北汝河流域土地利用遥感分析.doc

河南农业大学本科生毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目 北汝河流域土地利用遥感分析学 院 林学院 专 业 环境工程 班 级 11级环境工程（2）班学 号 1102103047 姓 名 侯海龙 2015年 3 月 9 日论文（设计）选题的来源、目的与意义： 本论文来源于导师科研项目。通过研究分析得出北汝河流域土地景观类型分类及其分布情况，计算得出各分类景观格局指数，通过对比得出景观格局指数变化，为未来景观格局合理规划提供基本资料论文（设计）的主要内容： 1.熟悉ENVI5.0操作 2.查阅相关土地利用以及遥感分析文献 3.实地考察拍照取证4.结合数据源图像、谷歌地球以及所获照片制作景观类型分类图5.计算分类景观格局指数 6.得出结果结论进度计划（进度时间、主要工作内容）： 2015-3-9：从导师手中获得论文题目 2015-3-102015-3-31：查阅相关土地利用以及遥感分析文献 2015-4-12015-4-20：做实验以及实地考察拍照取证 2015-4-212015-5-15：结合数据源图像、谷歌地球以及所获照片制作景观类型分类图2015-5-162015-5-20：计算分类景观格局指数分析结果2015-5-212015-5-28：论文写作2015-5-292015-6-8：论文修改与制作ppt2015-6-9：答辩主要参考文献： 李明辉.高速发展的景观生态学J.生物学杂志,2005,(5). 张玉贵.TM影像大气校正方法J.国土资源遥感,1994,(4):5462.汤晓春.遥感图像增强方法的研究及实现D.武汉:华中科技大学.2008. 窦闻,孙洪泉,陈云浩等.基于光谱响应函数的遥感图像融合对比研究J.光谱学与光谱分析,2011,31(3):746-752.李爽,丁圣彦,许叔遥.遥感影像分类方法比较研究J.河南大学学报(自然科学版),2002年02期.岳文泽,徐建华,徐丽华.基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究以城市热环境和植被指数为例J.生态学报,2006年05期.陈文波,肖笃宁,李秀珍.景观指数分类,应用及构建研究J.应用生态学报,2002年01期.论文（设计）工作起讫日期：2015年 3 月 9 日 至 2015 年 6 月 9 日指导教师（签名）院长/主任（签名）河南农业大学本科生毕业论文（设计）题 目 北汝河流域土地利用遥感分析 学 院 林学院环境系 专业班级 环境工程（2）班 学 号 1102103047 学生姓名 侯海龙 指导教师 吴明作 撰写日期： 2015 年 6 月 5 日北汝河流域土地利用遥感分析侯海龙（河南农业大学环境系，郑州450000）摘要：为研究北汝河流域土地利用概况，在GIS技术支持下，通过ENVI 5.0对北汝河流域Landsat TM遥感影像进行判读，并将其分类为林地、耕地、裸地、水田、梯田、水体、建筑7种土地利用类型。通过分析得出北汝河流域景观的Shannon-Wiener多样性指数2010年为1.4912，其最大值为1.9459，均匀度指数为0.7663；2014年的相应数值分别为1.5653，1.9459，0.8044。2个年份中，林地面积所占比例最大，分布主要集中于上游山区以及中下游山区丘陵之间，梯田面积主要集中于中游山坡，耕地与建筑主要集中于河流两岸以及下游平原，水田与水体主要集中于河流湖泊，裸地分别较为分散，主要为山体裸露地面。关键词：北汝河流域；土地利用；TM影像Remote Sensing Analysis of Land Use in the Northern Ru River BasinHouhailong(Environmental Department, Henan Agriculture University, Zhengzhou 450002)Abstract: For the study of land use before the North Ruhe watershed in GIS technology, through ENVI 5.0 to answer Landsat TM remote sensing image interpretation north