基于支持向量机的六安市城区多源景观格局演化分析

李陶 孙贤斌 胡莎莎 杨佳

摘要通过收集六安市城区多源多时相卫星影像数据，采用支持向量机分类方法和GIS技术，分析了2009—2017年的景观格局演化情况。结果表明：①Sentinel-2影像地物解译特征显著，图像分辨率满足地物类别识别，总体分类精度达92.41%；②在景观结构动态变化中，水域基本保持稳定，建设用地面积增长了约3.4倍，且向东扩展趋势明显；耕地和林地面积总量逐年下降，在东部区域趋于破碎化；未利用地则受建设用地扩大速度的影响，一直处于波动变化中；③在景观格局演化中，水域保持动态平衡状态，建设用地和耕地增加量分别达80.61%和55.64%，林地和未利用地面积减少明显，分别达63.39%和72.33%；④演化后期的建设用地和林地演化速度明显加快，而耕地面积速度开始下降，城市扩展显著。

关键词景观格局；支持向量机；多源遥感影像；六安市

中图分类号TP79文献标识码A文章编号0517-6611（2017）31-0056-05

AbstractBy multisources and multitemporal satellite images data gathering， the evolution of landscape pattern in 2009-2017 years in Lu an city was analyzed by using support vector machine classification and GIS technology. The results showed： ①The feature interpreting of image object is significant on Sentinel2 satellite image， also the image resolution to meet the object classes identified standard and the overall classification precision reaches 92.41%. ② In the dynamic change of Landscape structure， the water area remained stable， construction area increased by about 3.4 times and the eastward expansion tendency is obvious ；the total amount of arable area and forest area decreased year by year in the eastern region and tends to be fragmented；unused areas is affected by the expansion of construction area， which has been in the wave changes. ③In landscape evolution， water area maintains the dynamic equilibrium state， construction area and arable area increased respectively by 80.61% and 55.64%， forest area and unused land reduced significantly by 63.39% and 72.33% respectively. ④In the later stage of evolution， the construction area and arable area has been speeded up obviously， and the evolution rate of arable land began to decline， also the urban expansion is remarkable.

Key wordsLandscape structure；Support vector machine；Multisources remote sensing images；Luan City

景觀格局是指景观要素在空间上的分布情况，也是衡量城市环境与可持续发展水平的重要指标。近20年来，我国城市化发展迅猛，导致部分区域景观格局发生了明显变化，由此引发的人地矛盾和环境问题日益突出，已成为众多学者研究的热点。刘铁冬等[1]基于高分辨率影像，利用GIS分析了哈尔滨市城区的绿地景观格局变化；胡瀚文等[2]采用扩展强度指标重点研究了上海市城市用地扩展的时空特征；李永梅等[3]基于多维视角，构建主成分分析模型，探讨了杭州市城市化扩展的趋势和驱动力；吴巍等[4]运用Sleuth模型，模拟与预测了泉州市城区景观要素的空间演化格局。上述研究中，学者大多关注东部一、二线等大型城市，对于社会经济发展与城市化水平相对滞后的中西部三、四线城市，尤其是生态园林型城市的景观格局研究较少[5]。据此，及时加强后者的景观格局变化研究，对于提升这些城市的可持续发展质量、改善生态环境及缓和人地矛盾均具有重要的现实意义。

笔者基于六安市城区多源多时相卫星影像，采用支持向量机方法，进行了多源精度分析、景观结构动态变化分析和景观格局演化分析等研究，并探讨了景观格局演化趋势和驱动力，以期为城市规划和国土管理部门宏观决策提供参考依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

六安市位于安徽省西部，辖金寨、霍山、霍邱和舒城4县，金安、裕安、叶集3区，总面积约15 600 km2。根据六安市总体规划（2008—2030年）确定的中心城区范围，兼顾近年来东部新城和城南地区快速发展的实际情况，确定研究区位于116°22′40″～116°42′39″ E和31°37′44″～31°52′43″ N（图1），北至G42沪蓉高速，南达金安区城南镇南部，西至G35济广高速，东达金安区东部边界，总面积约为830 km2。近年来，六安市城区快速发展，城区面积不断扩大，

