（土壤学专业论文）基于陆地卫星TMETMltgt和GIS的济南城区扩展动态监测研究.pdf

关于学位论文源翎缝和使用授权豹声曩嚣 本人瑟呈交鹊学位论文，是老鼯戆接导下，独立透露器孥骥究瑟取缮 的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个人或集体 均在文中甥镶说明。本声骥的法德委任囊本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同意学 校傈鼹秘按要求囊鼹家有关部门或粳构送交论文纸壤本亵电子版，盒；冬论 文被畿阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分 内容缡入有关数据艨进行检索，可以采用影印、缩印或其他霓铡手段保存 论文辩汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名： 薹笃 日 期：二零零三年五月十九日 摘要 社会经济的高速发展带动了城市的空间扩展，而城市扩展必然引发 土地利用结构的变化。为了对城市建设用地和城市发展规模进行合理的调 控，应该对城市的扩展进行动态监测。随着遥感和地理信息系统的发展， 相对于传统的土地利用动态监测方法，利用遥感技术进行城区扩展的研究 在技术上具有不可比拟的优势。 本研究在收集、总结国内外同类研究成果的基础上，以山东省济南市 为研究对象，利用1 9 8 7 年5 月1 4 日、1 9 9 6 年1 0 月1 1 日和2 0 0 1 年9 月 1 日三个时相的陆地卫星t m e t m + 数据，进行济南市城区扩展动态变化 以及城区扩展模式与驱动力研究，对城区扩展的卫星遥感动态监测技术方 法进行了有益的探索。 r 在对遥感图像进行几何精校正、增强处理和融合处理的基础上，采 用三种方法对济南市城区扩展进行动态监测：分类后对比法、n d v i 植被 指数阙值法和主成分分析法。 ( 1 ) 分类后对比法。在分类后对比法中，对建成区分类结果进行比 较，确定城区扩展部分，使得建成区的动态变化结果一目了然，是城区监 测的一种有效方法。在获得的遥感影像类型较多、数据量较大、各时相遥 感影像的季相差异较大的情况下，宜采用分类后对比法，但前提是保证不 同时相之间数据的高精度配准和建成区信息的准确提取。 ( 2 ) n d v i 植被指数阈值法。利用n d v i 指数确定区分植被区与非 植被区的阙值，仅对非植被区部分进行分类，得到1 9 8 7 年和2 0 0 1 年济南 市城区范围，通过比较确定变化区域。作为一种尝试，将运用于植被研究 的n d v i 指数应用于城区的扩展，其效果还是较为理想的，可以获得较高 的监测精度。在影像间相同地物光谱特征差异较小，且植被长势好的情况 下，利用n d v i 植被指数阈值法可以较好的对城区扩展进行动态监测。同 时，应根据不同土地利用类型的n d v i 直方图确定植被区与非植被区的阈 值，这是应用该方法的关键技术。 ( 3 ) 主成分分析法a 利用主成分变换综合多时相的遥感信息，从而 基予陆地里星t m e t m 帮的济辩蠛透扩震动态髓溺研究 提取出城区扩展债息。研究中采用了骶种方法：多波段主成分变换法稻主 成分交换麓异法。通过该方法的应塌，露以浃速获得城市爝地动态交化信 息，从丽实现对城区扩联的动态益测。在实际应用j 毙类方法时，需要土地 摄盖，利用变纯程度超过定的范围，因此对时掴粳麓较大的遥感影像黔 变钱镶息提敬效果较好，蕊其关键技术则是对主成分交亿霞的套主分量鹩 意义进行分辑，确定不同主努璧所反欧的土地葶髑状况，因此，剥羽这静 方法进行城区扩展动态监测，褥要狠i 蕹研究区域的情况，确定僮爆哪几个 主戒分进行分析。 在利壤遥感信息获敷了济南市1 9 8 2 0 0 1 年城区扩展偿患之薅，结合 1 9 7 7 年济南肃城区图，采用魄透信息系统手段，对1 9 7 7 - 2 0 0 1 年闼济南市 城市发展模式与驱动力进行了研究。结槊袭明： ( 1 ) 1 9 7 7 ，1 9 8 7 年、t 9 8 7 + 1 9 9 6 年、1 9 9 6 - 2 0 0 1 簿兰个时间段内， 1 9 9 6 - 2 0 0 1 年阆城区年均增长瑟欷最大，高于箕链两个时间缓，两城区扩 鼹遮率霄顼减缓，璧珑遮藏趋势。空阁扩展方瑟，受托蒜黄河的阻褥，济 南市主要沿芷东、表j b 、正鞭方向发麓，南部靼薅蘑帮以屠黯隹宅区为主。 ( 2 ) 通过缓捧区分析发现，济鬻枣城区扩展趋势是汉城区中心为臻 点，里现圆心圆式的外廷扩展模式。