基于 Terra SAR-X雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測土地利用動態(tài)的研究

曾 菲,朱曉亮

(廣東省國土資源技術(shù)中心,廣東廣州 510075)

基于 Terra SAR-X雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測土地利用動態(tài)的研究

曾 菲,朱曉亮

(廣東省國土資源技術(shù)中心,廣東廣州 510075)

在多云、多雨地區(qū),可見光獲取遙感影像數(shù)據(jù)不能滿足對土地利用實時監(jiān)測的需要,而雷達(dá)衛(wèi)星可以不受天氣條件影響獲取數(shù)據(jù)。對 TerraSAR-X雷達(dá)數(shù)據(jù)影像進(jìn)行正射糾正和解譯,判斷出變化的區(qū)域并到實地驗證。高分辨雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為光學(xué)數(shù)據(jù)源的補充用于監(jiān)測土地利用動態(tài)具有重大的現(xiàn)實意義。

耕地;動態(tài)監(jiān)測;TerraSAR-X;正射糾正;解譯

一、引 言

從一定意義上來說,耕地是不可再生的資源,一旦轉(zhuǎn)為建設(shè)用地就很難恢復(fù)成耕地[1]。廣東省人均占有耕地面積只有 0.03 hm2,不到全國平均水平的一半,而且有限的土地資源還在不斷減少[2]。耕地減少及其變化趨勢成為人們最關(guān)注的問題之一。遙感技術(shù)具有客觀性、實時性、有效性、周期短等特點,已成為獲取土地動態(tài)數(shù)據(jù)最主要的技術(shù)手段[3]。通過對比不同時期的衛(wèi)星影像,檢測出土地利用變化地塊,計算耕地面積變化值,獲得客觀與全面且實時的土地利用信息[4],為合理開發(fā)利用土地資源,有效保護(hù)耕地,特別是保護(hù)基本農(nóng)田,查處違法用地提供了科學(xué)依據(jù)。廣東省大部分地區(qū)為南亞熱帶和熱帶季風(fēng)氣候類型,除每年的 11月初至次年的 1月底為大范圍晴天外,其他時段的天氣以多云、多雨及多霧為主。這種氣候條件對基于可見光獲取遙感影像數(shù)據(jù)的正常采集有嚴(yán)重影響,甚至完全獲取不到數(shù)據(jù),不能滿足對土地利用實時監(jiān)測的需要。而雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)有快速獲取以及不受天氣制約的優(yōu)越性,能提供不同于可見光和紅外遙感提供的某些信息[5],彌補了光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的不足。因此,在多云多雨地區(qū)研究高分辨雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為光學(xué)數(shù)據(jù)源的補充,用于監(jiān)測土地利用動態(tài)具有重大的現(xiàn)實意義。

二、研究區(qū)域概況及雷達(dá)數(shù)據(jù)簡介

1.研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于廣州市番禺區(qū),地處東經(jīng) 113°15′00″～113°18′45″,北緯 22°55′00″～22°57′30″,地形類別為丘陵地。區(qū)域內(nèi)地物內(nèi)容比較豐富,水網(wǎng)密集,交通方便。市橋水道和陳村水道貫穿南北,大夫山位于區(qū)域的東北部,居民地以碧桂園住宅區(qū)為主,水田、旱地分布于碧江、南山等多個自然村之間, G105國道、廣珠西線高速、S102省道在區(qū)域內(nèi)穿過。

2.雷達(dá)數(shù)據(jù)簡介

文中采用的是一景 TerraSAR-X雷達(dá)影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的獲取時間是 2008年 5月。比對的數(shù)據(jù)是2007年國土資源部下發(fā)用于第二次全國土地調(diào)查的SOPT衛(wèi)星影像。

