姚 月，朱大明，李小華

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.河北普冠地理信息技術(shù)有限公司，河北 三河 065201；3.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊，河北 三河 065201)

基于Landsat系列數(shù)據(jù)對建設(shè)用地變化的提取研究

姚 月1,2，朱大明1，李小華3

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.河北普冠地理信息技術(shù)有限公司，河北 三河 065201；3.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊，河北 三河 065201)

選取京津冀某地作為實驗區(qū)，利用Landsat系列數(shù)據(jù)，采用人機交互的方法，基于ArcGIS平臺對實驗區(qū)2005年至2015年各年遙感影像，進行建設(shè)用地的解譯工作。利用中低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行建設(shè)用地的人機交互解譯，能夠滿足建設(shè)用地面積統(tǒng)計分析的需要，但是投入的人力和時間較多。通過對該試驗區(qū)近10年的新增建設(shè)用地面積及個數(shù)的統(tǒng)計與分析，得出實驗區(qū)的建設(shè)用地增長率與該地區(qū)的整體規(guī)劃相符合；在京津冀一體化相關(guān)政策的影響下，使得實驗區(qū)未來的發(fā)展規(guī)劃更加合理。

Landsat；建設(shè)用地；遙感解譯；京津冀一體化

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程步伐的加快，我國城鎮(zhèn)的建設(shè)用地面積逐年擴張。由于遙感影像[3]覆蓋范圍大，能夠及時、客觀、周期性地獲取地表信息。因此可以利用衛(wèi)星影像進行建設(shè)用地增加進行監(jiān)測，提取建設(shè)用地變化及空間分布信息[4]。文章結(jié)合Landsat系列數(shù)據(jù)對京津冀某實驗區(qū)進行了近十一年(2005～2015年)的建設(shè)用地面積及個數(shù)的統(tǒng)計與分析。經(jīng)統(tǒng)計分析實驗區(qū)的建設(shè)用地增長率符合該地區(qū)的總體規(guī)劃要求。通過運用遙感衛(wèi)星影像對該地區(qū)的監(jiān)測，為京津冀一體化的發(fā)展規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)，為政府的決策提供相關(guān)的科學(xué)依據(jù)，將對城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)介紹

文章采用的是2005年至2015年Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，影像的景號及成像時間如表1所示。

Landsat7ETM+影像數(shù)據(jù)具有8個波段，band1-band5及band7是空間分辨率為30m的波段，band6的空間分辨率為60m，band8是全色波段，空間分辨率為15m[5]。Landsat8OLI成像儀包括9個短波譜段其成像寬幅為185x185km。全色波段地面分辨率為15m，其它譜段地面分辨率為30m。OLI成像儀在保留ETM+短波譜段的基礎(chǔ)上，又新增了2個新波段分別為波段1觀測海岸帶氣溶膠和波段9觀測卷云[6]。

表1 數(shù)據(jù)信息表

2 技術(shù)流程和數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 技術(shù)流程

根據(jù)Landsat系列數(shù)據(jù)的特點及實驗區(qū)的具體情況制定技術(shù)流程圖，詳細(xì)見圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 去條帶處理

2003年5月31日，由于Landsat7ETM+的機載掃描行校正器ScanLines Corrector突然發(fā)生故障，因此2003-5-31日之后Landsat7的所有數(shù)據(jù)都是異常的，需要采用SLC-off模型校正[7]。針對Landsat ETM SLC-off條帶丟失的遙感影像，利用縫隙填充的方式進行差值，彌補缺失的數(shù)據(jù)部分。首先設(shè)置影像條帶處的無效值為0值，然后利用Mask Function進行掩膜運算，對于0值的區(qū)域，利用鄰域統(tǒng)計算法去除這些無效值。文章所用的Landsat7數(shù)據(jù)均用Landsat ETM SLC-off條帶修復(fù)模型，進行了去條帶處理。

2.2.2 波段組合

針對建設(shè)用地的紋理及色調(diào)特點，對于Landsat7數(shù)據(jù)采用321真彩色波段組合方案，Landsat8數(shù)據(jù)采用432自然真彩色波段組合方案。針對兩種數(shù)據(jù)的波段特點及不同組合方案進行了介紹，詳細(xì)見表2。

表2 波段組合方案及用途

2.2.3 融合與裁切

影像融合是將影像數(shù)據(jù)按照一定的算法或規(guī)則進行處理,獲得具有更豐富的空間、光譜和時間信息的處理過程。

文章經(jīng)過多種融合結(jié)果對比分析，效果更接近自然真彩色的方法是利用ENVI進行Gram-Schimdt Spectral Sharpening融合方法[8]?；贕ram-Schimdt算法的圖像融合方法既能使融合影像保真度較好，計算又簡單。采用GS光譜銳化方法(Gram-Schimdt Spectral Sharpening)的融合圖像與原圖相比均值差異較小，GS變換融合方法能在提高空間信息的同時又保證高保真的光譜信息，而且變換同一地物的波譜曲線形狀沒有發(fā)生明顯變化[9]。

