（土壤学专业论文）基于rs和gis的雅安市雨城区土地利用的时空变化研究.pdf

摘要 四川省雅安市雨城区是川西地区中、低山地形的代表。为研究1 9 9 3 年该地区土地 利用现状详查以来土地利用的时空变化，在r s 和g i s 技术支持下，对1 9 9 3 年土地利 用现状图和2 0 0 1 年l a n d s a t 5t m 遥感卫星图像进行处理和分析：使用e r d s a 软件处 理t m 图像，包括进行图像投影变换、采用三次多项式间接变换的方法对图像进行几 何纠正、通过主成分变换对图像进行增强处理、通过掩膜运算利用行政区划栅格图像 文件实现t m 图像的不规则裁剪、建立雨城区t m 影像的遥感判读标志、采用监督分 类获得2 0 0 1 年土地利用分类图；使用m a p i n f o 软件和a r e g l s 软件，将比例尺为1 ：5 万的1 9 9 3 年雨城区土地利用现状图及地形图的栅格图像进行纠正、配准、矢量化、拓 扑查错、文件转换、建立高程模型，并且进行叠加、统计等空间分析。 根据研究区地形地貌和土地利用的实际情况，以2 0 0 m 为一带，将全区分为第1 带 ( 5 0 0 m 7 0 0 m ) 、第带( 7 0 0 m 9 0 0 m ) 、第h i 带( 9 0 0 m 1 2 0 0 m ) 和第带( 1 2 0 0 m ) 四个子研究区。分别讨论各子研究区土地利用的时空变化。研究发现：( 1 ) 从雨城区 土地利用空间变化看，旱地数量随海拔高度的上升呈上升趋势，至第带地区急剧减 少；水田数量随海拔高度的上升呈减少趋势，但在第带地区数量有少许增加；灌木 林地和有林地的分布情况相似，数量均随海拔高度的增加呈上升趋势，但有林地上升 幅度更大；建设用地数量随海拔的升高而下降，但在其间有较小的波动。( 2 ) 从各子 研究区土地利用动态变化看，通过对各区域中各种土地利用类型的年变化率和相对变 化率的分析得知，1 9 9 3 年至2 0 0 1 年，雨城区土地利用总体的动态变化主要表现在耕地 向林地和建设用地转换，同时在四个子研究区中，第带的动态变化相对较大，而第 1 带和第带的动态变化则相对较弱。 经过调查分析，本研究认为地形地貌、水热条件等自然因素是雨城区土地利用覆 盖的基本影响因素，在一定程度上起决定性作用，而人口增长、经济发展、城镇建设 以及生态退耕等社会经济因素则是该地区土地利用发生时空变化的主导影响因素。因 此综合运用土地管理的各种手段进行合理的土地开发和利用，本着兼顾数量质量，保 护耕地、增加林地、控制建设用地的原则，施行合理规划、调整产业结构和农业内部 结构、改造中低产田等措施，是实现中低山地区土地可持续利用的有效途径。 关键词：遥感地理信息系统中低山地区士地利用时空变化 2 a n a l y s i so fs p a t i o - t e m p o r a lc h a n g eo fl a n du s eb a s e do n r sa n dg i si ny u c h e n gd i s t r i c to f y a a nc i t y z h a n gl i n g ( s o i ls c i e n c e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rd a n gl i a n g - j i ，p r o f e s s o rz h a n gs h i - m n g a b s t r a c t ：t h et e r r a i no fl o w - m i d d l em o u n t a i ni n y l l c h a n gd i s t r i c to fy i a ni s r e p r e s e n t a t i v ei nw e s t e r no fs i c h u a n p r o v i n c e i no r d e rt oa n a l y z et h es p a t i o t e m p o r a lc h a n g e o fl a n du s es t r u c t u r ei nt h i sd i s t r i c t ，t h i ss t u d yp r o c e s s e da n da n a l y z e dt h el a n du s em a p , t o p o g r a p h i cm a pa n d t h el a n d s a t - t mi m a g eb a s e do nt h et e c m o l o 盯o fr e m o t es e n s e ( r s ) a n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，i n c l u d i n gi m a g er e p r o j e c t , g e o m e t r i cc o r r e c t i o n , i m a g ee n h a n c e m e n t , p d y g o ns u b s e t , s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n , v e t o d z a t i o n ，i m a g e s u p e r p o s i t i o n ，s p a c ea n a l y s i sa n ds oo n a c c o r d i n gt ot h el o c a lt e r r a i na n dc o n d i t i o n , t h es t u d yd i 、，i d e dt h ew h o l ea r e ai n t of o u r s u b a r e a s ：s u b a r e ai ( 5 0 0 m 7 0 0 m ) ，s u b a r e ai i ( 7 0 0 m 9 0 0 m ) ，s u b a r e al l i ( 9 0 0 m 1 2 0 0 m ) ，a n d s u b a r e ai v ( 1 2 0 0 m ) d e s c r i b et h e s es u b a r e a sb yt h ee l e v a t i o n , a n dd i s c u s ss e p a r a t e l yt h e s a p t i o - t e m p o r a lc h a n g eo fl a n du s es t l a l e t u r ei ne a c hs u b a r e a 髓er e s u l t si n d i c a t e ：( 1 ) t h e q u a n t i t yo fd r yl a n di si n c r e a s i n gw i t ht h er i s eo fe l e v a t i o n , b u td e c r e a s es u d d e n l ya tt h e s u b a r e a ：t h eq u a n t i t yo f p a d d yf i e l di sd e c r e a s i n gw i t ht h er i s eo f e l e v a t i o n , b u ti n c r e a s ea l i t t l ea tt h es u b a r e ai h ；t h eq u a n t i t yo fs h r u b b e r yl a n da n df o r e s tl a n di sb o t hi n c r e a s i n gw i t h t h er i s eo f e l e v a t i o n ；t h ec h a n g et r e n do f t h ec o n s t r u c t i o nl a n dq u a n t i t yi sd e c r e a s i n gw i t ht h e r i s eo fe l e v a t i o nb u tt h e r ee x i s tl i t t l ew a v e ；( 2 ) t h ew h o l ed y n a m i cc h a n g ei ny u c h e n gd i s t r i c t i st h a tt h ec u l t i v a t e dl a n di sc h a n g e dt of o r e s tl a n da n dc o n s t r u c t i o nl a n d , a n dt h ed y n a m i c c h a n g ei ns u b a r e ai vi st h em o s td i s t i n c t , a n dc o m p a r a t i v e l yt h ed y n a m i cc h a n g ei ns u b a r e ai a n di ii sn o td i s t i n c t a c c o r d i n gt ot h ed i a g n o s e s ，i ti ss h o w e dt h a tn a t u r ef a c t o ri st h eb a s i cc o n d i t i o nf o rt h e l o c a ll a n du s ea n dl a n dc o v e r , s u c ha st e r r a i n , p h y s i o g n o m y , h y d r o t h e r m a lc o n d i t i o na n ds o o n , a n di tp l a y sad e t e r m i n a t i o nr o l ei nt h el o c a ll a n du s es t r u c t u r e h o w e v e r , t h es o c i e t ya n d e c o n o m yf a c t o ri st h ed o m i n a n ti n f l u e n c e ，s