一個(gè)原因?；贚andsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)和ENVI軟件，采用Landsat 5和8衛(wèi)星的TM數(shù)據(jù)，最高分辨率為30米。結(jié)果輸出了1992年10月16日，1995年9月23日，2009年1月16日，2015年1月17日，四個(gè)不同時(shí)期的南三島海岸沙丘空間分布圖，并分析了近23年來(lái)研究區(qū)海島土地利用演變的狀況和原因，即水產(chǎn)用地的增加和礦物資源的開采為土地利用變更的主要原因。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41401003）;廣東省自然科學(xué)基金（S2013040011651）。

作者簡(jiǎn)介：白旸（1982—），女，回族，山西太原人，博士，講師，惠州學(xué)院旅游系，主要研究方向：地貌與環(huán)境變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]周相君.1973-2013年廣西大陸海岸線遙感變遷分析[D]. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，2014.

[2]孫家柄.遙感原理及應(yīng)用[M].武漢大學(xué)出版社，2009. 54-68.