徐州市城区土地利用变化的卫星遥感动态监测.pdf

第3 3 卷第5 期 2 0 0 4 年9 月 中国矿业大学学报 l o u t n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g 。T e c h n o l o g y V 0 1 ．，3 3N o ．5 S e p ．．2 0 0 4 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 2 8 0 5 徐州市城区土地利用变化的卫星遥感动态监测 陈龙乾r ，郭达志1 ，胡召玲z ，盛业华1 ，张海荣1 1 。中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．徐州师范大学城市与环境学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要运用1 9 8 7 ，1 9 9 4 和2 0 0 0 年三期卫星遥感T M 图像，结合M a t l a b 软件技术，编制了相应时 期徐州市城区土地利用结构变化图，土地利用类型分为建成区、耕地、林地、水体、塌陷地和其他 土地等6 类；提取了土地利用结构转移变化的矩阵信息．；综合分析了土地利用结构的动态变化特 征．结果表明，徐州城市扩展迅速，建成区在不断扩大，2 0 0 0 年建成区是1 9 8 7 年的2 倍多；城市 扩展占用的耕地和林地数量大，特别是耕地，而且建成区一旦形成就难以逆转． 关键词徐州；城区；土地利用；遥感；动态监测 中图分类号T P7 9 ；F3 0 1 ．2文献标识码A D y n a m i cM o n i t o r i n go nL a n dU s eC h a n g eo f X u z h o uU r b a nA r e aU s i n gS a t e l l i t eR e m o t eS e n s i n gD a t a C H E NL o n g q i a n l ，G U OD a z h i l ，H UZ h a o l i n 9 2 ，S H E N GY e h u a l ，Z H A N GH a i I ’o n 9 1 1 ．S c h o o lo fE n v i i ’o n m e n ta n dS p a t i a lI n f o r m a t i c s ，C U M T ，X u z h o u ，l i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fU I b a na n dE n v i i o n m e n t a lS c i e n c e ，X u z h o uN o r ’m a lU n i v e r ’s i t y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t B yu s eo fL a n d s a tT h e m a t i cM a p p e r ’ T M i m a g e so fX u z h o ui n1 9 8 7 ，1 9 9 4a n d2 0 0 0 ， a sw e l la sM a t l a bs o f t w a v et e c h n o l o g y ，t h ec h a n g em1 a p so fl a n du s e s t r U C t U r eo t t h e i r 。r e l e v a n t p e r i o d so fi t sU r b a na l e aw e t - ec o m p i l e d ．T h et y p e so fl a n du s ew e t - ec l a s s i t i e d6k i n d s t h e c o n s t r u c t i o na r e a ，c u l t i v a t e dl a n d ，f o r e s t l a n d ，b o d yo fw a t e rr ，s u b s i d e dl a n df r o mc o a lm i n ea n dt h e o t h e r 。l a n d ．