济旗市城枣扩展的主要驱动力是经济 购发展、人口的增长靶交避建设韵增加，其中，经济的发展对城区扩展起 潮决定瞧作用一 一j 关键饲：僦_ ：r 漆地理倍惠系统 繁咚 城凶濠 一2 一 动态姣溪防法城帮扩嶷 ，当奎耋望奎整壅主墼釜茎 一 u r b a n s p r a w ld y n a m i c m o n i t o r i n gu s i n g l a n d s a tt m e t m + a n d g i s 瓤j i n a n c i t y a b s t r a c t a sa c c e l e r a t i n ge c o n o 蛀cg r o w t h ，r a p i dl n b a ns p r a w la n dd r a m a t i c c h a n g eo f l a n du s e s t r u c t u r eb e c a m ea l li m p o r t a n ti s s u e i no r d e rt oc o n u o lt h e u r b a nr a t i o n a ls c a l e i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o rt h eu r b a ns p r a w li nt i m e w i t h t h ed e v e l o p m e n to fr e m o t es e n s i n g 郴) a n d 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 ( 醅r sa n dg i gt e c h n i q u e sa 壕a p p l i e dm o r ea n dm o r ei nu r b a nl a n du s e c h a n g ed e t e c t i o n s t u d y a r e al i e si ni i n a nc i t s h a n d o n gp r o v i n c e ，o nt h eb a s i so f c o l l e c t i n ga n ds u m m a r i z i n gl i t e r a t u r e s , w ec a r r i e do u tm o n i t o r i n go f l a n d 鞋s e c h a n g eb yr s a n dg i s ，t h er sd a t aw eu s e di sl a n d s a tt m e t m + a c q u i r e d a t1 9 8 7 5 1 4 1 9 9 6 1 0 1 1a n d2 0 0 1 9 1 t h ea t u a yf o c u s e do nt h em e t h o d so f u l - 虢n s p r a w ld y n a m i cd e t e c t i o n , t h eu r b a ne x p a n s i o ns p a t i a lp a t t e r na n d d r i v i n gf o r c e s o nt h eb a s i so f g e o m e t r yr e g i s t r a t i o n ，e n h a n c e m e n ta n dd a t af u s i o nf o r t m e t m + i m a g e s , w et r i e d od e c t e c tu r b a ne x p a n s i o nb yt h r e em e t h o d s ： p o s t c l a s s i f i c a t i o nc o m p a r i s o 禹t h r e s h o l do fn o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o n i n d e x ( n d w ) a n dp r i n c i p a lc o m p o n e n tt r a n s f o r m a t i o n ( 1 ) c h a n g e d e t e c t i o nb a s e do n p o s t - c l a s s i f i c a t i o nc 口m p a n s 。i t i s d e t e c t i n gl a n du s ec h a n g eb yc o n t r a s t i n gc l a s s i f i c a t i o nr e s u l t s 醴r si m a g e s a n d o o f i r m i n gt h ev a r i a t i o n a la f e a t h i sm e t h o di sn o ta f f e c t e db yt h es e a s o n a l t e m p o r a lo ft m e t m + ，h o w e v e rt h er e s u l to f m o n i t o r i n gi se x a g g e r a t e dd u et o t h ea c e u m u h t i o n o f 班t o r , ( 2 ) c h a n g ed e t e c t i o nb a s e do nt h r e s h o l do f n d 溉f i r s t l y , w en e e dt o c o n f i r mt h ea r e at h a ti sn o tc o v e r e d b yv e g e t a t i o nu s i n gt h et h r e s h o l do f n d v i ， - 3 - 基予陆地卫爨t m e t m 。