国土资源遥感, 2020, 32(3): 232-239 doi: 10.6046/gtzyyg.2020.03.30

矿山遥感调查专栏

矿区地物分类及土地利用/覆盖变化动态监测——以海流兔流域为例

高文龙,1, 苏腾飞1,2,3, 张圣微,1,2,3, 杜银龙1, 雒萌1

1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特 010018

2.内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室,呼和浩特 010018

3.内蒙古自治区农牧业大数据研究与应用重点实验室,呼和浩特 010018

Classification of objects and LUCC dynamic monitoring in mining area: A case study of Hailiutu watershed

GAO Wenlong,1, SU Tengfei1,2,3, ZHANG Shengwei,1,2,3, DU Yinlong1, LUO Meng1

1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China

2. Key Laboratory of Protection and Utilization of Water Resources of Inner Mongolia Atuonomous Region,Hohhot 010018, China

3. Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Big Data Research and Application of Agriculture and Animal Husbandry, Hohhot 010018, China

通讯作者: 张圣微(1979-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事定量遥感和生态水文方面研究。Email:zsw@imau.edu.cn

责任编辑: 李瑜

收稿日期: 2019-10-22   修回日期: 2020-02-27   网络出版日期: 2020-09-15

基金资助: 国家重点研发计划项目“大型煤矿和有色金属矿矿井水高效利用技术与示范,课题1采煤驱动下水文演变机理与地质环境生态效益,专题3采煤驱动下地表演变机理与环境生态效应”.  2018YFC0406401
国家自然科学基金项目“改变降水对内蒙古典型草原禁牧与放牧草地水文土壤植被影响机制研究,面向对象的河套灌区遥感作物分类算法研究”.  51779116
国家自然科学基金项目“改变降水对内蒙古典型草原禁牧与放牧草地水文土壤植被影响机制研究,面向对象的河套灌区遥感作物分类算法研究”.  61701265
内蒙古自治区杰出青年培育基金“典型草原水文土壤植被对改变降雨及放牧的响应机理研究”.  2019JQ06

Received: 2019-10-22   Revised: 2020-02-27   Online: 2020-09-15

作者简介 About authors

高文龙(1995-),男,硕士研究生,主要从事地学和环境遥感相关方面研究。Email: Gao19950723@126.com

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摘要

针对矿山开采是否会使地物类型发生巨大变化及环境恶化问题,利用Landsat(TM,OLI)影像,对海流兔流域2006年、2010年、2014年、2018年的土地进行分类,揭示2006—2018年间3个阶段(每4 a一阶段)土地利用变化的时空特征。通过筛选比较最大似然法、支持向量机、随机森林等分类方法,并应用地物时空变化特征和转移矩阵统计方法进行定性、定量分析。结果表明: 随机森林法得到的土地分类图精度优于其他分类方法; 3个阶段中沙地与草地/灌木转化频繁,沙地总面积减少16.83%,草地/灌木增加12.68%,建设用地逐年稳定增长; 截至2018年,矿区发展并未对生态环境造成较大伤害,井工矿地物结构变化与海流兔流域地物结构趋势一致。

关键词: 遥感 ; 转移矩阵 ; 采矿扰动 ; 土地利用

Abstract

To tackle the problem whether mining will cause great changes in the types of surface features and environmental deterioration, the authors used Landsat (TM,OLI) images to classify the land in 2006, 2010, 2014 and 2018 in Hailiutu watershed, and revealed the temporal and spatial characteristics of land use changes in three stages (one stage every four years) from 2006 to 2018. Screening and comparing the classification methods MLE, SVM, RF and applying the statistical methods of features change and transfer matrix show that the accuracy of land classification map obtained by RF is better than that of the other classification methods, and the quantitative interpretation of land classification analysis was carried out for many years. In the three stages, the transformation of sandy land and grassland/shrub was frequent, the total area of sandy land decreased by 16.83%, the grassland/shrub increased by 12.68%, and the construction land increased steadily year by year. By 2018, the development of the mining area had not caused great damage to the ecological environment, and the change of the geological structure of the mine was consistent with the trend of the geological structure of Hailiutu basin.

Keywords: remote sensing ; transfer matrix ; mining disturbance ; land use

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本文引用格式

高文龙, 苏腾飞, 张圣微, 杜银龙, 雒萌. 矿区地物分类及土地利用/覆盖变化动态监测——以海流兔流域为例. 国土资源遥感[J], 2020, 32(3): 232-239 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.30

GAO Wenlong, SU Tengfei, ZHANG Shengwei, DU Yinlong, LUO Meng. Classification of objects and LUCC dynamic monitoring in mining area: A case study of Hailiutu watershed. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2020, 32(3): 232-239 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.30

0 引言

土地利用/覆盖变化(land use/cover change,LUCC)是人类活动对地球表层系统影响的最直接形式[1,2,3],其影响广泛而长期存在[4],且这种影响受人口、经济、环境多种因素综合控制[5,6,7],同时还受到国家和地方国土空间管控和生态保护等政策的影响[8]。20世纪90年代以来,两大具有全球影响力工程计划“国际地圈与生物圈计划(InternationaI Geosphere Biosphere Programme, IGBP)”和“全球环境变化人文计划(Human Dimensions Programme, HDP)”积极推动了LUCC方面工作,共同拟定了《土地利用/覆盖变化科学研究计划》,并将其列为核心项目[9]。通过局部区域比较研究,并结合遥感图像解译,分析LUCC的空间变化过程及影响因子[10]。目前国际上关于LUCC的研究具有综合性与地域性特点,涵盖关于LUCC动态监测、LUCC综合模型、LUCC驱动机制等研究方向[11]; 而国内在进入21世纪以来LUCC研究才呈现快速递增趋势,主要研究内容包括研究方法、基本特征、经济效益、动态监测、驱动因素、模拟建模、趋势预测等[12],以大中型城市和重要流域为主。但目前对于井工矿开采对地类的扰动影响国内外研究相对较少。矿山开采过程直接改变了地表土地利用类型,从而对矿区及其周边地物和生态环境会造成影响[13] ,如采矿过程中导致的生物多样性减少、植被退化等一系列生态环境问题[14,15]。晋陕蒙作为我国主要的煤炭资源存储和开采地区,造成的生态环境问题也备受关注[16]。其中采矿后地物类型的转移变化过程及人为因素对生态环境的改变可作为今后矿区生态修复的重要参照[17,18]