初步形成了“一核、两轴、六区”的空间发展体系，同时正努力打造加工制造业基地、皖江城市带承接产业转移基地和滨水园林特色的现代化宜居城市[6]。

1.2数据来源

运用春季地物综合分辨性能較好的理论[7]，同时考虑到数据的可获取性和可操作性，分别选取2009年（Landsat-5）、2013年（Landsat-8）和2017年（Sentinel-2）4月的假彩色卫星影像（云量均低于5%且地物分辨性能较好），各影像元数据信息见表1。

1.3数据处理

为充分利用Landsat-8影像的纹理信息，提升影像分辨率，将多光谱（B5、B4、B3）波段和全色波段（B8）进行融合处理，使其实际分辨率提升为15 m。多时相影像处理的技术方法见图2。

此外，为了充分对比不同类型影像所含的地物信息度和分辨精度，提高分类结果的客观性和可信性。运用灰度共生矩阵分别得出多时相影像的纹理特征值，将对比度、平均值和变异值等信息进行组合分类处理[8]。

1.4影像解译与精度分析

相对于一般影像监督分类方法而言，支持向量机（support vector machine，SVM）方法将向量映射到一个更高维的空间，根据有限的样本信息在模型的复杂性和学习能力间寻求最佳折衷。该方法的优点在于：在样本练习上结构风险最小，无须进行降维运算，且在算法收敛性、练习速度和分类质量上均具有优良性能，已获得众多学者的青睐[9]。为验证多时相影像的分类精度，以月亮岛区域

为训练样本，选择支持向量机方法进行景观要素监督分类，结果见图3。

对照分类结果，同时参考Google Earth影像的高分辨率纹理特征和实际地物调查，得出上述影像的分类精度和Kappa系数（表2）。

分析发现，Sentinel-2影像在分类精度和Kappa系数值上明显高于前2类影像。究其原因，主要是Sentinel-2卫星在2015年升空服役时携带了更为先进的多光谱传感器装置，覆盖13个光谱波段，成像图幅宽度达290 km，可提供有关城市化、农业、林业砍伐种植、海水污染等多方面的监测信息；该影像地物纹理特征明显，分辨率达10 m，其分类精度也达92.41%，在月亮岛影像上也可以清晰识别出环岛路的轮廓。鉴于其优异的地物信息丰富度和可辨度，可以预测Sentinel-2影像在今后的学科研究中将会有更好、更广阔的应用空间。

2结果与分析

由表3可知，5种景观要素均发生明显变化，其中水域和建设用地总量不断增长，而耕地和林地则呈下降趋势，未利用地则处于波动变化中，具体情况如下：

（1）水域。六安市城区水域主要由淠河、淠史杭干渠、三元河及湖泊组成。水域总量由2009年的20.47 km2增加至2017年的36.45 km2，占景观结构总量的百分比也由2.46%上升至4.39%；景观形状指数增加和平均最近距离降低，均表明水域的空间分布格局趋于复杂化，而细节要素间趋于聚合化。

（2）建设用地。2009—2017年城区建设用地面积呈急剧扩大态势，尤其在东部新城、城南地区和金安区经济开发区较为显著，顺312国道为主轴向东延伸趋势十分明显。建设用地总量由75.00 km2猛增至252.50 km2，扩大了约3.4倍。由此导致建设用地形状指数快速增长，而要素间平均最近距离减少，空间聚合程度得以急剧加强。

（3）耕地。随着城区建设用地总量的快速扩大，占用大量耕地资源，导致耕地总量由2009年的541.90 km2下降至2017年的402.77 km2；形状指数和平均最近距离同时增加，表明耕地在空间上的分布趋于离散化和破碎化。

（4）林地。与耕地变化相同，林地总量也呈减少趋势，由175.59 km2下降至99.03 km2，在城区东南部林地减少尤为明显，主要是由于该阶段城区建设和耕地复垦等活动大规模占用共同造成，导致林地在空间分布上也趋于破碎化。

（5）未利用地。城区的未利用地主要由河岸砂石堆积和工程填挖土石方构成。研究表明，未利用地在8年中受城市化进程变化影响，处于波动变化中。其中，2013—2017年间未利用地面积随着城区建设用地急剧扩大而迅速增加至4034 km2，且主要分布在东部新城和城南地区。

