基于Landsat遥感影像的东昌府区建成区扩展监测.docx

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1、目录1 .引言31.1 研究区概况31.2 数据来源41.3 技术路线62 .数据预处理72.1 辐射定标72.2 大气校正72.3 裁剪82.4 几何校正83 .建成区信息提取93.1 训练样本的建立及评价93.2 分类器103.3 分类结果及精度评价113.3.1 分类结果11332分类精度评价124 .建成区扩展监测与分析134.1 扩展监测144.2 监测分析155结论1516参考文献摘要随着我国经济发展和城镇化进程的推进，涌现出了一系列城市病。城市建成区的信息，可以反映一个城市发展的概况，准确提取分析城市建成区信息是解决这些城市问题的关键。本文以聊城市东昌府区2003,2018年2期

2、LandSat遥感影像数据为基础，采用监督分类和叠加分析技术对其进行了城市扩展监测。研究结果表明：2003年到2018年东昌府区建成区面积增加了387.96kR年增长率为25.86knWa,为东昌府区城市扩展监测和发展规划提供了数据支持。关键词：Landsat遥感影像；东昌府区；监督分类；建成区扩展；AbstractWiththeeconomicdevelopmentandadvancementofChinasurbanizationprocess,aseriesofproblemskeepemerging.Therangeofurbanbuilt-upinformationcanreflec

3、tthegeneralsituationofacitysdevelopment,andtheaccurateextractionandanalysisofurbanbuilt-upinformationisthekeytothestudyofsolvingthosecityproblems.TheresearchbasedonDongChangFudistrictofLiaoChengLandsatremotesensingimagedatain2003and2018,usingthesupervisedclassificationandoverlayanalysistechnologyofi

4、magetomonitorurbanexpansion.Theresultsshowthatthebuilt-upareaofDongChangFudistrictincreasedby387.96km2from2003to2018,withanannualgrowthrateof25.86km2a,whichprovidesdatasupportforurbandevelopmentplanninginDongChangFudistrictKeywords:Landsatremotesensingimage;DongChangFudistrict;supervisedclassificati

5、onExpansionofbuilt-upareas1引言在行政意义上，城市建成区是指市政区范围内经过征用的土地并实际建设发展起来的非农业的生产建设地段，包括市区集中连片的部分以及分散在近郊区与城市有着密切联系、具有基本完善的市政公用设施的城市建设用地（如水泥道路、机场、污水处理厂、通信电台）1。在此概念的基础上，随着我国经济改革发展，城市化进程带来的城市人口暴增、城市用地迅速扩张、交通拥堵、垃圾成山等城市病也随之而来。而城市建成区的信息，可以体现一个城市发展的情况，这就需要对城市建成区进行扩展监测，来提取建成区信息以了解城市扩张概况并分析原因，从而为未来城市经济发展、城市规划、土地资源管理等

6、提供数据支持。在有数据支持的基础上对城市建设规模进行正确调控将优化城市化格局和提高城市化效率。因为航天技术的精进，传感器本身的误差减小、分辨率提高，高分辨率卫星遥感影像在城市扩展研究中发挥着举足轻重的作用。对于城市扩展的监测，目前多选用高分辨率的卫星遥感影像作为研究的数据基础，如LandsatTM、LandsatETM+.SPOT和QUiCkBiKi等；地理信息系统具有强大的数据处理和空间分析功能，二者结合并通过GlS不同时期遥感图像的叠加分析，可以反映城市空间结构的变化，并且具有高精度、高效、低费用等特点。因此，利用监督分类和叠加分析等空间信息技术进行城市建成区扩展监测和动态模拟分析是研究城

7、市扩展的重要技术手段。Ll研究区概况东昌府区位于山东省西部、聊城市中部，居鲁西平原，黄河在境内蜿蜒百余里，其所在市与冀、豫两省交界，区位独特，自然条件适宜。借助百度地图可知，其地理位置在东经11514“一11606、北纬3616-3642”之间，总面积1443Km2;东昌府区傍水而生，依水而兴，水域足足占去城区面积的三分之一，主要河流有徒骇河、马颊河、京杭大运河，同时拥有我国江北最大的人工城市淡水湖泊一一东昌湖；东昌府区属于暖温带季风气候区，气候适宜，光照充足，夏季雨热同期，全年光照时数在24632741小时之间，平均气温13.3C年平均降水量约610mm,无霜期201天以上回；截止到2018

8、年，全区常住人口132.05万，现辖11个镇、10个街道、11个乡，即：古楼街道、柳园街道、新区街道、湖西街道、东城街道、闫寺街道、北城街道、道口铺街道、凤凰街道、蒋官屯街道、侯营镇、沙镇、堂邑镇、梁水镇、郑家镇、斗虎屯镇、张炉集镇、于集镇、许营镇、朱老庄镇、顾官屯镇、韩集乡、广平乡回；东昌府区为市辖区，较全市其他县来说耕地面积较少，但因其得天独厚的自然因素，农作物产量仍居全国前列；东昌府区位于济南都市圈上，贯穿中国南北的京九铁路和济聊高速公路在东昌府区交汇，因此东昌府区是聊城市与重要城市连接的重要枢纽。图1东昌府区2018年假彩色合成遥感影像1.2数据来源本文采用的影像数据为美国陆地卫星（L