遥感技术是近30 a来LUCC研究的最重要手段,且近10 a来通过与人工智能技术的结合进一步实现了土地利用信息的智能化提取[19]。利用机器学习算法处理遥感影像数据分析LUCC动态监测已成为近年相关领域的研究热点[20]。机器学习算法是人工智能的一种具体技术形式[21],其算法涵盖最大似然法(maximum likelihood estimate,MLE)、支持向量机(support vector machine, SVM)、随机森林(random forests,RF)等 [22,23,24]。其中RF是一种高效的组合分类法,其优越性在于可以用于求解多种分类问题,包括: 分类性好、计算简单、建模方便、训练时间短、通用性强等[25,26,27]。研究证明,RF解译土地利用类型效果良好。田绍鸿等[28]利用RF对TH-1多光谱数据进行分类,得到结果RF比最大似然法精度提高10%; 黄双燕等[29]采用时间序列Sentinel 2A数据用不同机器学习法提取的农作物分类信息组合分析精度影响,发现RF精度最佳。

由于矿区地物的高度复杂性和快速变化的特点,目前对于矿区地物进行时序变化和动态检测的研究匮乏,本文利用多年时序遥感卫星影像,通过RF算法得到2006—2018年海流兔流域的矿区地物类型,在此基础上分析了研究区地物类型的转移变化情况,以期为矿区国土空间管控和采矿后生态修复研究提供基础。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

研究区(图1)位于陕西省榆林市与内蒙古鄂尔多斯市境内,地理位置位于E108° 38' 26″~109° 14' 39″,N38° 1' 16″~38° 50' 54″,北连鄂尔多斯市市区,南接榆林市横山县,总面积约为2 797 km2,高程范围在1 000~1 475 m。北部区域属于毛乌素沙地风沙草滩区,南部区域属于黄土高原丘陵沟壑区。区内煤矿分布集中在海流兔流域中下游,矿区范围属于榆横矿区和纳林河矿区交界地区,在采矿山主要有巴拉素煤矿、营盘壕煤矿、大海则煤矿等。本文使用2018年10月4日Landsat8(OLI)影像数据, RGB为红、蓝、绿真彩色波段合成并通过影像预处理、图像裁剪等步骤,得到研究区概况图。

图1

图1   研究区地理位置

Fig.1   Geographic location of the study area


1.2 数据来源

本文所使用卫星遥感数据从地理空间数据云(https: //www.gscloud.cn/)与美国地质勘探局(https: //earthexplorer.usgs.gov/)获取,为空间分辨率30 m的2景Landsat8(OLI)和2景Landsat5(TM)多光谱数据。由于海流兔流域的矿区建设在2006年之前几乎无法在卫星影像得到信息,且为了更加详细得到2006—2018年之间的土地利用变化情况,故而数据选取年份为2006年、2010年、2014年和2018年,每间隔4 a为一阶段。为保证分类准确,4景数据全部选取植被处于成熟期且云量低于1%的遥感影像,如表1所示。

表1   影像信息

Tab.1  Image information

影像编号卫星
(传感器)
获取时间空间分
辨率/m
云量/
%
LC08_L1TP_128033_20181004_20181010_01_T1Landsat8(OLI)2018-10-04300.28
LC81280332014298-LGN00Landsat8(OLI)2014-10-25300.50
LT51280332010255-IKR00Landsat5(TM)2010-09-12300.18
LT51280332006292-IKR00Landsat5(TM)2006-10-19300

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1.3 数据预处理及样本点选区

遥感影像预处理步骤包括: 辐射定标、大气校正、几何纠正及图像裁剪。经过以上处理后通过综合影像光谱与纹理特征分析、Google Earth目视区分和实地地物调查,共选取采集样本点1 344个,其中896个用来地物分类,448个作为精度验证(若不满足精度验证,需重新选取样本点)。按照土地利用程度并结合西部干旱地区地物分布特点,将地物划分为5类: 沙地、草地/灌木、水域、耕地和建设用地[30]。海流兔流域各类地物的影像解译标志如图2所示。样本点的地物类型以表2解译说明为依据。

图2

图2   海流兔流域影像解译标志

Fig.2   Remote sensing image interpretation signs of Hailiutu watershed


表2   影像解译说明

Tab.2  Remote sensing image interpretation instructions

地类名称解译标志
沙地影像色调呈褐色、黄色,形状不规则,在研究区内分布极其广泛
草地/灌木影像呈现暗红色、深红色、黑色,形状为点状、片状、分布极其不均匀,研究区各处均有分布
水域影像呈深浅颜色不一的蓝色、黑色和天蓝色,形状多呈条带状,带宽大小不一,边界明显
耕地影像色调为鲜红色、褐色及土黄色,形状呈规则的方形、圆形(圆形为喷灌、滴灌耕地),分布在农村居民点与河流附近
建设用地影像呈天蓝色、白色等,形状规则,相对集中,农村居民点呈点状分布,公路形状细长连续,与周围分界线明显

