1、存檔日期:存檔編號:江蘇師范大學科文學院本科生課程設計設計題目:運用ERDAS IMAGINE軟件對徐州TM遙感圖像進行土地利用的變化監測姓名:繆煌學號:108323150院系:科文學院年級: 2010級指導教師:李志江運用ERDAS IMAGINE軟件對徐州TM遙感圖像進行土地利用的變化監測摘要:本文的內容是先對2010-9-18時相的徐州TM/ETM遙感圖像進行圖像預處理,包括幾何精校正、圖像重采樣等,參照的標準圖像為2000-9-14時相的徐州TM/ETM遙感圖像;再對兩個時相的圖像進行規則分幅裁剪;然后對兩個時相的圖像進行監督分類(一共包括水域、農業用地、林業用地,建筑用地四種類別,得

2、出分類后的圖像;接著利用矩陣分析進行研究區土地利用狀況分析,獲得主要土地利用變化分布圖,進行土地利用變化的時空綜合分析。最后總結研究區的土地利用變化情況,得出結論。關鍵字:erdas軟件;TM遙感圖像;幾何校正;監督分類;矩陣分析;徐州土地利用變化。引言在之前一個學期對遙感原理與應用學習的基礎上,經過這個學期對ERDAS IMAGINE 軟件的學習,在基本上熟悉了該軟件的基本主要功能后,了解了完整的數字圖像處理工作大體上可以分為圖像信息的獲取、圖像信息的存儲、圖像信息的傳送、數字圖像的處理和圖像信息的輸出與顯示。并在其基礎上能對影像進行圖像裁剪、圖像融合、圖像校正,圖像增強,圖像分類(包括非監

3、督分類、監督分類、分類后處理,和一些空間分析。對于GIS專業的學生而言,遙感數字圖像處理的過程中,對操作流程的掌握固然重要,更重要的是對得出的結果進行全方位的分析,因為最終需要的是最后的分析結論,當然還可以結合專業特點,突出地學和地理學方面的內容。通過對2000-9-14和2010-9-18兩個時相的徐州TM/ETM遙感圖像進行圖像預處理,然后對兩個時相的圖像進行監督分類,接著利用矩陣分析進行研究區土地利用狀況分析,獲得主要土地利用變化分布圖,進行土地利用變化的時空綜合分析,并在其基礎上結合徐州2000-2010年的人口分布、經濟發展情況等,總結出研究區的土地利用變化情況,得出該地區10年間的

4、土地利用/覆蓋變化進行分析研究,并對變化的時空特征進行分析評價,結果表明徐州市的城市化進程在不斷加快,建成區面積逐年增加,農業用地和林業用地被占用的現象比較突出。研究結果對徐州市的城市規劃、生態環境保護等具有重要的借鑒和指導作用。研究區概況及略圖2000-9-14和2010-9-18兩個時相的徐州TM/ETM遙感圖像上顯示的徐州市位于東經116°2211 8°40、北緯33°4334°58之間。東西長約210公里,南北寬約140公里,總面積11258平方公里,占江蘇省總面積的11%。域內除中部和東部存在少數丘崗外,大部皆為平原。丘陵海拔一般在00 -20

5、0米左右,丘陵山地面積約占全市9.4%。丘陵山地分兩大群,一群分布于市域中部,山體高低不一,其中賈汪區東北的大洞山為全市最高峰,海拔365米;另一群分布于市域東部,最高點為新沂市北部的馬陵山,海拔122.9米。平原總地勢由西北向東南降低,平均坡度1/7000-1/8000,平原約占土地總面積的90%,海拔一般在30-50米之間。徐州市地處古淮河的支流沂、沭、泗諸水的下游,以黃河故道為分水嶺,形成北部的沂、沭、泗水系和南部的濉河、安河水系。境內河流縱橫交錯,湖沼、水庫星羅棋布,廢黃河斜穿東西,京杭大運河橫貫南北,東有沂、沭諸水及駱馬湖,西有復興河、大沙河及微山湖。擁有大型水庫兩座,中型水庫5座,

6、小型水庫84座,總庫容3.31億立方米,以及眾多的橋、函、渠、閘等水利設施,初步形成具有防洪、灌溉、航運、水產等多功能的河、湖、渠、庫相連的水網系統。徐州屬暖溫帶半濕潤季風氣候,四季分明,夏無酷暑,冬無嚴寒。年氣溫14,年日照時數為228 4至2495小時,日照率52%至57%,年均無霜期200至220天,年均降水量800至930毫米,雨季降水量占全年的56%。氣候資源較為優越,有利于農作物生長。主要氣象災害有旱、澇、風、霜、凍、冰雹等。氣候特點是:四季分明,光照充足,雨量適中,雨熱同期。四季之中春、秋季短,冬、夏季長,春季天氣多變,夏季高溫多雨,秋季天高氣爽,冬季寒潮頻襲。徐州市位于江蘇省北

