遥感影像分类提取城市用地的方法及过程

1摘要城市是人口、资源、环境和社会经济等要素高度密集的综合体，因此城市的发展变化是人地关系的焦点。工业化的进程正蒸蒸日上，经济快速发展，城市中人口剧增以及非城市人口大量涌入，而且人们生活水平不断提高，并同时追求着物质文明与精神文明的东西，这一切都促使城市逐渐增大，并向外不断扩张。伴随着城市的扩张，各种资源被急剧消耗，土地作为一种基本的自然资源，受城市扩张的直接影响，特别是在城市边缘地带的各种土地利用类型都随着城市的扩大以各种方式逐渐转化为城市用地。为了探讨这种转化过程及其内在驱动力因素，本文以郑州市为研究对象，选取该市1988年、2001年和2003年三个时相的LandsatTM/ETM+遥感影像作为主要的数据源，以遥感分类提取为主要的获取信息的手段，通过对土地利用分类结果图像进行叠加统计分析，分析郑州市从1988年—2003年间土地利用的变化及土地利用类型转换情况。运用三期遥感影像分类的结果图像提取郑州市城市用地的图斑，进而统计出城市用地面积，分析统计得到1988年—2001年、2001年—2003年两个年份段间郑州市城市用地扩展数量和速率。最后结合郑州市的经济、交通、规划和政策，分析了该区域在1988年一2003年间城市扩展的驱动力因素。本文着重探讨了遥感影像分类提取城市用地的方法及过程，采用了ENVI软件对遥感图像进行影像校正、裁剪和增强，利用马氏距离分类法(MahalanobisDistance)进行监督分类，并统计分析城市用地的扩展面积，计算城市用地的扩展速率，并分析了1988年—2001年、2001年—2003年间郑州市城市扩展过程中建成区侵占其它用地类型的情况。关键词：遥感城市扩展土地利用变化监督分类郑州2目录第一章引言.........................................11.1研究背景和意义..............................................................................................................11.2城市遥感技术发展.........................................................................................................21.3城市扩展的遥感研究......................................................................................................31.4本文主要内容..................................................................................................................4第二章研究区概况和数据准备.........................62.1郑州市概况.....................................................................................................................62.2数据准备........................................................................................................................72.3本章小结.........................................................................................................................8第三章基于TM和ETM十遥感影像的监督分类...........93.1TM和ETM+传感器的特征参数.......................................................................................93.2遥感影像校正、裁剪和增强.......................................................................................103.3郑州市土地利用分类（监督分类）............................................................................12第四章郑州市扩展分析..............................154.1城市扩展速率...............................................................................................................154.2各地类的时空间变化分析............................................................................................1543郑州市城市扩展驱动力分析........................................................................................164.4本章小结.......................................................................................................