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1.4 LUCC动态监测总流程

实验设计过程如图3所示。影像经由图像预处理、样本点提取后,通过MLE,SVM和RF这3种监督分类方法比较,以此保证土地分类图的可靠性以及与实际地物类型相比准确性。若精度较低或与实际情况偏差较大,则必须重新选取样本点,直到精度验证满足土地利用分类的要求为止。本文最终采用RF方法对海流兔流域2006—2018年间的遥感影像进行了土地利用分类和LUCC动态监测。为了更加详细研究采矿过程对整个流域LUCC影响程度,分别对区域各类地物类型面积的时序性、整体时间序列的地物转移矩阵和各矿区及周边的地物面积比较分析,即局部矿区扰动与整体研究区流域的关系。

图3

图3   LUCC动态监测流程

Fig.3   Flow chart of land use/cover change dynamic monitoring


2 研究方法

2.1 随机森林及精度评价

RF是Breman[22]提出的一种经典的机器学习模型,该模型是将N颗决策树组合到一起形成森林,并利用每颗树对选取的样本进行训练与预测,最终由每棵树投票选出随机森林。RF模型的具体构建过程为: 采用自助法(bootstrap)重采样从原始数据中有放回地抽取N个训练样本集,每个训练样本集的大小为原始数据集的2/3,余下1/3作为袋外数据(out-of-bag,OOB)进行内部误差估计,产生OOB误差。

精度评价不仅可以反映出LUCC分类后与实际土地利用情况是否一致,还可以反映出提取的不同类别样本点是否合理,故精度验证是影像分类必不可少的环节。总体精度(overall accuracy,OA)表明图像中所有正确分类像元与总体像元的比值,Kappa系数可用于一致性检验,以衡量分类精度。本文计算了研究区2006—2018年的OA和Kappa系数,计算公式为:

P0=1nk=1Nakk,
K=P0-Pe1-Pe,
Pe=1n2k=1N(i=1Naki×i=1Naik),

式中: P0为观测精确性的比例,即总体精度(OA); N为地物类型个数; n为总体像元数; a为正确像元数; K为Kappa系数; Pe为期望的偶然一致的单元的比例,对于遥感图像解译表示偶然性因素导致的错误解释比例。

2.2 土地利用/覆盖变化转移矩阵

转移矩阵是马尔科夫模型在LUCC方面的应用,可以定量地表明不同土地利用类型之间的转化情况。本文运用遥感影像数据计算了2006—2018年的LUCC转移过程。

转移矩阵公式为:

A=A11A12A1nA21A22A2n︙︙An1An2Ann

式中: A为转移矩阵; Aijk时期的i种土地利用类型转换为k+1时期j种土地利用类型的面积; i,j分别表示研究期初和研究期末的土地利用类型。

3 结果与分析

3.1 方法及精度检验

利用公式(1)—(3)对同样的训练样本分别进行MLE和SVM分类,并进行分类精度评价、与RF分类结果进行对比,发现基于机器学习的RF分类精度优于同等条件下其他2种分类算法,如图4所示。故本文采用RF的土地分类图进行LUCC动态监测,如图5所示。

图4

图4   MLE,SVM,RF方法精度比较

Fig.4   Accuracy comparison of MLE,SVM and RF


图5

图5   研究区土地分类图

Fig.5   Land classification maps


3.2 海流兔流域地物变化特征及转移矩阵分析

海流兔河流域2006—2018年间4景遥感影像的解译结果能充分地体现LUCC的特征,本文以统计数据形式将研究区4景地物分类图提取的土地类型进行分析,对比结果如表3所示。

表3   海流兔流域4期不同土地利用类型面积、比例

Tab.3  Area and proportion of different land use types in Hailiutu watershed in 4 stages

年份沙地草地/灌木水域耕地建设用地总面积/
km2
面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%
2006年1 525.2554.53806.728.8415.250.54395.6114.1454.431.952 797.24
2010年1 385.3449.53900.3632.1914.110.50386.9113.83110.523.952 797.24
2014年1 323.0247.30941.2933.6515.400.55384.6213.75132.914.752 797.24
2018年1 053.9537.681 161.5241.5229.871.07416.7814.90135.134.832 797.24

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从各类地物面积占区域面积的比重看,研究区2006—2018年间各类地物结构变化明显,特别是沙地和草地/灌木变化最为显著。总体趋势表现为沙地面积逐年持续减少,草地/灌木、水域、耕地、建设用地面积多年变化情况均在以不同程度增长。截至2018年的统计截止日期,沙地总面积比2006年减少了16.85百分点,草地/灌木总体面积增加了12.68百分点。数据显示,研究区水域在2006—2010年期间出现负增长,面积减少了0.05百分点,2014—2018年间是3个阶段中增加量最大的,达到了0.52百分点,显然在这一时期中河流补给量有所增强,降水量较大。耕地的变化并未发生明显面积结构改变,总面积保持在400 km2上下浮动,这说明当地虽属采矿区工业区,却并未对农业用地造成伤害。建设用地面积变化情况与当今发展经济的社会背景相吻合,各阶段分别增长2.08和0.08百分点。

利用式(4)计算2006—2018年间整体时间序列的土地利用转移矩阵,沙地向草地/灌木、水域、耕地、建设用地转入面积明显大于转出面积,沙地分别向草地/灌木、耕地、建设用地转移面积为380.49 km2,126.49 km2和54.82 km2,水域转移量较小。沙地与草地/灌木、耕地、建设用地之间面积转移是主要转化过程,且沙地转出到其他地类的面积大于其他地类向沙地的转入量。草地/灌木向沙地、水域、耕地、建设用地转入总面积变化量为225.79 km2; 由其他地类转为草地/灌木转入量中,沙地和耕地变化量最大。草地/灌木面积转移过程中沙地、耕地为主要转入地物类型,且转入草地/灌木面积大于转出面积。水域根据土地分类图及实地调查后发现由于在流域内依靠河流水源两岸分布着面积广泛的耕地、草地/灌木,因此面积较小。耕地与草地/灌木和沙地之间转入面积分别为135.1 km2和126.49 km2,转出面积分别为176.65 km2和44.48 km2。建设用地面积转移过程中沙地、草地/灌木、耕地是其主要转化来源。因此,2006—2018年时期内,沙地面积逐渐减少,草地/灌木、耕地、水域、建设用地都有增加,表明近年来人类活动对沙地的治理及城镇公路的发展、地物类型的转变起着推动作用,如表4所示。

