(1.山東地質礦產學院，濟南250014；2.山東建築大學土木工程學院，濟南250101)
作者簡介:徐秋曉(1979—)，女，助理工程師，主要從事遙感、水文地質和環境地質勘查工作。
遙感技術和地理信息系統技術的發展為研究全球變化和可持續發展提供了信息源和技術手段。作為地球表層系統最突出的景觀標誌，土地利用變化是近年來全球變化研究的重要領域。本文以山東省龍口市為研究區域，應用基於遙感影像綜合理解模型的龍口市土地利用/土地覆蓋分類方法，建立地學規律知識庫，提取不同時期的土地利用類型。最後，利用地理信息圖監測和分析土地利用的時空變化。
關鍵詞:土地利用；遙感圖像；地學輔助信息；信息圖譜
遙感技術和地理信息系統技術的發展為研究全球變化和可持續發展提供了信息源和技術手段。作為地球表層系統最突出的景觀標誌，土地利用變化是近年來全球變化研究的重要領域。只有監測和分析土地利用的時空變化，更好地認識土地利用變化的過程和機制，調整人類社會經濟活動，才能使土地利用更加合理，保證國家宏觀戰略決策的針對性和有效性，才能達到土地可持續利用的目的。龍口作為中國較早的沿海城市，其土地利用變化具有代表性。
1研究區概況
龍口市位於膠東半島西北部，東臨蓬萊市，南接棲霞市和招遠市，西、北瀕渤海。東西最大水平距離46.08km，南北最大垂直距離37.43km。總土地面積(包括桑島和壹島)為893.32平方公裏
本研究區由1∶10000地形圖矢量化生成的研究區邊界切割遙感影像得到，作為遙感數據信息，面積為***89217.45hm2(不含桑島和壹島)。
2.基於遙感圖像綜合理解模型的龍口市土地利用/土地覆蓋分類。
圖像理解是通過計算機系統研究對圖像的解讀，從而實現與人類視覺系統相似的對外部世界的理解的學科。在圖像理解系統中，有兩個基本任務:從輸入圖像中提取適合模型的圖像結構或線索，然後完成輸入圖像中的圖像結構與模型中的目標之間的正確映射(周成虎，1999)。圖像理解不同於模式識別。模式識別通常只是簡單地根據預先定義的測量集對物體進行分類，而圖像理解需要對圖像進行描述和解釋，這就需要涉及不同處理層次的實體之間的交互(王潤生，1994)。
根據土地利用/土地覆蓋的分類特點，構建了基於GIS信息的遙感圖像綜合理解模型。該模型分為兩個過程，即遙感圖像理解過程和地理信息系統處理過程。這兩個過程的具體內容如下:
(1)遙感影像理解過程，主要完成遙感影像的預理解過程，包括以下過程:
1)遙感圖像預處理:包括圖像格式轉換、圖像校正和圖像增強變換。圖像格式轉換完成遙感圖像到REDAS軟件系統處理格式的轉換(-。img)；影像校正完成遙感影像的大氣校正、幾何校正、輻射增強、匹配和鑲嵌；遙感圖像信息增強和變換處理可以突出相關的專題信息。這次使用的主要方法有線性拉伸、K-T空間變換和邊界增強。
2)與地學輔助信息配準:主要完成遙感影像與地學輔助信息(各類專題GIS數據主要是坡度和高程)之間的坐標和投影系統轉換，使遙感影像和采用的地學輔助信息納入統壹的坐標和投影系統。
3)“訓練區”的選取與計算:通過對遙感影像信息特征的初步了解，結合地學輔助信息和實地調查，確定樣本“訓練區”。“培訓區”應該是典型的、可分離的。確定“訓練區域”後，計算“訓練區域”的數據，確定樣本的統計信息(均值、最大最小值、方差矩陣、協方差矩陣等。).
