地質大學周斌

A. 遙感方法研究珠江口近二十多年來土地覆蓋的變化

李學傑萬榮勝

（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）

第一作者簡介：李學傑，男，1964年生，博士，教授級高工，主要從事海洋地質與第四紀地質研究工作，E-mail:[email protected]。

摘要 土地覆蓋變化是全球變化研究的重點之一，尤其是河口地區，對環境變遷十分敏感。對珠江口東部地區1979年的LandsatmmS、1990年Landsat TM和2000年Landsat ETM影像的土地覆蓋分類，並進行對比研究表明，此間，總體水域面積和綠地（包括森林和耕地）面積減少，建築區和裸露地面積增加。但不同區域土地覆蓋類型變化有明顯的區別，西部主要是由於沉積作用和圍海造地，造成水域面積減少，且20世紀90年代圍海造地速率比80年代要大得多。東部海域沉積作用不是主要因素，局部海岸可能還存在侵蝕作用。交椅灣區水域面積變化不大，岸線位置也基本穩定，而且80年代的水域面積有所增多，是由於陸地人工水塘增多的結果。蛇口區主要是由於港口碼頭等建設，導致水域面積減少，碼頭向海域延伸的結果，90年代明顯加大了碼頭建設的規模和速度。

關鍵詞 土地覆蓋 遙感 珠江口

1 概述

海岸帶地處海陸交互地帶，對環境變遷十分敏感，尤其是河口地區，其變遷速率更快。海陸相互作用是全球變化研究的重點（李秀彬，1996），土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）是全球變化研究的重點內容（費鮮芸，高祥偉，2002）。

遙感方法在土地利用/土地覆蓋中得到廣泛的應用（Sun et al.，1999；甘甫平等，1999；王素敏，翟輝琴，2004）。各種遙感影像的處理和研究方法也得到迅速的發展（韓濤，2004），包括GIS支持的決策系統在土地利用評估的引用（Tan et al.，2004）、多源多時相遙感數據的融合及土地覆蓋信息的提取技術（周斌，2000；李爽等，2002；王萍等2003）、多步驟分類法提取土地覆蓋信息（許榕峰，徐涵秋，2003）及高解析度影像在海岸帶中的應用（Chauvaud et al，1998）等。

我國利用遙感方法對土地覆蓋類型進行了大量研究（Yong＆Wang，2001）。海岸帶已進行了黃河三角洲（Ye et al.，2004）和珠江三角洲（Seto et al.，2002）的研究。

分類是認識事物的基礎，遙感影像的分類的目的是將遙感影像中每個像素根據其在不同波段的光譜亮度、空間結構特徵及其它信息，按照某種規則或演算法分為不同的類別（趙英時等，2003），以便對事物更好的認識。遙感影像的分類方法有非監督分類、監督分類，以及模糊分類、人工智慧神經網路分類、亞像素分類等（趙英時等，2003；黨安榮等，2003）。

本文採用監督分類方法，在ERDAS中進行，並採用最大似然法進行計算。試圖通過對不同時期土地覆蓋類型變化的分析，研究珠江口東部地區的環境變遷（圖1）。

圖1 研究區位置圖

Fig.1 The location of the research area

2 研究材料與方法

2.1 研究材料

本文以衛星影像為主，包括不同時期的Landsat MSS、Landsat TM、Landsat ETM影像、SPOT衛星影像及IKONOS影像，時間跨度為1979～2003年（表1）。其中SPOT只覆蓋研究的絕大部分，IKONOS只覆蓋蛇口半島，它們解析度較高（圖2），其中IKONOS影像是目前最高的民用衛星影像中之一（圖3）。因此分類研究以 Landsat 影像為主，SPOT和IKONOS作為分類檢驗的依據。此外有1：100，000的地形圖和海圖供參考。

2.2 研究方法

研究方法包括影像的幾何校正、影像分類、精度評估及分類影像的後處理等。Landsat的衛星影像已經有坐標系統（UTM，WGS84），SPOT和IKONOS影像沒有，因此參照Landsat ETM建立SPOT影像坐標系統。

表1 本文採用的衛星影像和地形圖一覽表Table1 The images and topographic maps used in the paper

圖2 Landsat ETM與SPOT影像對比

A—Landsat ETM影像；B—SPOT影像

Fig 2 Comparison of Landsat ETM and SPOT Images

A—Landsat ETM；B—SPOT

2.2.1 監督分類

在ERDAS IMAGINE中對1979年的Landsat MSS、1990年的TM及2000年的ETM影像進行土地覆蓋的監督分類。將Landsat ETM影像的土地覆蓋分為水域、森林、耕地（包括草地）、建築、裸露地等5 種土地覆蓋類型。其中水域包括海域、河流、湖泊、水庫等；森林主要於山地，也包括其它樹木生長區；耕地主要分布於平原及山麓地帶，包括各種種植地和草地；建築區城鎮、碼頭、高速路等區域；裸露地為無植被區，如：採石場、泥地及其它。