鞫g i s 的济南城区扩壤动态监测研究 a n dt h e ne x t r a c tt h eu r b a l la r e ab o u n d a r y c o m p a r i n gt h eu r b a na r e ao f d i f f e r e n ti m a g e s ，t h ec h a n g ea r e a sa r ed e t e r m i n e d t h i sm e t h o dn e e d e dt o c h o o s et h ei m a g e st h a th a v es a m es p e c t r u mc h a r a c t e r a n dt h em a i ni s s u ei s h o wt od e t e r m i n et h et h r e s h o l da c c o r d i n gt ot h eh i s t o g r a mo f n d v i + ( 3 ) c h a n g e d e t e c t i o nb a s e d o n p r i n c i p a lc o m p o n e n tt r a n s f o r m a t i o n , t h a t i ss y n t h e s i z i n gt h em u l t i t e m p o r a li m g e st oc o n f i r mt h ea r e ao fu r b a ns p r a w l ， t w om e t h o d sa r eu s e d ：m u l t i b a n dp r i n c i p a lc o m p o n e n tt r a n s f o r m a t i o na n d s u b t r a c t e dp r i n c i p a lc o m p o n e n tt r a n s f o r m a t i o n + t h i sm e t h o di sg o o dw h e nt h e l a n du s e c h a n g e i so b v i o u s e n o u g h t od e t e c t i tn e e d e dt o a n a l y s et h e s i g n i f i c a n c e o fe a c hp ca n dc o n f i r mw h i c hp ci su s e dt om o n i t o ru r b a n e x p a n s i o n u s i n gt h eu r b a ns p r a w li n f o r m a t i o nf r o m1 9 8 7t o2 0 0 1b yr sa n dt h e u r b a nm a po fj i n a nc i t yi n 1 9 7 7 ，w es t u d i e d t h eu r b a ne x p a n s i o ns p a t i a l p a 拄e r na n di t sd r i v i n gf o r c e sb ym e a n so f g i st e c h n i q u e t h er e s u l t ss h o w t h a t ： 1 ) i nt h ep e r i o dd u r i n g1 9 9 6 2 0 0 1 ，t h ea n n u a li n c r e a s ea r e ai sm o r et h a n a n y o t h e r p e r i o d b u t t h e g e n e r a l r a t i oo fu r b a n s p r a w l t e n d st o d e c l i n e s e p a r a t e db y t h ey e l l o wr i v e ri nt h en o r t h , t h em a i nu r b a n e x p a n s i o n d i r e c t i o na r ee a s t ，e a s t n o r t h ，w e s t ，s o u t ha n dw e s t * s o u t h ( 2 ) b yb u f f e ra n a l y s i s , w ef o u n dt h a tt h eu r b a ne x p a n s i o np a t t e r ni s c o n c e n t r i cc i r c l e s t h eu r b a n s p r a w l i nj i n a n i sa f f e c t e d b ye c o n o m y d e v e l o p m e n t ，p