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福建土楼世界文化遗产地土地覆盖变化遥感监测与分析.doc

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福建 世界文化遗产 土地 覆盖 变化 遥感 监测 分析
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龙岩学院毕业论文题 目:福建土楼世界文化遗产地土地覆盖变化遥感监测与分析(以漳州华安为例) 二 0 一六年六月三日福建土楼世界文化遗产地土地覆盖变化遥感监测与分析以漳州华安为例摘要:华安县是世界文化遗产地,随着经济社会的快速发展,土地利用也发生了很大的变化,对华安进行土地覆盖变化进行监测与分析对世界文化遗产的保护具有重要意义。本文利用 1996 年、2002 年、2009 年、2014 年 4 个不同时相的Landsat 系列数据,依据土地利用分类标准,在 ENVI 软件支持下通过监督分类完成不同时相的土地利用/覆盖现状信息的提取。研究表明:从 1996-2014 年土地利用情况变化比较慢,土地利用格局没有发生明显变化;从 1996 年到 2014 年这十八年间,水域的面积减少了 18.687 平方公里,年减少率为 3.348%,减少的比较缓慢;未利用地的面积减少了 13.537 平方公里,年减少率为 1.569%,这十八年间不断增长;林地的面积增加了 78.946 平方公里,年增长率为 0.556%;耕地面积不断减少,在这十八年间耕地的面积减少了 62.701 平方公里,年减少率为 0.966%;随着人口的不断增长,建筑用地的面积也不断增长,从 1996 年到 2014 年建筑面积增长了 15.990 平方公里,年增长率为 1.353%。关键字:世界文化遗产地;土地利用 /覆盖;ENVI;监督分类;增加;目录第一章 绪论 ...............................................................................................................................................................11 研究背景 .........................................................................................................................................................12 国内外研究现状 .............................................................................................................................................12.1 国内研究现状 ......................................................................................................................................12.2 国外研究现状 ......................................................................................................................................13 研究的目的和意义 .........................................................................................................................................24 研究内容与技术路线 .....................................................................................................................................24.1 研究内容 ..............................................................................................................................................24.2 技术路线 ..............................................................................................................................................2第二章 研究区概况与数据预处理 ...........................................................................................................................31 研究区域概况 .................................................................................................................................................32 数据预处理 .....................................................................................................................................................32.1 影像的辐射定标 ..................................................................................................................................32.2 影像的大气校正 ..................................................................................................................................32.2.1 