Ruhe watershed, and classified into 7 woodland, arable land, bare land, paddy fields, terraces, water, construction land use types. By analyzing the results of the North Ruhe watershed landscape Shannon-Wiener diversity index in 2010 was 1.4912, a maximum value of 1.9459, uniformity index of 0.7663; the corresponding value in 2014 were 1.5653,1.9459,0.8044.2 a year, the the largest proportion of forest area, mainly concentrated in the mountainous area between the upstream and downstream mountain hills, terraced area is focused on the middle reaches of the hillside, cultivated land and buildings mainly in downstream rivers and plains, paddy fields and water mainly in rivers and lakes, bare more dispersed, respectively, primarily for mountain bare ground.Keywords: North Ru River Basin, Land use, TM image引言近年来，对土地利用及其动态变化的研究已成为环境生态学的重要研究领域。通过对土地利用的动态研究可以准确把握土地利用程度及其变化情况，为进一步的土地利用及规划打下良好的基础1。利用遥感（RS）使大尺度或跨尺度识别成为可能并提供快捷方法；地理信息系统（GIS）为研究景观空间结构和动态提供了一个极为有效的研究工具2。遥感影像分析探测范围大，获取资料的速度快、周期短，受地面条件限制少，方法多，获取的信息量大。但分类结果由于遥感图像本身空间分辨率的限制以及同物异谱、异物同谱现象的存在，往往出现较多的错分、漏分现象，导致分类精度不高。遥感图像的分类算法很多，但还没有一种算法是最佳的，这主要是由遥感图像数据的复杂性决定的。不少研究者针对具体遥感数据不断探索新的分类算法来达到更好的效果3。所以，未来遥感技术总的发展趋势是：提高遥感器的分辨率和综合利用信息的能力，研制先进遥感器、信息传输和处理设备以实现遥感系统全天候工作和实时获取信息，以及增强遥感系统的抗干扰能力4。我国土地利用存在较多严重问题，主要有土地资源退化、耕地资源流失严重、人口和耕地供需矛盾突出，因此土地利用资源分析变得很急迫很必要，通过对土地资源现状的研究分析，可以有效地制定出合理利用土地资源的对策与方针5。通过对北汝河流域土地利用的研究分析可以得出北汝河流域土地利用分类及其分布情况，同时得出各分类所占面积大小，通过数据为土地的合理利用提供了基本资料和理论依据，为未来的土地利用做出合理的规划，实现合理的充分的土地利用。1 研究地概况及研究方法1.1 研究地概况 北汝河发源于河南省嵩县车村镇栗树街村北分水岭摞摞沟，属沙颖河水系，是淮河二级支流，流经汝阳县、汝州市、郏县、宝丰县、襄城县、叶县六个县（市），在襄城县丁营乡汇入沙河。全长250 km，流域总面积6080 km2。北汝河河床宽浅，主流不定，两岸汇入支流较多，流域面积大于100 km2的支流有18条。流域内气候带属于大陆季风气候，年平均温度为14.6C，年平均降雨量约为686mm，流经县市总人口数达到432.2万。1.2 图像处理方法1.2.1 TM影像图源图像获取源图像得自于中国地理空间数据云网站（），获取图像条带号及行编号分别为124-36、124-37、125-36、125-37，获取图像年限分别为2010年、2014年，获取卫星图分别是Landsat7、Landsat8，共计6张源图像，经一系列操作合成两张所需图像。