基于面向對象的太陽島土地利用信息提取研究

龔文峰,劉芳平,王笑峰,劉 濤,陳月鑫,吳 娟,王鑫鑫,孔 達

(黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

?

基于面向對象的太陽島土地利用信息提取研究

龔文峰,劉芳平,王笑峰,劉 濤,陳月鑫,吳 娟,王鑫鑫,孔 達

(黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

文章以哈爾濱市太陽島為研究對象，以2003年和2013年的QuickBird 和WorldView-2遙感影像為主要數據源，在RS和GIS的支持下，基于面向對象的方法，定量提取該區域的土地利用/覆蓋數據，在此基礎上，探究土地利用時空演變特征，揭示土地利用變化成因，以期為該區域土地合理利用及生態環境保護提供理論依據。結果表明：10 a間水域和未利用地面積增加，水域增加最大，為206.42 hm2，其他地類面積減少，濕地減少最多；濕地向水域的轉變量最大，為169.35 hm2，其次是草地轉換為未利用地，為91.73 hm2，水域的保留量最大，為459.35 hm2；太陽島區域內生態功能下降，生態安全程度降低，生態環境質量區域惡化。

太陽島;面向對象;GIS;RS;土地利用信息

城市濕地是城市生態系統的重要組成部分，具有重要的生態環境和社會服務功能，為實現城市可持續發展提供重要的水資源和生態環境保障。因此，合理開發利用濕地資源是城市可持續發展的重要前提[1]。太陽島濕地位于松花江哈爾濱段，屬于哈爾濱重要城市濕地[2]，是江漫灘濕地草原型風景名勝區，更是哈爾濱唯一的一個5A級旅游景區。然而，由于自然原因、人口增長以及日益加速的城市化進程，使得城市內與城市周圍的濕地資源被大面積開墾、改造，造成了城市濕地景觀的結構變化與某些生態功能的改變或喪失[3]，從而致使城市濕地面積減少、水質惡化、植被退化、生態功能減退等[4]，特別是哈爾濱市松北區的快速開發建設[5]，致使局部區域植物被砍伐、動物的生存空間被占領、生態系統結構被破壞，城市建筑、垃圾、噪聲、水體和大氣等污染，都對濕地的生態環境造成很大的威脅[5]，并且2005年和2010年發生的松花江污染事故，使松花江下游嚴重污染，也使太陽島濕地公園的生態安全面臨危機，嚴重威脅到濕地區域乃至城市社會經濟的可持續發展[6-7]。

近年來，越來越多的學者運用各種方法與技術對濕地資源進行了大量的研究，取得了很多成果[3]?；趥鹘y像元的遙感影像分類方法，并且主要以像元的光譜特征為基礎[8]，結合典型區域濕地做了一定量的研究，并取得明顯的成果[9-14]。但這些研究雖然做到了結合地物的空間信息和光譜信息，但不能充分地利用高分辨影像中地物豐富的紋理、形狀和幾何特征信息[8]，已經不能滿足現代城市濕地土地利用信息數據的精度要求[15]。隨著遙感信息技術的不斷提升，尤其是小衛星技術的發展和高空間分辨率的遙感影像的大量產出[8]，為濕地資源信息的提取研究提供了大量的資料，但高空間分辨率影像中不同地物間的光譜特征相互重疊，影像中“同譜異物”和“同物異譜”現象嚴重[8]，使得傳統遙感分類技術不斷受到挑戰[16]，且傳統基于像元的分類方法很難獲得滿意的分類結果[8]。然而，面向對象分類方法卻能夠充分地利用高空間分辨率影像中的顏色、形狀、光譜、紋理、幾何和結構特征等信息進行分類，實現土地利用信息的高精度提取。

基于此，本文在RS和GIS技術支持下，以2003年和2013年高分率遙感數據為主要數據源，應用面向對象方法完成太陽島土地利用信息的定量提取，在定量分析土地利用變化的基礎上，探究其時空演變特征與演化規律，以期為太陽島城市濕地資源的合理利用與開發、城市生態環境的改善與治理、景區規劃和濕地保護等提供技術支持和理論依據。

1 研究區域概況

太陽島位于哈爾濱市松花江南北大堤之間(見圖1)，現隸屬于哈爾濱市松北行政區，而松北區是哈爾濱市新建立的行政區，它是經國務院批準

在原松北開發區的基礎上建立起來的政區型開發區[17]。太陽島的地理坐標為：E：126°34′21″～126°38′13″，N:45°46′32″N～45°48′65″。屬中溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫5.3 ℃，年平均降水量為523.3 mm。其主要由江漫灘、濕地、崗丘等地貌構成，地形自然平緩起伏，土壤類型較為復雜，主要為沙土、草甸土和沼澤土等[17-19]。植被類型主要為榆樹森林草原或森林草甸草原[5]，加之受不同地形變化、土壤類型和水分狀況的分布，從而形成了不同的天然植被群落[5]。

