基于RS_GIS技术的厦门市土地覆盖变化研究_代晨阳

第17卷　第3期厦门理工学院学报V o l .17　N o .3 2009年9月J o u r n a l o f X i a m e nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g yS e p .2009 [收稿日期]2009-08-11 [修回日期]2009-09-09[基金项目]教育部重点实验室基金项目(G C WD 200802)[作者简介]代晨阳(1986-),女,河南安阳人,从事遥感和地理信息系统应用与区域发展研究.通讯作者:余明,女,教授.E -m a i l :m y u @f j n u .e d u .c n .基于R S /G I S 技术的厦门市土地覆盖变化研究代晨阳,余　明(福建师范大学地理科学学院,福建福州350007)[摘　要]综合应用R S /G I S 技术,以1994年5月12日的L a n d s a t T M 影像和2003年4月25日的L a n d -s a t E T M +影像作为数据源,通过基于光谱值的决策树分类方法,对厦门市的土地覆盖状况进行研究.结果表明:约10年间厦门市土地覆盖状况变化显著,耕地大量减少,林地明显增多,建设用地整体增多且结构有所改变,常规建设用地总量增加很少;综合年变化速率不大;多山临海的地理环境是城市扩张的驱动力,造成土地覆盖情况在空间分布上有明显变化.[关键词]土地覆盖变化;决策树分类;R S /G I S[中图分类号]T P 79　[文献标志码]A [文章编号]1008-3804(2009)03-0042-060　引言土地覆盖是指地表自然形成的或者人为引起的覆盖状况,是地球表面的植被覆盖物和人工覆盖物的总称[1].前人在土地覆盖状况及其动态变化方面已做过许多相关研究并证明了其实际价值[2-10].传统的土地利用/土地覆盖变化研究手段主要以行政单位的统计数据为依托进行,耗时长,成本高.R S 和G I S 技术的发展弥补了其弊端,更直观的发现土地覆盖发生变化的位置、分布、范围、类型和大小等信息,从广度上拓展了研究对象.本文经过对两期影像分类结果的对比研究,从数量转变和空间分布上分析了厦门市的土地覆盖变化状况,研究结果对土地覆盖变化过程的认识和厦门市地方经济建设决策都有重要意义.1　研究区概况厦门市地处福建省东南部,九龙江入海处,背靠漳州、泉州平原,濒临台湾海峡,陆地面积1565.09k m 2,海域面积390k m 2,海岸线234h m 2,有大小31个岛屿.主要土地利用类型有林地、耕地、建设用地和水体等.厦门属亚热带气候,温和多雨,主要作物有水稻、小麦、花生等.厦门市现辖同安、翔安、集美、海沧、思明、湖里6个区.工厂多集中于开元镇、杏林镇;商业区位于思明区;文化教育事业集中于集美区.2　研究方法2.1　数据收集和遥感影像预处理影像数据源为1994年5月12日的L a n d s a t T M 影像和2003年4月25日的L a n d s a t E T M+影像.波段4、3、2对于绿色植物比较敏感,波段2、3、4、5是提取水体的有效波段[11].为增大各类地物的反差,采用了除热红外波段外的T M 1、T M 2、T M 3、T M 4、T M 5、T M 7共6个波段.辅助数据有　第3期代晨阳,等:基于R S /G I S 技术的厦门市土地覆盖变化研究2004年厦门市土地利用图和厦门市界限等矢量图层,主要用来做分类评价和G I S 空间分析的应用.见图1所示.利用遥感软件组合多波段数据的功能,将前述6个单波段灰度影像组合成多波段影像,依据控制点数据对影像进行几何精度校正,使影像符合地图投影的需要,然后为多波段影像和厦门市界变换投影.本研究影像和辅助数据均采用W G S 坐标系、U T M 投影,利用遥感软件对市界图层裁剪整幅影像,得到厦门市行政范围内的影像作为研究区域.为了尽量保留原始影像的信息,不做辐射增强等光谱处理.2.2　遥感影像分类和精度评价2.2.1　各类地物的光谱值分析基于光谱值的分类方法是切实可行的[11-12].本文参考各级分类体系标准结合现有的数据和试验条件,建立了水体、林地、耕地、建设用地和特殊地类五个类别的分类体系,其中特殊地类是包含特殊建筑和沙地等影像亮度值非常高的区域.在预处理后的影像上每类地物选取一定的研究样本取各波段的灰度平均值,其分布情况见表1和图2所示.表1　典型地物采样点波谱亮度平均值T a b .1　T y p i c a l f e a t u r e s i ns p e c t r a l b r i g h t n e s s a v e r a g eo f s a m p l i n gp o i n t sT M 1T M 2T M 3T M 4T M 5T M 7建设用地10586945410793特殊地类13112615787155120水体785543191612林地755544606334耕地10377737910263·43·厦门理工学院学报2009年由表1和图2可看出:根据波段2、3灰度值的和大于4、5波段的灰度值的和可以将水体、建设用地及特殊地类与林地和耕地分开,依据波段4、5、7的灰度值的和水体在47左右远小于建筑用地(254左右)和特殊地类(362左右)可以通过设置阈值将水体区分开来,根据影像特点和试验,将94年的设置为60,03年的设置为65.同样的方法再把建筑用地和特殊地类分开,阈值设为300.又由于耕地6个波段灰度值都比林地高,6波段灰度值的和耕地在497附近而林地在331附近,根据多次试验,阈值设为410将林地与耕地分开.