表4   2006到2018年海流兔流域土地利用/覆盖变化转移矩阵

Tab.4  Transfer matrix of land use/cover change in Hailiutu Watershed from 2006 to 2018(km2)

2018年
地物类别
2006年地物类别
沙地草地/灌木水域耕地建设用地
沙地954.6148.290.2644.486.18
草地/灌木380.49580.805.75176.6517.58
水域8.456.755.375.433.85
耕地126.49135.112.77145.097.26
建设用地54.8235.641.0723.9319.54

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对整个流域面积进行统计后可直观得到各类地物在2006—2018年间面积增减量的实际数据,再由叠加运算和统计分析形成地物类型的转移矩阵,可清晰地反映出不同类型地物之间的定量转换关系,即2006—2018年的12 a间海流兔流域沙地沙漠化、草地退化现象在逐渐好转,生态环境整体向好发展。

3.3 矿区及周边地物变化特征分析

研究区矿产资源开采主要以矿井开采为主。对海流兔流域巴拉素、营盘壕和大海则3个重点煤矿及其周边地区2006—2018年间的LUCC面积变化情况进行统计(图6,图7)。

图6-1

图6-1   巴拉素、营盘壕、大海则煤矿地物类型时序变化

Fig.6-1   Time series changes of coal mine features in Balasu,Yinpanhao and Dahaize


图6-2

图6-2   巴拉素、营盘壕、大海则煤矿地物类型时序变化

Fig.6-2   Time series changes of coal mine features in Balasu,Yinpanhao and Dahaize


图7

图7   各矿区地物面积统计

Fig.7   Statistics of each mineral surface area


图6图7可知,各矿区面积分别为巴拉素7.92 km2、营盘壕12.52 km2、大海则11.24 km2。2006—2018年间LUCC显著,沙地面积占据主体部分,随年份增加,面积均在减少,截至2018年统计日期为止巴拉素、营盘壕和大海则3个矿区的沙地面积分别减少40.70%,33.61%和44.53%。草地/灌木面积逐年上升趋势明显。矿区周边并无水域存在。耕地面积在区域分布不一,故各矿区周边面积变化较大,巴拉素矿区逐年下降,一部分转化为建设用地,另一部分转化为草地; 营盘壕矿区耕地面积上升明显,到2018年增长了36%,大海则矿区由于耕地分布较少,无太大变化。而建设用地可间接反映出矿区的发展情况,在3个煤矿的面积都在逐年增加(包括周边村庄面积等)。综合分析沙地、草地/灌木、耕地的面积变化趋势表明,研究区采煤的扰动过程并未对生态环境造成影响,反而使土地荒漠化情况有所缓减,并在稳中有进地改善着生态环境现状。在对整个流域与重点矿区分析后发现,地物类型变化情况一致,并未造成环境问题。

4 结论

1)本文对MLE,SVM,RF 3种分类方法在研究区的分类效果比较后认为,RF方法的解译图像最佳,其总体精度OA为89.32%、Kappa系数为0.845 0。结合对Landsat(TM,OLI)数据解译,获得了2006年、2010年、2014年和2018年的土地利用分类图。

2)在对2006年、2010年、2014年和2018年土地利用分类图计算得到研究区总面积为2 797.24 km2,2006—2018年间沙地总面积减少了16.85%,草地/灌木总面积面积增加了12.68%,水体和耕地总面积呈现缓慢增长趋势但不明显,建设用地面积增加了2.88%。出现以上土地类型变化的原因主要由于地形地貌、气候气象和人为干扰3方面因素制约了研究区土地覆被的变化。截至2018年,沙地面积占研究区总面积的37.68%、草地/灌木41.52%、水域1.07%、耕地14.90%、建设用地4.83%。

3)矿区的建设用地发展并未对生态环境造成较大伤害,全区域以沙地与草地/灌木之间的转化为主。整个海流兔流域的地物结构与在采矿山的地物结构变化趋势一致。表明采煤驱动对当地生态环境破坏很小。其次由于研究区常年来干旱少雨,植物、农作物难以存活。因此近年来由于人类活动、政府部门在荒漠化治理政策,三北防护林、防沙固草等方面实施了一系列措施,当地经济持续发展,使得沙地在减少、植被在增多,建设用地也在不断增长。

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Land use/land cover change (LUCC) has considerable impact on ecosystem services. It is essential to quantify the spatiotemporal heterogeneity of ecosystem services from the perspective of LUCC, which will benefit regional land management and ecological protection. We analyzed land use change in the Pearl River Delta from 2000 to 2015, and we used a spatially explicit integrated modeling tool (InVEST) for quantification of ecosystem services-water yield, carbon storage, soil retention, and food supply. The results revealed increases in the areas of grassland and built-up land, and decreases in the areas of woodland, cropland, water body, and unused land during 2000 to 2015, which have caused increase in water yield and carbon storage, while decrease in soil retention and food supply. The dynamic changes of woodland, grassland, cropland, and built-up land were the main driving factors in the relationship of trade-offs and synergies among the four ecosystem services, which are ubiquitous. Those all illustrate the importance of considering ecosystem services in decision making related to land use and land management.

石玉琼, 李团胜, 史晓惠, .

榆林地区榆林地区景观生态敏感性时空特征

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[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2019,16(3).