u c ha sp o p u l a t i o ng r o w t h ，e c o n o m yd e v e l o p m e n t , t o w nc o n s t r u c t i o n , r e t u r r d n gc u l t i v a t e dl a n dt of o r e s to rg r a s s l a n da n ds oo n 3 i ti st h ee f f e c t i v ew a yt or e a l i z et h es u s t a i n a b l eu s ei nt h el o w - m i d d l em o u n t a i na r e a s t h a ti n s i s t i n gt h ep r i n c i p l et h a tp r o t e c t i n gt h ec u l t i v a t e dl a n d , i n c r e a s i n gt h ef o r e s tl a n d ，a n d c o n t r o l l i n gt h e c o n s t r u c t i o nl a n d ,g i v i n ga t t e n t i o nt ol a n dq u a n t i t ya n dq l l a l i t y ,a n d i m p l e m e n t i n gt h em e a s u r e st h a tr e a s o n a b l ep r o g r a m m i n g ，a d j u s t i n gt h ei n d u s t r ys t r u c t u r ea n d t h ea g r i c u l t u r es t r u c t u r e ，a n dr e f o r m i n gt h em e d i u ma n d l o wy i e l dp a d d yf i e l d k e yw o r d s ：r e m o t es e n s e ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；l o w - m i d d l em o u n t a i na r e a ； l a n du s e ；s p a t i o - t e m p o r a lc h a n g e 4 论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川农业大学或其它教育机 构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：吾乒痧争瑾黪夕月厂日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解四川农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文 的全部或部分内容。 研究生签名 导师签名 妒磋 抛1 年7rs 日 2 - 的1 年7 月日 剐舌 社会经济的迅猛发展，使人类赖以生存的地球表层发生巨大的变化，产生了全 球气候变暖、海平面升高、臭氧层损耗、生物多样性丧失、土地利用格局与环境质 量变化( 水资源污染、荒漠化、森林退化等) 、人口急剧增长等一系列全球变化现 象。人们越来越深刻地认识到这些现象是由人类活动和自然环境相互影响相互作用 的结果，揭示和理解地球系统运转的机制、变化规律以及人类活动对地球表层环境 系统的影响，关系到人类的生存和发展，具有十分重要的意义。因此，以此为研究 目的的全球变化科学自2 0 世纪8 0 年代被提出以来，已经成为科学界最活跃和不断 扩展的前沿领域。它由四个重要的国际科学研究计划世界气候研究计划( w o r l d c l i m a t er e s e a r c hp r o g r a m m e ，w c r p ) 、国际地圈生物圈计划( i n t e r n a t i o n a lg e o s p h e r e a n db i o s p h e r ep r o g r a m m e r , i g b p ) 、全球环境变化人文因素计划( i n t e r n a t i o n a lh u m a n d i m e n s i o no f g l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o g r a m m e ，i h d p ) 和生物多样性计划 f d i v e r s i t a s ) 进行研究，并以由大气圈、生物( 人) 圈、水圈、陆地圈所组成的 地球表层作为研究对象【2 ，3 1 。 对土地的不断开发利用及其引起的士地覆盖变化被认为是全球环境变化的重 要组成部分。土地利用和土地覆盖两个概念既密切联系又有本质的区别，土地利用 是指人类对土地自然属性的利用方式和利用状况，包涵着人类利用土地的目的和意 图，是一种人类活动。