1.2.2 TM影像图预处理 landsat TM大气校正大气校正就是将辐射亮度或者表观反射率转换为地表实际反射率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。在大气校正之前需要对图像进行辐射定标。定标是将传感器所得的测量值变换为绝对亮度或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程6。 landsat TM 影像图增强遥感图像增强是指对图像的某些特征，如边缘，轮廓，对比度进行强调或尖锐化。增强的目的是要抑制、去除噪声，改善图像视觉效果或突出图像中的特定地物信息，使图像更容易理解、解译和判断。改善图像的视觉效果，针对给定图像的应用场合，有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些特殊分析的需要7。 landsat TM 影像图融合（镶嵌）图像镶嵌(拼接)是将多个具有重叠部分的图像制作成一个没有重叠的新图像，目的是发挥不同遥感数据源的优势，弥补某一种遥感数据的不足，提高遥感数据的可应用性。分为基于像元的拼接和基于地理坐标的拼接，此次采取的是基于地理坐标的拼接8。 landsat TM 影像图裁剪影像裁剪的目的是将研究区以外的区域去除，经常是按照行政区划或研究区域的边界对图像进行裁。按照ENVI的图像裁剪过程，可分为规则裁剪和不规则裁剪，规则裁剪即裁剪图像的边界范围是一个矩形，这个矩形可以通过行列号、左上角和右下角两点坐标、图像文件、ROI/矢量文件获取。不规则裁剪即待裁剪影像的边界范围是一个任意多边形，这个任意多边形可以是已经存在的完整的闭合多边形区域，可以是一个手工绘制的ROI多边形，也可以是ENVI支持的矢量文件。此次裁剪我们采用矢量文件裁剪，原因是图像较多运用适量文件裁剪既方便快捷又准确。1.2.3 landsat TM影像图信息提取遥感图像中目标地物的特征是地物电磁波的辐射差异在遥感影像上的反映。依据遥感图像上的地物特征，识别地物类型、性质、空间位置、形状、大小等属性的过程即为遥感信息提取。基于光谱的影像的分类可分为监督与非监督分类，这类分类方法适合于中低分辨率的数据10。此次采用的分类方法是决策树分类，决策树分类是基于遥感影像数据及其他空间数据，通过专家经验总结、简单的数学统计和归纳方法等，获得分类规则并进行遥感分类11。分类规则易于理解，分类过程也符合人的认知过程，最大的特点是利用多源数据；分类时结合图像影像、谷歌地球，以及实地调查拍摄照片所得的特征地貌、植被等进行实际分类。1.2.4 landsat TM 影像图分类后处理 小斑块去除在分类结果中不可避免地会产生一些面积很小的图斑。无论从专题制图的角度还是从实际应用的角度，都有必要对这些小图斑进行剔除或重新分类，目前常用的方法有Majority/Minority分析、聚类处理（clump）和过滤处理（Sieve）10。 landsat TM 影像图分类结果转矢量利用ENVI提供的Classification to Vector工具，将分类结果转换为矢量文件,生成矢量文件可通过excel进行数据统计分析1.3 景观指数计算 对遥感影像矢量化后可以得出北汝河流域内的林地、耕地、裸地、水田、梯田、水体、建筑等土地利用类型的斑块周长、斑块面积、斑块数量，计算出面积标准差、斑块所占比例、面积所占比例、斑块类型总数、平均斑块面积、平均斑块分维数、破碎指数12。其中平均斑块面积是指景观中所有斑块或某一斑块的平均面积。分维数是利用分形论对单个斑块形状复杂程度的量度，平均斑块分维数是取所有斑块分维数的算术平均值12。公式为：D=2ln(P/4)/ln(A)式中，D表示分维数；P为斑块周长；A为斑块面积。D 值越大，表明斑块形状越复杂，D 值的理论范围为 1.02.0，1.0 代表形状最简单的正方形斑块，2.0 表示等面积下周边最复杂的斑块。破碎度表征景观被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性，在一定程度上反映了人类对景观的干扰程度12。公式如下：Ci = Ni / Ai式中Ci为景观i的破碎度，Ni为景观i的斑块数，Ai 为景观i的总面积。Shannon-Wiener多样性指数是指：每一斑块类型所占景观总面积的比例乘以其对数，然后求和，取负值12。