DOI:10.3390/ijerph16030515      URL     PMID:30759776      [本文引用: 1]

There has been a move towards using mixed method approaches in geospatial research to gain context in understanding health related social patterns and processes. The central premise is that official data is often too reductionist and misses' nuances that can help explain causality. One example is the geonarrative, a spatially relevant commentary or interview that can be mapped by content and/or location. While there have been several examples of geonarratives being used by researchers, there is no commonly available software that can easily transfer the associated text into spatial data. Having a standardized software platform is vital if these methods are to be used across different disciplines. This paper presents an overview of a solution, Wordmapper (WM), which is a standalone software developed to process geonarratives from a transcription and associated global positioning system (GPS) path. Apart from querying textual narrative data, Wordmapper facilitates qualitative coding which could be used to extract latent contextual information from the narratives. In order to improve interoperability, Wordmapper provides spatialized narrative data in formats, such as ESRI shape files, Keyhole Markup Language (KML), and Comma Separated Values (CSV). A case study based on five different spatial video geonarratives (SVG) collected to assess the human impacts following the 2011 Joplin, Missouri are used for illustration.

刁娇娇, 龚鑫烨, 李明诗.

利用综合变化检测方法进行土地覆盖变化制图

[J]. 国土资源遥感, 2018,30(1):157-165.doi: 10.6046/gtzyyg.2018.01.22.

[本文引用: 1]

Diao J J, Gong X Y, Li M S.

A comprehensive change detection method for updating land cover data base

[J]. Remote Sensing for land and Resources, 2018,30(1):157-165.doi: 10.6046/gtzyyg.2018.01.22.

[本文引用: 1]

宁佳, 刘纪远, 匡文慧, .

中国2010—2015年土地利用变化的时空格局与新特征

[J]. 地理学报, 2018,73(5):789-802.

DOI:10.11821/dlxb201805001      URL     [本文引用: 1]

3 km2,耕地面积共减少4.9×103 km2,林草用地面积共减少16.4×103 km2。2010-2015年与2000-2010年相比,中国土地利用变化的区域空间格局基本一致,但分区变化呈现新的特征。东部建设用地持续扩张和耕地面积减少,变化速率有所下降;中部建设用地扩张和耕地面积减少速度增加;西部建设用地扩张明显加速,耕地面积增速进一步加快,林草面积减少速率增加;东北地区建设用地扩展持续缓慢,耕地面积稳中有升,水旱田转换突出,林草面积略有下降。从“十二五”期间国家实施的主体功能区布局来看,东部地区的土地利用变化特征与优化和重点开发区的国土空间格局管控要求基本吻合;中部和西部地区则面临对重点生态功能区和农产品主产区相关土地利用类型实现有效保护的严峻挑战,必须进一步加大对国土空间开发格局的有效管控。]]>

Ning J, Liu J Y, Kuang W H, et al,

Spatiotemporal patterns and characteristics of land-use change in China during 2010—2015

[J].Journal of Geographical Sciences,2018(5):789-802.

[本文引用: 1]

李秀彬.

全球环境变化研究的核心领域——土地利用/土地覆被变化的国际研究动向

[J].地理学报, 1996(6):553-558.

DOI:10.11821/xb199606009      URL     [本文引用: 1]

土地利用/土地覆被变化已列为“国际地圈与生物圈计划”的核心项目,在该领域的研究工作逐渐加强。本文论述了全球环境变化中的土地利用/土地覆被变化的内涵,在全球环境变化中的作用,其主要研究内容、关键问题及研究方法,并介绍了国外有关研究项目的情况。

Li X B.

A review of the international researches on land use/land cover change

[J].Acta Geographica Sinica 1996(6):553-558.

DOI:10.11821/xb199606009      URL     [本文引用: 1]

Land use and land cover change has aroused increasing attention of scientists worldwide since1990.Recognizing the importance of this change to other global environmental change and sustainable development issues,the International Geosphere-Biosphere ProgrammeIGBP)and the HumanDimensions of Global Environmental Change ProgrammeHDP)initiated a joint core projectLand Use and Land Cover Change(LUCC)and published a Science/Research Plan for the project.To promote the national LUCC projects,the paper presents a general review on the basic concepts,background,and Progress on the metnodologies of international LUCC researches.Land use/land cover is not a new research domain but is given new meanings and research contents in the context of global environmental change.Based on the definition of land cover given bythe IGBP/HDP and other international institutions,the author proposes a new translated term ofland cover in Chinese that matches the definition closely.This will avoid misunderstanding of thedomestic LUCC projects at early stages.Land cover changes refer to conversion and modification of vegetation,changes on biodiversity,soil quality,runoff,erosion,sedimentation and land productivity.International researches onLUCC involve:1)influence of LUCC on systematic global enviromental changes like biogeochemicalcircles and climatic variation,and cumulative global environmental changes like eforestation,biodiversity reduction and land degradation;2)response of LUCC to global environmental changes;3)LUCC and sustainable development including the sustainability of different land uses.The fundamental scientific issue of LUCC research is the dynamics of land use and coverchanges,which is extremely significant to the prediction of the global environmental change in thenext 50 to 100 years.The modedling of causes-use-cover system is challenge because of its inherentcomplexity.An integrated approach to the modeling is necessary that combines:1)large-scale onsite case study approach to land use dynamics;2)direct observation and measurement of land coverchange by using remote sensing images;and 3)regional and global modeling of economic processesrelated to LUCC.

庄逐舟, 刘嘉勋, 蔡凌雁, .

黄土高原土地利用/覆被变化研究进展

[J]. 水土保持, 2016,4(3):29-39.

[本文引用: 1]

Zhuang Z Z, Liu J X, Cai L Y, et al.

Research progress of land use/land cover change(LUCC) in the Loess Plateau

[J]. Open Journal of Soil and Water Conservation, 2016,4(3):29-39.