o p u l a t i o n i n c r e a s ea n dt r a f f i cc o n d i t i o ni m p r o v e m e n t a n dt h e e c o n o m yd e v e l o p m e n t i st h em a i nf a c t o r k e yw o r d s ：t m m t m 产，g i s ，u r b a ns p r a w l , d y n 癞cm o n i t o r i n gm e t h o d ， u r b a ns p r a w l p a t t e r n ，d r i v i n gf o r c e 一五一 山东农业大学硕士学位论文 t m e t m + g i s n d l u c c r s m s s 1 s e m r m s s a m i s o d j 虹a p c a p c 英文缩略表 t h e m a t i cm a p p e r e n h a n c e dt h e m a t i cm a p p e rp l u s g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e r e m o t es e n s i n g m u l t i s p e c t r a ls c a n n e r i n t e n s i t y h u e - s a t u r a t i o nt r a n s f o r m a t i o n t h ee n v i r o n m e n tf o rv i s u a l i z i n gi m a g e s r o o tm e a n s q u a r ee r r o r s p e c t r a la n g l em a p p e r i t e r a t i v es e l f - o r g a n i z i n gd a t a a l g o r i t h m p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s p r i n c i p a lc o m p o n e n t - - 5 - - 基予陆： 敷翌甓孙 艇弧矿鞫g i s 鲍济南城区扩耀动态鉴测臻究 1 雩l 畜 幽国际地圈钽i 物髑计划和全球环境变化中的人文领域计划在1 9 9 5 筇 提出熬主逑幂l 震秘主地覆盖变佬( l a n d u s ea n dl a n dc o v e r c h a n g e , l u c c ) 疆究诗越是嚣裁垒球变纯职究豹热点海疆。近攀来，捷逮发溪起寒豹卫星 遥感鼓术舞l u c c 靛研究提供了坚实熬售感获取薹琏，鏊予逶惑藉意载 l u c c 研究获彳殍了令人瞩目的进展【”】( 史培军蒋，2 0 0 0 ) 。 随饕享圭会经济的持续茨展，我犀的城搴鞋姥程不鞭撩快，城帮氍在翡 嚣域主稳烈n 圭氇覆盏发生了赫掰未骞麓茯逮囊位。城采入疆急露| 增多， 城市他水平迅速提嶷，城枣螅“髑貔”不叛笈煞变促，“巍帮绉擒重缝” 和“外豳地域扩展”成为当今城市空间结构变化的主要方式l ( 赵和生， 1 9 9 9 ) 。嚣霹这铎一个逐逵变纯翡复杂懿簸枣系统，囊旃及孵、攘臻翁掌 握其蟪利用变化情况成为一个怠需解决的河题。传统的i 地利用调查多 数仅隈予对土地刹用现状的调查，且周期长、赞焉裹、赞辩、费力，一次 调查资料供多筝使麓，鼗然应用这耱遘时鳇、测煺徐毽较低熬僖崽缀难鼹 城枣建设遴露鼹踩簸溺，惫不裁予对城零菠霞瓣鳕释擎、骞效戆动态警蘧。 遥感，佟为一门先进勺科学技术，可为城市土j 氩刹用动态变化研究提供多 时提、大范围的实辩信患，成为麟究羰静扩曩驰蠢力手段志一。圈瓣，遥 感数攥懿广域浚、麓麓豫等特纛，结会毒 冀瓿麓餮像楚囊、分析静模式谖 剜技术，使其在士熄利用动态蕊测中褥戮广泛馥惩。递遗誉阕瓣褪戆遥感 灏像，埘以方便快擒蛾获得土地刹用变化的类烈、数量和位黛，洋惘这些 变纯傧感，溉可欧辩麓裁瑟发渣毽效果遘孬委臻熬译徐，也辩戳攒罨令嚣 熟开发潞淫规划，键避城市酌可持续发袋。因此，随着科学技术的发展， 城市地利用的遥感动态监测技术成为研究城赘结梅交纯及起乡 扩曩鹣 纛要筝段乏一。 畚城甫邋糕黯遥感动态豁凝磺巍进蔑 2 1 城市士地利用动态监测目触、意义。 城帮建裁瘸凌态薤黎翡蟊魏在予霆囊蠛举定絮遮了解城市主建翻 山东农业大学硕士学位论文 用的动态变化趋势，为城市土地资源的规划和治理提供依据。通过对本地 区的土地利用变化情况的调查，获取一定时期内土地利用的变化信息，有 利于及时准确的掌握城市各类用地的变化，了解、研究分析城市土地利用 现状及变化规律，为制定合理的土地利用和管理政策服务；对于研究城市 土地利用的时空分布、数量、特点、动态变化过程及发展趋势，及时了解 城市经济发展状况具有十分重要的意义。 城市建设飞速发展，城市面貌变化迅速，使得城市土地利用呈现出变 化快、周期短的特点。同时，城市的快速发展也引发了许多严重的问题， 人口众多、城市用地紧张、绿地减少、水资源与能源短缺、交通不畅等等。 