T h ec o n v e r s i o nm a t t - i xo fI a n du s eS t r u c t u r ea b o u tt h ed i f f e r - e n tt e m p o r a le l a s s i f i e dT M i m a g e sw a si n t e r p r ’e t e d ．T h e c h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cc h a n g eo fl a n du s ew e t ’ea n a l y z e d c o m p r ’e h e n s i v e l y ．T h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eu r - b a ni nX u z h o uw a se x p a n d e dr a p i d l y ，i t S c o n s t r ’u c t i o na i e aw a sb e i n ge x t e n d e dc o n t i n u o u s l y ．I t sa r e ai n2 0 0 0w a so v e r t w i c ea sm u c ha st h a t i n1 9 8 7 ，a n dU I b a ne x p a n s i o no c c u p i e dav a s ta m o u n to fc u l t i v a t e dl a n da n df o r e s t l a n d ，e s p e c i a l l y c u l t i v a t e dl a n d ．B u tt h ef O l m e dc o n s t r - u c t i o na r e ai st O Oh a t dt O c o n v e i ti n t oo t h e ru s et y p e ． K e yw o r d s X u z h o u ；U I ’b a na r e a ；l a n du s e ；r e m o t es e n s i n g ；d y n a m i cm o n i t o r i n g 随着2 0 世纪6 0 年代遥感技术的兴起，使得土 地动态变化监测成为可能[ 1 ‘2 ] ，并成为土地利用变 化研究不可缺少的重要技术手段E 3 - 6 ] ．本文运用多 时相卫星遥感T M 图像，并结合M a t l a b 矩阵实验 室 技术，刘徐州市城区土地利用结构的动态变化 状况进行了监测和分析，旨在为徐州城市的进一步 扩展和规划提供理论依据． 徐州市位于江苏省的西北部，地处苏、鲁、豫、 皖四省交界，为全国重要水陆交通枢纽和东西、南 北经济联系的“十字路口”．徐州原名彭城，始于帝 尧时期．徐州西矿区紧邻徐州市区，矿区已有1 0 0 多年的煤炭开采历史．虽然徐州不是因煤炭资源开 收稿日期2 0 0 3 1 0 3 1 基金项目国家自然科学基金项目 4 9 8 7 1 0 6 9 ；江苏省自然科学基金项目 B K 2 0 0 2 1 1 7 ；中国博士后科学基金项目 2 0 0 4 0 3 5 0 6 作者简介陈龙乾 1 9 6 4 一 ，男，江苏省卑宁县人，中国矿业大学副教授，工学博士 博士后 ，从事资源环境监测与管理方面的研究 万方数据 第5 期陈龙乾等徐州市城区土地利用变化的卫星遥感动态监测 5 2 9 发而兴起的城市，但矿区煤炭资源的开采从经济、 社会、环境等方面对徐州城市的发展带来一定正、 负效应的影响作用是不可否定的．可以说，徐州既 不是完整意义上的矿业城市，又不是同矿业无关的 非矿业城市，而是两者兼有的城市．因此，研究其城 市‘土地利用结构动态变化状况有其特殊意义和理 论价值． 1图像处理和分类精度 1 ．1图像处理 采用L a n d s a t T M 轨道号为1 2 2 3 7 的三期遥 感图像作为数据源，时间分别为1 9 8 7 0 9 - - 1 9 ，1 9 9 4 - 0 9 一0 6 和2 0 0 0 0 9 ．一1 4 ，天气状况均为无云．以徐州 市1 9 7 9 年1 5 万的地形图为基准，采用加拿大阿 波罗公司遥感图像处理软件P C I 6 ．0 版对3 个时相 遥感图像进行几何纠正、图像分类等工作．重抽样 时对3 个时相遥感图像取像元的大小均为3 0 3 0 m ．在经过最终分类的1 9 8 7 年，1 9 9 4 年和2 0 0 0 年 遥感图像上，通过目视判读的方法确定位置相同的 徐州城市区域研究范围，确定时将城市边缘区的 东、西、南、北方向的连片扩展范围全部包括在内， 大小均为8 0 0 8 0 0 像元．