從分類結果來看，Landsat ETM的分類中，建築區和裸露地分類的錯漏較多，識別效果不是很好（表2），因此在進行Landsat TM和MSS影像分類時將這兩類合並。

2.2.2 分類結果的誤差估計

分類結果的誤差估計是評價分類結果好壞的基礎（Congalton，1991；Kerle et al.，2004），最好是結合野外進行實地檢驗，本次未進行野外考察，主要採用較高解析度的影像，結合地形圖進行檢驗。

圖3 蛇口半島西南的IKONOS影像（局部）

Fig.3 IKONOS image in the Shekou Peninsular

在ERDAS中對Landsat ETM分類隨機取260 點，並將每一點的分類結果與原圖像進行對比，並參考SPOT、IKONOS影像或地形圖決定分類結果是否正確。誤差估計結果如表2。水域的分類精度較高，其用戶精度和制圖精度分別為98.7%和87.4%。錯分和漏分率較高的是森林和耕地之間以及建築區與裸露地之間，表明它們之間較容易出現錯漏，分類效果相對較差。但總體分類精度達78.5%，表明總體分類效果良好。

表2 Landsat ETM影像分類結果誤差估計Table2 Classification result of the Landsat ETM and its error assessment

同樣對Landsat TM影像和LandmmS影像的分類結果進行隨機取樣檢驗，各取260點，對分類結果的正確與否進行一一判定，結果見表3、表4。由於裸露地與建築區合並，總體精度有明顯提高，分別為90.8%和88.9%，表明分類效果很好，尤其是中水域的識別最佳，錯漏現象極少；而耕地和森林的錯分誤差和漏分誤差相對較大。

表3 Landsat TM 影像分類結果誤差估計Table3 Classification result of the Landsat TM image and its error assessment

表4 LandsatmmS影像分類結果誤差估計Table4 Classification result of the LandsatmmS image and its error assessment

2.2.3 分類影像的後處理

分類影像會存在一些小的斑點，可能是噪音或分類單元，使結果難以解釋和應用。在ERDAS中可以進行影像的聚類統計（Clump）和去除分析（Eliminate）處理，可以將小圖斑合並到相鄰的最大分類中（黨安榮等，2003），使分類圖像簡化，更合理，易於解釋和應用（圖4）。

3 珠江口土地覆蓋的變化

對比1979年Landsat MSS影像、1990年Landsat TM 影像和2000年Landsat ETM影像監督分類結果，可以看出近二十多年本區土地覆蓋類型的變化及其環境變遷。為了更好地反映近岸的土地覆蓋類型變化特徵，將其分為4區討論（圖5）。

圖4 分類圖像後處理前後的對比

A—處理前；B—處理後

Fig.4 Comparison of classified image between before and after image processing

A—before；B—after

圖5 2000年珠江口土地覆蓋類型分布（Landsat ETM）

Fig.5 Distribution of Land cover in the Pearl River Estuary（Landsat ETM）

3.1 南沙區

南沙區位於研究區的西北，匯集了珠江口的4大口門：虎門、蕉門、洪奇門和橫門，也是廣州開發發展的重點地區，並於1993年成為廣州南沙經濟技術開發區。本區最明顯的變化是由於沉積作用和圍海造地，陸地面積不斷增大，水域面積逐年減少。1979年水域面積396km²，佔全區面積的 36.8%；1990年下降到 358km²，佔全區的 33.3%，1979～1990平均每年減少3.5km²。而到2000年只有304km²，1990～2000年平均每年減少5.4km²，顯然水域較少的速率在增大（圖6）。

圖6 1979年以來南沙區土地覆蓋類型變化柱狀圖

Fig.6 Land cover Change in Nansha region since 1979

1979～1990年，本區建築區與裸露地只有少量增長，表明這期間該區的建築增長不快。而綠地（包括森林和耕地）從513km²增加到543km²，凈增30km²。但1990～2000年，建築區明顯增大，從174km²下降到353km²，面積成倍增長。此期間不僅水域面積減少，綠地面積也大幅減少。顯然這與上世紀90年代的南沙開發，大量建設有關。

3.2 淇澳島區

本區的土地覆蓋類型變化與南沙區相似，總體是由於沉積作用和圍海造地致使水域面積減少，陸地面積增加。水域面積，1979～1990年，減少5.4km²，年均較少0.49km²；1990～2000年，減少15.2km²，年均較少1.52km²，其下降速率在增大。

同樣綠地面積也在逐年減少，而且下降速率也是90年代比80年代大。只有建築區（包括裸露地）面積迅速增加，前11年增加7.4km²，後10年增加22.5km²。90年代建築區增加的面積是80年代的3倍多（圖7）。

