临港经济区土地动态变化遥感监测分析研究

吴洪涛 张秀

摘要：本文介绍了遥感变化检测的一般流程和方法。以临港经济区三个年度时相的无人机遥感影像作为数据基础，采用基于差值计算的变化检测方法分析计算临港经济区近几年围海造陆土地动态变化情况，为规划决策提供依据。

关键词：围海造陆 变化检测 差值计算 几何纠正

1 概述

随着城市建设的快速发展，土地资源的日益紧张，很多人将目光投向了广阔的海洋，向海洋要土地，围海造陆成为促进开发开放的一大举措。围海造陆是将部分海域进行筑堤分割，然后抽掉海水、吹填泥土将海域编程陆地。临港经济区就是通过围海造陆而形成的港口与工业一体化产业区。如何能方便准确地了解临港经济区土地的动态变化，掌握围海造陆进展情况，分析区域内工程建设现状，做到合理有效利用土地资源显得尤为重要。遥感技术具有宏观、速度快周期短等优点，可以从直观上掌握研究对象的特征，在土地资源开发和环境监测等问题的研究中越来越受到关注。运用遥感技术对建设区域进行动态监测可随时获取大面积同步观测数据，并且不受地理条件的限制；还可以选用不同波段和多种传感器获取地物信息，在较短时间内对同一地区进行重复监测，发现地物的动态变化，大大节省人力财力物力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。

目前遥感动态监测临港经济区围海造陆的土地变化常用的方法为： 借助多时相遥感影像，采用图像目视判读及基于代数运算、差分图像融合变换等检测方法，比较不同时相影像的差分结果图，定量分析临港土地发展变化。本文选取三个年代的遥感图像，经过纠正、配准及代数运算后借助人机交互解译和GIS空间分析等关键技术探讨了遥感技术在动态变化监测中的应用效果，实时掌握了围海造陆进展及土地扩展变化，为土地规划管理提供了基础依据。

2 遥感动态变化检测

2.1 变化检测的一般流程

从选择不同时相的遥感影像数据到输出变化检测结果，变化检测的一般工作流程主要是由图像预处理、变化信息获取处理、检测结果统计分析三个部分组成。结合本项目总结流程图如图1所示。

2.2 变化检测算法

目前已经有很多变化检测算法，但是从算法的角度可以分为：①基于简单代数运算的变化检测；②基于图像变换的变化检测；③基于图像分类的变化检测；④基于特征描述的变化检测。虽然从实用的角度看有各种各样的分类方法，但是变化检测算法的本质还是提取不同的地物的分界线。所以简单有用的方式我认为还是基于简单代数运算的变化检测。主要处理方法图像差值（image differencing）、图像比值（image ratio）、植被指数（NDVI）、图像回归（image regression）和变化向量分析（change vector analysis）等方法。本文主要是基于图像差值计算结合GIS分析统计软件来分析临港土地动态变化情况。

3 变化检测算法

基于图像差值的变化检测分析

图像差值法是最简单、最常用的一种变化检测方法，其基本原理是将不同时间获取的两幅影像进行配准，然后将图像中对应像元的灰度值相减，从而获得一幅新的差异图像以表示在所选两个时间当中目标区所发生的变化。理论上，在得到的差值图像上，差值为0或接近0的认为是不变区域，不为0的认为是变化区域。

图像差值法的优点在于理论相对简单、直接，容易理解和掌握，但常常只能定量地描述目标区是否发生了变化，而很难确定目标区域发生变化的性质。为了能确定变化的性质还需结合其他方法进行分析，从而获得最终的目标区变化信息。另一方面，由于相同地物在不同时相的光谱特征往往是不同的，因此变化阈值需要根据实际情况选取。

4 基于多时相遥感影像的实验与分析

本文选用天津临港经济区作为分析区域。基于ERDAS IMAGES9.2软件采用了2009年11月、2010年11月、2012年11月三个时期的无人机遥感进行变化检测分析。天津临港经济区始建于2003年6月，2010年底，原临港工业区和原临港产业区整合为一个功能区，统称“临港经济区”。将建设“大机车”“大吊车”“大矿机”为代表的重型装备制造业基地，建设“大船坞”的造修船基地，建设“大粮油”的产业集群。分别进行基于差值运算方法来查看港区围海造陆进展情况。（见图2）