土地覆盖是指覆盖地面的自然物体和人工建筑物，它反映的 是地球表层的自然状况。前者的变化通常会导致后者状况的相应改变【4 】。土地利用 变化是全球变化中最能影响生态系统的内容，土地的覆盖状况能影响到水源涵养、 生物多样性、气候及空气的状况。土地资源作为人类生存和发展必不可少的元素， 和其它自然资源一样，正经历着人类生产社会活动所产生的持续不断的影响；从另 一个角度讲，自然资源和环境也同时影响着人类活动，例如土地利用。因而对土地利 用覆盖变化进行研究，其目的在于准确地测算各种土地利用覆盖变化的速率和程 度，了解变化的影响因素及变化的机制， 模型对变化的未来趋势作出模拟和预测， 对变化的现状形势作出客观判断，并建立 以通过调整人类社会经济活动，优化土地 利用结构，从而使土地的生态、社会、经济三效益达到平衡，实现土地资源的可持 续利用。因此，土地利用覆盖变化是全球变化研究的核心。1 9 9 5 年，i g b p 与h d p 联合提出了“土地利用和土地覆盖变化”的研究计划，更使土地利用变化的研究成 为目前全球变化研究的热点课题1 5 1 1 】。 我国的土地资源特点非常突出，绝对数量大、相对数量少，后备资源，特别是 耕地资源缺乏。由于经济的飞速发展，同时由于我国的人口基数大，人口数量不断 增加并在一定规模上向一定区域聚集，不仅造成了土地利用变化范围广、速度大、 随意性强的情势，而且使土地承受巨大的压力，人地矛盾非常突出。不仅如此，我 国又是一个多山的国家，山地地区占全国总面积的3 3 。因此，由于土地利用不合 理引起水土流失、土壤日趋贫瘠、土地退化等资源、生态和环境问题也在日益加深， 山区的土地利用覆盖状况牵涉到全国的资源和环境问题，严重影响着我国的长期发 展。可以预见，我国的土地利用，覆盖变化在2 l 世纪将更加剧烈，进行山地地区的 土地利用覆盖变化研究也是我国土地利用土地覆盖变化研究的重要部分。在此情 况下，对我国中低山地区的土地利用，覆盖变化状况进行研究具有十分重大的现实意 义。 2 1 概述 1 1 国内外研究的内容 土地利用覆盖变化是全球变化科学研究的核心，自该项课题被提出以来，一些 积极参与全球环境变化研究的国际组织和国家纷纷启动了各自的研究项目，紧紧围 绕人类、土地与环境的关系展开了不少具体的研究内容。 联合国环境规划署于1 9 9 4 年肩动了“土地覆盖评价和模拟”( l c a m ) 项目， 采用美国宇航局高分辨率雷达影像调查东南亚地区土地覆盖的现状与变化，为区域 可持续发展服务f 1 2 1 。国际应用系统研究所于1 9 9 5 年启动的“欧洲和北亚土地利用 覆盖变化模拟”项目，通过分析区域土地利用覆盖变化的空间特征、时间动态 和环境效应，预测未来5 0 年的变化趋势【1 3 1 。美国作为全球变化研究的领头羊，由 美国全球变化研究委员会将土地覆盖变化列为全球变化研究计划的核心内容，重点 展开全球和区域性土地覆盖变化的监测、土地覆盖( 主要是森林) 变化与温室气体 的释放及减少温室气体。研究的方向包括：继续以1 k m 的空间分辨率监测全球土 地覆盖变化并建立详细目录、将以更高的空间分辨率对北美和热带森林的土地覆盖 进行分类并建立详细目录、进一步认识土地利用、土地覆盖以及生态系统变化的原 因和机制等【1 4 l 。在非洲：1 9 9 5 年i g b p s t a r t 专题讨论会上成立了m i o m b o 研究 网络，研究范围几乎覆盖整个中非高原，重点探讨当前土地利用土地覆盖变化的方 向和速度，以及土地利用变化对自然资源利用、水文学、碳储量、痕量气体释放、 区域气候、物种和生态系统以及生态系统的初级生产力的影响【15 1 。亚洲：日本国立 科学院全球环境研究中心也提出了“为全球环境保护的土地利用研究”项目，该项 目也将采用地方性案例分析、遥感与g i s 监测和空间模型分析等方法，研究土地利 用覆盖变化的时空动态分布及其驱动因子，同时强调相应对策和技术的研究【。 泰国近几年来借助航空像片、陆地卫星s p o t 综合影像结合野外调查编制了泰国北 部1 9 5 4 1 9 9 2 的土地覆被图，并将图件数字化建立数据库，建立了土地覆盖随时 间转移的概率矩阵，定量分析了该地区热带森林变化的时间与空间格局，并以此说 明热带森林景观如何受物理、生物参数以及社会经济参数的控制【l ”。 我国的土地利用覆盖变化研究在整个全球环境变化研究中举足轻重，现已有多 个国际学术界的l u c c 研究计划专门开展了在我国的研究，由此我国有关土地利用 覆盖内容的研究逐渐开展起来。国内主要的研究包括利用遥感影像对土地利用覆 盖变化的监测分析、土地利用覆盖变化的数据库构建、土地利用，覆盖对农业生态 系统及全球变化的影响、驱动力研究及建立模型等。 目前，我国在土地利用调查制图方面已取得了较好的成果，在通过卫星遥感和 g i s 技术臆测资源环境的时间动态和空间变化特征方面，也已相继对天津、北京、 广州、上海、太原、沈阳、大连等城市开展了土地利用及其变化的遥感研究 1 7 1 ，“八 五”期间，中国科学院进行了“国家资源环境遥感宏观调查与动态分析”研究【1 8 1 ， 完成了中国东部区1 ：2 5 万比例尺、西部区l ：5 0 万比例尺的以土地资源与环境动态 为主要内容的资源环境遥感调查，建立了包括土地利用覆盖类型及其次一级类型， 以及土地资源的生态环境背景在内的动态数据库，并在g i s 支撑下建立了相关的信 息系统。