圖1 太陽島地理位置圖

2 研究方法

2.1 數據源

在遙感影像軟件ENVI 5.1的支持下，完成太陽島衛星遙感影像數據QuickBird(2003年7月)和WorldView-2(2013年7月)的彩色合成、輻射定標數據和大氣校正等初步處理工作，基于哈爾濱市DEM數據，結合野外調查收集樣點數據，應用RPC物理模型完成影像的正射校正。在此基礎上，應用研究區域矢量數據完成遙感影像的裁剪，從而獲得該區域的遙感影像數據。

2.2 土地利用類型

根據國家土地利用分類系統和哈爾濱城市濕地類型特點，并充分利用高空間分辨率影像中的顏色、形狀、光譜、紋理、幾何和結構特征等信息，本文將研究區的土地利用劃分為6類：建筑用地、林地、草地、濕地、水域和未利用地。

2.3 基于面向對象方法分類

利用FeatureExtraction模塊中的EBFE模型，根據式(1)、式(2)調整光譜異質性、區域整體緊密度的對應權重，使得影像分割效果滿足地類要求且破碎度小。經調整觀察發現，當光譜異質性(x)權重為0.7、邊界平滑度(υ)權重為0.5時的影像分割結果與地物實際異質性接近，滿足解譯要求。在分割的結果上對影像對象進行分類，根據本文所擬定的6種地類選取適當的分類算法對影像進行分類，本次研究選用的算法為基于樣本的最鄰近算法[20]。

(1)

式中：x1為光譜異質性，ω1為光譜異質性對應權重，0≤ω1≤1；x2表示形狀異質性。其中x1、x2的計算方法采用

(2)

式中：σi為第i影像層光譜值的標準差，ζi為對應權重；v為影響臨近區域整體緊密度，ω2為對應權重，0≤ω2≤1；υ為邊界平滑度。

(3)

式中：C為影像區域實際的邊界長度；n為影像區域的像元總數；L為包含影像區域范圍的矩形邊界總長度[17]。

基于上述地類分類原理，利用由特征信息構成的知識庫與具有代表性的地類樣本，完成對知識庫的信息的填充，以實現研究區域地類影像的初步分類。在此基礎上對比原有影像圖對分類有誤的地類重新識別分類。

2.4 技術流程

以2003—2013年為時間尺度，以高分辨遙感圖像為主要數據，借助于ENVI的FX模塊，利用面向對象的方法完成遙感圖像的尺度分割和土地利用信息的定量提取，在分析太陽島的土地利用信息變化情況的基礎上，探究其時空變換規律。具體的技術流程如圖2所示。

圖2 技術流程路線圖

3 結果與分析

3.1 分類精度驗證

分類精度是評價分類方法可取之處的重要依據。利用遙感影像對地物進行分類與地物的實際情況存在差異，對于分類的影像數據是否能夠滿足分類的要求，本文在研究區域隨機選取了270個樣本，利用混淆矩陣計算各種地類的生產者/使用者精度、總精度以及kappa系數等相關參數，來計算其分類精度，分析結果如表1、表2所示。

從精度分析表可以看出，兩期遙感影像的分類總精度分別為85.92%和89.26%，kappa系數分別為83.02%和87.04%。雖然草地受濕地和林地影響在解譯時精度相對偏低，但各使用者精度均達到80%以上，據此可說明遙感影像的地物分類效果很好，滿足分類精度要求。

表1 地物分類混淆矩陣及精度分析表(2003年)

表2 地物分類混淆矩陣及精度分析表(2013年)

3.2 面積變化分析

結合面向對象分析方法和野外實地調查，在ArcGIS的支持下，獲取2003年和2013年哈爾濱市太陽島土地利用空間分布圖(圖3)，基于ArcGIS空間分析與統計功能，通過對兩個時相研究區域土地利用信息的定量分析，獲取其屬性特征(表3)。為了更直觀地反映10 a間該區域土地類型組成所占面積比例發生的變化，本文采用餅狀圖來表示 2003年和2013年間研究區域土地利用類型組成(圖4(a、b))。

圖3 研究區域2003年、2013年土地利用信息提取

2003年面積/hm2百分比(%)建筑用地150.212.38林地145.812.02水域459.3537.87草地168.0513.86濕地208.7117.21未利用地80.766.66總和1212.871002013年面積/hm2百分比(%)110.739.1391.057.51665.7754.8974.76.1657.244.72213.3817.591212.87100變化量/hm2年變化率(%)-39.47-2.63-54.75-3.76206.424.49-93.35-5.55-151.47-7.26132.6216.420