决策树如图3所示,分类结果如图4所示.2.2.2　精度评价利用遥感手段监测土地覆盖变化,分类精度指标主要有生产者精度、用户精度、总体精度和K a p p a 系数等,精度与所选训练样本有关,本文为每类选取20个样本共100个样本点建立混淆矩阵,各指标计算结果见表2所示.从精度评价结果来看,整体精度>80%,满足土地覆盖变化研究的要求.·44·　第3期代晨阳,等:基于R S /G I S 技术的厦门市土地覆盖变化研究表2　土地覆盖分类精度评价T a b .2　A c c u r a c y e v a l u a t i o no nl a n dc o v e r c l a s s i f i c a t i o n1994年生产者精度/%用户精度/%2003年生产者精度/%用户精度/%水体951009094.74林地8580.959078.26耕地8084.218589.47建设用地7588.2480100特殊地类90759082.61总体精度/%8588K a p p a 系数0.83160.85712.3　结果分析2.3.1　土地覆盖转移矩阵与土地覆盖变化数量特征土地覆盖变化包括覆盖类型的面积变化、空间变化以及类型之间的转换情况,通过分析土地覆盖类型的总量变化,可以了解土地覆盖变化总的态势和土地覆盖类型结构的变化[13].在前述实验结果的基础上,利用G I S 软件对分类的结果进行运算,得到土地覆盖面积转移矩阵如表3所示.从表可看出近十年内耕地和水体都有所减少,建设用地、林地和特殊地类有所增加.其中耕地减少的最多,并主要转化为建筑用地和林地,部分转化为特殊地类,这是由于经济高速发展城市化步骤加快,使大量耕地转移为建筑用地;建筑用地主要转化为林地和特殊地类,特殊地类中绝大部分都是特殊建筑,耕地转化为特殊地类的类别中的主要类型是特殊建筑;水体减少的很少,主要是转化为建筑用地和特殊地类,这主要跟沿海拓建及填海造陆有关.表3　厦门市1994年和2003年土地覆盖转移矩阵T a b .3　1994＆2003L a n dc o v e r t r a n s i t i o nm a t r i x o f X i a me nk m 22003年耕地建筑用地林地水体特殊地类1994年总计1994年耕地 355.75121.66137.586.9621.31643.27建筑用地131.01137.4929.861.6919.82319.87林地 59.2045.73355.723.662.74467.04水体 1.544.789.4364.604.8685.21特殊地类6.3128.943.870.1610.4349.702003年总　计　553.81338.61536.4477.0759.161565.092.3.2　土地利用变化速度目前主要通过计算单一的土地覆盖动态度来表征土地覆盖类型的变化速度.土地覆盖类型的变化率指数(也称土地利用类型动态度)可直观反映类型变化的幅度与速度,也易于通过类型间的比较反映变化的类型差异,从而探测其背后的驱动或约束因素.变化率指数以土地利用类型的面积为基础,关注研究时段内类型面积变化的结果.[14-15]单一的土地覆盖变化动态度公式如下[14]:K =(U a -U b )/(U a T)×100%(1)式中:K 为研究时段内区域某一种土地利用类型变化率;U a 、U b 分别为研究期初与研究期末某种土地利用类型的数量,当T 的时段定为年时,K 值即为该研究区某种土地利用类型年变化率.综合的土地利用动态度的公式如下[20]:(2)·45·厦门理工学院学报2009年式中:L U i 为监测起始时间i 类土地利用类型面积;■L U i -j 为监测时段内i 类土地利用类型转为非i 类土地利用类型的面积绝对值;T 为监测时段长度,当其定为年时,L C 值即为该研究区的土地利用年变化率.依据上述两个公式计算得表4,数据显示各地类的年平均变化率都较小,变化比较大的是林地、特殊用地和耕地.城市化进程中大量耕地被转移到建筑用地,而厦门一直注重城市周边的林地建设,据相关统计1994—2003年10年间,厦门的森林覆盖由原来的38%上升到42.6%.表4　1994—2003年厦门市土地覆盖变化率T a b .4　X i a me n sr a t eo f c h a n g eo f l a n dc o v e r f r o m 1994t o 2003%耕地建筑用地林地水体特殊地类K -1.550.651.65-1.062.11L U4.552.3.3　土地覆盖的空间变化从图4对比结合表3、4可知,同安区靠海一边居民地增加较快,翔安区的建筑也由分散连成一片,其他各区的建设用地尤其是城区也向周围有所扩张,与这一时期人口数量的不断增加有关,居民住房建筑用地大幅增加.但是建设用地面积整体增加却比较少是因为很多建筑用地转化成特殊地类,特殊地类中又主要是特殊建筑,这些建筑普遍具有高反射的特性,主要分布在海沧区和集美区,这亦属于建筑用地范畴.耕地减少也比较明显,减少的耕地主要是近城区,城市扩张将周边耕地逐渐转化为城区设施.林地增加明显,这主要与多年来的林业政策要求保护林地,限伐重植,大力开展植树造林活动等有关.3　结语本文使用基于光谱值的决策树对两个时期的T M 影像进行分类提取土地覆盖的变化信息,以及从数量、速率和空间三个方面分析并总结出厦门市的土地覆盖变化的特点:一是伴随建设用地从老城区向外大规模扩展,耕地大规模减少.二是建设用地在数量上没有显著增加,林地显著增加.提醒相关部门警惕耕地减少对基础粮食供应的影响,而林地面积的扩大有益于城市小气候,这是对现行林地政策的肯定.鉴于影像质量、不同时相天气状况不完全一致等因素,限制了分类的精度.然而对于快速有效地了解土地覆盖变化概况,这不失为一种有效的方式.[参考文献][1]陈佑启,杨鹏.国际上土地利用/土地覆盖变化研究的新进展[J ].