3.3 交椅灣區

東部的土地覆蓋類型的變化模式與西部明顯不同，伶仃洋的東部河流來沙少（劉沛然等，2000；溫令平，2001），沉積作用不強，一些地區可能還存在海岸侵蝕作用。1979～1990年，本區水域面積從231km²增加到258km²，凈增加27km²。主要是由於交椅灣原來的許多低地，此間成為魚塘等水域，主要是人工，也可能部分為侵蝕作用而成，致使水域面積明顯增大。兩個時相的潮位只相差17m，顯然潮差不是影響海岸線分布的主要原因。本區的池塘主要是人工為主，但也可能部分由於海岸侵蝕作用，人工的堤壩建設，保障了岸線本身不致後退，卻在岸線後形成水塘。1990～2000年，水域面積下降，但岸線位置變化也不大，主要是水塘被建築區或其它類型所覆蓋（圖8）。

圖7 1979年以來淇澳島區土地覆蓋類型變化柱狀圖

Fig.7 Land cover change in Qi』Ao region since 1979

圖8 交椅灣三個時相影像分類結果的對比

Fig.8 Comparison of land cover distribution in 3 classified image

圖9 1979年以來交椅灣區土地覆蓋類型變化柱狀圖

Fig.9 Land cover change in Jiaoyi region since 1979

建築區和裸露地的變化與其它區相似，也呈逐年增加的趨勢。1979年，面積為48.9km²，到1990年，增加到100km²，凈增51km²，此間年增長4.6km²；到2000年，其面積達165.5km²，再增65km²，此間年增長6.5km²，比80年代大。相反，綠地面積在不斷下降，從1979年的151km²，1990年的72km²，減少近一半，到2000年38km²，再減少一半。因此本區總體水域變化不大，岸線也沒有明顯的變遷，主要變化是建築區增加，結果陸地面積減少（圖9）。

3.4 蛇口—深圳區

本區又是另一種類型的變化模式，水域面積的減少和陸地增大主要是由於在海域進行港口碼頭及其它建設的結果。

1979～1990年，水域面積從174.7km²到166.6km²，減少8km²，年均減少0.74km²；1990～2000，水域面積再減少22km²，年均減少2.2km²，是前一時期的3 倍，顯然90年代的港口及其它圍海減少規模比80年代要大得多（圖10）。

圖10 1979年以來蛇口—深圳區土地覆蓋類型變化柱狀圖

Fig.10 Land cover change in Shekou-Shenzhen region since 1979

建築區和裸露地從1979～1990迅速增加，而陸地迅速減少，可能由於本區1990年的影像部分被雲層覆蓋，影像分類結果，致使建築區與裸露地增加。

4 結論

對珠江口1979年以來三個時相 LandsatmmS、Landsat TM和 Landsat ETM 影像在ERDAS進行土地覆蓋分類，隨機取樣檢驗表明，其分類效果良好。其結果對比研究表明，伶仃洋海域1979～2000年，總體水域面積和綠地（包括森林和耕地）面積減少，建築區和裸露地面積增加。

不同區的土地覆蓋類型變化有明顯的區別，西部主要是由於沉積作用和圍海造地，造成水域面積減少，況且20世紀90年代的變化速率比80年代要大的多，同樣90年代的建築規模也比80年代大。東部海域沉積不是主要因素，局部海岸可能還存在侵蝕作用。交椅灣區水域面積變化不大，岸線位置也基本穩定，而且80年代的水域面積有所增多，是由於陸地人工水塘增多的結果。蛇口區主要是由於港口碼頭等建設，導致水域面積減少，碼頭向海域延伸的結果，90年代的發展速度也比80年代要大得多。

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The Research of Land Cover Change in Recent Decades in the Pearl River Estuary by Remote Sensing Methods

Li XuejieWan Rongsheng

（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）

Abstract：Land cover change is one of the key content for research of global changes，especially in the estuary which is very sensitive for environmental changes.Three images of LandsatmmS in 1979，Landsat TM in 1990 and Landsat ETM in 2000 in the Pearl River Estuary，southern China，were classified for land cover in ERDAS IMAGINE，and the result were checked by referenced to higher resolution images of SPOT and IKONOS and topographic maps.It is suggested that water area and green area were shrinking in 1980s and 1990s，but construction and bare land area were increasing in the same periods.The change rate was increasing from 1980 s to 1990 s.The main changes in the eastern region were the water area shrinking mainly e to the sedimentation and reclamation.But sedimentation was not the main reason for shoreline changes in the eastern region.The water area in Jiaoyi Bay region was increase from 1979 to 1990，mainly e to the increase of fish-pond in the land area or some erosion in coast.The main changes of shoreline in Shekou region were its extension by the construction of harbours and other infrastructure in the coast，and the changes rate was higher in 1990s than in 1980s.

Key Words：land cover remote sensing Pearl River Estuary