公式为：SHDI=-PilnPi其中Pi表示某一种斑块所占景观总面积的比例。 均匀度指数它反应的是景观中各斑块在面积分布上的均匀程度，以多样性指数与其最大值的比值来表示12 。公式为：E=H/Hmax100%；Hmax=lnC其中C表示所有斑块类型的总和。均匀度指数通常用来比较不同区域或同一区域在不同时期内景观多样性的变化。2 结果分析2.1 遥感影像判读结果对2010年、2014年的影像图进行判读与土地利用分类，结果见图1、2。图1 2010年土地利用分类结果图2 2014年土地利用分类结果 图中各颜色代表景观种类：绿色代表林地;红色代表耕地;黄色代表裸地；紫色代表梯田；蓝色代表水体；浅蓝色代表水田；白色代表建筑。由上图观察可以得出如下结论：林地主要分布于北汝河上游山地以及河流两侧山地的另一侧，位于河流两侧近河一侧山地中林地分布稀疏；耕地主要分布于河流近岸两侧以及下游平原地区；裸地主要分布于山地与梯田缓冲地带；梯田分布于中游两侧山地；水体主要分布于河流以及山地沟谷之间；水田主要分布于河流两侧以及湖畔周围；建筑主要分布于河流两侧平坦地带，以及下游平原地区。3.2 景观格局指数3.2.1 2010景观格局指数 由矢量结果经过excel计算处理得出结果见表1:表1北汝河2010年景观指数斑块类型周长(km)面积(hm2)斑块数量面积标准差(hm2)斑块所占比例(%)面积所占比例(%)平均斑块面积(hm2)平均斑块分维数破碎度指数林地11452.50 181131.57 127875.42118.96%33.29%14.1651.0360.071耕地11891.04 99383.58 101817.27119.11%18.27%7.7721.0340.102裸地4669.02 16419.78 82853.37215.73%3.02%1.2841.0360.505水体1384.44 7373.52 13191.2955.48%1.36%0.5771.0440.179建筑11579.40 67455.09 114327.96116.74%12.40%5.2751.0420.169水田972.90 2927.52 20062.8742.74%0.54%0.2291.0340.685梯田25608.66 169428.60 214195.45125.33%31.14%13.251.0520.126 对表格对比分析得出：面积所占比例降序依次为林地、梯田、耕地、建筑、裸地、水体、水田；面积标准差降序依次为建筑、耕地、梯田、林地、裸地、水田；斑块所占比例降序依次为梯田、耕地、林地、建筑、裸地、水体、水田；平均斑块面积降序依次为林地、梯田、耕地、建筑、裸地、水体、水田；破碎度指数降序依次为水田、裸地、水体、建筑、梯田、耕地、林地。通过分析得出北汝河流域Shannon-Wiener多样性指数的数值为：1.4912；多样性指数最大值为：1.9459；均匀度指数的数值为：0.7663。3.2.2 2014年景观格局指数由矢量结果经过excel计算处理得出结果见表2: 对表格对比分析得出：面积所占比例降序依次为林地、梯田、耕地、建筑、裸地、水田、水体；面积标准差降序依次为裸地、水体、水田、耕地、林地、梯田、建筑；板块所占比例降序依次为梯田、耕地、建筑、裸地、林地、水体、水田；平均斑块面积降序依次为林地、梯田、耕地、建筑、水田、水体、裸地；破碎度指数降序依次为裸地、水体、水田、建筑、耕地、梯田、林地。通过分析得出北汝河流域Shannon-Wiener多样性指数的数值为：1.5653；多样性指数最大值为：1.9459；均匀度指数的数值为：0.8044。表2 北汝河2014年景观指数斑块类型周长(km)面积(hm2)斑块数量面积标准差(hm2)斑块所占比例(%)面积所占比例(%)平均斑块面积(hm2)平均斑块分维数破碎度指数林地10034.56 179519.13 115355.57314.86%32.99%15.5631.0430.064耕地13236.12 100061.10 148376.25519.11%18.39%6.7441.0380.148裸地61956.60 20316.60 122128.48415.73%3.73%1.6641.0380.601水体15913.80 8334.00 