大气校正的定义 .......................................................................................................................32.2.2 FLAASH 模型的处理步骤 ........................................................................................................33 影像的裁剪 .....................................................................................................................................................34 本章小结 .........................................................................................................................................................3第三章 影像的分类 ...................................................................................................................................................51 分类技术的发展 .............................................................................................................................................52 分类的方法 .....................................................................................................................................................52.1 分类的步骤 ..........................................................................................................................................53 分类的结果 .....................................................................................................................................................54 精度评价 .........................................................................................................................................................75 分类结果分析 .................................................................................................................................................76 本章小结 .........................................................................................................................................................8第四章 遗产地的动态监测与分析 ...........................................................................................................................91 遗产地覆盖变化监测的方法 .........................................................................................................................91.1 土地覆盖变化的监测方法 ..................................................................................................................91.2 本文采用的土地覆盖变化监测的方法 ..............................................................................................92 遗产地覆盖检测的结果 ...............................................................................................................................103 本章总结 .......................................................................................................................................................11第五章 结论和研究进展 .........................................................................................................................................121 论文的研究成果 ...........................................................................................................................................122 论文工作的不足与展望 ...............................................................................................................................122.1 论文研究的不足之处 ........................................................................................................................122.2 论文研究的展望 ................................................................................................................................12参考文献 ...................................................................................................................................................................12英文摘要 ...................................................................................................................................................................13致谢语 .......................................................................................................................................................................141第一章 绪论1 研究背景文化遗产是很脆弱、很容易被破坏的文化资源,一旦破坏就无可挽回。要在妥善保护自然生态和世界文化遗产的前提下合理利用土地,先对华安县的土地利用/ 覆盖变化情况进行研究,并且与国外相关研究进行对照,有利于对小区域土地利用/覆盖变化规律的探索。虽然国外在土地利用/ 覆盖变化的一般规律、驱动机制方面取得了很大的成绩,但华安县所处的是南亚热带湿润型季风气候区,在整个地球的范围内都有其独特性,复杂的地形更是加强了研究区内部的区域差异,再把华安县的历史发展等因素结合起来,使经济发展跟土地利用/覆盖的矛盾尤为突出。首先是华安县土地利用变化的历史很悠久,中国本身就有人多地少、土地的后备资源不足等特点;其次,市场规律的支配,政府调节的对土地利用/覆盖变化有很大的影响;第三,正处于发展阶段的华安,持续快速发展的经济给土地利用带来的矛盾是极为突出的 [1]。因此,及时对华安县的土地利用/覆盖变化情况进行研究不仅可以为地方经济发展提供决策依据,也为世界文化遗产的保护具有指导性的作用。2 国内外研究现状2.1 国内研究现状近年来为了满足不断增长的旅游业需要,二宜楼周边酒店、商业区等快速兴建起来,并逐渐向二宜楼逼近,不仅破坏了研究区生态平衡,还对世界文化遗产二宜楼的安全造成威胁,此类恶性的土地利用情况已经引起了我们的广泛关注。目前我们国家对土地利用/覆盖变化的研究主要集中在四个方面:1)土地利用/覆盖变化类型区的选择:主要集中在两类,一类是“热点区”,“热点区”又可以分为三类:一类是在土地利用/覆盖变化对周围环境影响比较大的地区;另一类是在未来一段时间内土地利用/覆盖要发生大变化的地区;最后一类是目前或过去一段时间内土地利用/覆盖已经发生大变化的地区。另一类是“脆弱区”即生态系统脆弱、生态问题突出的区域。2)土地利用/覆盖变化的驱动力研究:影响土地利用 /覆盖变化的因素十分复杂,土地利用 /覆盖变化的原因、土地利用/覆盖变化基本过程、预测土地利用 /覆盖未来变化方向和后果等是对驱动力因素的主要研究,并制定相关的策略。3)土地利用/覆盖变化的环境效应:关于土地利用 /覆盖变化环境效应的研究主要集中在气候方面。4)土地利用/覆盖变化的研究方法 :对于土地利用/ 覆盖变化的研究方法大体上是围绕时间域和空间域这两个角度,以数据的采集、模型的建立、结果的分析预测为主。综上所述,市场化促发人们的利益化,强化了人们偏好利润、货币,催生了拜金主义的思想,弱化了地方政府以及群众对文物的保护意识 [2]。因此,对世界文化遗产的土地利用/ 覆盖变化情况的研究还需进一步加强。2.2 国外研究现状在国际上对土地利用/覆盖变化研究中,应用遥感手段监测土地利用动态变化仍然为土地利用/ 覆盖研究的主要手段之一 [3-4]。国际上大多从文化遗产的总体进行研究的,很少涉及某项具体的文化遗产研究,因此得出的研究成果并没有明确的指向性,对于保护某一类文化遗产的研究成果还没有找到合适的方案,还停留在笼统、粗放的研究阶段 [5]。现阶段对世界文化遗产的研究主要集中在以下三方面:(1)关于世界文化遗产的保护的原则;(2)关于世界文化遗产保护的具体举措;(3)与世界文化遗产保护关联密切的开发利用问题引起了研究者的注意。综上所述,世界文化遗产是连接过去与现在,也是延伸至未来的纽带。但对世界文化遗产的保护与经济发展、土地利用/覆盖变化情况相矛盾,所以本文对华安县的土地覆盖情况进行研究,为更好地保护世界文化遗产提供理论依据。23 研究的目的和意义区域土地利用/覆盖变化研究的新动向是: “从自然到人文,从全球到区域” [6-8] 。我们可以先从微观尺度上和宏观尺度上看使土地利用/覆盖变化的原因:从微观尺度上看,土地利用在为人类提供更多就业机会和提供更多福利的同时,也产生了如环境的污染、交通的拥挤、犯罪、居住的环境恶化等一系列的问题;从宏观尺度上看,从以自然为主的土地利用/覆盖转化成了人为土地利用/ 覆盖(如工厂、住宅),往往导致对各种自然过程(如径流过程、蒸发过程和生态过程等)的改变,给华安县带来了复杂的生态环境后果 [9]。华安县是世界文化遗产地,土地利用/ 覆盖的不合理变化会对世界文化产生不利影响。因此,对华安的土地利用/覆盖变化进行研究,显得至关重要。4 研究内容与技术路线4.1 研究内容本次研究采用 1999 年、2002 年、2009 年和 2014 年的 TM 影像为数据源,借助 91 卫图助手里1:100 万地形图数据,以遥感技术为主要手段,利用 ENVI 软件围绕以下四项内容进行研究:(1)对华安县土地覆盖变化的分类。