影像裁切是為了提高作業(yè)效率，縮小提取建設(shè)用地的范圍，降低成本。本次研究利用實驗區(qū)范圍邊界外擴1km，對鑲嵌后DOM進行裁切處理，形成該實驗區(qū)的正射影像圖。

3 建設(shè)用地變化信息提取及解譯方法

3.1 信息自動提取

建設(shè)用地的提取從NDVI中得到啟發(fā)，在TM4與TM5兩波段之間，除了城鎮(zhèn)灰度值變大，其他地類值均變小。因此在其研究成果的基礎(chǔ)上提出了NDBI(歸一化建筑指數(shù))：NDBI=(TM5- TM4)/(TM5+TM4)，影像上NDBI值大于0的位置即建設(shè)用地。為了使自動解譯的建設(shè)用地的值在-1和1之間，將上述NDBI公式改寫為NDBI=fix((float(TM5)- TM4)/(TM5+TM4)*10000)。圖2為運用ENVI軟件對實驗區(qū)2015年1月10日Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)進行NDBI自動提取結(jié)果，右圖中白色為建設(shè)用地。

圖2 2015年實驗區(qū)遙感影像圖和自動解譯圖

Landsat系列數(shù)據(jù)分辨率為15 m，基于ENVI軟件的對該數(shù)據(jù)進行的建設(shè)用地，可以用來進行建設(shè)用地識別，考慮到準(zhǔn)確性不建議進行建設(shè)用地面積的統(tǒng)計工作。由于分辨率較低的影像受混合像元的影響較大，影響統(tǒng)計結(jié)果的參考價值，對于中低分辨率的影像統(tǒng)計建設(shè)用地面積不建議運用自動解譯方法提取，若有高分辨率影像可以嘗試，對比分析后再投入大批量的生產(chǎn)項目中。

3.2 人機交互解譯

建設(shè)用地類別參照國家土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2007)。建設(shè)用地是指建造建筑物、構(gòu)筑物等的土地，是指城鄉(xiāng)住宅和公共設(shè)施用地，工礦用地，能源、交通、水利及通信等基礎(chǔ)設(shè)施用地，旅游用地以及軍事用地等。土地利用類型包括居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、教育用地、娛樂用地、林業(yè)用地及農(nóng)業(yè)用地[10]。

傳統(tǒng)的基于單個像元光譜信息提取方法主要有監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、決策樹信息提取方法等。宏觀地物信息的提取主要包括建設(shè)用地、林草地、耕地、水體、道路等研究對象信息提取?；鞠裨奶卣髯R別分析，不能充分考慮影像中地物的空間分布、紋理以及形狀等的特征信息[11]。本次研究采用人工交互式解譯的方式進行實驗區(qū)的建設(shè)用地變化統(tǒng)計分析工作。

4 結(jié)果與分析

首先以2005年03月11日該實驗區(qū)的Landsat7遙感影像為基準(zhǔn)，對該實驗區(qū)進行建設(shè)用地現(xiàn)狀信息提取。然后運用2005年提取的建設(shè)用地圖斑作為已有建設(shè)用地，疊加在2006年該實驗區(qū)正射影像圖，借助ArcGIS[12]平臺，通過卷簾的方式進行2006年新增建設(shè)用地的提取工作。同樣進行2007～2015年該實驗區(qū)的年度新增建設(shè)用地圖斑提取工作。其中2013～2015年遙感影像是Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

4.1 面積統(tǒng)計

由于影像分辨率為15 m，受到混合像元、影像清晰度以及解譯人員對地類的判讀能力等多方面因素影響，經(jīng)過多次檢查后，最終得出交互式解譯年度新增建設(shè)用地面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖3 年度新增建設(shè)用地面積統(tǒng)計圖

結(jié)合2005年對實驗區(qū)進行的建設(shè)用地現(xiàn)狀提取面積統(tǒng)計，以及交互式解譯年度新增建設(shè)用地面積統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，對2006年至2015年該實驗區(qū)年度新增建設(shè)用地面積增長率統(tǒng)計如圖4所示：

圖4 新增建設(shè)用地增長率

4.2 變化分析

實驗區(qū)近10年(2006～2015年)新增建設(shè)用地個數(shù)如表3所示。

表3 年度新增建設(shè)用地個數(shù)統(tǒng)計表

通過上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，該試驗區(qū)分別在2007年、2013年和2015年出現(xiàn)明顯的建設(shè)用地面積迅速增長的趨勢。