将研究范围图像裁剪出 来，即每幅图像的大小为6 4 万个像元，长、宽均为 2 4k m ，面积5 7 6k m 2 ，并利用P C I 对图像分类信息 进行自动提取． 1 ．2 分类精度 图像分类采用监督分类法，分类的土地类型为 建成区、耕地、林地、水体、塌陷地和其他土地等6 类．精度问题是当前国内外土地利用动态监测中普 遍关注的核心问题[ 7 。8 | ，因此，为使T M 遥感图像的 土地分类数据能够反映城区土地利用结构变化的 实际状况，对监测结果精度 准确率 给出确切有效 的评价，是十分必要的．对1 9 8 7 ，1 9 9 4 和2 0 0 0 年3 个时相遥感图像的训练样区进行试分类，其混淆矩 阵的总准确率评价结果依次是9 5 ．5 6 ％，9 6 ．8 4 ％ 和9 4 ．8 0 ％，平均为9 5 ．7 3 ％．某～日寸相总准确率表 示该时相各类型训练区样本像元被分到本身训练 区．类型的像元之和，占泼时相各类型训练区样本像 元总数的百分率．可见，3 个时相监督分类的总准 确率均在9 0 ％以上．研究认为分类的总体准确率 达到9 0 ％时[ 9 ] ，其分类精度就能满足要求，可知3 个时相遥感图像监督分类的精度满足要求． 2 土地利用结构变化情况 徐州市城区19 8 7 2 0 0 0 年土地利用结构及动 态变化情况如表1 所示．可见，城区土地利用结构 变化较大，主要表现在建成区、耕地、塌陷地等3 种 土地变化上，林地、水体和其他土地变化不大．从占 研究区域的面积百分率看，建成区在不断扩大， 2 0 0 0 年建成区是1 9 8 7 年的2 倍多；塌陷地亦在逐 渐增加；而耕地则在不断下降．从面积变化的绝对 量来看，2 0 0 0 年建成区比1 9 8 7 年净增加85 9 5 ．9 9 h m 2 ，而2 0 0 0 年耕地则比1 9 8 7 年净减少75 9 4 ．5 6 h m 2 ．可见，在城市‘区域，建成区扩展较快；而耕地 则相反，减少较快． 表11 9 8 7 r 一2 0 0 0 年土地利用结构及动态变化 T a b l e1 L a n du s es t r u c t u r ea n dd y n a m i cc h a n g ei n1 9 8 7 ，1 9 9 4 ，2 0 0 0 表2 给出了城区1 9 8 7 2 0 0 0 年土地利用结构 动态变化率．可见，1 9 9 4 - - 2 0 0 0 年建成区年增加变 化率比1 9 8 7 1 9 9 4 年大，两者年扩展速率分别是 1 0 ．3 1 ％和5 ．6 1 ％，即i 9 9 4 - - 2 0 0 0 年的城市扩展 速度接近1 9 8 7 1 9 9 4 年的2 倍．而2 0 0 0 年的耕地 则比1 9 8 7 年降低2 5 ．2 2o A ，尤其是1 9 9 4 - - 2 0 0 0 年 减少的多，年降低率为3 ．5 4 ％，是1 9 8 7 1 9 9 4 年 的年降低率1 ．0 6o A 的3 倍多．城区各时相遥感图 像建成区提取状况如图1 所示． 万方数据 5 3 0中国矿业大学学报 第3 3 卷 表219 8 7 2 0 0 0 年土地利用结构动态变化率 T a b l e2D y n a m i cc h a n g er a t eo fl a n du s es t r u c t u r ei n19 8 7 ，19 9 4 ，2 0 0 0 土地类型 建成区 耕地 林地 水体 塌陷地 其他土地 a 1 9 8 。7 年C o 1 9 9 4 年 c 2 0 0 0 年 3 土地利用转移矩阵 图1徐州建成区．提取图 F i g ．1M a po ft h eC O l “ l S t r u c t i o na i e ao fX u z h o u 示．表中行数据表示研究期初该土地利用类型转变 为研究期末别的土地类型的数量，列数据表示研究 目前对不同时期T M 图像进行土地利用类型 期初别的土地利用类型转变为研究期末该土地类 转移变化情况的分析，多是利用G I S 求出土地利 型的数量．可见，1 9 8 7 1 9 9 4 年和1 9 9 4 - - 2 0 0 0 年 用类型的转移矩阵m ] ．这里用M a t l a b 软件技术对 的两个时段转变为建成区的土地类型主要是耕地、 分类的不同时相T M ．遥感图像栅格数据进行土地其他土地和林地，比较可以看出，1 9 9 4 - - 2 0 0 0 年转 利用转移变化矩阵信息的提取．