DOI:10.12677/OJSWC.2016.43005      URL     [本文引用: 1]

牛潞珍, 石英.

土地利用/覆盖变化研究进展综述

[J].东南大学学报(哲学社会科学版), 2014(s1):25-26.

[本文引用: 1]

Liu L Z, Shi Y.

A review of research progress on land use/cover change

[J].Journal of Southeast University(Philosophy and Science Edition) 2014(s1):25-26.

[本文引用: 1]

刘纪远, 张增祥, 徐新良, .

21世纪初中国土地利用变化的空间格局与驱动力分析

[J]. 地理学报, 2009,64(12):1411-1420.

DOI:10.11821/xb200912001      URL     [本文引用: 1]

在全球环境变化研究中,以土地利用与土地覆盖动态为核心的人类–环境耦合系统研究逐渐成为土地变化科学 (LCS) 研究的新动向。基于覆盖中国21世纪初5年间隔的遥感卫星数据获取的1 km网格土地利用变化空间信息,依据近5年土地利用变化区域分异的显著特征,以及自然地理、经济发展与国家宏观政策因素综合考虑,设计针对21世纪初5年新的中国土地利用动态区划图,揭示土地利用变化的空间格局与驱动因素。总体上,21世纪初5年中国处于土地利用快速变化期,黄淮海平原、东南沿海地区与四川盆地城乡建设用地显著扩张,占用大规模优质农田,导致南方水田面积明显减少;西北绿洲农业发展与东北地区开垦导致北方旱地面积略有增加;受西部开发“生态退耕”政策的影响中西部地区林地面积显著增加,国家退耕还林还草政策成效明显,对区域土地覆盖状况的改善产生积极的影响;这一时段国土开发与区域发展战略的实施,包括“西部大开发”、“东北振兴”等国家重大政策,加之快速的经济发展是该阶段土地利用变化格局形成的主要驱动因素。

Liu J Y, Zhang Z X, Xu X L, et al.

Spatial patterns and driving forces of land use change in China in the early 21st century

[J]. Acta Geographica Sinica, 2009,64(12):1411-1420.

DOI:10.11821/xb200912001      URL     [本文引用: 1]

Land use and land cover change as the core of coupled human-environment systems has become a potential field of land change science (LCS) in the study of global environment change. Based on remotely sensed data of land use change with the spatial resolution of 1km ×1km on national scale among every five years, this paper designed a new dynamic regionalization according to the comprehensive characteristics of land use including regional differentiation, physical, economic, and macro-policy factors as well. Spatial pattern of land use change and its driving forces were investigated in Chia in the early 21st century. To sum up, land use pattern of this period was characterized by rapid changes in the whole country. Over the agricultural zones,e.g., Huang-Huai-Hai Plains, the southeast coastal area and Sichuan Basin, the built-up and residential areas were considerably expanded to a great proportion in the northwestern oasis agricultural zones and the northeastern zone led to a slight increase of arable land aea in the northern China. Due to the "grain for green" policy, forest area was significantly increased in the middle and western developing region,Where the vegetation coverage was substanially enlarged, likewise. This paper argued the main driving forces as the implementation of the strategy on land use and regional development, such as the "Western Development", "the Revitalization of the Northeast" policy, coupled with rapidly economic development during this period.

顿耀龙, 王军, 白中科, .

基于灰色模型预测的矿区生态系统服务价值变化研究——以山西省平朔露天矿区为例

[J]. 资源科学, 2015,37(3):494-502.

URL     [本文引用: 1]

露天煤矿开采对区域景观格局、生态过程、生物生境等造成巨大影响,导致矿区生态系统服务功能和价值发生变化。该文以山西省平朔露天煤矿1987年、1996年、2005年和2010年遥感影像数据及矿区未来复垦计划和产业转型规划的相关资料为基础,利用生态系统服务经济价值评估方法,分析了1987-2010年煤炭开采对矿区生态系统的食物生产等生产服务价值和土壤形成与保护、水源涵养、生物多样性维持、气候调节等支持与调节服务价值的影响,并使用在缓冲算子调节下改进的灰色系统GM(1,1)模型预测2010-2020年矿区在产业转型背景下生态系统服务价值的变化。结果表明:受煤矿开采的影响,平朔矿区原地貌土地被大量损毁,导致了矿区生态系统结构受损和生态系统服务价值下降。1987-2010年,平朔矿区5项生态系统服务总价值由9 206.15万元下降到6 688.14万元,年均下降1.19%,其中1987-1996年、1996-2005年、2005-2010年3个阶段生态系统服务价值下降速率分别为15.22%、9.22%、5.61%;预测2010-2020年间,受土地复垦和产业转型升级的影响,矿区生态系统服务价值下降速度趋于缓慢,至2020年矿区5项生态系统服务总价值为6 429.81万元,年均下降0.39%。在露天煤矿开采的不同阶段,应注重通过保护性的矿产开采,科学的地貌重塑、土壤重构、植被重建等技术及生态产业的大力发展来调控矿区生态系统组成、结构和功能,从而提高矿区各项生态系统服务价值。

Dun Y L, Wang J, Bai Z K, et al.

Changes in Pingshuo opencast mining area ecosystem service values based on grey prediction modeling

[J]. Resources Science, 2015,37(3):494-502.