圖4 研究區域2003年、2013年土地利用類型構成

由表3可知，研究區域水域面積占據優勢地位，其面積比例為37.87%和54.89%，呈現增加趨勢，由于太陽島地處松花江江心，在大頂子山水庫竣工蓄水后，水位雍高，哈爾濱段的江水位將常年保持在116 m，比原來提高四五米，江道水面大大增加的同時，致使部分區域的其他地類被淹沒，水域面積擴張，從2003到2013年，面積增加了206.42 hm2。2003年濕地占據較大的面積比例，為17.21%，2013年未利用地占據一定的面積比例，達到17.59%，且該地理10 a間面積增加了132.62 hm2，年變化率最大，為16.42%。此外，研究區域的建筑用地、林地、草地和濕地的面積減少，濕地面積減少的最多，為151.47 hm2，年減少率最大，為7.26%，濕地面積的減少除了受大頂子山水庫竣工影響外，還與松花江水質及哈爾濱市及其上游城市工業化發展息息相關。此外，隨著哈爾濱市人口增長，松花江流域農業開發不斷向低河漫灘濕地逼近，城市和工業用水進一步減少了濕地的水源供應[18]，在一定程度上也導致濕地喪失和退化。其次是草地，減少面積為93.35 hm2，建筑用地減少的面積最少，為39.47 hm2，很大程度上源于2003年市政府推行的生態移民工程?？傊?，10 a間研究區域水域和未利用地的面積增加，而其他地類面積減少。

3.3 空間變換分析

為更好地反映土地利用類型之間的轉換關系，基于ArcGIS空間分析支持下，完成兩期土地利用信息的空間疊加對比分析，在統計土地利用變化情況基礎上，計算土地利用轉移矩陣，進而探究各地類之間的空間轉換特征。

由表4可知：(1)濕地轉換水域的面積最大，為169.35 hm2，主要源于松花江下游大頂子山水庫蓄水，前水位壅高，松花江水位抬升，庫區水面增大，致使水域面積增加的同時，造成大量的濕地被水淹沒，濕地面積萎縮，原有濕地大量消失，最終將導致生物多樣性減少，不但影響濕地作為“地球之腎”的功能，也影響景觀可視性和旅游活動的開展[20]。(2)草地轉為未利用地的面積為91.73 hm2，林地轉換未利用地的面積達到37.68 hm2，該兩種地類的轉換，主要源于當時風景區管理尚不完善，一些村民為了追求更多的經濟利益，在風景區用地內開荒種田，放牧養殖[21]，致使部分區域的林地和草地被破壞，加之松北區的部分居民的過度放牧[21]，導致部分區域地被植物消失，植被覆蓋面積減少、使得地表裸露程度加大，局部區域生態環境發生了一定變化，出現了土地沙化、水土流失嚴重、旱澇災害頻發等問題[22]，區域未利用地面積增加，因此，今后要加大推行“退耕還林、還草”等生態工程，加大破壞林地和植被的懲罰力度，防止造成新的人為水土流失[5]。與此同時,當地政府應該加大植被的更新、恢復及保護措施等的資金投入。(3)建筑用地轉換為未利用地的面積達到了25.2 hm2，很大程度地源于濕地保護區內的居民住宅的生態搬遷，要加大對該區域的還草、還林和還濕等生態恢復措施，同時要結合現狀規劃，制定措施恢復區域生態環境，最大程度地減輕原來人類活動對生態環境的干擾程度，進而借助于生態恢復和重建,改善區域生態環境質量。

表4 2003年到2013年太陽島土地利用/覆蓋變化轉移矩陣

4 結 論

基于RS和GIS支持下，以太陽島作為研究對象，利用面向對象方法分析獲取地類利用信息。并對2003—2013年間城市濕地變化進行了定量分析，以期為該研究區域土地利用規劃和生態保護提供理論依據和技術支撐。結果表明：

10 a間水域和未利用地面積增加，水域增加最大，為206.42 hm2，其他地類面積減少，濕地減少最多；濕地向水域的轉變量最大，為169.35 hm2，建筑用地、林地、草地以及未利用地之間存在不同程度的轉變，草地轉換為未利用地的面積次之，為91.73 hm2，水域的保留量最大，為459.35 hm2；濕地、林地和草地等生態安全保障性地類面積減少，而生態安全脆弱地類(未利用地)面積增加，表明太陽島區域內局部區域的生態功能下降，生態安全程度降低，生態環境質量區域惡化。

[1] 孫廣友,王海霞,于少鵬.城市濕地研究進展[J].地理科學進展,2004,23(5):94-100.

[2] 鐘雷,于洋,趙徐,等.哈爾濱市太陽島濕地生態環境特征及其保護對策[J].經濟研究導刊,2010(4):153-154.

[3] 孔春芳,王靜,張毅,等.武漢城市濕地景觀格局時空結構演化及驅動機制研究[J].中山大學學報(自然科學版),2012,51(4):119-128.