变成建成区的耕地、其他土地和林地均比1 9 8 7 一 在M a t l a b 软件平台上编程叉寸徐州市城区3 个1 9 9 4 ．年的多．而且，在转变成建成区的耕地、其他 时相T M 遥感分类图像进行图像灰度差值分析和土地和林地等土地中，耕地又是转变成建成区最多 得出各种土地利用类型的转移变化矩阵如表3 所 的土地． 表31 9 8 7 - - 2 0 0 0 年土地利用转移矩阵变化量 h m 2 T a b l e3L a n du s ec o n v e r s i o nm a t r i xc h a n g ef r o m19 8 72 0 0 0 土地类型 建成区 耕地 林地 水体 塌陷地 其他土地 1 9 8 7 1 9 9 4 年．1 9 9 42 0 0 0 年 建成区耕地林地水体塌陷地 其他土地，建成区耕地林地 水体 塌陷地其他土地 5 ．3 l 3 ．4 21 0 3 5 、37 81 3 9 ．5 0 19 3 8 ．5 17 ．9 21 01 71 8 5 4 91 1 3 ．．8 546 3 9777 82 11 2 ．4 22 8 4 ．6 74 4 0 ，1 9 1 6 2 4 55 1 ．| 3 05 0 ．7 64 5 32 4 8 3 ．0 7 68 4 72 041 41 5 ．5 7 3 6 ．I7 23 1 ．．4 15 5 ，6 25 6 4 31 6 ．1 1．1 1 28 6 3 1 4 ．6 41 5 ．6 63 4 ．7 45 2 ．2 0 。11 4 5 ．6 12 ．2 5 ， 2 4 ．3 9 此外，在1 9 8 7 1 9 9 4 年和1 9 9 4 2 0 0 0 年两个 时段中又有一定数量的耕地、林地等土地转变成其 他土地．耕地转变成其他土地主要是因为耕地转变 为开发区后尚没有及时建成建筑物的土地，而林地 转变成其他土地主要是_ - 些山林被开发成居住小 区尚没有及时建成建筑物和正在施工或因开山取 石而成的裸露土地等．1 9 9 4 2 0 0 0 年有1 4 3 ．2 8 h m 2 建成区转变成其他土地，主要是旧城改造扩大 城市绿地 革地 所至，这和实际情况相符． 根据表1 和表3 数据的进一步分析和计算，可 得各土地类型的总转移变化情况如表4 所示．可以 看出，1 9 8 7 2 0 0 0 年城区建成区转出的比例很低， 说明建成区一旦建成就难以转变成别的土地．而由 别的土地转变成建成区的数量则较大，所占比例也 较高，这进一步说明建成区面积扩展较快，特别是 1 9 9 4 2 0 0 0 年城市扩展的速度比1 9 8 7 - - 1 9 9 4 年 ‰毒囊一一靴一n蛎弛％虬“ 衅巫曩珈曩吨莲篓硝 万方数据 第5 期陈龙乾等徐州市城区土地利用变化的卫星遥感动态监测5 3 1 更快．而对于耕地来说则相反，即转入的土地数量持续不断地减少，而且1 9 9 4 - - 2 0 0 0 年耕地减少的 很少，转出的土地数量较大．说明城区耕地面积在速度比1 9 8 7 1 9 9 4 年的快． 表419 8 7 2 0 0 0 年土地利用转移变化总量分析 T a b l e4T o t a lo fl a n du s ec o n v e r s i o nc h a n g ef r ‘o m19 8 7 - - 2 0 0 0 4土地利用结构动态变化的综合分析 4 ．1建成区扩展占用的土地类型主要是耕地 根据表3 的数据并计算，得到研究区两个时段 转入建成区的土地类型状况如表5 所示．可见，各 种土地类型均不同程度地向建成区转变，以耕地为 主，其他土地和林地次之，水体和塌陷地则较少．对 于耕地来说，虽然在后一时段转入建成区面积中所 占比例比前⋯时段有所下降，但仍在7 0 ％以上． 表5 转入建成区的土地类型状况 T a b l e5S t a t u so fl a n dt y p e sc o n v e r t e di n t oc o n s t r u c t i o na r 。e a 土地类型i 丽历翥笋二坐竺{ } i 孺孑三警竺兰‰ 总计 面积／h m 2比例／％ 耕地 林地 水体 塌陷地 其他土地 小计 7 8 8 3 6 ．6 1 02 8 14 9 1 2 ．8 0 1 0 0 7 36 6 7 ．2 0 0 ．0 7 09 0 1 8 ．1 9 1 0 0 7 5 ，1 l 7 一0 3 01 3 10 6 1 66 7 1 o o 4 ．2 建成区转变为别的土地类型中没有耕地 根据表3 的数据并计算，得到建成区转变后的 土地利用方向如表6 所示．