国家自然科学基金委员会也开展了“我国东部城市密集地区人口、经济集 聚与扩散机理与调控”研究【1 3 】。 1 2 国内外的研究方法 随着电子技术、信息科学、空间技术、计算机技术等相关技术的迅速发展，地 理信息系统、遥感技术目前已广泛运用于土地利用覆盖变化的调查、监测和分析中。 利用遥感数据作为信息源，具有视域宽、信息多、速度快、限制少、用途广的特点， 特别是其时效性和全面性，对土地利用覆盖变化的研究十分有利；地理信息系统则 不仅能与遥感图像处理系统相结合，而且能将海量的遥感数据进行有效的存储、查 询、检索、分析和显示。因此将地理信息系统与遥感技术相结合是目前土地利用 覆盖变化研究的最佳手段。 “数字地球”这个概念的提出，又使全球变化的研究进入了一个崭新的阶段【1 9 1 ， 3 s 技术、v r 技术和4 d 技术等的迅速发展，极大地促进了全球变化研究工作的开 展。数字地球在全球变化中的应用包括了运用r s 和g p s 等对地观测技术实现全球 变化研究数据获取和动态检测，运用g i s 技术和虚拟现实技术实现全球变化研究数 据处理和模拟预测，运用数据库技术实现数据的异地分布管理，以及运用网络技术 实现全球资源的信息共享。全球变化研究是不同时空尺度下地球表层系统和区域系 统的研究，以及系统之间的相互作用机制的研究，而土地利用，覆盖变化研究作为全 球变化研究的一部分，同样受到“数字地球”这一新概念的影响。特别是数字地形 4 模型( d t m ) 被引入地理信息系统，使土地利用覆盖变化研究在数据模型、数据结构、 可视化表达及空间分析方面日渐深入和完善。 1 2 1 研究的信息数据源 在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，g o n g 的研究就表明【2 0 - 2 2 1 ，通过利用多源数据 进行综合土地利用覆盖制图已有可能，并且在此基础上，建立动态变化数据库，进 而分析其变化模式的地区差别也是可行的 2 3 2 5 1 。在国内的各研究中，主要信息源均 为不同时期的现有各类纸质地图、遥感数据或者当地调查统计资料，从中获得土地 利用土地覆盖变化的状况、变化的空间几何特征和变化的时间序列等数据，进而进 行分析及模拟研究。其中较常使用的纸质地图主要是土地利用现状图、地形图、地 质图等。而遥感图像则包括航空遥感图像、高分辨率卫星遥感图像、以及近地遥感 图像和雷达遥感数据，其中主要的遥感卫星类型如表1 所示。 表1主要用以获取遥感数据的卫星 t a b l e1t h em a i n l ys a t e l l i t e su s i n gt og e tr sd a t a 遥感技术可以追述到第二次世界大战之后，到目前为止，航天遥感已经发展到 了较高的水平，并随着相应科技的发展而日趋成熟和完善【2 6 1 。除上表所列的几种卫 星以外，联合国世界气象组织及前苏联、加拿大、前联邦德国、印度、巴西意大利、 以色列等国也先后发射了气象卫星或资源卫星，用以预报天气、资源调查和环境监 5 测。各卫星的轨道位置、轨道高度、卫星倾角、扫描带宽度等参数不同，通过各卫 星成像系统所获的遥感图像，其分辨率、覆盖范围、波段范围等观测参数也各有不 同，因此研究中所使用的数据类型也不尽相同。例如a v h r r 数据，由于具有时间 分辨率高、价格低廉等优点，己被证明是校有价值的变化监测研究数据源，而且可 以弥补空间分辨率的不足【2 7 】。近地遥感具有简单方便、灵活真实的特性，而雷达遥 感则具有全天候、全天时、及一定穿透功能的特性，作为航天航空遥感的补充，两 者均得到了国际社会的广泛关注和大力发展。但总体来看，在目前对土地利用土地 覆盖变化的研究中，仍常利用多时相高分辨率的卫星数据，其中又以陆地卫星的 m s s 、t m 或e n 矿图像的使用相对较多。例如r i l e y 等人用m s s 图像对墨西哥 t u x t l a s 地区1 9 8 6 1 9 9 4 年土地覆盖变化进行研究；l e r m e y 等人应用1 9 8 4 年和1 9 9 3 年的t m 数据采用其n d v i 特征对埃及的农业土地进行的监测研究j 。 1 2 2 遥感数据的处理 遥感图像预处理指对遥感数据进行管理和分析处理，从中提取有用信息 2 9 l 。总 体上说，遥感图像处理方法分为两种：模拟方法( 主要是光学方法) 和数字方法( 即 计算机数据处理方法) 。随着遥感图像数字化程度的不断提高和计算机技术的迅速 发展，数字方法已成为了遥感图像处理的主要方向。数字方法主要包括：辐射校准 和几何校准、图像增强、特征分析( 特征变换) 、图像分类。多数研究选取两期或 多期遥感图像进行研究，并根据具体研究的地区和对象不同而采用不同的图像处理 方法。 1 2 2 1 遥感影像的数字纠正 遥感影像的数字纠正建立在严密的数学基础之上，是利用已知的遥感图像或纸 质地图对需要纠正的遥感图像逐点( 即逐像素) 地进行坐标变换，以改变原始图像 的几何变形，产生符合某种地图投影的新图像。其坐标变换的方法主要是直接变换 和间接变换。