经济地理,2001,21(1):95-100.[2]李秀彬.全球环境变化研究核心领域———土地利用/覆被变化的国际研究动向[J ].地理学报,1996,51(6):553-557.[3]于兴修,杨桂山.中国土地利用/覆被变化研究的现状与问题[J ].地理科学进展,2002,21(1):51-57.[4]刘成武,黄利民.土地利用/土地覆盖变化的研究方法[J ].地域研究与开发,2004,23(4):11-14.[5]刘新卫,陈百明,史学正.国内L U C C 研究进展综述[J ].土壤,2004,36(2):132-135.[6]S H I W Z ,E H L E R SM .D e t e r m i n i n g u n c e r t a i n t i e s a n d t h e i r p r o p a g a t i o ni nd y n a m i c c h a ng e d e t e c t i o n b a s e d o n c l a s -s i f i c a l r e m o t e -s e n s e d i m a g e s[J ].I n t J R e m o t e s e n s i n g ,1996,17(14):1100-1111.[7]K E T U TWi k a n t i k a .S p e c t r a l a n d T e x t u r a l A s p e c t s o f M u l t i s e n s o r a n d M u l t i t e m p o r a l S a t e l l i t e D a t a f o r L a n d U s e /L a n d C o v e r M a p p i n g i na t r o p i c a l A r e a[J ].I n t J R e m o t e s e n s i n g ,2000,27(10):1200-1215.[8]陈佑启,P e t e r H .V e r b u r g ,徐斌.q I 国土地利用变化及其影响的空问建模分析[J ].地理科学进展,2000,19(2):116-127.[9]陈莹,陈建飞,陈志强.闽江流域上下游县域土地利用变化对比分析[J ].土壤,2006,38(1):48-52.·46·　第3期代晨阳,等:基于R S /G I S 技术的厦门市土地覆盖变化研究[10]沈非,苏玉燕.近16年芜湖土地利用变化分析[J ].安徽师范大学学报:自然科学版2008,33(1):70-74.[11]周成虎,骆剑承.遥感影像地学理解与分析[M ].北京:科学出版社,2003.[12]杨存建,周成虎.T M 影像的居民地信息提取方法研究[J ].遥感学报,2000,4(2):146-150.[13]韦素琼,陈健飞.土地利用变化区域对比研究———以闽台为例[M].北京:科学出版社,2006.[14]朱会义,李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J ].地理学报,2003,58(5):643-650.[15]陈健飞,张志成,李娟娟.基于T M 和A S T E R 影像的福州市土地利用变化分析[J ].广州大学学报:自然科学版,2007,6(6):54-58.R S /G I SB a s e dS t u d y o f L a n dC o v e r C h a n g e o f X i a m e nC i t yD A I C h e n -y a n g ,Y UM i n g(S c h o o l o f G e o g r a p h i c a l S c i e n c e s ,F u j i a nN o r m a l U n i v e r s i t y ,F u z h o u 350007,C h i n a )A b s t r a c t :W i t h t h e i n t e g r a t e d u t i l i z a t i o n o f R S a n d G I S t e c h n o l o g i e s ,w e c h o o s e t h e L a n d s a t T M i m a g e s o f M a y 12,1994a n d t h e L a n d s a t E T M+i m a g e s o f A p r i l 25,2003a s d a t a s o u r c e s t o s t u d y t h e l a n d c o v e r c o n d i -t i o n s o f X i a m e n C i t y b y d e c i s i o n t r e e c l a s s i f i c a t i o n o n t h e b a s i s o f t h e v a l u e o f s p e c t r u m .R e s u l t s s h o w e d t h a td u r i n g t he p a s t d e c a d e ,a s i g n if i c a n t c h a ng e i n l a n d c o v e r c o n d i t i o n s o f X i a m e n C i t yh a p p e n e d t o s e e t h a t a si g -n i f i c a n t r e d u c t i o n i n c u l t i v a t e d l a