可见，建成区转变为别 的土地利用类型只有3 种，即林地、塌陷地和其他 土地，没有耕地，林地亦只在1 9 8 7 1 9 9 4 年有5 ．3 1 h m 2 ．建成区向塌陷地转变是由于建筑物下采煤塌 陷所至，不过量很少，1 9 8 7 2 0 0 年间总共只有 7 ．2 0h m 2 ；转变为其他土地则是建成区转变为草地 城市绿地 ，这是建成区转变的主要方向，到2 0 0 0 年共有1 4 9 ．8 5h m 2 建成区转变为城市绿地，这大 大改善城市环境状况． 表6 建成区转变后的地利用方向 T a b l e6L a n du s ed i r e c t i o na f t e rc o n s t r u c t i o na r ’e ac o n v e r t e d 土地类型1 磊万毒爹生墨塑竺鼍矿1 丽孑未爹 兰％ 望塑 面积／h m z比例／％ 4 ．3 建成区扩展而损失的耕地和林地数量大 将表5 和表6 有关数据进行综合并计算其差 值如表7 所示．可见，两个时段由耕地演变为建成 区的土地面积均较大，而建成区向耕地演变的数量 为0 ，则1 9 8 7 2 0 0 0 年因建成区扩展共损失耕地 65 7 8 ．2 8h m 2 ．林地损失也较大，共有6 1 0 ．3 8h m 2 林地因城市扩展而损失． 表7 耕地、林地在建成区中演变状况 T a b l e7S t a t u so fe v o i u t i o na b o u tc u l t i v a t e dl a n d a n df o r e s t l a n di nc o n s t r - u c t i o na r e ah m 2 万方数据 5 3 2中国矿业大学学报第3 3 卷 5 结论 本文运用多时相卫星遥感T M 图像，并结合 M a t l a b 软件技术，对徐州市城区土地利用结构动 态变化状况和特征进行了监测和分析．研究表明 徐州城市扩展迅速，建成区在不断扩大，2 0 0 0 年建 成区是1 9 8 7 年的2 倍多；城市扩展占用的耕地和 林地数量大，特别是耕地，而且建成区一旦形成就 难以逆转． 参考文献 [ 1 ] K w a i t e n gAY ，C h a v e zPS ．C h a n g ed e t e c t i o ns t u d y o fK u w a i tc i t ya n de n v i r o n m e n t su s i n gm u l t i r t e m p o z ’a l l a n d s a tT Md a t a [ I ] ．I n t e i ’n a t i o n a lJ o i n 、n a lo fR e m o t e S e n s i n g ，1 9 9 8 ，1 9 9 1 6 5 1 1 6 6 2 ． r 2 ] C a r - l s o nTN ，S a n c h e z A z o f e i f aGA ．S a t e l l i t er e m o t e s e n s i n go fl a n du s ec h a n g e si na n da r o u n dS a n ．J o s e ， C o s t aR i c a [ J ] ．R e m o t eS e n s i n go fE n v i r o n m e n t ， 1 9 9 9 ，7 _ O 3 2 4 7 2 5 6 ． [ 3 ] A b i g a i lA ，B e t ’n a r ’dM ，M a u dL ．A s s e s s i n gf a r m l a n d d y n a m i c sa n dl a n dd e g I 。a d a t i o no nS a h e l i a nl a n d s c a p e s u s i n gr e m o t e l ys e n s e da n ds o c i o e c o n o m i cd a t a [ J ] ． I n t e r ’n a t i o n a l ．J o u r 。n a lo f G e o g r a p h i c a lI n f o r m a t i o n S c i e n c e ，2 0 0 0 ，1 4 6 5 8 3 5 9 9 ． [ 4 3 B a b a n 、SMJ ，Y u s o fKW ．