結(jié)合相關(guān)資料顯示，該地區(qū)建設(shè)用地增加的主要原因有：(1)受到周邊城市流動人口的影響，導(dǎo)致居住人口增加；(2)受到當(dāng)?shù)胤績r的影響，隨著相關(guān)政策的頒布、房價波動從而影響人們的消費觀念；(3)受到交通情況的影響，隨著實驗區(qū)與京、津兩城市的交通條件的改善，人們會選擇距人口密集區(qū)較遠(yuǎn)的地區(qū)居住。

5 結(jié)論

(1)運用中低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行建設(shè)用地自動解譯精度不能滿足建設(shè)用地面積統(tǒng)計分析的需要，人機交互能夠滿足精度要求但是投入的人力和時間較大。因此有待開發(fā)能夠滿足統(tǒng)計分析需求的遙感影像自動解譯軟件。

(2)通過對實驗區(qū)近十年建設(shè)用地面積及個數(shù)的統(tǒng)計與分析，實驗區(qū)的建設(shè)用地增長率與該地區(qū)的整體規(guī)劃相符合。在京津冀一體化相關(guān)政策的影響下，實驗區(qū)未來的發(fā)展會更加合理。

[1] Yuyao Ye,Hongou Zhang,Kai Liu,Qitao Wu.Research on the influence of site factors on the expansion of construction land in the Pearl River Delta,China:By using GISand remote sensing[J].International Journal of Applied Earth Observation sand Geoinformation,2013,21:.

[2] Tao Liu,Hui Liu,Yuanjing Qi.Construction land expansion and cultivated land protection in urbanizing China:Insights from national land surveys,1996-2006[J].Habitat International,2014,:.

[3] 孫飛,徐世武,吳信才，等.高精度建設(shè)用地變化自動提取技術(shù)在土地督察中的應(yīng)用[J].國土資源遙感,2015(04):131-137.

[4] 王曉峰,傅伯杰,蘇常紅，等.西安市城鄉(xiāng)建設(shè)用地時空擴展及驅(qū)動因素[J].生態(tài)學(xué)報,2015,21:7139-7149.

[5] 唐海蓉,向茂生,朱敏慧.LANDSAT7圖象系統(tǒng)級幾何校正算法研究[J].中國圖象圖形學(xué)報,2003,8(9)：1008-1014.

[6] 初慶偉,張洪群,吳業(yè)煒，等.Landsat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用探討[J].遙感信息,2013,28(4)：110-114.

[7] 何報寅,丁超,楊小琴，等.LANDSAT7 ETM+SLC-OFF數(shù)據(jù)的修復(fù)及其在武漢東湖水質(zhì)反演中的應(yīng)用[J].長江流域資源與環(huán)境,2011,20(1)：90-95.

[8] 劉會芬,楊英寶，于雙，等.遙感圖像不同融合方法的適應(yīng)性評價—以ZY-3和Landsat8圖像為例[J].國土資源遙感,2014,26(4):63-67.

[9] 于海洋,閆柏琨,甘甫平，等.基于Gram Schmidt變換的高光譜遙感圖像改進融合方法[J].地理與地理信息科學(xué),2007,23(5): 39-42.

[10] 趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法(第二版)[M].科學(xué)出版社,2013.

[11] 王榮.高分辨率遙感影像信息提取方法的研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2013.

[12] 賈坤,李強子,田亦陳，等.遙感影像分類方法研究進展[J].光譜學(xué)與光譜分析,2011(10):2618-2623.

Investigation on the Extraction Dynamic Change of Land for Construction by Landsat Data

YAO Yue1 2,ZHU Da-ming1,LI Xiao-hua3

(1.KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,650093,China;2.HebeiPuGuanGeographicInformationTechnologyco.,LTD,Sanhe,065201,China;3.ExplorationUnitofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Sanhe,065201,China;)

This paper based on one area of Beijing-Tianjin-Hebei for using the Landsat image to interpret the land for construction[1]from 2005 to 2015 11years by ArcGIS platform.Low resolution satellite data’s human computer interactive interpretation may reach the accuracy requirement of statistical analysis,but it should be cost a lot of labor and time.First,it interpreted the land for construction of the area from 2005to 2015 11years by ArcGIS platform; second,it researched the statistical area and analysis data of each year between 2005and 2015 years; finally,it obtained growth rate of the land for construction[2].In brief,the statistical analysis about land for construction of the area is consistent with the overall planning.Under the policy of Beijing-Tianjin-Hebei integration,the future development and planning of the area will be better.

Landsat; land for construction; remote sensing interpretation; Beijing-Tianjin-Hebei integration

2016-08-27

國家自然科學(xué)基金(40661012)；云南省自然科學(xué)基金項目(2000D0005Q，2004D0007Q)；云南省自然科學(xué)基金(2007D042M)

姚月(1987-)，女，遼寧葫蘆島人，碩士，昆明理工大學(xué)助理工程師，主要從事遙感測繪技術(shù)方面的研究。E-mail：738176987@qq.com

P237

A

1672-7169(2016)05-0111-05