[4] COSTANZA R,ARGE R,GROOT R, et al. The valve of the world's ecosystem services and natural capital [J].Nature,1997(387): 253-260.

[5] 吳妍,趙志強,龔文峰,等.太陽島濕地景觀生態安全綜合評價[J].東北林業大學,2010,38(1):101-104.

[6] WEBER C,PUISSANT A.Urbanization pressure and modeling of urban growth: Example of the Tunis metropolitan area [J].Remote Sensing of Environment,2003(86):341-352.

[7] XU K,KONG C F,LIU G,et al.Changes of urban wetlands in Wuhan China from 1987 to 2005[J].Progress in Physical Geography,2010,34(2):207-220.

[8] 何順兵,牟鳳云. 基于面向對象的多尺度山地城市土地覆蓋信息提取—以重慶市大學城城區為例[J].重慶工商大學學報(自然科學版),2016,33(1):83-88

[9] SHANMUGAM P,AHN Y H,SANJEEVI S.A comparison of the classification of wetland characteristics by linear spectral mixture modeling and traditional hard classifiers on multispectral remotely sensed imagery in southern India[J].Ecology Modeling,2006(194): 379-394.

[10] 宮鵬,牛振國,程曉,等.中國1990和2000年濕地變化遙感[J].中國科學D輯:地球科學,2010,40(6):768-775.

[11] 陳建,王世巖,毛戰坡. 1976-2008年黃河三角洲濕地變化的遙感監測[J].地理科學進展,2011,30( 5) :585-592.

[12] 曾輝,高啟輝,陳雪,等.深圳市1988-2007 年間濕地景觀動態變化及成因分析[J].生態學報,2010,30(10) : 2706-2714．

[13] 宮兆寧,張翼然,宮輝力,等.北京濕地景觀格局演變特征與驅動機制分析[J].地理學報,2011,66(1):77-88.

[14] 王樹功,黎夏,劉凱,等.環內伶仃洋河口灣濕地動態變化(1988-2004)[J].中山大學學報:自然科學版,2007, 46(2):105-109.

[15] LIAN L,CHEN J F． Research on Segmentation Scale of Multi-resources Remote Sensing Data Based on Object-oriented[J]. Procedia Earth and Planetary Science,2011(2): 352-357.

[16] 牟鳳云,羅丹,官冬杰,等.面向對象的土地覆蓋信息提取方法研究及應用[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2014,33(6):104-108.

[17] 金錦花,劉遙,韓英錦.哈爾濱太陽島風景區的現狀和發展前景[J].國土與自然資源研究，1999(2):61-62.

[18] 丁曉英. eCognition 在土地利用項目中的應用[J].測繪與空間地理信息，2005，28(6):117-118.

[19] 鄧琦.哈爾濱太陽島風景區與生態松北發展策略分析[J].區域經濟,2009(3):58-59.

[20] 鐘雷,于洋,趙徐,等.哈爾濱市太陽島濕地生態環境特征及其保護對策[J].經濟研究導刊,2010(4):153-154.

[21] 崔軼男.哈爾濱太陽島風景名勝區生態規劃研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2006.

[22] 李春艷,趙美鑫,朱宏杰,等.哈爾濱松北城市濕地的生態系統服務功能和保護研究[J].北京林業大學學報,2008,29(2):243-247.

Land use information extraction based on object-oriented classification method in SunIsland of Harbin City

GONG Wenfeng,LIU Fangping,WANG Xiaofeng,LIU Tao, CHEN Yuexin,WU Juan,WANG Xinxin, KONG Da

(CollegeofHydraulicandElectricalEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150086,China)

Taking Sun island in Harbin as study area, QuickBird images (2003) and WorldView-2 images (2013) as data sources, based on the object-oriented approach with the help of RS and GIS, the land use remote sensing information were studied. Then, analyzed the findings, features and drives of the land use/cover changes in 2003 and 2013, providing a rational-using of land and environment protect theoretical basis in the region. What was the result as following shows: Areas of territorial water and unused land were increased, and the water area in study area was the largest, increased with 206.42 hm2. But apart from these were decreased, the area of wetland decreased largest. There are reciprocal transformation relationships between types land with varying degrees of change, in which areas of wetland changes to water land with 169.35 hm2were the largest, and then , 91.73 hm2, was the grassland changes to the unused land. The maximum of reserved was the territorial water with 459.35 hm2. What result of which lead to the bad was that the ecological function of Sun Island declined and the degree of ecological security reduced.

Sun Island; object-oriented method; GIS; RS; LUCC

黑龍江省自然基金(D201410)；黑龍江省教育廳科研項目(1253153)

龔文峰(1976-),男,教授,主要從事RS和GIS在資源監測上的應用的研究工作。

F301.24

A

2096-0506(2016)10-0028-07