两种变换分别对应两种互逆的纠正交换函数，即多项式数学函数，并 常用最小二乘法求解多项式系数。若采用间接变换法，则需先进行像素亮度重抽样， 即采用适当的方法利用原始图像中非格网点点位周围邻近格网点的灰度值来求出 该非格网点的亮度值，然后再将该亮度值赋给输出图像相应的点。其方法有最邻近 法、双线性内插法、双三次卷积法，三种方法备有优缺点：最邻近点法计算简单， 6 但其校正的精度差，校正后图像亮度不连续，边界会出现锯齿状；双线性内插法计 算简单，采样精度和校正的精度高，且校正后的图像亮度连续，但图像的光谱信息 会发生变化，且容易造成高频成分的丢失，使图像变得模糊；双三次卷积法计算繁 琐，但精度比双线性内插法的精度更高。在实际校正过程中，一般选用双线性内插 法。例如赵晓丽等在对中国华北地区土地利用动态变化特点分析中采用分景假彩色 合成，几何精校正采用最小二乘法计算，像元重采样采用最近邻点法或双线性插值 法【3 0 】。 1 2 2 2 遥感数字图像增强 为了扩大图像反差，以便进行地物的判读和分类，必须对遥感数字图像进行增 强处理。其基本原理可以概括为根据图像数据的某些特征参数( 如灰度) 在原始图 像上进行数字变换。遥感图像增强处理可根据处理空间的不同分为基于图像空间的 空域方法和基于图像变换的频域方法两大类。空域方法主要通过用函数变换扩展图 像的灰度范围从而扩大灰度差异，一般属于点处理方式，如反差增强中的线性拉伸 法、分段线性拉伸法、非线性拉伸法，以及直接对直方图进行调整的均衡化处理和 规定化处理。若要改善目标地物与领域或背景之间的灰度反差，则常运用滤波技术 进行图像滤波增强处理，即图像的边缘增强。包括空间域滤波增强和频率域滤波增 强。前者使用空间二维卷积方法，运算简单但有时精度较差，容易过渡增强而使图 像产生不协调的感觉；后者运用傅立叶变换等方法，计算量大但比较直观，且精度 较高，图像视觉效果较好。 此外，将图像进行真彩色合成或假彩色合成以提高遥感图像的分析解译性能也 是图像处理中应用十分广泛的关键技术。实际应用过程中，人们还总结了不少方便 可行、效果较好的方法，如2 裁剪线段拉伸法：将直方图左右两端各2 的像元 点去掉，然后再进行拉伸，增强的效果非常好。 在各研究中，研究者根据其所要研究的内容和目标而采用不同的图像增强方 法。 1 2 2 _ 3 遥感圈像的分类 由于遥感多光谱图像波段数多，因此信息量大，数据量也大。而在研究中通常 要进行多波段的运算，因此在图像分类之前通常要通过变换，以减少信息间的冗余 度，达到降低数据量但同时保留主要信息的目的，即进行图像的特征变换。特征变 换的方法有主成分分析、哈达码变换、穗帽变换、生物量变换等。在实际研究中常 7 使用的主要有主成分分析和穗帽变换【3 1 j 。 遥感图像分类主要包括目视解译和计算机自动分类。随着该类研究的不断深入 发展，目前遥感图像的解译一般都是指对数字影像进行计算机自动分类，即计算图 像上每个像元的特征值，根据不同的准则将每个像元或区域划归为有限几种类型、 等级或数据集。自动分类包括监督分类和非监督分类两种方法，前者需要事先确定 各个类型及其训练区，并计算训练区像元灰度统计特征，然后将其它像元归并到不 同类别；后者则直接根据像元灰度特征之间的相似和相异程度进行合并和区分，从 而形成不同的类别。常用的监督分类算法有最大似然法、最小距离法、模糊分类； 非监督分类算法有集群法、图形识别法；研究证明，在有些情况下将神经网络应用 于遥感分类可以达到较好的分类效果。各分类的算法各有优缺点，研究者均按不同 的研究目标而采用相应的方法。 此外，在研究区土地利用分类类型选择方面，国内的研究一般参考现有的统一 土地利用分类系统或部分研究者提出的土地利用分级体系【3 2 】。一个理想的土地利用 分类决策应该符合如下标准【3 3 1 ：精确：可重复使用；严谨( 对细微变化不敏感) 且能完全开发出数据内涵；可整体运用于整个目标区域；客观( 不依赖于分析 者的决定) 。各研究主要针对研究区的景观格局及其生态背景的特点，及其具体情 况，对现有的土地利用分类则进行筛选合并，从而获得适合于其研究的土地利用类 型分类。例如周生路、黄劲松在以温州市为例研究东南沿海低山丘陵区土地利用结 构的地域分异中采取主导性原则、差异性原则、独立性原则、景观差别性原则进行 筛选合并【3 4 1 袁希平等入在土地覆盖遥感监测及分类系统实例评析中通过针对国内 外两种典型土地覆盖分类系统进行比较评析，从而对土地覆盖遥感监测中土地覆盖 分类系统获得较全面、深刻的认识，为具体区域土地覆盖遥感监测研究的开展提供 了知识储备及技术体系支持田】。 1 2 3 土地利用覆盖变化信息分析 1 2 3 1 动态信息的获取 在土地利用覆盖的动态信息获取方面，一般在地理信息系统软件的支持下，通 过将不同时期的图像进行误差纠正、空间叠加，获得土地利用变化的空间和属性数 据，进而进行数据的动态分析，主要包括分类后比较和地物光谱直接比较、分类结果 8 比较法、影像相减法、变化矢量分析法、主成份分析法、光谱特征变异法等【3 5 3 8 1 。 有些研究则考虑到所用遥感数据时间跨度长，图像类型不同，进行严格辐射校正难 度大等因素，对一部分土地利用覆盖变化信息采用以概率松弛法为基础的常规分类 后比较法进行提取，对较近期的信息则采用变化向量分析方法和分类后比较法相结 合的混合方法进行提取【3 9 1 。 