7、部、黃淮平原南部,徐州“東襟淮海,西接中原,南屏江淮,北扼齊魯”,素有“五省通衢”之稱。京滬鐵路、隴海鐵路、京滬高鐵、徐蘭客運專線在此交匯,京杭大運河傍城而過貫穿徐州南北,北濱北方第一大湖微山湖。公路四通八達,北通京津,南達滬寧,西接蘭新,東抵海濱,為全國性綜合交通樞紐和東西、南北經濟聯系的重要“十字路口”。徐州是中華人民共和國的特大城市,是江蘇省重點規劃建設的三大都市圈(徐州都市圈核心城市,也是新亞歐大陸橋中國段五大中心城市之一。經濟實力已經超越了部分省會城市,徐州市2011年全年GDP經濟總量為3551.65億元,超過合肥、南昌、昆明等省會城市。 遙感資料情況說明遙感資料為2000-9-1

8、4和2010-9-18兩個時相的徐州TM/ETM 遙感圖像,包括TM 影像的B1B7波段,除了B6波段像素大小為120m 外,其余六個波段的像素大小是30m 。其中波段3、2、1分別為紅、綠、藍波段,在實際遙感圖像處理過程中,不使用第6波段。兩幅圖像成像時間均在9月份,研究區域內沒有云層覆蓋,圖像質量良好,研究區域是整幅圖像數據的一部分。遙感圖像處理技術路線一、圖像預處理在誤差范圍內 誤差大圖片文件:2000-9-14和2010-9-18兩個時相的徐州TM/ETM 遙感圖像。 加載圖像文件啟動幾何校正模塊采集地面控制點 采集地面檢查點 計算檢查點誤差圖像重采樣 刪除或重新選取誤差大的點 200

9、0年9月14日(參考圖像 2010年9月18日(需校正圖像第一步:建立參考圖像和偏移圖像坐標系,其目的是為圖像配準提供一個參考坐標。第二步:確定兩幅圖像的同名像素點,這里采取手動選取控制點的方法。需要注意的是控制點一般應選擇標志較為明確、穩定、容易辨識的地面特征點,如:道路交叉點、路標等。且GCP的選擇盡量要覆蓋地圖的整個區域,分布均勻,而不能夠成線形。本實驗中采用窗口采點模式,作為地理參考的2000年圖像已經含有投影信息,所以在這里不需要定義投影參數。第三步:應用同名像素點建立圖像間的畸變模型,本實驗采用的畸變模型是二次多項式方程。利用它對兩幅圖像間的幾何畸變進行逼近,它的系數在整體糾正時可

10、以用最小二乘法對分布在整個圖像區域上的控制點進行擬合而得到。第四步:以上所采集的GCP類型均為控制點,用于控制計算、建立轉換模型及多項式方程,通過校正計算得到全局校正以后的影像,但他的質量無從獲知,因此需要用地面檢查點與之對比、檢驗。所以采集地面檢查點用于檢驗所建立的轉換方程的精度和實用性。計算檢查點誤差。所有檢查點的誤差均小于一個像元,繼續進行合理的重采樣。 第四步:在基于畸變模型的基礎上對偏移圖像求取輸出圖像各像素的灰度值,即進行重采樣。重采樣是計算被校正圖像的文件值, 并生成新文件的處理。本實驗采取最近鄰點法,此方法是將最近的像元值賦給輸出像元。其運算速度快、數據文件完整, 但有數據丟失

11、, 輸出值的線狀特征可能出現鋸齒狀或斷開, 若圖像要求細節, 會有很多問題。但本實驗只需最后大概分析變化狀況,所以此方法較為合適。第五步:檢查校正結果,同時在兩個窗口中打開兩幅圖像,其中一幅是校正以后的圖像,一幅是校正時參考的圖像,進行目視定性檢查。 2010年9月18日校正之前的影像 2010年9月18日校正之后的影像二、監督分類在誤差范圍之內誤差較大時重新分類1、定義分類模板基于先驗知識,需要對遙感圖像選取訓練樣本,包括產生AOI 、合并、命名,從而建立樣本。本實驗中產生AOI 的方法是應用AOI 繪圖工具在原始圖像上獲取。在圖像上選擇多個深藍色區域AOI (water 、磚紅色區域AOI