上述结果表明，2009—2017年六安市城区在景观结构方向上，建设用地和未利用地向东和向南变化趋势明显，而耕地和林地在东部总体上趋于破碎化，水域则基本稳定。在结构总量上，建设用地一直呈快速增加态势，与此相反，耕地和林地则随之减少，其中林地总量下降速度较为明显。水域增加且保持基本稳定，而未利用地则受建设用地扩大速度制约，一直处于波动变化中。

2.2景观格局演化

为探讨景观要素间内部流动情况，运用ENVI转移矩阵原理[11]，分别计算2009—2013、2013—2017和2009—2017年的要素变化值，并生成相应的景观要素变化量，研究多时相影像景观格局演化规律[12]，结果见表4。由表4可知，2009—2017年各类景观要素均发生了一定的流动转移，其中水域基本稳定，建设用地和耕地明显增加，而林地和未利用地则显著减少。

（1）2009—2017年水域流动基本稳定，仅减少0.53%。究其原因，主要是六安市注重保持水域面积和质量稳定，同时将少部分难以使用的建设用地和未利用地进行了水域建设，维持其动态平衡。

（2）在演化期内，建设用地总量增加了80.61%，在经济开发区、东部新城和城南地区尤为明显。其中，30.72%的原有耕地和64.47%的原有未利用地大规模流入建设用地，导致城区面积的扩大和景观要素格局的改变。

（3）耕地在演化过程中呈扩大趋势，增加量达55.64%。在城区发展占用耕地的同时，近年来随着郊区和农村土地流转和复垦的加快，29.88%的原有建设用地和57.13%的原有林地不断流入耕地，使得城区在建设用地扩大的同时，也保证了耕地总量的稳步提升。

（4）在8年演化期中，林地明显减少，流出量达63.39%，且主要集中在城区北部和东南部。由于该区域城市化进程加快及土地复垦政策推进，18.68%和57.13%的原有林地分别流出至建设用地和耕地，而与此相对应的林地补充不足，导致林地持续减少。

（5）在演化期内，未利用地减少了72.33%，主要是由于64.47%的原有未利用地流出至建设用地，使得城区土地利用更加合理化，减少了未利用地闲置造成的土地浪费和景观格局失衡。

（6）与演化期前期相比，后期（2013—2017年）建设用地和林地演化速度明显加快，而与此相反，耕地流动速度开始下降，其余要素则出现小幅波动变化。

综上所述，六安市城区景观要素在8年的演化期间，呈现出3种演化模式，即水域稳定型、建设用地与耕地的流入型、林地与未利用地的流出型。建设用地大规模增加，与此相反，林地明显减少，这一现象值得有关部门引起重视。

3结论与讨论

该研究基于2009—2017年的六安市城区多源多时相影像，采用支持向量机方法，重点分析了六安市城区景观格局演化，分析表明：景观要素格局总体上发生了较为明显的变化，要素间的流动转移也十分显著。

（1）在精度分析上，Sentinel-2影像由于具有较好的光谱性质和地物分辨率，整体性能明显优于Landsat-5和Landsat-8影像，采用Sentinel-2影像进行景观格局分析具有较高的分类精度和可信度，预测其应用前景和领域较为广阔。

（2）在景观格局动态变化上，形状指数值和平均最近距离值增加均表明景观要素在总体上趋于破碎化，而在细节要素间趋于聚合化。由此得出，水域基本稳定，建设用地总量明显增加且向东发展趋势明显；耕地和林地总量逐年下降，且在东部区域总体上趋于破碎化；未利用地受城市建设发展速度制约，处于波动变化中。

（3）在景观格局演化上，可划分为水域稳定型、建设用地与耕地的流入型、林地与未利用地的流出型3种类型。其中，其他景觀要素大规模流入建设用地，而林地出现了明显流出现象。后期的建设用地和林地演化速度明显加快，而耕地变化速度开始下降，城市扩展显著。

（4）由于该研究基于多源影像，彼此间地物分辨率不尽相同，且草地和园地等景观要素未加入探讨，对此，今后将继续进行深入研究，以期服务于六安市城市规划和国土管理工作。

参考文献

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