URL     [本文引用: 1]

Open coal mining causes huge impacts on regional landscape patterns,ecological process and biological habitat. It results in changes in mining area ecosystem service functions and values. Here,we used ecosystem service value evaluation methods to analyze the production service values of food production and the support and regulation service values of soil formation and protection,water conservation,biodiversity maintenance,and climate regulation of the Shanxi Pingshuo mining area from 1987 to 2010 based on 1987,1996,2005 and 2010 remote sensing image and future reclamation planning and industry transformation planning. We used a modified gray system GM (1,1) model regulated by buffer operator to predict the changes in mining area ecosystem service values under a background of industry transformation. We found that the landform of Pingshuo mining area has been damaged heavily by coal mining,and led to ecological system structural damage and ecosystem service value decline. Pingshuo mining area’s five ecosystem service values decreased from 92 061 500 CNY to 66 881 400 CNY in 1987-2010; falling by an annual average of 1.19%. The decreased speed of ecosystem service values was 15.22%,9.22%,5.61% for 1987-1996,1996-2005 and 2005-2010. In 2020 under land reclamation and transformation of industrial deepening,the total value of the five ecosystem services will fall to 64 298 100 CNY; falling by an annual average of 0.39% from 2010-2020. Therefore,we suggest that the Pingshuo mining area should control mining area ecosystem composition,structure and function through scientific landform remolding,soil reconstruction,vegetation reconstruction and vigorous development of the ecological industry to improve mining area ecosystem service values.

Fei Z, Ayinuer Y, Dong F W.

Ecological risk assessment due to land use/cover changes (LUCC) in Jinghe County,Xinjiang,China from 1990 to 2014 based on landscape patterns and spatial statistics

[J]. Environmental Earth Sciences, 2018,77(13):491.

DOI:10.1007/s12665-018-7676-z      URL     [本文引用: 1]

Jiang J, Tian G.

Analysis of the impact of land use/land cover change on land surface temperature with remote sensing

[J]. Procedia Environmental Sciences, 2010,(2):0-575.

[本文引用: 1]

张军峰, 孟凡浩.

新疆孔雀河流域人工绿洲近40年土地利用/覆被变化

[J]. 中国沙漠, 2018,38(3):223-231.

[本文引用: 1]

Zhang J F, Meng F H.

LUCC analysis of the upstream of the Kongqi River,Xinjiang,China

[J]. Journal of Desert Research, 2018,38(3):223-231.

[本文引用: 1]

李晶, 申莹莹, 焦利鹏, .

基于Landsat TM/OLI影像的兖州煤田水域面积动态监测

[J]. 农业工程学报, 2017,33(18):243-250.

URL     [本文引用: 1]

为揭示东部高潜水位矿区地表水体的时空演变规律,该文以兖州煤田为研究区,在比较改进归一化差异水体指数法、单波段阈值法、谱间关系法、K-T变换4种水体提取方法的精度及优缺点基础上,采用基于阈值分割的改进的归一化差异水体指数法提取了研究区1990-2014年的水体信息并分析了其时空变化特征。研究结果表明:从1990-2009年,兖州煤田地表水域面积增加了1 696.14 hm2,且2001-2005年水域面积扩张速度较快,年均增长率达14.0%,2009-2014年水域面积减少,年均下降率为3%;煤炭开采是研究区内水域面积变化的主要驱动因子。该文实现了煤矿区地表水体变化的动态监测,并分析了其变化原因,有助于客观与定量地评估煤炭开采的生态累积效应。

Li J, Shen Y Y, Jiao L P, et al.

Dynamic monitoring of water areas in Yanzhou coalfield based on Landsat TM/OLI images

[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017,33(18):243-250.

URL     [本文引用: 1]

马慧娟, 高小红, 谷晓天.

随机森林方法支持的复杂地形区土地利用/土地覆被分类研究

[J]. 地球信息科学学报, 2019,21(3):359-371.

DOI:10.12082/dpxxkx.2019.180346      URL     [本文引用: 1]

随机森林方法目前已经成为遥感分类机器学习中一种有效方法,探索基于中等分辨率的Landsat卫星数据与随机森林方法相结合对复杂地形区长时间序列数据的获取及土地利用/土地覆被变化及模拟研究是非常有意义的。本文基于Landsat8OLI卫星多光谱数据,采用随机森林分类方法对青海省湟水流域复杂地形区土地利用类型进行了分类研究。针对复杂地形区域的情况,将研究区进行地理分区,根据每个分区的特点,选择相应的地形特征参数,并通过提取Landsat 8数据的光谱信息与纹理信息构建最优特征集,探索随机森林方法在复杂地形区土地利用分类的适用性。结果表明:使用Landsat8OLI数据进行随机森林分类,能较好地得到湟水流域复杂地形区域的土地利用类型结果;光谱、地形及纹理信息的结合在不同分区的表现结果不同。在脑山区光谱与地形信息结合能使随机森林分类效果最佳,总体精度达到91.33%,Kappa系数为0.886;而在浅山区与川水区综合考虑光谱、地形、纹理信息进行随机森林分类效果最佳,浅山区与川水区总体精度分别达到92.09%和87.85%,Kappa系数分别为0.902和0.859;利用随机森林算法进行优化选择纹理特征组合可以在保证分类精度的同时能够快速地提取土地利用类型信息,为复杂地形区土地利用类型的区分提供了实际可行的方法。

Ma H J, Gao X H, Gu X T.

Random forest classification of Landsat8 imagery for the complex terrain area based on the combination of spectral,topographic and texture information

[J]. Journal of Geo-Information Science, 2019,21(3):359-371.

[本文引用: 1]

张康, 黑保琴, 李盛阳, .

基于CNN模型的遥感图像复杂场景分类

[J]. 国土资源遥感, 2018,30(4):49-55.doi: 10.6046/gtzyyg.2018.04.08.

[本文引用: 1]

Zhang K, Hei B Q, Li S Y, et al.

Complex scene classification of remote sensing images based on CNN

[J]. Remote Sensing for land and Resources, 2018,30(4):49-55.doi: 10.6046/gtzyyg.2018.04.08.

[本文引用: 1]

Oliphant A, Thenkabail P, Teluguntla P, et al.

Mapping cropland extent of Southeast and Northeast Asia using multi-year time-series Landsat 30-m data using a random forest classifier on the Google Earth Engine Cloud

[J]. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 2019,81(9):110-124.