12、 (farmland 、赭色區域AOI (forest 、藍色區域AOI (resident 。考慮到同類地物顏色的差異,因此在采樣過程中對每一類的采樣點不少于10個。最后保存分類模板。在ERDAS IMAGINE 監督分類過程中, 首先選擇可以識別或者借助其它信息可以斷定其類型的像元建立模板, 然后基于模板使計算機系統自動識別具有相同特征的像元。 下圖以2000年的TM 影像為例,2010的操作相同。2、評價分類模板模板產生后, 用模板編輯器來觀看每個模板的內容, 對其進行評價,測試確定模板數據是否真正代表每一類別將要分類的要素, 在分析模板之后, 可能需要對這些模板進行合并、刪除, 去掉冗

13、余波定義分類模板評價分類模板執行監督分類評價分類結果分類后處理段或加上新的數據波段, 或進行其它提高分類效果的操作。許多情況下, 必須經過多次訓練才能生成所希望的模板。這些操作就是分類模板的評價過程, 分類模板評價是ERDAS IMAGINE監督分類中必不可少且非常重要的一個過程, 所建立的分類模板質量的高低直接影響著監督分類的結果。在模板編輯器中,點和已知的信息, 確定各類的名稱和顏色, 加入到模板中保存, 建立分類模板后, 進行模板評價。ERDAS IMAGINE提供的分類模板評價工具有: 分類報警工具、可能性矩陣、特征對象、直方圖方法、分類的分離、分類統計分析等。研究中利用各工具對TM影

14、像的監督分類模板進行評價, 得到較理想的結果。在本實驗中采取分類預警評價、可能性評價、分類的分離性進行評價。下圖以2000年的TM影像為例,2010年的TM影像的操作相同。(1分類預警評價分類預警評價根據平行六邊形決策規則將原屬于或估計屬于某一類別的像元在圖像視窗中加亮顯現, 以示警報, 也可以設置選項使用其它顏色顯示。一個報警可以針對一個類別或多個類別。根據模板編輯器中指定的顏色, 選定類別的像元且顯示在原始圖像視窗中, 并覆蓋在原始圖像上, 形成報警掩膜, 利用Flicker 功能查看報警掩膜, 通過測試,依靠已有的模式識別技能, 確定準確性。在分別選擇水域、農業用地、林業用地、建筑用地類

15、別時, 發現分類面積過大, 尤其是農業用地、林業用地, 隨后對這幾種類型,經過幾次反復選點、合并與刪除, 再應用分類模板報警工具形成報警掩膜, 以檢驗模板的準確性, 直到結果滿意為止。評價完成后刪除分類報警掩膜。(2可能性評價可能性評價工具是根據分類模板, 分析AOI 訓練區的像元是否完全落在相應的類別中。可能性矩陣的輸出結果是百分比矩陣, 說明每個AOI 訓練區中有多少個像元分別屬于相應的類別。AOI 訓練區的分類可應用分類原則: 平行六面體、特征空間、最大似然、馬氏距離。本實驗中選擇的是最大似然。隨后, 分類誤差矩陣將顯示在IMAGINE文本編輯器( Text Editor 中, 供查看統

16、計。如果誤差矩陣值小于85%, 則模板需要重新建立。統計數據符合要求, 得到了令人滿意的結果。 (3分類的分離性分類的分離性工具用 于計算任意類別的統計距離, 可確定兩個類別間的差異性程度, 也可確定分類中效果最好的數據層。類別間的統計距離是基于歐氏光譜距離、Jeffries-Matusta距離、分類的分離度( Divergence 、轉換分離度( TransformedDivergence 方法計算的。采用類別分離性工具可以同時對多個類別操作, 如果沒有選擇任何類別, 則對所有的類別操作。在文本編輯器窗口, 可以對報告結果分析, 將結果保存在文本文件中。本實驗中TD的值均大于1700,則說明

17、類可以分開,模板可以使用。3、執行監督分類通過利用以上各工具對TM影像的監督分類模板評價后, 得到較為理想的監督分類模板, 這樣就可以進行土地利用監督分類。4、評價分類結果執行了監督分類之后,需要對分類效果進行評價,ERDAS系統提供了分類疊加、定義閥值、精度評估分類評價方法。在本實驗中,對2000年的研究區影像進行分類疊加、精度評估,對20 10年的研究區影像進行分類疊加、定義閥值。(1分類疊加分類疊加就是將專題分類圖像與分類原始圖像同時在一個視窗中打開,將分類專題層至于上層,通過改變分類專題的透明度及顏色等屬性,查看分類專題與與原始圖像之間的關系。對于監督分類結果,該方法只是查看分類結果的