1 2 3 2 动态分析 将处理好的各种土地利用覆盖状况图与调查统计资料等相结合，运用地理信 息系统进行空间分析，是分析土地利用覆盖动态变化的重要方法。在地理信息系 统中不仅可以对空间数据进行检索、逻辑与数学运算、重分类等属性分析，还可以 对空间图形数据进行拓扑运算分析，以及进行拓扑与属性的联合分析。例如数据检 索、叠置分析、区域分析、领域分析空间插值等。 利用数学方法分析土地利用覆盖变化也是熏要的手段。其常以经济学理论或景 观学理论为基础，通过各种指标的计算，归纳出土地利用和土地覆盖的状况及其变 化状况，进而作出判断分析；有的研究则遴过分析建立数学模型。进而模拟和预测 土地利用覆盖变化的趋势；或者将指标分析、统计分析和模拟分析相结合，从而综 合分析土地利用，覆盖变化的状况、驱动力因素及趋势等等。习前常用的指标有景观 生态学理论中的景观多样性指数、优势度指数、均匀度指数、破碎度指数t 4 0 、聚集 度指数i 、斑块面积比、斑块密度、斑块规模、平均斑块最小距离、斑块分维数等 ( 4 2 】；常用的数学模型有土地利用程度变化模型、土地利用动态模型、马尔柯夫模型 土地利用中心迁移模型、景观类型转移模_ 犁e 4 3 3 、土地利用程度模型f 3 7 出。s 】、e h r l i e h 公式( i = p a t ) 1 4 9 1 等；统计分析方法主要有主成分分析、系统聚类分析、层次分析 等f 5 0 1 。 综合国内研究情况，可以得知，目前我国的土地利用，覆盖对空动态变化研究一 方面多集中于从城市化、工业化等角度对大中型城市及其城乡交错带地区进行分 析，例如北京、海口、温州、滁州等地区的土地利用结构演变f 5 卜铜；另一方面，则 集中于从生态环境的角度对生态脆弱地区的研究，例如南、北盘江流域( 贵州部分) 、 松嫩平原西部生态脆弱区、黄土丘陵区、呼伦贝尔盟农牧区【5 7 ”删。将3 s 技术应用 于县级土地利用动态监测还比较少，但已有所重视6 卜6 町。国家九五科技攻关重中之 重项目“遥感、地理信息系统、全球定位系统的综合应用研究”中专设有一个子课 题来研究如何将3 s 技术应用于县级土地利用动态监测工作中【6 5 】。从土地利用覆盖 9 变化的具体研究方式来看，区域土地利用结构的时空动态变化一般都是通过实例研 究来说明问题：通过遥感获取信息数据，对数据进行预处理，编制土地利用，覆盖变 化图，最后建立模型分析变化的驱动力和机制。 1 0 2 研究材料与方法 2 1 研究区概况 四川省雅安市雨城区位于四川盆地西部边缘与青藏高原的过渡地带，地处东经 1 0 2 05 17 1 0 3 0 1 2 和北纬2 9 0 4 0 3 0 0 1 47 之间，幅员面积1 0 6 7 3 1 k m 2 ，至2 0 0 3 年底有人口3 3 9 4 万人，属亚热带季风性山地气候，是川西地区中、低山地形的代 表。雅安市与成都市、乐山市、眉山市、阿坝州、甘孜州和凉山州楣邻，历有“西 藏门户”、“川西屏障”之称，在川西地区占有重要的经济地位【6 “。 全区地势西高东低，海拔差异大。山地占全区总面积9 1 ，平地则仅占9 。 其中海拔1 0 0 0 米以上的中山占4 6 ，主要分布在西北、西南、和东南地区；中部 和南北地区海拔在1 0 0 0 米以下的低山占4 5 ，主要分布在河流两侧；平地主要为 河谷阶地，分布在青衣江及其支流两侧。全区高程落差有两千多米，海拔最高点为 2 6 2 9 4 米，位于该区谣南部与荥经县交界的马耳山；海拔最低点为5 1 5 9 7 米，位于 东部青衣江与名山河交汇处的江中小岛。受其地形地貌的影响，土地资源及其利用 状况存在着明显的分布差异。 该地区降雨量非常丰沛，居全国第一，素有“雨城”之称，且暴雨多。雨季一 般始于5 月终于9 月，是全国的暴雨中心之一。加之破碎复杂的地质构造，致使该 地区泥石流、滑坡等灾害时有发生，水土流失较严重，耕地和生态环境遭到破坏。 由于西部大开发和成都市社会、经济快速发展的带动作用，以及旅游资源的大 力开发，促使该地区的经济得到了一定发展，从而使该地区的土地利用覆盖状况产 生了相应的变化。因此，在以生态型城市为发展目标的雅安市雨城区，对该地区的 土地利用变化进行实时监测，认识和研究该地区的土地利用对空变化情况，开展中 低山不同海拔区域的土地利用时空变化及其区域差异性对比研究，对于在中低山地 区合理地开发利用土地资源，以及在西部开发中进行生态建设，从土地资源与环境 的可持续利用侄保证区域经济发展的可持续性，实现国民经济的高速、协调发展， 都具有十分重要的指导意义。 2 2 研究目的及内容 本研究期望通过从中低山不同海拔高度的角度，研究近期雨城区不同海拔高度 的土地利用的现状，探讨雨城区土地利用的时空变化规律，为雅安乃至整个川西低 山丘陵地区的土地管理实现使土地资源达到生态、经济、社会三效益最优目标提供 基础性决策依据。 为达到以上目的，本研究将利用土地利用现状图和遥感影像图获取数据信息， 经过图像处理，在g i s 软件支持下，将研究区的两个不同时期不同海拔高度的土地 利用状况进行叠加对比；分析总结不同时期、不同海拔高度的土地利用的差异及变 化规律；分析其形成原因，以及如何实现土地资源的经济、社会、生态三效益最优。 