TerraSAR-X有豐富的產(chǎn)品極化和增強方式,快速的軌道重訪周期可以滿足各種快速反應(yīng)需求。還具有采集數(shù)據(jù)不依賴于氣象和日照條件的特性,從而能夠在復(fù)雜氣象條件下,短時間內(nèi)以高成功率獲取大面積區(qū)域數(shù)據(jù)。TerraSAR的 StripMap影像模式有關(guān)參數(shù)：幅寬為 30 km(單極化)和 15 km(雙極化);空間分辨率為 3 m(單極化)和 6 m(雙極化);標(biāo)準(zhǔn)長度為 50 km。

三、數(shù)據(jù)處理

由于 TerraSAR-X產(chǎn)品的默認(rèn)坐標(biāo)系與國內(nèi)制圖坐標(biāo)系不一致,數(shù)據(jù)處理時需要將 TerraSAR-X數(shù)據(jù)投影到 1980西安坐標(biāo)系,再利用已有的DOM和DEM數(shù)據(jù),將 TerraSAR-X原始數(shù)據(jù)糾正為正射影像圖。

糾正概略過程為：①讀取 TerraSAR-X數(shù)據(jù)元文件,在上一年光學(xué)正射圖像中提取 10個明顯地物點作為控制點,將其導(dǎo)入 TerraSAR-X圖像進(jìn)行匹配,控制點中誤差為 ±2.81 m,小于 ±3 m;②使用DEM和地面控制點正射糾正出雷達(dá)影像;③利用前期的DOM,在雷達(dá)圖像上生成檢查點。檢查點的中誤差為 ±3.18m,小于 ±5m。

四、解譯判讀及實地驗證

雷達(dá)遙感是主動發(fā)射電磁波能量,數(shù)據(jù)記錄回波的強弱。回波反映地面的粗糙度,其影像只是亮度不同的點的集合?；夭ㄊ苤T多因素的影響,故針對回波信號的應(yīng)用計算機(jī)自動分類存在許多困難。目前一般采用目視的解譯方法,主要是根據(jù)不同地物在雷達(dá)影像的形狀、紋理等特點以及地物間相互關(guān)系,對經(jīng)過正射糾正出來的雷達(dá)影像進(jìn)行解譯判讀。在解譯的同時,與上一年的DOM進(jìn)行對比,對判讀不一致的區(qū)域繪制出變化圖斑,并依據(jù)判讀知識和經(jīng)驗,分析地類變化。

由于雷達(dá)影像沒有光學(xué)影像那么直觀,在解譯時難度較大。如不規(guī)則的農(nóng)村房屋、有果實的果樹、未利用地、裸露地及復(fù)墾地等,它們在雷達(dá)影像上的成像特點較相似;樹木附近新起的獨立房屋,影像特點不明顯,也很容易漏監(jiān)測。對于丘陵或山地正射糾正后影像容易產(chǎn)生“拉絲”,甚至只有二三十米的高差也會產(chǎn)生“拉絲”或“扭曲”現(xiàn)象,這種現(xiàn)象可能會遮蓋部分變化區(qū)域,影響判讀而導(dǎo)致遺漏。

對本區(qū)域中發(fā)現(xiàn)變化的圖斑,野外實地調(diào)繪了9處進(jìn)行驗證,有 8處地塊確實發(fā)生了變化,而且是農(nóng)用地向建設(shè)用地的變化?；?TerraSAR-X生成的變化圖斑見下面各示例。

1)示例一：房屋等建筑物,如圖 1所示。

圖1

圖 1中雷達(dá)影像上“L”形的白色亮條,及亮斑群提示,此處圖像符合居民地建筑的特征。由于建筑物的四個面及頂面總有兩面受到雷達(dá)波束照射,側(cè)面與地面可能組成多個角反射器,回波較強。平頂建筑物屋頂大多成鏡面反射,整個建筑物在圖像上顯示L形;村莊居民點在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為聚集的亮斑群,回波強度偏高[5]。對比光學(xué)影像可判斷圖 1中 0號圖斑處變化為居民點及獨立工礦用地。實地調(diào)繪結(jié)果該處為碧江工業(yè)區(qū)內(nèi)的新建房屋。