M a p p i n gl a n du s e ／c o v e r d i m ’i b u t i o no nam o u n t a i n o u st r o p i c a li s l a n du s i n g r e m o t es e n s i n ga n dG I S [ J ] ．I n t e r ’n a t i o n a lJ o i n n a lo f R e m o t eS e n s i n g ，2 0 0 1 ，2 2 1 0 t 9 0 9 - 1 9 1 8 ． “ F s ] 史培军，潘耀忠，陈晋，等．深圳市土地利用／覆盖 变化与生态环境安全分析[ ．I ] ．自然资源学报，1 9 9 9 ， 1 4 4 2 9 3 2 9 9 ． S h iPJ ，P a nYZ ，C h e n ，，e ta 1 ．L a n du s e ／c o v e r ’ c h a n g ea n de n v i r o n m e n t a ls e c u r i t yi nS h e n z h e nr e g i o n [ ．T ] ．．1 0 r e - n a lo fN a t u r a lR e s o u r c e s ，1 9 9 9 ，1 4 4 2 9 3 2 9 9 ．． [ 6 ] 刘慧平，陈志军，温良，等．城市扩展的土地动态监 测[ ．T ] ．北京师范大学学报 自然科学版 ，1 9 9 9 ，3 5 2 2 7 8 2 8 2 ． L i uHP ，C h e nZJ ，W e nL ，e ta 1 ．L a n du s e m o n i t o r ’i n gi nt h eU I b a ne x p a n s i o n [ I ] ．．J o u r n a lo f B e i j i n gN o r m a lU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c e ，1 9 9 9 ， 3 5 2 2 7 8 2 8 2 ． [ 7 ] M a c l e o dRD ，C o n g a h o nRG 。AQ u a n t i t a t i v ec o r n p a r ’i s o no fc h a n g e d e t e c t i o na l g o r i t h m sf o Im o n i t o r i n g e e l g r a s s f r o m r e m o t e l y s e n s e d d a t a [ T ] ． P h o t o g I ’a m m e t I i cE n g i n e e I i n g ＆R e m o t eS e n s i n g ， 1 9 9 8 ，6 4 3 2 0 7 2 1 6 ． [ 8 ] 孙晓霞，张继贤，林宗坚．基于遥感影像的土地利用 动态监测精度评价方法[ J ] ．遥感信息，2 0 0 0 ， 4 6 2 6 4 ． S u nXX ，Z h a n gJX ，L i nZI ．E v a l u a t i o nm e t h o do f p i e c i s i o nf o r 。d y n a m i cm o n i t o r ’i n g o fl a n du s eb y r e m o t e s e n s i n g d a t a [ ．1 ] 。 R e m o t e S e n s i n g I n f O I m a t i o n ，2 0 0 0 ， 4 6 2 6 4 ． [ 9 ] 孙家捅，舒宁，关泽群．遥感原理、方法和应用 [ M ] ．北京测绘出版社，1 9 9 7 。3 2 4 3 3 3 ． [ 1 0 ]田光进，张增祥，王长有，等．基于遥感与G I S 的海 口市土地利用结构动态变化研究[ ，] ．自然资源学 报，2 0 0 1 ，1 6 6 5 4 3 - 5 4 6 ． T i a nGJ ，Z h a n gZX ，W a n gCY ，e ta l , D y n a m i c c h a n g eo fl a n du s es t i u c t u r ei nH a i k o ub yr e m o t e s e n s i n ga n dG I S E ．I ] 。．J o u r ’n a lo fN a t u r a lR e s o u r c e s ， 2 0 0 1 ，1 6 6 5 4 3 5 4 6 ． 责任编辑王玉浚 万方数据