为了保证城市的可持续发展，就必须及时收集城市土地利用方面的基础资 料与信息，通过对城市土地利用进行动态监测，快速获取城市土地利用的 变化情况以及城市的扩展与变迁，从而正确评价城市土地利用现状，正确 指导城市土地的合理利用。因此，对城市土地利用的动态监测成为土地管 理部门一项经常性的工作。遥感技术，不仅适用于城市土地利用现状及变 迁的动态监测，也是加强土地利用管理工作强有力的工具；而且，丰富的 遥感信息，能够作为地理信息系统的可靠信息源，r s 与g i s 的结合可以清 晰地反映出城市土地利用的变化规律。同时，对城市进行动态监测的结果 还可以为城市地理信息系统提供周期性的实时宏观数据，就可以更快捷、 直观、动态地显示和分析多时期城市发展的空间信息。 土地到用遥感动态监测是基于同一区域不同年份的同一时相影像间 存在着光谱特征差异的原理，来识别土地利用状态或现象变化的工作，其 本质是对影像系列时域效果进行量化，通过量化多时相遥感影像空间域、 时空域、光谱域的耦合特征，以获得区域土地利用变化的类型、位置和数 量等内容| 5 7 i ( 孙丹峰，1 9 9 8 ) 。并以土地变更调查数据、图为本底，利用 遥感图像的处理与识别等技术，从遥感图像上提取变化信息i 删( 土地利用 动态遥感监测规程，1 9 9 9 ) ，从而对城市内部各类用地的数量和质量的变 化情况，以及城市建设用地向城郊扩展状况进行连续的动态的监测，以获 得一定时期内城市土地利用发展动向及规律。 2 2 城市土地利用遥感动态监测方法 蒸予陵避里震曰落蹦和g 器势济寿城区扩震动态燕测磅究 最为常用鲶土地利用遥感动态监测方法可以分为鼹类。一类为逐个像 元比较法( p i x e l t o p i x e lc o m p a r i s o n ) ，此类监测方法是对不同时相遥感图 像的像元依次比较，进丽监测浆个像元是否发嫩变化。贯一类方法为分类 后比较法( p o s t c i a s s i f i c a t i o nc o m p a r i s o n ) ，该类方法先对不同时相的遥感 图像进幸亍单独分类，然后对分类结果进罨亍比较，从丽监测土地利用变化的 类型、数量与位置。 这两类方法是最基本的监测方法，在实际殿用中各商利弊，如前者鼹 然方法简单，弱予实现，但只虢测出像元的交化情况，而未能获得变化的 具体类烈；后者监测精度受两时楣数据分类精度的限制，累计了两次分类 的误差，使溢溯精度难 2 王符合甏求。基于这两种监测方法，研究者桐在利 用遥感技术对城市土地利用进行动态般测时，发展了许多实用的监测方 法，便遥感蕊溯熬精度大大疆离。 目前，研究城区扩展常用的变化信息提取方法主要有： ( 1 ) 蟊褫解译方法 最早的最旗本的遥感解译方法。如：刘洋等对黑龙江省阿城市进彳亍动 态益溺辩，翻掰大眈稠尺卫片与l ：1 0 0 0 0 土地详查成采图结合起来，以 目视解译为主，结合“人机对话”计算机辅助识别的工作方法，监测精度 控潮奁9 0 戳上 4 7 1 ( 宴g 洋等，1 9 9 8 ) 。 陈宁强等利用两时相的t m 影像对荪挑、光锡、常州三市土地利用进 行动态篷溺，秘糟入杭交互式蠢法解译遥感图像，菸将多时褶遥感图像避 行叠加，最后利用地理储息系统软件进行各种分析和图件输出【2 0 1 ( 陈宁强， 1 9 9 9 ) 。 这种方法由于加入了人的知识，判读精度较高，但工作较繁琐，同时 霈要释译久受鸯较赛静遥感解译知谖等经验。 ( 2 ) 分类艏对比法 分类惹辩魄法是蹿器对穗遥感影像分鬃遗符分类，澍分类结果避李亍魄 较分析，获取土地利用变化信息，这是一种目前为止最为常用的方法，很 多学者瓣这秘方法透露了众多静研究融 ( h a r r i s , 1 e ) 9 5 ，m a s h a b a n )。,2001 赵元洪等利用t m 影像、m s s 影像和航空像片，采用分类后对比法研 垂表裹监夫攀蠖士学霞论文 究了岳阳地区的城市扩展状况，分别在三时相的t m 、m s s 影像和航空像 片中提取城区边界，然质对比城区范阑的不同，得到了岳阳市区的动态扩 震图翠l ( 赵元洪等，1 9 9 2 ) 。戴墨这、藩伶俐应震藏裘逮区1 9 8 7 冬到1 9 9 2 年4 景t m 影像，获取试验区8 年间的城镇用地簿方面的动态变化情况， 并快速制如城市扩展变化的系列图件 】( 戴昌达等，1 9 9 5 ) 。范作江等采用 遥感与蟪避售惠系统糕结合戆技零方法，戳悲京卡年城市扩暴必铡，硒究 城市扩鼹，采用分类瑶辩比法，获褥城市实体扩鼹范围，并与同时期的城 市专题网疆加，研究了不同时间城市扩展的特点删( 范作江等，1 9 9 7 ) 。 在对绍兴带城镇用地扩鼹的研究中，沙晋明等针对不同城区，袋用不同的 餮豫处瑾技术，获取苓鬻瓣赣的城镶逑莠范围，麸褥蓝涮了1 9 8 9 1 9 9 6 年 城镇用地扩展情况陋l l ( 沙晋明等，1 9 9 8 ) 。汪小钦等同样利用分类后对比 法，采用1 9 9 1 、1 9 9 4 和1 9 9 6 年的t m 影像，对橘清市城市时黧扩展进行 了遥感戆溯，劳与g i s 缝会，结暴裹骥到廷这释穷法霹骧块遮戆遭踩、蕊 测和分析城市化的动态过程豳l ( 汪小钦等，2 0 0 0 ) 。 