................19第五章结论与展望.................................205.1研究结论......................................................................................................................205.2启示与展望..................................................................................................................21参考文献...........................................221第一章引言1.1研究背景和意义城市是人口、资源、环境和社会经济要素高度密集的综合体，其中心聚集作用使其本身具有强大的生命力，并不断向四周扩大发展。这种扩大发展是一时间上的动态过程，体现在它的自然、经济、人文等要素上的发展具有时间上的阶段性、顺序性和不可逆性。同时城市的扩展表现为在某一发展阶段空间格局的变化，有其特殊的空间性。而所谓的城市化即是城市由于社会生产力的发展而引起的城市空间增长、城市规模扩大，农村人口向城市集中的过程。城市化是社会经济发展的必然结果，也是社会经济发展的有机组成部分和有力的推动器，而城市空间是指城市占有的地域空间，更多地属于地理概念而非行政概念，是以非农业用地和非农业经济活动为主体的建成区[1]。18世纪中叶以来，随着工业革命的推进，世界城市化进程逐步加快，极大地推动了社会进步，促进了社会经济发展，使城市成为了社会政治、经济、文化科技和对外交流动中心，成为了促进人类文明发展的主要动力;另一方面，城市化又造成城市规模急剧扩大、城市内部出现城市病和城乡发展失衡等一系列问题。城市化的发展必然造成城市空间扩展，城市用地扩张，城市人口增加，同时，城市的协调发展问题又加深了人们对城市空间生长扩展规律的认识。也就是因为这些问题，城市扩展特别是城市边缘区土地利用月二地覆盖变化过程、交通状况、人口分布、经济产业格局机制，成为国际城市地理、土地利用等研究领域的热点问题之一。城市扩展研究一直都是城市研究的主要领域，人们试图藉此分析、揭示城市用地形成和演化的内在和外在驱动机制，比较不同类型城市扩展的特征差异。我国从50年代后期开始就有大量的研究进行，其中包括城市形态分类、演变阶段、城市扩展方式和速度、城市扩展的主要影响因素，城市扩展预测和模拟等。目前，国内外对城市扩展的研究主要集中在以下三个方面:一是研究城市扩展的规律及形式;二是城市扩展的驱动力机制的分析研究，即分析推动城市地域扩展的原因是什么;三是针对城市扩展所应采取的措施。土地利用动态监测是城市扩展遥感研究中最重要、最基础的一部分，也是深入研究城市各个方面必不可少的环节。对于土地利用动态监测和宏观或区域2性的城市扩展研究，实时可靠的土地利用变化信息是非常重要的，通过经常性地获取大量详细的区域土地利用变化数据，可以对区域土地利用的变化范围、大小、时间、速度、特征和趋势等基本参数进行细致分析，这是城市扩展研究和土地利用动态监测的重要基础。近年来，随着地理信息技术、卫星遥感技术、空间定位技术、测绘和数据处理技术等一系列的空间数据和信息采集、量测、处理、分析、管理、存储技术的不断发展，有关土地利用变化动态监测的基础数据来源多样化趋势越来越明显，所获得的数据的分辨率、精确度和可靠性不断增强，处理和管理手段日渐先进。现在对城市边缘区和城市扩展进行研究主要是采用遥感数据进行的，包括航天遥感和航空遥感数据.航天遥感可以提供不同空间分辨率和时间分辨率的遥感数据，从而可进行不同空间和时间尺度的变化监测。已有很多研究是应用遥感数据进行城市扩展和城市边缘带土地利用变化进行的。城市建设快速发展，城市面貌日新月异，使得城市地域不断向外蔓延，交通网路不断扩张，受此影响，土地的利用方式发生了很大的变化。城市的扩展，农用地、林地和水体的减少，影响着城市生态环境和社会经济的可持续发展。因此，城市的发展需要进行监测，为城市的可持续发展提供决策信息服务。1.2城市遥感技术发展遥感作为一门综合性技术，虽然是上世纪60年代提出来的，但已渗透到国民经济建设的各个领域，发挥着越来越重要的作用。随着传感器技术、遥感平台技术、数据通信等相关技术的发展，现代遥感技术己经进入了一个能够动态、快速、准确、多手段提供对地观测数据的新阶段，同时遥感信息处理的理论研究也有了重要的进展。国际上相继推出一批高水平的遥感影像处理商用软件，所有这些都为遥感技术的应用奠定了坚实的基础。目前，遥感技术已经被广泛地应用于土地利用、作物估产、资源调查、环境监测以及区域分析等研究领域。遥感技术作为一种快速获取城市现状基础资料的重要手段，已经在城市调查、监测、城市规划与管理中占有重要地位。遥感应用于城市环境研究最早是从1958年法国用装载在气球上的相机拍摄了巴黎市的像片开始的。到上世纪50年代，随着传感技术和航天技术的发展，应用航空像片和卫星影像进行城市专题研究也日趋成熟。大量彩色、热红外遥感技术被应用于城市扩展分析、城3市环境监测与评价以及城市化进程评估等诸多方面。我国从上世纪70年代末到80年代初，有些城市就开始谋求应用航空遥感技术监测环境，调查土地资源和进行城市规划管理的尝试。1980年天津市在环境遥感监测中对大气、水体、土壤、交通、植被、土地利用等多方面进行了比较系统的分析、评价，并且初版了环境质量地图集，为天津市政建设、防治海河污染、规划公路立交桥、检查绿化植被成活率、监测海港淤积和沿海开发等诸多市政工程问题，提供了遥感图件等数据。从1985-1995年之间，太原、沈阳、广州等90多个大中城市都陆续进行了彩红外航空遥感，对城市化与生态、环境问题进行了比较深入的调查研究。上海市利用多时相TM卫星影像分析了城市土地利用变化、热岛效