近20年连云港市海岸带土地利用动态变化分析

许祝华,张铁军,刘 媛,高文婕

(连云港市海域使用保护动态管理中心 连云港 222001)

近20年连云港市海岸带土地利用动态变化分析

许祝华,张铁军,刘 媛,高文婕

(连云港市海域使用保护动态管理中心 连云港 222001)

改革开放后,江苏沿海经济得到了迅猛发展,随着新一轮沿海大开发热潮的兴起,海岸带的土地利用问题越来越受到人们的关注。文章以连云港市海岸带为研究对象,利用1987年和2007年两期连云港市海岸带TM,ETM遥感数据资料,采用监督分类的方法,对连云港市近20年来土地利用进行动态监测和分析。结果表明:近20年来,连云港市的居民区的面积有显著的增加,耕地和盐田区的面积也有所增加,其中部分增加的居民区和盐田区是通过围海造陆来实现的,而海洋、河流 (水库)和林地的面积有所减少。在这期间东西连岛和大陆之间建立了西大堤。土地利用类型的上述变化在一定方向上显示了近20年来连云港市经济向海一侧的发展方向。

连云港;海岸带;土地利用;动态监测;监督分类

1 引言

海岸带作为海陆之间的过渡地带,是全球生态环境最为复杂和特殊之处。作为全球环境变化最为敏感和脆弱的地区之一,海岸带土地利用的变化可引起多种资源与生态过程的改变,研究海岸带土地利用变化及其对生态环境的影响对于了解区域生态环境的演变乃至全球变化具有重要的意义。

在国际地圈-生物圈计划(IGBP)和全球环境变化人文计划 (HDP)两大组织的积极推动下,土地利用和覆被变化研究(Land use and land cover change,LUCC)逐渐成为全球环境变化研究的一个重点领域[1]。联合国粮农组织(FAO)、国际应用系统分析研究所(IIASA)、联合国环境署都先后启动了各自的LUCC研究项目,美国、欧盟和日本等国家也相继启动了有关的区域性研究项目[3-4]。

本文以连云港市海岸带作为研究区域,利用遥感技术对连云港市近20年来土地利用进行动态监测和分析,为海岸带可持续发展提供依据。

2 研究区概况

连云港市地处中国沿海中部黄海之滨,是海陆、南北过渡的结合部,地理坐标为34°12′N-35°07′N、118°24′E-119°48′E。陆地总面积7 444 km2,海域面积6 677 km2。连云港海域北起苏鲁交界处的绣针河口,南到灌河口及其附近海域,海岸线总长204 km,主要包括砂质海岸、基岩海岸和淤泥质海岸。用海类型主要是渔业养殖,其他类型用海类型比较齐全,分布相对密集。海岸带土地利用主要为农业用地和海岸港口建设用地。近年来随着对海岸带资源的开发利用力度加大,围填海活动强度日益加大,海岸带土地利用方式、海岸带景观特征等也发生了巨大变化。

本文海岸带范围的界定按照海岸带调查规范,规定调查范围为:由海岸线向陆方向延伸10 km左右,向海至水深10～15 m等深线处;在河口地区,向陆延伸至潮区界,向海方向延至浑水线或淡水舌。

3 研究方法和技术路线

本文对连云港市海岸带土地利用的动态监测的主要思路是利用3S集成技术,对连云港市海岸带1987年和2007年两期遥感数据进行几何配准、图像裁剪和监督分类等预处理,再经过人机交互统计、对比分析,从中发现近20年来随着经济模式的转变连云港海岸带土地利用所发生的变化,图1。

图1 连云港市海岸带土地利用动态监测的研究技术路线

4 数据的获取和预处理

4.1 数据的获取

本文主要利用1987年9月21日的Landsat5 TM和2007年3月20日的TM遥感数据对连云港市海岸带土地利用状况的动态监测。其中Landsat5 ETM+是正射校正产品,投影信息为UTM Zone 50,大地水准面为WGS-84。2007年TM数据经过了几何粗校正的产品,投影信息为GAUSS KRUGER 20,地球椭球体为KRASOVSKY 1940。

4.2 图像处理

首先用2007年3月20日的遥感数据为基准,对1987年9月21日的数据进行图像配准。在图像范围内总共选取28个点,控制点均匀分布,且完全控制在半个像元以内,配准结果如图2所示。

其次,由于本研究使用的是2007年和1987年的TM数据,所以在预处理部分需要对遥感图像进行裁剪处理,裁剪时主要是基于研究区概况中圈定的海岸带范围。图像裁剪处理结果见图3。