2 3 研究材料 本研究主要使用1 9 9 3 年雨城区土地利用现状图( 比例尺为1 ：5 万) 、等高距为2 0 米的雨城区地形图( 比例尺为1 ：57 ) 、l a n d s a t 51 m 卫星图片、雨城区地区航空像片； 1 9 9 3 年雅安市雨城区土地利用现状调查报告、雅安市统计年鉴、雨城区统计年鉴等。 所使用的软件包括e r d a si m a g i n e ，m a p i n f o7 0 ，a r c g i s8 3 。 2 4 研究方法 本研究的方法主要包括图像数据及图形的处理和土地利用的动态变化分析两 部分。 2 4 i 图像数据及图形的处理 遥感部分使用e r d s a 软件对t m 图像进行预处理：进行投影变换，并采用 三次多项式间接变换的方法对图像进行几何纠正，同时将图像象素设定为3 0 3 0 m ；利用从m a p l n f o 获得的行政区划栅格图像文件，通过掩膜运算实现t m 图 像的不规则裁剪，从而获得要研究的雨城区图像；通过主成分变对t mi 虱像进行 增强处理，以利于识别地物；根据所使用的t m 图像的波段特点，结合研究区土 地利用的具体情况对现有的土地利用分类则进行筛选。建立本研究的土地利用分类 体系和t m 影像的遥感判读标志；采用监督分类，用可能性矩阵评价分类模板； 1 2 执行监督分类。 g i s 部分在m a p i n f o 软件和a r c g i s 软件中将比例尺为l ：5 万的1 9 9 3 年雨城区 土地利用现状图和地形图的栅格图进行纠正、配准、矢量化、拓扑查错、文件转换、 建立高程模型，并且进行叠加、统计等空间分析。 2 4 2 土地利用的动态变化分析 根据研究区地形地貌和土地利用的实际情况，将全区分为四个子研究区，并通 过海拔高度的划分来描述各子研究区的范围以及在中低山地区所处的位置。分别讨 论不同时期内各土地利用类型随中低山的海拔变化而产生的空间变化，并利用土地 利用变化模型分别分析各子研究区内土地利用在研究期初期和研究期末期的前后 变化情况，即时间动态变化分析。本研究的技术路线如图1 所示。 图1 本研究的技术路线 f 逗，1t e c h n o l o g i c a | r o u t e 3 图像及图形处理 3 1t m 图像处理 3 1 1t m 图像预处理 本研究使用已经过粗纠正的l a n d s a t 5 卫星t m l 、2 、3 波段的图像，分辨率为 3 0 m 。首先对图像进行精处理，即几何纠正，利用控制点改正原始图像的几何变形， 产生一幅符合某种地图投影或图件表达要求的新图像。几何纠正的具体步骤如下： ( 1 ) 用1 ：5 万地形图与t m 图像相对比，选出2 0 个控制点。主要选取图像上 清晰可辩的线装地物交叉点或永久性地物的明显拐点作为控制点，如公路、河流的 交叉点和公路拐点等。并且控制点的分布比较均匀，所处位置的高程比较相似。 ( 2 ) 在此1 ：5 万地形图上分别量取这些控制点的大地坐标。 ( 3 ) 运用e r i ) a si m a g i n e 系统的几何纠正模块进行几何纠正。选择地图采 点模式( m a pt ov i e w e r ) ，通过键盘输入控制点( k e y b o a r do n l y ) ，定义地图投影为 u t mw g s 8 4n o r t h 投影，选择三次多项式( p o l y n o m i a l ) 为几何校正的计算模型， 设定输出图像象元值为3 0 3 0 m 。 ( 4 ) 依次在t m 图像上找到与地形图上相对应的控制点，并依次输入控制点 的坐标值。控制点数量介于几何纠正的理论最小值( n + 1 ) ( n + 2 ) 2 = 1 0 与推荐最小 值3 ( n + 1 ) ( n + 2 ) 2 = 3 0 之间。 ( 5 ) 计算转换模型后，采用邻近点插值法( n e a r e s tn e i g h b o r ) 进行重采样， 最后检验校正结果( v e r i f yr e c t i f i c a t i o nr e s u l t ) 。 通过以上步骤得到经过几何精纠正的2 0 0 1 年t m 图像。 3 1 2t m 图像切割 运用图像分幅裁剪技术可对图像进行切割，从而获得研究所需要的区域。 e r d a s 中图像的分幅裁剪分为两种类型：规则分幅裁剪和不规则分幅裁剪，前者 是指裁剪图像的边界范围是一个矩形，通过左上角和右下角两点的坐标确定图像裁 剪的位置；后者是指利用事先生成的a o i 多边形或p o l y g o nc o v e r a g e 等完整的闭合 1 4 的任意多边形确定裁剪图像的边界范围。 本研究采用e r d a s 中图像解译( i m a g ei n t e r p r e t e r ) 模块下的图像转换( v e c t o r t or a s t e r ) 和掩膜运算( m a s k ) 功能进行图像切割。先将雨城区行政边界图转换成栅 格文件，并使其象元大小和图像投影与几何纠正后的t m 图像一致，再利用此栅格 文件作掩膜文件与t m 图像傲交集运算，