DOI:10.1016/j.jag.2018.11.014      URL     [本文引用: 1]

苏腾飞, 刘全明, 苏秀川.

基于多种植被指数时间序列与机器学习的作物遥感分类研究

[J]. 江苏农业科学, 2017,45(16):219-224.

[本文引用: 1]

Su T F, Liu Q M, Su X C.

Crop remote sensing classification based on multi vegetation index time series and machine learning

[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2017,45(16):219-224.

[本文引用: 1]

Breiman L.

Random forests

[J]. Machine Learning, 2001,45(1):5-32.

DOI:10.1023/A:1010933404324      URL     [本文引用: 2]

Random forests are a combination of tree predictors such that each tree depends on the values of a random vector sampled independently and with the same distribution for all trees in the forest. The generalization error for forests converges a.s. to a limit as the number of trees in the forest becomes large. The generalization error of a forest of tree classifiers depends on the strength of the individual trees in the forest and the correlation between them. Using a random selection of features to split each node yields error rates that compare favorably to Adaboost (Y. Freund & R. Schapire, Machine Learning: Proceedings of the Thirteenth International conference, ***, 148–156), but are more robust with respect to noise. Internal estimates monitor error, strength, and correlation and these are used to show the response to increasing the number of features used in the splitting. Internal estimates are also used to measure variable importance. These ideas are also applicable to regression.]]>

樊利恒, 吕俊伟, 于振涛, .

基于改进最大似然方法的多光谱遥感图像分类方法

[J]. 电光与控制, 2014,21(10):52-74.

[本文引用: 1]

Fan L H, Lyu J W, Yu Z T, et al.

Multispectral remote sensing image classification method based on improved maximum likelihood method

[J]. Electronics Optics & Control, 2014,21(10):52-74.

[本文引用: 1]

徐凯健, 田庆久, 杨闫君, .

遥感土地覆被分类的空间尺度响应研究

[J]. 地球信息科学学报, 2018,20(2):246-253.

DOI:10.12082/dqxxkx.2018.170360      URL     [本文引用: 1]

P<0.05),其中总分类精度和Kappa系数均随影像分辨率的降低而先升高后降低,并于4 m分辨率处达到峰值,该结果与各类地物光谱反射率的空间尺度变化特征密切相关;而不同分类器对各空间尺度影像分类结果的影响程度差异较大(P<0.05),其中SVM的分类精度最优,MLC次之,ANN的结果较差。此外,伴随影像空间分辨率的降低,不同土地覆被类型面积提取结果的变化规律不同,导致同类地物在不同空间尺度下的提取结果出现较大差异,表明在使用多源分辨率遥感数据进行土地监测等相关研究时,其伴随的结果误差不容忽视。]]>

Xu K J, Tian Q J, Yang Y J, et al.

Response of spatial scale for land cover classification of remote sensing

[J]. Journal of Geo-Information Science, 2018,20(2):246-253.

[本文引用: 1]

Mellor A, Haywood A, Stone C, et al.

The performance of random forests in an operational setting for large area sclerophyll forest classification

[J]. Remote Sensing, 2013,5(6):2838-2856.

DOI:10.3390/rs5062838      URL     [本文引用: 1]

陈伟民, 张凌, 宋冬梅, .

基于AdaBoost改进随机森林的高光谱图像地物分类方法研究

[J]. 遥感技术与应用, 2018,33(4):612-620.

[本文引用: 1]

Chen W M, Zhang L, Song D M, et al.

Research on hyperspectral imagery land cover classification method based on Adaboost improved random forest

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2018,33(4):612-620.

[本文引用: 1]

Son N T, Chen C F, Chen C R, et al.

Assessment of Sentinel-1A data for rice crop classification using random forests and support vector machines

[J]. Geocarto International, 2017: 1-15.

[本文引用: 1]

田绍鸿, 张显峰.

采用随机森林法的天绘数据干旱区城市土地覆盖分类

[J]. 国土资源遥感, 2016,28(1):43-49.doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.07.

URL     [本文引用: 1]

基于天绘一号(TH-1,或称MS-1)卫星多光谱数据,采用随机森林分类方法(random forests classification,RFC)对位于中亚干旱区的我国新疆维吾尔族自治区阿勒泰地区北屯市及周边区域的土地覆盖进行了分类研究。针对北屯市不透水层与裸土混杂的情况,将纹理特征与植被信息构建最优组合,建立有效的RFC分类器,提高对易混淆土地覆盖类型的分类识别精度。结果表明,采用RFC的分类精度高于最大似然法分类结果,总体分类精度提高了近10%。经过优化选择的特征组合在对干旱区中小城市土地覆盖进行分类时表现良好,能得到较高精度的分类结果,可满足新疆中小城市发展规划对土地覆盖信息的需求。

Tian S H, Zhang X F.

Random forest classification of land cover information of urban areas in arid regions based on TH-1 data

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2016,28(1):43-49.doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.07.

[本文引用: 1]

黄双燕, 杨辽, 陈曦, .

机器学习法的干旱区典型农作物分类

[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(10):3169-3176.

[本文引用: 1]

Huang S Y, Yang L, Chen X, et al.

Study of typical arid crops classification based on machine learning

[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(10):3169-3176.

[本文引用: 1]

桑潇, 国巧真, 潘应阳, .

基于TM和OLI数据山西省潞城市土地利用动态变化分析与预测

[J]. 国土资源遥感, 2018,30(2):125-131.doi: 10.6046/gtzyyg.2018.02.17.

[本文引用: 1]

Sang X, Guo Q Z, Pan Y Y, et al.

Research on land use dynamic change and prediction in Lucheng City of Shanxi Province based on TM and OLI

[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2018,30(2):125-131.doi: 10.6046/gtzyyg.2018.02.17.

[本文引用: 1]

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