(2)对华安县土地覆盖变化的状况分析。(3)遥感技术在土地利用/覆盖变化研究中的应用。(4)分析土地覆盖变化对世界文化遗产的影响。(5)浅谈土地覆盖变化的驱动机制。4.2 技术路线本文采取遥感技术来分析研究区土地利用/覆盖变化情况分析,通过监督分类对 TM 影像进行土地利用/覆盖情况进行分类,利用分类后结果比较法对分类后两个时相的图像进行结果分析,得到土地利用类型的转化情况。技术路线图如下:图 1-1 本文研究的技术路线图数据源的选择(选取华安县 1996 年、2002 年、2009 年、2014 年的 TM 影像)图像输入与浏览图像预处理(进行辐射定标、大气纠正、裁剪)图像分类并进行信息提取(监督分类)遥感动态监测(分类后结果比较法)成果报告3第二章 研究区概况与数据预处理1 研究区域概况华安县位于福建省的南部,漳州市的西北部,全县的总土地面积有 1315 平方公里,华安县的地理坐标范围是北纬 24°38′到北纬 25°12′,东经 117°16′到东经 117°42′。华安县内山岭耸峙,层峦叠嶂,河流纵横交叉其间,以山地、丘陵为主。华安是南亚热带、中亚热带的过渡地带。华安县年降雨量大,水资源很丰富,还有大小密布的溪流,为华安发展农业提供了充沛的水资源。华安县的二宜楼被列入世界文化遗产,华安县是世界文化遗产地。2 数据预处理2.1 影像的辐射定标将传感器记录的电压或 DN 转换成绝对辐射亮度值的过程,或者是转换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程被称之为辐射定标。2.2 影像的大气校正2.2.1 大气校正的定义大气校正的目的是为了消除大气和光照等因素对地物反射的影响,获得地物反射率、辐射率、地表温度等真实物理模型参数,包括消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等对地物反射的影响;消除大气分子和气溶胶散射的影响。本文利用 FLAASH 模型进行大气校正。2.2.2 FLAASH 模型的处理步骤FLAASH 模型的处理步骤:第一步:先从 Landsat TM 图像中获取大气参数,包括了能见度、气溶胶的类型和大气水汽的含量。第二步:获取了大气参数之后,通过求解大气辐射传输方程去获取反射率数据。第三步:利用图像中光谱平滑的像元对整幅图像进行光谱平滑运算去消除纠正过程中存留的噪声。3 影像的裁剪这一步可以在大气校正、辐射定标后进行,也可以在大气校正、辐射定标前进行,这一步就是为了裁剪处所需处理的目标区域。4 本章小结本文先对遥感图像进行辐射定标,消除由于太阳的位置和太阳的角度条件、大气的条件、地形起伏的影响和传感器本身性能的高低等所引起的各种失真;然后对遥感图像进行大气校正,消除传感器接收电磁波时大气对阳光和来自目标的辐射产生吸收和散射的影响;最后进行图像的裁剪,利用华安县的边界图裁剪出研究区域如下图:4图 2-1 1996 年经预处理的华安县遥感图像 图 2-2 2002 年经预处理的华安县遥感图像图 3-3 2009 年经预处理的华安县遥感图像 图 3-4 2014 年经预处理的华安县遥感图像5第三章 影像的分类1 分类技术的发展人工解译:早期的时候计算机还没有发展,人们进行人工解译。也就是说人们在图像上判断研究区域区域到底是哪种地物,然后把它分到某类地物中。这种方法工作量大,消耗时间长,但精度是最高的。基于光谱计算机自动分类技术:随着计算机的发展我们有了基于光谱计算机自动分类技术。通过分析像元的亮度值,亮度值在一定的范围内的我们分为同一类地物中去,这种适用于中等分辨率的大面积的分类。基于专家知识的决策树分类:基于专家知识的决策树分类不仅能够利用像素的值的信息还能够利用多元的数据信息,比如说可以把 DEM 引入到分类的过程中,也可以利用已有的土地利用现状图、规划图等等引入到分类的过程中。面向对象特征自动提取技术:随着影像的发展,高分辨率的图像越来越多,再利用像元分类的话意义就不是特别大了,我们发展了一种叫面向对象特征自动提取技术,面向对象特征自动提取技术是先对影像进行分割,将图像分割成一个一个的对象,一个对象里有很多像元,每一个对象有一定属性,利用属性的一些规则将每个对象分类到某类地物中去。地物识别与地表反演:地物识别与地表反演主要应用于微量元素的反演,也就是我们肉眼无法判断地物含量多少的情况,比如说地表的温度是多高,大气中气溶胶的含量是多少,水域中叶绿素的浓度是多少等等。这些我们用肉眼无法判断的,我们可以用遥感反演的技术将他的模型解算出来。变化检测:变化检测也是分类的一种,变化检测是在分类的基础上提取出发生变化的地物信息。地形信息提取:地形信息提取也是分类的一种,它利用光学影像可在立体像对中获取地形的信息。2 分类的方法因本研究可以从 91 卫图助手获取华安县较清晰的遥感图像,从 91 卫图助手中获取的遥感图像可以比较全面地反映华安县的土地利用/覆盖情况,在对分类区比较了解的情况下,可以从分类区域中选取有代表性的训练场地作为样本。所以使用监督分类中的支持向量机对土地利用/覆盖的情况进行分类,监督分类是先根据已知的样本的类别和样本类别的先验知识去确定判别的函数以及相应的判别规则,所谓的学习或训练是利用一定数量的已知类别的样本的观测值去求解待定参数的过程,然后将未知类别的样本的观测值代入判别函数,最后依据判别准则对该样本的所属类别做出判定 [10]。选取监督分类的优点:可以通过分类地区的先验知识去预先确定好要分类的类别;可以通过控制训练样本的选择,并且反复检验训练样本,去提高分类精度;可以避免非监督分类中对光谱集群组的重新归类。2.1 分类的步骤监督分类的主要步骤如下:第一步:先确定感兴趣的类别数——利用 91 卫图助手分别在 1996 年、2002 年 2009 年、2014 年的Landsat TM 影像将土地的利用类型分为:水域、林地、耕地、建筑用地、沙地。然后再利用 91 卫图助手对每个土地利用类型选取十五到二十个样本,建立地物的先验知识。第二步:进行特征变换和特征选择。第三步:选择训练样区,注意训练样区的选择要保准其准确性、代表性和统计性。第四步:确定判别函数和判别规则。第五步:对非训练样区的图像区域进行分类是根据所确定的判别函数和判别规则。3 分类的结果根据监督分类的方法,对华安县 1996 年、2002 年、2009 年、2014 年这四个时期的 TM 影像分别进行土地利用/覆盖情况进行分类,分别得到 1996 年、2002 年、2009 年、2014 年这四个时期的分类结果和对结果的精度分析。6图 3-1 1996 年分类图像 图 3-2 2002 年分类图像图 3-3 2009 年分类成果图 图 3-4 2014 年分类成果图
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