2)示例二：植被,如圖 2所示。

圖2

在圖 2雷達(dá)影像上,11號圖斑除北部與東部紋理不均勻,圖像有稍亮的少量無規(guī)則亮點外,其余灰度基本一致,并且偏暗沒有亮點。根據(jù)看不到有田埂反射的“亮線條”推斷,該地已經(jīng)不是田埂明顯的規(guī)則田塊。變化后的地類根據(jù)雷達(dá)影像紋理特征來判斷,一般分布著稀疏植物的地面和農(nóng)作物的圖像紋理比較均勻、細(xì)致,而自然植被的圖像有更多的斑點[5],因此可以判斷此區(qū)域植被稀少。但具體的地類較難確定,可能是荒地或未利用土地。該圖斑邊界較難判定,因而也不能準(zhǔn)確的統(tǒng)計變化區(qū)域的面積。實地調(diào)繪該處為已長雜草的閑置建設(shè)用地。

3)示例三：水系與道路,如圖 3所示。

在圖 3的雷達(dá)影像上,9號圖斑處有帶狀無規(guī)則亮斑變化,暗示著道路的存在。魚塘等水面總是造成鏡面反射,無回波信號,在圖像上為黑色調(diào)。圖斑中亮點集中的兩個地方提示,回波較強,應(yīng)是水中橋及橋墩形成的多角反射器。初步判斷是魚塘變化為交通運輸用地,實地調(diào)繪該處為建筑中橋和公路。

五、結(jié)束語

TerraSAR-X的 StripMap模式產(chǎn)品作為光學(xué)衛(wèi)星影像的補充在一定程度上可用于土地利用動態(tài)監(jiān)測。對于大于 400m2的變化區(qū)域,或者變化明顯地物較易解譯,能夠保證較高的準(zhǔn)確率。對河流、水庫、魚塘等水體;公路,鐵路和機(jī)場等交通用地;住宅區(qū)、居民地及建筑區(qū)域;田埂較明顯的規(guī)則田塊等農(nóng)作物種植區(qū);裸露地和有建筑材料堆砌的建筑用地等解譯準(zhǔn)確度較高。但對于成像特點較相似的不同地物,解譯較困難,并且其邊界較難準(zhǔn)確判定。

在現(xiàn)階段,由于雷達(dá)影像不直觀,雷達(dá)數(shù)據(jù)的全面應(yīng)用會有很大困難。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和多學(xué)科的綜合運用,以及處理手段的提高和解譯經(jīng)驗的積累,雷達(dá)數(shù)據(jù)在多云雨地區(qū)監(jiān)測土地利用動態(tài)中將發(fā)揮重要的作用。

[1] 《廣東國土資源》編輯部.堅守 18億畝耕地紅線[J].廣東國土資源,2007(6)：18-20.

[2] 黃華華.努力推動國土資源管理工作上新臺階[J].廣東國土資源,2007(7)：4-7.

[3] 任志遠(yuǎn),李晶,王曉峰,等.城郊土地利用變化與區(qū)域生態(tài)安全動態(tài)[M].北京：科學(xué)出版社,2006：76.

[4] 莊逢甘,陳述彭.衛(wèi)星遙感與政府決策[M].北京：宇航出版社,1997：16-24.

[5] 舒寧.雷達(dá)遙感原理 [M].北京：測繪出版社,1997：3-5;155-164.

Research on the Application of TerraSAR-X Data to Land-use Dynam icMonitor ing

ZENG Fei,ZHU Xiaoliang

0494-0911(2010)12-0047-02

P237

B

2010-11-16

曾 菲(1962—),女,湖南邵陽人,高級工程師,主要從事攝影測量與遙感及質(zhì)量控制工作。