n d a r e m a r k a b l e f o r e s t l a n d i n c r e a s e ,a n o v e r a l l i n c r e a s e o f c o n s t r u c t i o n l a n d w i t h t h e c h a n g e d s t r u c t u r e ,a n d a l i t t l e i n c r e a s e i n t o t a l a m o u n t o f c o n v e n t i o n a l c o n s t r u c t i o n l a n d t h e c o m b i n e d a n n u a l r a t e s o f c h a n g e a r e n o t s u f f i c i e n t ;t h e g e o g r a p h i c a l e n v i r o n m e n t o f m o u n t a i n o u s a n d c o a s t a l a r e a i s t h e d r i v i n g f o r c e o f u r b a n s p r a w l ,w h i c h w i l l e v e n t u a l l y c h a n g e t h e l a n d c o v e r i n t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n s i g n i f i c a n t -l y .K e y w o r d s :l a n d -c o v e r c h a n g e ;d e c i s i o n t r e e c l a s s i f i c a t i o n ;R S /G I S(上接第6页)S i m u l a t i o na n dS e n s i t i v i t y A n a l y s i s o f B u l kT e m p e r a t u r e o f S p i r a l G e a rL U OS h a n -m i n g 1,W A N GW e i 2,W A N GJ i a n1(1.D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,X i a m e n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,X i a m e n 361024,C h i n a ;2.D e p a r t m e n t o f O p t i c a l a n dE l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,M i n n a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,Q u a n z h o u 362700,C h i n a )A b s t r a c t :T h e r e l a t i v e s l i d i n g v e l o c i t y ,t h e c o e f f i c i e n t o f f r i c t i o n a n d f r i c t i o n a l h e a t f l u x b e t w e e n c o n t a c t t o o t h f l a n k s a r e c a l c u l a t e d .T h e 3-Df i n i t e e l e m e n t m o d e l o f g e a r t o o t h o f s p i r a l b e v e l g e a r i s b u i l t .B a s e o n t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l ,t h e s t e a d y b u l k t e m p e r a t u r e o f s p i r a l b e v e l g e a r i s c a l c u l a t e d ,a n d t h e s e n s i t i v i t y o f t h e s t e a d y b u l k t e m p e r a t u r e t o s p e e d ,l o a d a n d o i l i n l e t t e m p e r a t u r e a r e a n a l y z e d .T h e r e s u l t s a r e s i g n i f i c a n t i n i m -p r o v i n g t h e t r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e s a n d l u b r i c a t i o n c o n d i t i o n s o f s p i r a l b e v e l g e a r .K e y w o r d s :s p i r a l b e v e l g e a r ;s t e a d y b u l k t e m p e r a t u r e ;h e a t f l u x ;s e n s i t i v i t y a n a l y s i s·47·。