9、andsat）系列卫星图像，由美国航天局（NASA）和美国地质调查局（USGS）共同发射管理；自1972年起，LandSat系列卫星陆续发射，至今己发射8颗卫星，轨道高度705Km,随着航天技术的进步，卫星传感器的时空分辨率逐渐提高，其中LandSat7和Landsat8的分辨率最高可达15m,其前6个波段范围从蓝、绿、红、到红外，回归周期为16天，由于设置多光谱观察、对地观测范围很大、数据收集快，并具有宏观和直观性；陆地卫星主要用于获取遥感影像数据，其应用目的为调查生物资源、矿产资源、海洋资源，监测资源使用情况，观察并预测植物生长状况、评估农作物产量，考察和预报自然灾害和环境污染，对全球变化

10、情况进行相关研究口。它在我国国民经济中发挥了强有力的作用。本次研究利用的数据分别为东昌府区2003年Landsat7的ETM+影像、2018年LandSat8的OLl影像，以及东昌府区土地利用专题地图作为辅助资料。其传感器波段见下表国：表1ETM+传感器各波段波段波长范围（微米）波段性质10.45-0.52蓝色20.52-0.60绿色30.63-0.69红色40.76-0.90近红外51.55-1.75短波红外610.40-12.50热红外表20LI传感器各波段波段波长范围（微米）波段性质10.43-0.45蓝色20.45-0.51蓝色30.53-0.59绿色40.64-0.67红色50.85

11、-0.88近红外61.57-1.65中红外1.3技术路线图2技术路线2数据预处理传感器获取遥感影像时由于大气的辐射、散射、吸收，造成太阳辐射能量的减弱并使像元灰度值发生变化，从而导致影像数据达不到应用要求。卫星的飞行高度、速度、姿态的差异以及地球自转等原因造成图像几何位置的畸变。遥感图像预处理工作的目的就是减小这些因素造成的遥感影像数据误差19o影像数据预处理是遥感影像应用的第一步，也是极其重要的一步，主要包括辐射校正、大气校正、裁剪、几何校正。2.1 辐射定标辐射定标的原理是将记录的原始DN(DigitalNUnIber)值转换为大气外层表面反射率(或称为辐射亮度值),从而来消除传感器本身产

12、生的误差，确定传感器入口处的准确辐射值；辐射定标一般有两种方式：一种是利用计算公式计算辐射亮度和反射率；一种是利用定标工具进行定标，获取辐亮度或反射率。本次研究所使用的影像数据来自于地理空间数据云，具有较原始性，加上第二种方法的简便性，因此将两期影像的多光谱波段均利用ENVl5.3中的radianetricCaIibration工具进行辐射定标，其中outputinterleave设置为BIL格式，scalefactor设置为0.1,即可得到辐射定标后的图像。2.2 大气校正大气校正的目的是消除或减小大气散射、吸收、反射引起的误差10。大气校正中最常用的模型为FLAASH(FastLine-o

13、f-sightAtmosphericAnalysisofSpectralHypercubes)0FLAASH光谱范围内平面朗伯体或近似平面朗伯体，在传感器处接受的像元光谱辐射亮度为:ApBpL=(；n)+C1n)+(1-PeS1-PeXS式中，L为像元接收到的总光谱辐射亮度；p为像素表面反射率；Pe为像素周围的平均表面反射率；S为大气球面反照率；A、B为取决于大气条件和几何条件的两个系数；La为大气后向散射辐射率(大气程辐射)。第一个括号整体代表太阳辐射经大气入射到地表后，直接反射进入传感器的辐射亮度；第二个括号整体为经大气散射后进入传感器的辐射亮度；第三个括号整体为大气程辐射率。为确保分类的

14、精确，本次研究对辐射定标后的影像数据进行大气校正，运用到的遥感技术为ENVI5.3中的FLAASH工具，将辐射亮度或者地面反射率转换为地表实际反射率。2.3裁剪为使各个时期遥感影像的信息具有可比性，需要进行遥感影像的裁剪。其目的是除去研究区之外的区域，常用的是以行政区划边界或自然区划边界为矢量特征数据进行遥感影像的掩膜提取。由于原始数据范围较大，而本文研究区域仅为东昌府区，不能保证数据的准确性。因此，以东昌府区行政矢量图为基础，对大气校正后的影像采用ArcmaplO.5中的不规则掩膜提取技术进行裁剪，从而得到东昌府区遥感影像数据。2.4几何校正图像的几何变形一般分为两大类：系统性和非系统性。所

15、以相应的几何校正分为几何粗校正和几何精校正。系统性有规律可循，相对应的几何粗校正工作由卫星接收站完成。非系统性几何变形是不规律的，可以是传感器本身的高度、姿态等不稳定，也可以是地球曲率及空气折射的变化以及地形的变化等，从数学上说，消除非系统性几何变形的几何精校正就是通过选取一组地面控制点，建立原始的畸变图像空间与校正图像空间的坐标变换关系12o几何精校正工作由影像数据应用者进行，其变换模型包括仿射变换(RST)、多项式变换、局部三角网等。常用的变换模型为多项式变换，利用多项式变换进行卫星影像校正时，地面控制点要尽可能均匀分布在遥感影像中，并要求边缘和四角均必须有地面控制点分布，对n次多项式来说，满足要求的最基本的地面控制点数量为(n+l)(n+2)213o本文使用的LandSat7、LandSat8卫星影像来源于不同的传感器，且其成像的时间不一致，因此需要对其进行几何精校正，使同一区域的影像能够较准确的叠加到一起。东昌府区的典型的平原地区，地势平坦，由地形起伏造成的图像几何畸变较小，因此采用4次多项式校正的方法进行图像配准(几何精校正