图2 配准后遥感图像

图3 图像裁剪后的成果图

4.3 监督分类

本论文监督分类的方法是最大似然法,最大似然法采用的判别函数是概率判别函数,采用的判别规则为贝叶斯判别规则。

贝叶斯判决规则是以错分概率或风险最小为准则的判决规则。假设,同类地物在特征空间服从正态分布。根据贝叶斯公式可得:

式中:P(Wi)——Wi类出现的概率,也称先验概率;

P(X/Wi)——在Wi类中出现X的条件概率,也称Wi类的似然概率;

P(Wi/X)——X属于Wi的后验概率。

由于P(X)对各个类别都是一个常数,故可略去所以,判决函数可用下式表示:

根据判决函数的概念,分类时函数列形式不是唯一的。如果用f(di(X))取代每一个,只要f(·)是一个单调增函数,则最后的分类结果仍旧不变,为了计算方便,将上式可以用取对数方式来处理。即

再将贝叶斯公式代入上式得贝叶斯判决函数如下:

去掉与i值无关的项对分类结果没有影响,因此上式可简化为:

相应的贝叶斯判决规则为:

若对于所有可能的j=1,2,…,m;j≠i有di(X)＞dj(X),则X属于wi类。

由以上分析可知,概率判决函数的判决边界是为d1(X)=d2(X)(假设有两类)。当使用概率判决函数实行分类时,不可避免地会出现错分现象,分类错误的总概率由后验概率函数重叠部分下的面积给出,如图4所示。错分概率是类别判决分界两侧做出不正确判决的概率之和。很容易看出,贝叶斯判决边界使这个数错误为最小,因为这个判决边界无论向左还是向右移都将包括不是1类便是2类的一个更大的面积,从而增加总的错分概率。由此可见,贝叶斯判决规则是以错分概率最小的最优准则。

图4 最大似然法的错分概率

4.4 监督分类的过程

监督分类的主要步骤如下:① 确定感兴趣的类别数;②特征变换和特征选择;③ 选择训练样区;④ 确定判决函数和判决规则;⑤ 根据判决函数和判决规则对非训练样区的图像区域进行分类。

通过以上步骤,最终提取到一幅分类后的编码影像,每一编码对应的类别属性也被识别出来[4-6]。

4.5 土地利用类型的划分

本文将连云港市海岸带土地利用类型分为七大类,分别为海洋、河流 (水库)、盐田区(湿地)、居民区、林地、耕地和未利用地。利用Envi软件对1987年和2007年的两期遥感数据中连云港海岸带的土地利用状况进行监督分类,分类结果见图5和图6。

图5 1987年遥感数据监督分类后生成的专题图

图6 2007年遥感数据监督分类后生成的专题图

5 结果分析

对监督分类的结果进行统计分析,得出了1987年和2007年两期遥感数据中各土地利用类型的面积,统计结果如表1。

表1 两期遥感数据中各土地利用类型的面积统计

将数据输入excel中生成柱状对比图,如图7:

图7 两期遥感数据土地利用类型柱状对比图

从统计结果图6中可以看出,2007年较1987年的陆地面积有所增加,围填海造成海洋面积萎缩约100 km2,围填海区域主要用作盐田区和居民区,说明随着海洋经济的发展,沿海陆地向海洋大面积扩张。此外,林地面积大幅减少,减少总面积约100 km2,约占原总面积的50%。河流(水体)面积也出现较大萎缩。

总而言之,近20年来连云港土地利用结构发生了很大的变化;林地、海洋和河流的面积减少;而居民区和盐田区的面积增加。土地利用类型的上述变化在一定程度上显示了连云港市经济向海一侧的发展方向,海岸带土地利用驱动力分析以及海洋环境效应分析等研究将是未来研究工作的重点。

[1] Relating Land Use and Global Land-Cover Change [R].IGBP Rep.No.24,HDP Rep.No.5,1993.

[2] Modeling land-use/cover change in Europe and Northern Asia[R].IIASA Project:1995-1997.

[3] 吴传钧,郭焕成.中国土地利用[M].北京:科学出版社,1994.

[4] 蔡运龙.土地利用/土地覆被变化研究:寻求新的综合途径[J].地理研究,2001,20(6):645-652.

[5] 国土资源部.国土资源“十五”计划纲要[J].国土资源通讯,2001(5):4-13.

[6] 张鹰,张东,顾燕,等.GCP分布对海岸带TM影像几何校正精度的影响研究[J].海洋学报,2007,29 (1):34-36.