4.1 多时相影像配准预处理

几何纠正配准的精度决定了后期分析围海造陆的精度，为了提高影像配准精度，我们选择了2012年6月天津市1：2000比例尺航空正射影像，影像分辨率为0.2米作为基准影像。纠正时还使用了部分外业像控点参与平差。在ERDAS软件中采用二次多项式模型将影像分波段纠正并完成影像融合和色彩调整等处理。分别将三个年度影像进行配准、用双线性内插法重采样后生成新的影像数据，配准纠正的精度控制在1个像素之内。

4.2 基于差值运算影像处理

采用基于差值运算进行影像处理，处理软件为Imagine deltacue智能变化监测模块。分别选择两个时相的影像，然后选择变化检测的算法和差值运算的结果图像名称，在运算完成后结合临港经济区规划图分析土地变化区域。

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4.3 变化检测分析

结合变化检测图斑数据以及临港经济区的规划图，使用arcgis软件进行统计分析可以得到以下结论：

①2009年临港经济区陆域面积大约36.67平方公里，这部分的主要还是以前已有的陆地；2010年围海造陆面积约84.67平方公里，造陆面积扩大了一倍多；2012年围海造陆面积是113.35平方公里。还有很大一部分已经做好围挡，但是还没形成陆地。

②从结合专题图及影像分析可以得到，2010年时候临港经济区的北区现已吹填造陆40平方公里，已建成投产项目用地0.9平方公里，在建项目用地15.4平方公里，具备建设条件用地5.3平方公里，中区已吹填造陆24平方公里。

③2010年是临港经济区发展的高峰时期，围海造陆速度加快，一年之间增加陆域面积约45平方公里。在2010年底，原有临港工业区和临港产业区合并成立了临港经济区后，临港土地发展的重点转移到了临港经济区的南部。

④从影像变化情况可以看出，在2011年临港经济区的围海造陆进程比较缓慢，主要是在进行土地整理工作，一直到2012年下半年才开始进行围海造陆工作。

⑤结合临港经济区土地利用情况看，截止到2012年底，按照临港经济区发展规划图分析，目前临港有百亿元以上项目4个，已投产项目11个，开工建设项目22个、已签约筹建和在谈项目33个，“一港（天津市第二深水港区）、一带（生态绿化隔离带）、一园（公用工程园）、六个基地（造修船、海上工程设备和重型装备制造基地，生态型化工基地，粮油基地，港口物流基地，配套生活服务基地，研发转化基地）”的土地利用模式已经初步形成。

5 小结

通过影像实验分析，可以得出以下结论：

进行变化检测，图像预处理过程尤其重要。选择高精度的配准原始影像，进行几何配准是做好变化检测的前提，也是提高变化检测的精度的保证。

基于差值运算的结果影像上变化区域还是比较破碎凌乱，要想确定变化区域的土地性质还需结合其他已有专题数据进行分析，从而获得最终的目标区变化面积和土地类别信息。

差值变化检测对影像的时相要求比较高，最好影像拍摄的月份时间不能差异太大。差值图像存在很多噪声，由于存在同谱异物或异物同谱的现象，会产生很多假变化区域信息，造成误差。

截止到2012年底，天津市临港经济区的围海造陆面积已经达到了约120平方公里。针对此区域的土地变化使用无人机遥感影像检测方法十分有效。

6 应用展望

使用遥感影像变化检测技术可以主动发现围海造陆的土地变化信息，也便于统计分析土地利用情况，有助于制定适宜的规划决策。多源（多时相）遥感影像变化检测和GIS技术结合并利用已有的专题数据是进行围海造陆情况监测的有效手段，可以快速、准确地对海域变化、土地变化进行及时、科学地动态监测，十分便捷、直观。同时，使用基于差值运算的检测方法十分简单，但是如果结合图像的灰度、纹理以及更多的特征图像来综合监测地物变化情况应该效果更好。在实际应用中，应该结合研究区域的地物特点来选择监测方法。

参考文献：

[1]尚慧，倪万魁.石嘴山矿区地表环境动态变化遥感监测[J].国土资源遥感，2013.6.

[2]吴芳，刘荣.遥感变化检测技术及其应用综述[J].地理空间信息，2007.8.

[3]刘小花，裴连磊.遥感技术在土地利用动态监测中的应用研究[J].价值工程，2008，4（3）：216-218.

[4]张永梅，李立鹏，姜明，刘海伟.综合像素级和特征级的建筑物变化检测方法[J].计算机科学，2013.1.

作者简介：吴洪涛（1978-），男，湖北红安人，副高级工程师，硕士学历，主要研究方向：摄影测量与遥感。