面向?qū)ο蠓诸惖V區(qū)土地利用變化探究
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摘要：采礦活動會引起礦區(qū)地表覆被的變化，而礦區(qū)土地利用已被認為是影響生態(tài)環(huán)境的重要因素之一。本文主要是利用高分遙感影像對礦區(qū)進行土地利用分類以及變化研究。首先，對兩期鶴崗礦區(qū)北京二號衛(wèi)星影像進行數(shù)據(jù)處理；其次，利用面向?qū)ο?/a>分類和最大似然法兩種分類方法做對比；第三，通過對分類結(jié)果進行統(tǒng)計、分析，得到最適合礦區(qū)土地利用分類的方法，并最終獲取鶴崗礦區(qū)土地利用變化。研究結(jié)果可用于礦區(qū)生產(chǎn)管理，也可作為礦區(qū)土地利用規(guī)劃的理論基礎。
關鍵詞：礦區(qū)；高分影像；土地利用分類
煤炭工業(yè)作為我國的基礎產(chǎn)業(yè)之一，在國民經(jīng)濟與社會發(fā)展中的地位和作用不言而喻［1］。但煤炭的開采對人類賴以生存的土地資源造成了極其嚴重的破壞，對礦區(qū)土地利用進行合理規(guī)劃與綜合整治已勢在必行，采用先進的技術(shù)手段來發(fā)現(xiàn)與分析礦區(qū)土地利用變化信息并得出用地變化規(guī)律，對土地利用與城鄉(xiāng)合理規(guī)劃以及礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義［2］。由于礦區(qū)地物具有高度復雜性和快速變化的特點，目前對于礦區(qū)地物進行時序變化和動態(tài)檢測的研究匱乏。劉楊運用RS和GIS技術(shù)對研究區(qū)內(nèi)幾個大型礦區(qū)的土地利用變化情況進行了分析，有效地了解礦區(qū)的態(tài)勢以及其發(fā)展動向［3］。朱權(quán)采用最大似然法對礦區(qū)土地進行分類，為該地土地恢復提供了有力依據(jù)［4］。本文通過分析基于面向?qū)ο蠛妥畲笏迫环▋煞N分類方法對礦區(qū)進行分類，以期得到精度最高的分類方法，為礦區(qū)土地利用變化規(guī)劃提供理論基礎。研究礦區(qū)的土地利用變化，有助于更加快速、精確、有效地獲取礦區(qū)土地利用覆被的變化信息，從而對土地利用變化信息進行分析，明確其動態(tài)變化過程以便有效的調(diào)整人類社會經(jīng)濟活動，促使土地利用更為合理，有利于礦區(qū)的長久發(fā)展，為土地發(fā)展服務［5］。
1研究區(qū)概況及研究方法
1.1研究區(qū)概況
本文以鶴崗興安煤礦為研究區(qū)，研究區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)影響安全和正常使用的變形破壞，對煤層上部的建筑、水體、道路產(chǎn)生嚴重的破壞作用，礦區(qū)塌陷面積逐漸增大，地表變形破壞，房屋倒塌，農(nóng)田破壞，同時也對人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重的危害，經(jīng)濟損失慘重［6］。
1.2數(shù)據(jù)來源
本文選取北京二號衛(wèi)星鶴崗市興安煤礦2018年9月和2020年8月的遙感影像作為實驗數(shù)據(jù)，北京二號衛(wèi)星影像全色分辨率為0.8m，多光譜分辨率為3.2m，包含藍、綠、紅、全色、近紅外五個波段。
1.3研究方法
參照國家標準《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T21010—2017）分類標準，并結(jié)合北京二號遙感影像和研究區(qū)的特征，將研究區(qū)的土地利用類型分為采煤用地、道路、耕地、建設用地、林地、水體6類。研究方法流程圖如圖1所示。1.3.1影像分割。預處理后通過分析文獻中的參數(shù)設置，對本研究區(qū)的遙感影像進行分割尺度選擇，設置為120時，地物分割不夠完整，設置為210時，地物分割對象比較粗糙，存在一個對象包含另一個對象的現(xiàn)象，經(jīng)過多次試驗，當分割尺度設置為160，形狀權(quán)重0.2，緊湊度0.5，分割效果較好。不同分割尺度的試驗結(jié)果如圖2所示。1.3.2特征提取與分類。①光譜特征。各類地物的光譜特征之間相差較大，其中水體呈青色，可通過歸一化水指數(shù)（NDWI）來進行提取，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，水體的NDWI值一般大于0.05，非水體是負數(shù)；不同地物之間的歸一化植被指數(shù)（NDVI）值也相差較大，通過實驗結(jié)果統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，耕地的NDVI區(qū)間范圍為0.11~0.35，林地為0.21~0.50，然后在eCognition中將以上參數(shù)添加到分類特征條件中。下列為NDWI和NDVI的計算公式：NDWI=(P(Green))-P(NIR)(P(Green))+P(NIR)（1）NDVI=(P(NIR))-P()Red(P(NIR))+P()Red（2）②紋理特征。