本次提取的土地利用類型為六種，分別是建築用地、耕地、水域、園地、林地和未利用地。采用AOI擴展法選擇訓練區域。使用該方法選擇訓練區域時，初始種子像素和光譜距離的閾值非常重要，任何訓練區域的初始種子和光譜距離的閾值都要經過多次實驗才能確定。這兩個參數在不同的土地類型中是不同的。壹般選擇2 ~ 3個訓練區域後，觀看告警屏蔽，立即修改調整這兩個參數。增加訓練區域時，及時疊加告警掩碼和之前的告警掩碼，判斷樣本數據的質量變化，並進行調整，直到告警掩碼與實際地面類更加壹致，即選擇了這類訓練區域。壹類地訓練結束後，需要對最終的訓練區域進行整體分析，以保證譜的純度。
(2)地理信息系統處理，在GIS系統的支持下，完成對地學輔助信息的處理，主要包括以下過程:
1)專題信息的介紹和預處理:收集地學輔助信息(包括各種專題信息和統計數據等。)通過地面調查或專家知識經驗，導入GIS系統完成輔助信息的預處理，包括各種矢量數據的數字化和編輯、拓撲關系的建立、統計數據的整理、地學編碼和統計數據的空間化等。
2)輔助數據的生成:利用前期處理的輔助數據，轉換各種數據格式，如矢量數據的柵格化、點統計數據的插值(IDW/克裏金等方法)生成面數據；最後，統壹坐標和投影系統，實現與遙感數據的配準。
3)建立各種地學輔助因子數據庫:在GIS軟件的支持下，基於上面生成的各種輔助數據，建立專題數據庫，形成地學輔助因子數據庫。
(3)知識庫的生成過程，即建立專家知識庫，主要是地學規律知識庫，包括以下過程:
1)知識獲取:通過對比遙感影像，進行實地調查，根據各種具有代表性的影像特征，調查該區域所有地貌條件下的土地利用/土地覆蓋、植被分布和生態環境狀況，獲取各種實用知識。
2)知識庫生成:對獲取的知識進行整理，概括總結各種規律，形成知識規則，通過對“訓練區”中的數據不斷訓練、修改、調試，最終形成地學規律知識庫。
土地覆被/土地利用類型對海拔有明顯的依賴性。根據研究區現有土地利用圖分析，建設用地和園地主要分布在海拔300m以下；大部分耕地分布在海拔150m以下；林地在不同海拔高度分布廣泛，10m以下林地主要為沿海防護林和公路綠化林地。海拔350m以上，僅分布林地，無其他土地類型。
坡度數據可用於區分壹些土地覆蓋/土地利用類型。根據實地調查結果，結合地形圖和現有土地利用現狀圖分析，建設用地、灌溉地和園地主要分布在坡度小於20°的區域，坡度大於10時灌溉地較少。因此，遙感數據的光譜特征也表現為綠色植被，在難以判斷是水澆地還是林地時，坡度數據是壹個有價值的參數。以下是幾種土地類型與海拔和坡度的詳細關系。
在這個分類知識庫中，專家規則以下列基本形式表示:
IF(條件)THEN(結論)，Confidence(結論可信度)
可靠度範圍為[0，1]，當值為0時，完全排除當前像素屬於給定類別的可能性；當值為1時，保持像素的原始可信度，當前結論始終成立。可信度可以通過地學經驗或專家打分來確定。
知識的表示和知識庫的構建要結合地學問題的研究特點。通過不斷修改和調試知識庫，圖像判讀結果基本達到人工目視判讀的效果。當可靠度的值為0時，排除當前像素屬於(結論)給出的類別的可能性；當值為1時，不應更改現有的可靠性值。這種表示方法既考慮了遙感圖像解譯的特點，又明顯減少了知識庫中規則的數量。這對於大數據量的遙感數據處理是極其重要的。以下是規則庫中的規則:
如果value = 1dem < 300，坡度< 20，則建設用地CF = 1。
如果值= 2 DEM < 50，坡度< 10，則灌溉土地CF = 1。
I值=3，則waters cf = 1
如果值= 4，DEM < 300，坡度< 20，則旱地CF = 1。
如果值= 5dem < 300，坡度< 20，則花園cf = 1。
如果值=6，則woodland cf = 1
否則，如果DEM > = 300或坡度> = 20，則林地cf = 1。
Elseif50 = < DEM < = 250，10 = < slope < 20，則garden cf = 0.5。
ELSE woodland cf = 1
本次分類結果精度評價采用分層隨機抽樣方法，主要參考龍口市土地利用現狀圖，結合目視解譯和實地核查結果，對兩期分類結果進行精度評價。通過直接查閱當年土地利用現狀圖，驗證各期遙感分類結果的準確性。由於遙感分類系統與土地利用現狀分類系統存在壹定的差異，因此在隨機抽樣前，應適當統壹遙感分類影像的土地利用類型分類和土地利用現狀分類。然後，每期遙感分類結果選取300個樣本點，每類保證10個以上的樣本點。采用基於誤差矩陣的精度評價方法對龍口市2003年和1989年的分類結果進行了評價。實際Kappa系數計算表明，龍口市1989和2003年土地利用TM遙感分類結果總體精度和用戶精度均在75%以上，Kappa系數在0.8以上，滿足最低允許判別精度0.7的要求。這些表明龍口市土地利用遙感分類結果較為理想，各類別分類精度也較高。