18、準確性。 2000年研究區分類前圖像 2000年研究區分類后圖像 2010年研究區分類前圖像 2010年研究區分類前圖像(2精度評估原始圖像視 窗與精度評估視窗相連接,產生隨機點。確定隨機點過程中使用的最多分析像元數為15個,各點的類別號出現在數據表的class字段中,輸入參考點的實際類別值。在數據表的referance字段輸入各個隨機點的實際類別值。輸出環境及輸出分類評價報告,通過確定分類評價報告的參數,產生分類精度報告,報告有關產生隨機點的設置及窗口環境。(3定義閥值通過定義閥值方法可以確定哪些像元最可能沒有正確分類,進而對分類結果進一步優化。對每個類別設置一個距離閥值,將可能不屬于它的像

19、元篩選出去,被篩選出去的像元則被賦予另一個值。 5、分類后處理監督分類中,分類結果中都會產生一些面積很小的的圖斑。從實際應用的角度,有必要對這些小圖斑進行剔除。ERDAS IMAGINE 9.1中的GIS分析命令聚類統計、去除分析、分類重編碼可以聯合完成小圖斑的處理工作。三、矩陣分析 矩陣分析功能(Matrix可以將兩個2000年和2010年的影像輸入分類專題圖像,按照其專題屬性在空間上的重疊性產生一個新的圖像文件,新文件包含兩個輸入文件中重疊的分類專題屬性。輸出新的分析后的圖像。當生成上述新的柵格圖,然后打開屬性表,添加面積字段,然后同時選中兩個時期的分類以及面積,復制到excel表格,通過

20、新的組合重新排,改變11、12、13、14字段為水域、農業用地、林業用地、建筑用地。得出下列表格(表1:面積(公頃2000 20105694 水域水域133 水域農業用地135 水域林業用地766 水域建筑用地152 農業用地水域70200 農業用地農業用地4968 農業用地林業用地35475 農業用地建筑用地60 6704 16419 3013 829 19289 3586 93336 林業用地 林業用地 林業用地 林業用地 建筑用地 建筑用地 建筑用地 建筑用地 水域 農業用地 林業用地 建筑用地 水域 農業用地 林業用地 建筑用地 有多少水域面積變為其他類別 有多少農業面積變為其他類別

21、有多少林業面積變為其他類別 有多少城市面積變為其他類別 1、計算各個類別 2000 到 2010 年的變化狀況，用下表示（表 2） ： 2000 2010 增加或減少（百分比） 增加或減少（面積） 水域 6728 6735 0.10% 7 農業用地 110795 96326 -13.06% -14469 林業用地 26196 25108 -4.15% -1088 建筑用地 117040 132590 13.29% 15550 （表 3） 2、得出研究區內 2000 年和 2010 年各種類別占總面積的大小（表 4） ： 2000 2010 水域 2.58% 2.58% 農業用地 42.48%

22、36.94% 林業用地 10.04% 9.62% 建筑用地 44.88% 50.84% 3、研究區 2000 年與 2010 年分類后的圖像 2000 年 9 月 2010 年 9 月 結果分析 利用 excel 對土地利用分類結果表進行統計分析,全面而又具體地反映區域土地利用變化的結構特 征和各種用地類型變化的方向,如表 1、表 2、表 3、表 4 所示。 從表 2、表 3 可知,徐州市土地利用主要是農業用地和建筑用地,而 10 年間徐州市土地利用變化比 較大是農業用地和建筑用地,面積減少的為農業用地和林業用地，面積增加的為建筑用地，水域面積基 本保持不變。在面積凈增的 2 個地類中,建筑用

23、地增加了 15550 公頃,面積凈增加 13.29%;而面積凈 減的 2 個地類中,農業用地減少了 14469 公頃,其次為林業用地,減少了 1088 公頃,但是林業用地相 對于農業用地減少幅度較小，為 4.15%。 由表 1 可以看出 20002010 年徐州市土地利用變化最大的是建筑用地和農業用地,并且總體上來 說建筑用地的增加部分主要是占用農業用地,其次是林業用地、水域。此外,在 20002010 年時段中又 有一定數量的農業用地和林業用地轉換為其他土地。水體的面積基本不變 ,雖有城市化占用水域，但 由于煤礦區采礦活動的加劇導致耕地的塌陷積水以及村莊搬遷的原因，使得水體面積保持平衡。 根