42586.8495.48%1.53%1.9571.0350.511建筑13690.02 80529.57 129992.98616.74%14.80%6.1951.050.161水田1738.08 9093.51 21286.692.74%1.67%4.2731.0420.234梯田22075.02 152364.60 196625.21325.33%28.00%7.7491.0540.1293.2.3景观格局动态景观格局动态表斑块类型周长(km)面积(hm2)斑块数量面积标准差(hm2)斑块所占比例(%)面积所占比例(%)平均斑块面积(hm2)平均斑块分维数破碎度指数林地耕地裸地水体建筑水田梯田对比发现：随时间推移，林地中各数据除平均斑快面积都是降低；耕地板块数量、周长及破碎度增加，板块比例及面积所占比例不变，其他降低；裸地中面积标准差增长较大，周长、板块数量、面积所占比例、及平均斑快面积升高，斑块所占比例不变，破碎度及面积降低；水体周长、面积标准差及平均斑块面积增长较大，斑块所占比例不变，面积所占比例稍微增加，面积与板块数量增加；建筑面积标准差及面积显著增加，板块比例不变，破碎度变化极小，其他数据均增加；水体中板块比例不变，破碎度下降明显，其他数据显著增大；梯田中平均斑块面积下降较大，斑块数量增加，标准差、破碎度稍显增加，斑块比例不变，其他数据降低。4结论与讨论4.1结论（1）2010年与2014年两期的土地利用类型中，林地面积所占比例是7类中最大的，说明北汝河流域景观布局中，林地最多；林地为基质；梯田、耕地、建筑为主要斑块；水田、水体、裸地所占比例不大。平均斑块分维数均不大，说明北汝河景观类型的形状较简单规则。（2）2010年建筑面积标准差最大，水体最小，说明建筑斑块面积大小变化较大，水体斑块面积相差不大；林地平均斑块面积最大，水体最小，说明林地趋于片状化，水体趋于分散化；水田破碎度指数最大，林地的破碎度指数最小，说明水田分布较分散，林地集中。（3）2014年裸地的面积标准差最大，建筑最小，说明裸地斑块面积大小变化较大，建筑变化较小；林地的平均斑块面积最大，裸地最小，与图像一致；裸地的破碎度指数最大，林地的破碎度指数最小，说明裸地分布较分散，林地的破碎程度小，说明林地分布集中。（3） 从2010年到2014年 林地面积所占比例、斑块所占比例、破碎度减小，平均斑块面积、面积标准差增加，表明林地分布趋于集中且斑块面积变化增大；耕地面积所占比例、破碎度增加，斑块所占比例不变，平均斑块面积、面积标准差减少，表明耕地分布趋于分散且斑块面积变化减小；裸地面积所占比例、面积标准差、平均斑块面积、破碎度增加，斑块所占比例不变，表明裸地分布趋于分散且斑块面积变化增大；水体面积所占比例、斑块所占比例、破碎度、平均斑块面积、面积标准差均增加，表明水体分布趋于分散且斑块面积变化增大；建筑面积所占比例、平均斑块面积增加，斑块所占比例不变，破碎度及面积标准差减小，表明建筑分布趋于集中且斑块面积变化减小；水田面积所占比例、平均斑块面积、面积标准差增加，斑块所占比例不变，破碎度减少，表明水田分布趋于分散且斑块面积变化增大；梯田面积标准差及破碎度增大，斑块所占比例不变，面积所占比例、平均斑块面积减小，表明梯田分布趋于分散且面积变化增大 4.2讨论在Envi5.0基于Cart算法分类过程中，5、6月份林地与某些耕地的data值比较接近以及7月份裸地与耕地data值接近不容易区分，导致计算和分析结果存在误差。针对怎样减少这种误差，是需要继续讨论的。通过对景观格局分析，提出几点未来规划的建议： （1）通过对影像图的观察分析，发现梯田面积所占比例是所有景观类型中比例最大的，而其所在部分位于山坡，也就是说多少年前梯田所在位置是林地，随着社会发展林地大幅度减少，随着梯田增多林地减少势必使裸地面积增加，使土地得不到充分利用，同事环境受到影响，建议政府大力推广退耕还林以及采取措施保证人工林的成活率.（2）在实地考察过程中，发现北汝河流域正在进行大量的道路桥梁建设，在建设过程中不免会破坏原有植被的生长，因此建议在施工完成后及时恢复因道路桥梁被破坏的生态条件。参考文献1李明辉.高速发展的景观生态学J.生物学杂志,2005,(5).2王茜,任宪友,肖飞.RS与GIS支持的洪湖湿地景观格局分析J.中国生态农业学报，2006,(02).3吴健平,杨星卫.遥感数据监督分类中训练样本的纯化J.国土资源感,1