3龍口市土地利用時空變化分析
隨著地球信息科學的興起和發展，可供人們利用的資源極其豐富，信息處理技術也有了很大的提高，特別是動態可視化技術取得了新的突破。在這種需求和技術背景下，陳先生倡導在傳統地學地圖集的基礎上進行地學信息地圖集的探討和研究。地理信息圖譜是地理信息圖譜的自然延伸，是按照壹定的指標漸變規律或分類體系，能夠反映地理空間信息規律的壹組數字地圖、圖表、曲線或圖像。地理信息圖譜是“圖”和“譜”的結合，具有圖形和譜系的雙重特征。
本文采用的土地利用圖分析模型包括兩部分:①轉移矩陣，從中可以看出各時間序列單元內土地利用變化的主要類型和各類別的補給來源。②分析不同時間序列單元的土地利用圖，考察圖單元的空間組合和時空位移。
3.1傳遞矩陣
轉移矩陣在分析土地利用類型之間的流向方面具有重要作用，不僅可以定量解釋土地利用類型之間的相互轉化，還可以揭示不同景觀類型之間的轉移概率，從而更好地理解土地利用的時空演變過程。轉移矩陣包括轉移面積矩陣和概率矩陣。
表1 1 989 ~ 2003年土地利用轉移矩陣(單位:hm2)
註:R為各類土地利用類型的出讓比例(%)。
從表1可以看出，從1989到2003年，建設用地流轉面積為487.61hm2，占初始建設用地面積的3.62%，沒有明顯的流向。耕地用途流轉面積為17632.40hm2，占初始耕地面積的49.85%。主要流向為園地，占13835.82hm2，占初始耕地面積的39.11%，其次為建設用地，占3508.77hm2。水域流動面積為492.92hm2，占初始水域面積的8.72%，主要流向園地和林地，* * *占初始水域面積的比例為6.4%。花園的流水面積為1316.62hm2，占初始花園面積的7.89%。主要流向為建設用地，為759.25hm2，占初期園地面積的4.55%。林地用途流轉面積為1405.45hm2，占初始林地面積的10.45%，主要流向為建設用地，為624.64hm2，占初始林地面積的4.66%。未利用地利用出讓面積為2158.74hm2，占初始未利用地面積的47.24%。主要流向為園地，為1306.85hm2，占初始未利用地面積的28.60%，其次為林地和建設用地，* *與初始未利用地面積之比為65438+。
3.2土地利用信息圖
在圖集中，* * *有36種類型的圖集單元，即土地利用變化類型，其中30種顯示土地利用類型發生了變化，占研究區總面積的26.34%。為了更簡單明了地閱讀土地利用類型轉移的主要方向，了解土地利用變化的主要特征，對30類變化的圖單元按面積大小進行排序，計算各圖單元的轉換面積百分比和累計轉換百分比，統計出占總變化面積92.04%的10類圖單元，得到1989至2003年土地利用主要圖單元類型面積排序表(表
1989-2003年主要圖件單元土地利用類型面積排序表
從表2可以看出，從1989到2003年龍口市土地利用變化最顯著的結構特征是耕地向園地的轉化，該方向的耕地面積***13835.82hm2，占總變化面積的58.89%。其次是耕地轉化為建築用地，面積為3508.77hm2，占總變化面積的14.93%。第三是未利用地向園地的轉化，面積為1306.85 hm2，占總變化面積的5.56%。可以看出，研究期間龍口市土地利用類型主要流向建築用地和園地。
4結論
(1)本研究利用Landsat數據ETM++對龍口市土地利用進行了時空監測和分析，取得了良好的效果。然而，ETM ++影像的分辨率較低，主要反映壹些綜合性的土地利用信息。對於壹些土地利用圖件破碎、土地利用類型復雜的地區，難以提取地物，因此缺乏對土地利用變化的詳細監測。在今後的研究中，應結合高分辨率衛星影像，積極探索新的動態監測方法，充分利用這些高分辨率遙感數據，獲取更加可靠、準確的區域土地利用變化信息。
(2)如何充分利用GIS的空間數據庫提供的豐富地理輔助數據，進而自動發現知識，整合多尺度、多時相的高分辨率遙感數據，建立靈活高效的推理機制，從而完成遙感影像專題信息的自動提取，是進壹步的研究方向。
(3)“地理信息圖譜”是壹種新的學術思想，尚處於認識階段，認識還不是很成熟。需要更多的學者和更多的研究工作來提高對它的認識。本文認為，利用遙感技術研究土地利用演變與發展的信息圖譜，反演時空變化，進而認識客觀世界，揭示和再現過去，是壹種先進可行的技術途徑。
(4)研究結果表明，在1998 ~ 2003年期間，龍口市土地利用格局變化頻繁，變化強度大，矛盾突出。主要表現在耕地持續減少，園地和建築用地持續增長；其主要流向是從耕地流向園地和建築用地。這些變化導致龍口市耕地質量下降，利用率增強，給耕地保護帶來巨大壓力。因此，土地管理部門應註重宏觀決策，處理好社會經濟發展與土地儲備資源的關系，實施可持續發展。
參考
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