影像紋理值指灰度值在空間上的變化，是一種獨立于顏色反映地物同質(zhì)性的特征［7］。由于灰度共生矩陣的數(shù)據(jù)量較大，一般不直接作為區(qū)分紋理的特征，而是基于它構(gòu)建的一些統(tǒng)計量作為紋理分類特征。幾種常用的統(tǒng)計量為角二階矩、熵、對比度、反差分矩陣、相關性等，如用來度量圖像的灰度級在行或列方向上的相似程度，因此值的大小反映了局部灰度相關性，值越大，相關性也越大［8］。依據(jù)這些統(tǒng)計量，在eCognition中添加條件特征，為后續(xù)分類提供參照。③形狀特征。除綜合上述光譜特征和紋理特征用于分類外，地物的形狀特征也是分類的重要依據(jù)。通過對研究區(qū)影像分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)房屋為長方形狀，水體為橢圓形狀，道路為長條狀。在eCognition中添加shapein⁃dext條件特征，然后研究區(qū)的道路就會高亮為條狀。本文以光譜特征、紋理特征和形狀特征作為主要分類依據(jù)。通過多次試驗與驗證，最終選取以下評價指標體系，研究區(qū)地物類別與特征如表1所示。
1.4最大似然法
將2020年8月的北京二號衛(wèi)星影像經(jīng)過預處理后，用最大似然法進行礦區(qū)土地利用分類，并選取采煤用地、水體、建設用地、林地、耕地、道路等6類地物作為分類樣本，樣本選取盡量平均，最后通過ENVI操作完成整個研究區(qū)的分類。
2實驗及結(jié)果分析
2.1eCognition分類結(jié)果及分析
2.1.1精度評定。①點樣本選取。實驗選取139個驗證樣本點，其中，14個建設用地樣本點，24個采煤用地樣本點，46個耕地樣本點，12個道路樣本點，2個水體樣本點，41個林地樣本點。②精度評價。利用驗證樣本，統(tǒng)計分類正確和錯誤的數(shù)量，構(gòu)建精度檢驗混淆矩陣，得到解譯精度為87.77%，Kappa系數(shù)為0.8375，見表2。
2.2最大似然法分類結(jié)果及分析
利用精度評價分析法構(gòu)建精度檢驗混淆矩陣，得到最大似然法解譯精度為78.76%，Kappa系數(shù)為0.7173，結(jié)果見表3。通過對以上兩種分類結(jié)果分析，即面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ目傮w精度為87.77%，最大似然法的分類精度為78.76%，發(fā)現(xiàn)基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǚ诸惥让黠@高于最大似然法分類精度，分類效果較為理想。Kappa系數(shù)是用于檢驗分類一致性的指標，也可以用于分類效果的衡量，基于面向?qū)ο蟮姆诸惤Y(jié)果Kappa系數(shù)為0.8375，系數(shù)值在0.81~1，表示分類結(jié)果幾乎完全一致，最大似然法分類結(jié)果Kappa系數(shù)0.7173，系數(shù)值在0.61~0.80，表明分類結(jié)果具有高度的一致性。由此可知，基于eCognition的面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ň哂忻黠@的精度優(yōu)勢。
3動態(tài)檢測實驗
3.1變化結(jié)果與分析
通過對兩幅原始圖分析可知，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域自2018—2020年土地利用整體變化不大，呈建筑群增多，采煤用地減少的變化趨勢。為得到鶴崗礦區(qū)近兩年土地利用變化的具體趨勢，基于對2020年8月份北京二號衛(wèi)星影像的處理與分析，用相同的方法對2018年9月份的衛(wèi)星影像進行處理，最終得到圖3（a），將圖3（a）和圖3（b）進行比較，可以得到該村的土地利用變化情況。由上表可知，2018—2020年，該研究區(qū)土地利用類型發(fā)生了變化，因為該地區(qū)煤礦開采已到后續(xù)階段，所以采煤用地所占比例減少，這和通過目視解譯得出的結(jié)論是一致的，此外，由于時代的發(fā)展，建設用地與道路相應增加，為人民的生活提供了便利。從研究結(jié)論可以看出林地增多、耕地減少，這符合我國目前提出的“退耕還林”的重要政策。
4結(jié)語
本文通過對鶴崗礦區(qū)分類，對比了不同的分類方法，證明基于eCognition的面向?qū)ο蠓椒ǚ诸惤Y(jié)果精度明顯高于基于像素的最大似然法，這是因為基于eCognition的面向?qū)ο蠓诸惙椒ǔ罁?jù)ROI的地物特征外，還綜合考慮地物的光譜特征、形狀特征和紋理特征。實驗結(jié)果表明，鶴崗礦區(qū)土地利用類型的面積發(fā)生了變化，主要是礦區(qū)向其他類別的轉(zhuǎn)移，主要轉(zhuǎn)移對象為林地，其中建設用地、道路的面積是處在增加的過程，揭示了礦區(qū)土地利用結(jié)果的遷移狀況向著生態(tài)環(huán)境的恢復治理工作推進，研究結(jié)果可為礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
作者:楊書平 邵杰 趙威成 單位:黑龍江科技大學 華潤燃氣鄭州工程建設有限公司