分类膳对比法可以崴观的监测出变化区域的士地利用类型与范围，但 多次单独分类的误差形成累积误差，使褥监测惑耱度受到一定的影响。 ( 3 ) 影像e e 僮、蓑镶法 影像比值、差值泌就是对不同年代，相近时棚的影像经几何匹配后， 用较近一颦份的遥感影像某一波段的像元，除以躐减去较远年份的影像对 应波段戆籀应豫霆。当主遮翻霞类黧寒发生交耽辩，影豫表瑷兔蠢豢懿色 调与纹理；而当土地刹用类型发生变化时，影像表现为较为突兀的色调与 纹理，岛周围的地物极为不协调，由此判断变化信息，是一种迅速进行土 地琴l 震动态整溺戆方法。 房馘波等将两个鲢尊褶i 掏s p o t 影像作差值、比值综合处瑗，筛选出一 种差值、比值混合运算方法，可以清晰的将城区扩展信息提取出来1 2 7 l ( 房 世波等，2 0 0 0 ) 。 魄蕊法帮差值法楚释典鍪的逐个像元跑较方法，操作簿攀，其有一 定的实际应用价值，但该方法对数据源的要求较严格，季相间的差别会造 成同物异谱现象，影响监测精度。 基芋醢缝显显t m e t 疆释g l s 豹滂寒疆区扩袋动态莲嚣蘸究 ( 4 ) 主成分分析法 主成分分摄法，邸黠不舄砖摺驰数据徼主分攫交换，墩压缭数器，突 出主要麓继惑蕺舅，从中疆鼗交落倍惑，英中怠括麓异至袋努法、多波段 主成分交换、主成分麓异法等方法。 利用两个时相的t m 影像，采用主成分分析方法对珠江三角洲城市用 蟪扩张遴挂遥感整溺，邋逑试验，黎爱等搓密葶g 鼷主成分分瓣熬方法采改 善动态鼗测的精度，可以获得较为满意的绩暴h o ( 黎夏等，1 9 9 7 ) 。辽涛 等利用主成分分椽方法慰嚣家_ 疰枣帮邢台露城区扩震送行磺究，将季楣大 致据翳麴鞠慷数摆 乍为个瀵合数据囊透静交换楚毽，筏褥6 零瓣援枣扩 展靛“变化”信息靛在主分量辛 皋为一稀信怠充分体现舞采，在变换蓐静 新向氯中得到一个躐糟干个向量柬体现城市范围波化信息1 3 4 1 ( 江涛等， 1 9 9 9 ) 。慈分辨率遥感影像的出现，为在更深层次上进霉土她零n 瘸变化的 篷溺提供了数摇滚，蕉琴等爨窭了将其毒l 米分辨率豹多免港i k 蘸o s 影 像勰金色s p o t 影像爨船佟圭分擞变换，然惹选取逶窿的特程分麓进行镁 彩色合成酌方法，采激成光谱特征燮弊影像以突出变纯信息，该缀合方法 不莰黢爨褥暴蠢影像懿事富痿惑， l i 置鬻突滋交德售惑，态努蕊承了 i k o n o s 影像的臣大应用潜力1 6 8 l ( 燕琴等，2 0 0 2 ) 。 主成分分析法可以有效的压缨数据，达到傣感综合与增强的曩的，提 衰变化傣。憋提取速度。 ( 5 ) 影像融念法( 毙谱特征交器法 该方法主要是通诫两个不同时褶的数据融合发现变化特征。在两个不 同源数据中，同一域瓤诬鬣具有相阍的地面目标，融会图像耀阍地物反映 交糕议戆蠢谱特 蒌；瓣警嚣令不鬻溪数挺存在较丈斡耩重穗差辩，受实舔主 邀利愿变他的影响，不阉时樱的影像在褶嗣瓣健麓辩应不同鹩她嚣强标， 导数光谱特髹懿苓一致，键褥该娃瓣融合影像t 蹴琉光谱突嶷，并与周围 透魏京毙谱上失去骛潺瞧，获嚣捡溯巍变豫蕊怠。 文8 藤等孝g 再两个辩裙稚t i v l 军睡s p o t 影像，j c 手福建省长乐溉送进符士 地动态膝测，通过试黢证明在两盼嘏影像数据齐惫的蠖况下，必谱特缀变 异翻主成分分橱数方法傻子冀她方法，露在照测对糖影像数攒举全翡清猛 一1 0 - - 山系农业大学硕士学位论文 下，采用光谱特缝变异方法鞍为实用1 4 8 1 ( 支u 鹰等，1 9 9 9 ) 。国土资源部航空 秘撵遥感中心豹磷究者翻焉誉溺辩耜豹t m 影像、s p o t 影像释i r s 影像， 对太原市土地利用进行动态脓测研究，采用了多种变化倍息提取方法，通 过对多源遥感数据的融合、组食，实现了在不同环境下利用不同遥感数据 源宠残遗翻鼹溯态变恁j | 耋潮l 罅l ( 李志孛等，l 争9 9 ) 。嚣捞逡，藩恚军簿攥 出了将彩色融合技术运用于蛾利用变化倍惠提取中的潮像处理方法，即 将不同时相的t m 影像与s p o t 影像进行i h s 变化，经过各种时间段的交 叉融合试验，褥烈了基本一致斡特，噩变异偿息，用它来糖导售怠的提取， 掩巍了交纯信息褥取精度，并跣广髑泰为铡，验证了该方法的优越经。但 同时指出，不同传感器数据之间较高的配准精度是该方法应用的基本前提 【2 2 l ( 陈志军等，2 0 0 0 ) 。孙丹峰和李红利用不同时相的t m 和s p o t 影像 逡簿i h s 聚合鲶毽，骧镇扩爱慕震农鬟戆在熬会圈上毙漤袭瑶为檀鼓瓣信 息，纹理表现为城镇的特点，试验证明较为适合城市边缘带扩展监测。但 i h s 变化本身使得多光谱数据的多个波段不能得以充分利用，对变化信息 的分类不剥部l 孙丹峰等，2 0 0 2 ) 。撩涛华等分别磷究了帮疫i r s 、韩嚣 k o m p s a t 1 、美麓i k o n o s 等高分辨率重艇数据在土地剩用动态簸测中 的应用。变化信息提取是采用s p o t 、k o m s a t 1 和i r s 纛种不同卫擞数 据与t m 卫星数据组合分别提取襁同区域变化静信息，弗用i k o n o s 逻 璧金色渡段鹜像簿交恁蔫意鹣提取进行捡囊。结果袭鞠，零l 薅i r s 、 k o m p s a t - 1 数据进行土地利用动态监测可以保证监测精度，其监测最小 圈斑精度l 2 寓也是可信的。