24、據以上分析數據，總體來說這期間徐州市土地利用變化的特點是城市建設發展迅速 ,城市基礎 設施建設得到不斷加強和改善，而且徐州市區土地利用結構變化與經濟發展、人口增長、基礎設施建 設、 產業結構調整等因素密切相關。 因為徐州市區總人口增加了,人口增加導致建設用地面積快速增加。 總結 本文從全市、主城區等角度對徐州 20002010 年土地利用情況進行了分析，并且對徐州土地利用 數量、結構上的變化進行了具體說明。得到如下結論： 從整體上看：徐州土地利用地類在數量上的變化主要體現為農業用地數量減少，建筑用地數量增 多，運用轉移矩陣分析了徐州土地利用結構上的變化。 根據土地利用變化情況，得出了影響土地利

25、用變化的因素，這些因素包括：城市化過程、經濟發 展、土地利用總體規劃等。在上面的基礎上給出了徐州土地利用過程中存在的問題。針對這些問題嘗 試著從土地利用總體規劃、農用地的管理、建設用地管理等方面提出進一步完善徐州土地利用的建議。 1、加強土地利用總體規劃 嚴格土地利用總體規劃制定和管理。在編制土地利用利用總體規劃內容和程序、修訂程序、實施、 監督、獎懲制度上要做出明確的說明；使土地利用總體規劃與相關規劃進行銜接；借鑒國外土地利用 總體規劃群眾的參與性的措施，讓群眾參與到規劃方式、內容、地類分布、責任和義務等的規范化、 法制化中，使群眾參與能夠集中反映社會各群體對土地利用的要求，能夠提供有益的意

26、見建議，能夠 帶動對規劃實施的公眾監督，建立群眾意見反饋制度、公示及規劃管理公開制度。同時規劃的質量關 系到規劃人員的素質，所以要建立土地規劃師執業資格制度和規劃機構資質管理制度，加強和規范土 地利用規劃編制與實施管理。在現階段規劃人員專業單一，在將來人員的選擇上，采用一專多能的人 才，引進法律、計算機、經濟等方面的人才。 2、加強農用地管理 嚴格限制農地轉為非農地，對于農地轉為非農地的情況，要嚴把審核關。地方政府要加強土地利 用總體規劃的法律地位，建立農地保護、耕地儲備和土地用途管制制度，加強土地管理，處理好生態 環境建設、農業結構調整和耕地保護的關系。違法行為做到嚴格的查處。農地的保護除了

27、上級有力監 督制外，還要利用先進的科學技術如衛星遙感與航空遙感技術，建立耕地預警、監測系統，對耕地資 源實行動態監測。加強農用地管理，要提高農民的生產積極性，應該設立一些基金來分給農戶，如設 立“基本農田保護補貼專項基金” ，每年從中撥出一定資金補償保護區內農民為農地保護遭受的損失， 同時國家也可以投資水利設施建設間接地進行補償。加強農用地集約利用，宣傳農地的稀缺，改變粗 放的經營方式。在利用中保護，保護中利用。耕地保護要保證耕地保有量，同時也要保證土壤肥力、 耕作條件、基礎設施等以避免出現土壤退化。對有污染的耕地要進行及時的治理，進行環境監測和評 價，限制化肥、農藥等的使用等以保證糧食的安全

28、。加強對未利用地的開發，但開發時要盡量減少對 森林植被的破壞，灘涂的利用要充分考慮江河泄洪的要求。農業土地利用也要因地制宜，逐步實行區 域分工和專業化生產，同時加強區際橫向聯合。要以種植業為主，綜合利用，堅持“地區專門化與多 樣化相結合”的原則，最大化發揮土地的生產能力。 3、加強建設用地管理 區域分區發展的原則，就是根據生態建設規劃、城鎮體系規劃、旅游布局規劃等規劃，以及各區 域土地利用的特征、生態環境容量以及社會經濟發展水平等要素對轄區內土地利用進行功能分區。徐 州應根據不同區域的特點，進行規劃分區，如優化開發區域、重點開發區域、適度開發區域、適宜開 發區域、控制開發區域等。優化土地利用空間結構。結構是功能的基礎。城市土地利用結構的優化要 從城市整體的角度把握，弄清楚土地利用結構中不合理分布的原因，結合產業結構調整有步驟的進行。 為實現優地優用，推進第三產業置換第二產業，以效益高的產業置換效益低的產