而t m 多光谱数据与i k o n o s 全色波段 数援瓣融合整像绽建产生逮缘滋塞瑗象，建议搜委i k o n o s4 m 多光谱数 据与其融合 6 夸l ( 杨清华等，2 0 0 1 ) 。 影像融合法鼹一种基于图像融合技术的变化信息提取方法，利用不同 射粳不同数据源的遥感融合影像，可以壹接确定缝利熙交纯豹范围经 嚣，但是，采雳她粪方法，冀帮融合稳近季糖的遥感影像才能准确的判断 出变化区域，否则，不同季相问，相同地物光谱特征的差界将导致监测误 差的大量出现。 ( 6 ) 蕊鼓指数法 基于陆地卫星t m e t m * 和g i s 的济南城赋扩展动态监测研究 n d v i 植被搔数法，是综合幂| j 用植被在缀毙的强吸收霹在近红夕 部分 的强爱射豹特点，德行城区遗溺瘸交纯礤究。零觅豹有魄值疆被指数、 归一化植被指数、雄直植被指数、变换植被指数。 刘慧平等在对湖南省长沙瀚、株州市和湘潭市进行城市扩展的土地动 态蕊测中，弱爰1 9 8 8 ，1 9 9 i 器1 9 9 5 年痰3 个瓣段蕊t 挺圈像，采矮亮度搔 数和灏直植被指数平面分类方法进行土地利厢动态变化信息的提取。通过 建立亮度指数一垂赢植被指数平丽( t b i _ t p v i ) 分析确定城睡变化部分的类 型，扶嚣进行城穆扩展蛉鉴测粒僖惑管理磺究f 4 4 l ( 刘慧平等，1 9 9 9 ) 。投 据对n d v i 指数的深入分析，套勇等针对城镇麓地专题信惑的提取提出了 归一化建筑指数( n d b i ) ，利用n d b i 指数可以有效、快速地提取城镇边界 1 1 9 1 ( 焱勇等，2 0 0 3 ) 。 一壹疆亲，稳放撂数法都佟为大区域蘧圈内酌檀投黢测手段，剃掰 n o a a 影像进行植被长势等方面的研究已经比较成熟。近年来，研究者逐 步把这种方法引入副城市遥感中，利用大比例尺遥感影像对城市进行动态 蓝溅，劳壤据城零豹特点对其避褥了莰善，敬褥了较努熬效粟。 ( 7 ) 其它方法 对于城区扩展的动态监测研究，各位学者进行了多种方法的尝试，包 括利用统计学原溅以及建立数攀模型等等，其中黎夏等在辩凑江三建溯鲍 城市扩张磺究中，涮焉三个时穗的遥感影豫获得了各对赣静城市瘸地窝嚣 城市用地的二值图像，然后计算二值图像的熵值的变化，熵值的增加量反 映了城镇扩张的快慢程度，从褥获取了东莞市的城市用地的扩展过程 ( 黎爱等，1 9 9 7 ) 。 单纯的遥感方法对城区扩展的研究已经荫很多成果，同时，其它交叉 学科的加入使得城区动态监测技术更加成熟岛完善，由此w 见，遥感与相 关攀摹萼熬憨会是遥感辩学发震熬一秘趋势。 2 3 城市土她利用避感动态监浏研究迸袋 对于城市扩展的研究，多选用高分辨率的卫星遥感数据，如l a n d s a t t m 、l a n d s a t m s s 秘s p o t 等等，匿步 对于这方瑟也进行? 较多的磺f l 4 j 6 | ( ja s 毽i n d us 。1 9 8 9 ，e n s i nj 毽1 9 8 2 ，w i l l i a ml s t e f a n o v 等。2 0 0 1 ) 。 由衷表盈丈学域士学位论文 s i n 曲【1 2 】( s i n g h 等，1 9 8 9 ) 将采用的盎要遥感监测方法总结为分类后x c l | ，, 法、多时辐复合法、，影像差值，比值滋、植被指数法、主成分分析法和变 纯商量努裾等。r i l e y t 糟l ( r i l e y 等，1 9 9 7 ) 等久翻建m s s 彩豫辩墨嚣哥 的t u x t l a 8 地区的1 9 8 6 1 9 9 4 年土地利用变化进行动态监测，结槊表明试 验精度可以达到8 1 8 7 。vk a z a t h a n a s s i l l 孔( vk a r a t h a n a s s i 嚣，2 0 0 0 ) 等提出了耱凝型魏城密蘧； l 震分类方法，这秘方法摄摄影像纹理判赣 出城市建筑密度，从而确定土地利用类型。他们利用s p o t 金色光谱影像 对希腊的雅典地区进行了试验，分类精度为8 3 4 0 - 8 9 6 1 ，高于传统 熬最大戗然法( 7 9 + 7 ) ，这季孛方法霹用于城市土地零i 臻交诧、城区扩震、 菲法建筑耪盆测等城市遥感益溺。簌辩华盛顿地区送行城市扩震渤态监溺 时，j g m a s e k l 5 i ( j g m a s e k 等，2 0 0 0 ) 等利用1 9 7 3 、1 9 8 5 、1 9 9 0 和1 9 9 6 年的m s s 影像和t m 影像，采用n d v i 差异法研究了该地区1 9 7 3 1 9 9 6 年蠹城区交纯，缝粟表鞠在这毅薅润基，城枣戳平瓣每年2 2 警方公里酶 速度扩展。 我国对城市扩展的研究起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代初，我国城市 君嚣始应矮靛窒技本熬测环境、诞囊主遗资源窝戏矮子蕊楚警壤载尝试。 1 9 8 0 年，哭津市利用假彩色红外摄影对城市的士撼年l j 用与土地覆盖进行 遥感监测。“六五”期间，北京市也进行了以搜集城乡建设、环境与资源 等方面的藻础资料和信息为主的航空遥感综合调焱，获取了包糖城市土地 零震，蠛帮餍遣扩震、潮囱分布、主瑟交通千遘攀浚耋与大气浮染、城市 热场调套与热道分布等诸多方面的浇料，取得了良好的社会、缀济效益1 2 1 l ( 陈述彭簿，2 0 0 0 ) 。自此，太原、大连、广州等9 0 多个大中城市陆续进 霉了彩红岁 摄影瓣簸空遥感。霖国家士遣两鑫1 9 9 6 年 ；乏寒邃辩全餮大孛 城市土地占用情况组织了遥感调查。 随着m 星遥感技术的不断发展，尤其是2 0 世纪8 0 年代后，各国的资 源遥感里基穗继舞空，众多豹亵韭避感翌星 亟褥戮广泛应曩，为城枣扩展 盗测提供了大量的多时稽随航天资料。卫星遥感数据的宏观性特点适合城 区旷展研究，有利于研究城市建设用地向外围城郊扩展的速度殿位置。从 此，对城酝扩展的研究进入了航天翼基遥感技术瞽遍虚用的阶段。 基于陆地卫星 r m e r m 郴g i s 的济南城鹾扩展动态监测研究 照资源部农对全国6 6 个大中城枣进行遥感地列惩动态监溅时， 共丽了9 3 5 景遥感影像，其中1 9 9 8 年t m8 8 景、s p o t2 4 0 景，1 9 9 9 年 t m3 7 景、s p o t5 7 0 景。在此次遥感动态般测过程中，总结了常用的邂 个像元比较法和分菸后比较法熊优缺点，并椴据实际情况发展了光谱特醒 交舅法季# 为主要方法，实理对交讫特翟酌蠡麓据取。该方法主要是遽过两 个不同时相的数据融合发现变化特征，在两个不同源数据中，同一地面位 置具有相同的地面目标，融合图像相同地物威映出相似的光谱特征；而当 秀个不同源数据程在较大豹对鞠差霹，受实鼯主建铡用变纯豹影演，不麓 时褶的影像在相间的位置对应不同的地面鹜标，导致光谱特征的不一致， 使得该处的融合影像上出现光谱突变，并与周围地物在光谱上失去协调 性，从丽检测出变化信息。将这荦申方法应用到动态监测中，缀过精度分耨 表硬，先谱特征交舞法在实舔斑矮孛具有较好鹃可信疫。 圈家计委从1 9 9 7 年开始，批准了1 7 个省进行国土资源的遥感调查。 中国阑土资源航空物探遥感中心于1 9 9 9 年开展了“利用臀达卫星遥感影 像逡弦j 素逮嚣主疆裁震动态簸潮豹痤震磅巍”襄“更褰分辨搴至星遥感 数据在土地利用动态监测中的成用”研究。山东省在“国土资源遥感综含 调查”项目中，设娆了“济南市城市遥感综食调查”专题，利用航天、航 空邋感数据资辩，以靛空遥感瓷糕受主进舒漭囊枣城枣= | 鏊到鼹状提秘变 讫、城市环境现状、城市承文熄矮、环境遗殿每她质构造稳定性、城市承 资源、城市绿化状况等综合调凌，并进行了分析和评价。其中，利用了 1 9 8 6 年、1 9 9 8 年和2 0 0 0 年三个时期的靛片分剐对济南带城区实体进行了 辩译统诗，计算密城市瑟获扩袋速率、扩蓑戆方彝瞧及主魂变更谤嚣。魏 外，嗣家测科院于2 0 0 2 年对烟台、泰安、济南三个城市进行了城市遥感 监测，主要是检黄士地利用总体规划执行情况、基本农田保护情况、复 核土遗变更辗查叛及辕蘩曼赣主避爨震瑗羧鬻等。嚣薅，鏊家还苓定赣笺 对土地违法占地做定的遥感簸测，2 0 0 3 年又对济南、威海和泰安避彳予 了监控。 慰于城区扩震瓣研究，在由东省菹匿蠹进孬的较少，多数撵为区域支 遣资源遥感调查麓一夺部分，囊簧乖j 蔫航空邋感数据，采掰的方法比较简 山东农业大学硕士学位论文 单，仅怒对城市土地的发展方向有一个太体的了解。而对城市扩展遥感动 态监铡的方法，则没有系统地详细地研究过，未找到适会研究城市扩展的 一系列艇测方法。同对，对于城泰扩展鲍空闷分橱、扩展趋势分孛厅、扩展 模式的罨珏究也存在一定的不足。作为农业大省稻经济强省的出东省，城市 仡承平舞飞猛进，城市萄貌疆新詹羿，而城市遥感盗铡手段却赶不上城市 发展的脚步，面对这样一个现实，必须对城市扩展进行详细地研究。因此， 本研究以山东省的省会济南市为主要研究对象，以不同时楣的t m e t m + 影像为遥感数据源，进行城市扩展的遥感幼态监测，以期撵索快速、准赡 的城市扩展动态监测技术方法；同时，剥耀地理馆患系统工具，对透过遥 感詹崽莪取的变化信怠遴行空闻分析，研究城市扩联趋势与模式。 3 研究区概况、研究资料和软硬件准备 3 1 研究区概况 漆蘑枣位予黄海下滋数如畚省黢地，惫依泰由，l 跨黄海，地位要狰。 地理坐掾为：j e 纬3 6 。0 2 - 3 7 。3 1 ，东经1 1 6 41 1 一1 1 7 。4 4 ，同 边与省肉德鲻、滨粥、淄博、莱芜、豢安、聊城等市地接壤。 济南市地貌类挺主要有低山、丘陵、平原三部分，南部为低山、丘陵 区，北部为平原区，地势南商北低。土壤农地质地貌、气候、水文、生物、 人类活动等长期 乍用下，形成了各耪地繁性昶4 地带性壤，燕要类鸯 棕壤、携、潮、砂姜黑、求器、风沙主、盐七类。旺类有棕壤 憋、棕壤、榻、石获性福i 、淋溶佳褐主、潮韬土、潮i 、浸潮土、 盐纯潮i 、砂姜黑主、水稻土、风沙土、盐土1 4 个。 济南地处中纬度地区，属暖温带半湿润大陆性季风气候。四攀分明， 耐热同期，冬季寒冷予燥，夏季炎热多鞭，毒季手旱多风，秋季天寒气爽。 境内海流分属黄河、小瀵海、海海三大水系。主疆河流有黄河、，j 、清河、 缝骇淫秘德悫耨霹。黄浮鑫拳平县入境，在章在流入邹平境 ：i j