基于3S技術(shù)的土地變更調(diào)查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙忠君，洪曉峰,2，夏 寅,2，

（1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079；2.武漢大學(xué)地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079）

基于3S技術(shù)的土地變更調(diào)查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙忠君1，洪曉峰1,2，夏 寅1,2，

（1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430079；2.武漢大學(xué)地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079）

在分析土地利用變更調(diào)查流程基礎(chǔ)上，以3S技術(shù)為輔助提出土地變更調(diào)查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，探討系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，利用Vb.Net和ArcGISEngine建立原型系統(tǒng)，對(duì)基于3S的土地利用變更調(diào)查系統(tǒng)的建立進(jìn)行有益探索，并分析討論現(xiàn)存技術(shù)問題和未來研究方向。

3S技術(shù)；土地變更調(diào)查；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于我國土地詳查時(shí)間跨度大，加上近幾年我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展引起土地利用的快速變化、科學(xué)管理信息水平的提高，以及目前變更調(diào)查手段等問題，土地利用現(xiàn)狀圖的更新已遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上土地利用狀況的變化[1]，土地利用基礎(chǔ)圖件信息的非現(xiàn)勢性已逐漸制約國土資源的信息化和科學(xué)化管理，如何集合新技術(shù)和新方法實(shí)現(xiàn)對(duì)已有土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的快速更新，是國土資源管理亟待解決的問題。3S技術(shù)在土地利用/覆被變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測中具有各自的優(yōu)勢[2]，而只有將三者有機(jī)結(jié)合起來才能發(fā)揮其最大功效[3]。

1 系統(tǒng)建設(shè)方案

針對(duì)我國系列土地利用現(xiàn)狀基礎(chǔ)圖件的更新問題，本文采用3S技術(shù)為主體技術(shù)，同時(shí)結(jié)合外業(yè)調(diào)查的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)原型系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了一個(gè)基本的框架來存儲(chǔ)、管理、分析和處理土地變更調(diào)查的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀圖的快速更新。

系統(tǒng)以遙感影像和已有土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫或土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)變化信息和人機(jī)交互解譯提取土地利用變化信息；外業(yè)調(diào)查在GPS技術(shù)引導(dǎo)和準(zhǔn)確定位下，確認(rèn)變化圖斑的類型、面積、范圍、權(quán)屬界限，核實(shí)行政境界變化范圍，完成對(duì)變化的現(xiàn)狀地物和零星地物的量測；內(nèi)業(yè)在地面調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)，在多源信息的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)圖件的數(shù)字化更新。

3S技術(shù)支持的土地利用現(xiàn)狀圖更新技術(shù)流程主要包括以下幾個(gè)步驟：遙感影像數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，影像的糾正、匹配，地類代碼的轉(zhuǎn)換，土地利用變化信息提取及土地利用變化遙感圖生成，GPS引導(dǎo)的外業(yè)調(diào)查，GIS支持下的土地利用變化圖斑更新編繪以及土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫的更新等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體流程

系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。整個(gè)流程可以分成3個(gè)先后有序的階段，即準(zhǔn)備階段、變化檢測階段和更新輸出階段。

圖1 系統(tǒng)的工作流程圖

1）準(zhǔn)備階段。主要完成遙感圖像的預(yù)處理、GIS矢量數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、地類代碼轉(zhuǎn)換、影像之間以及影像與地圖的配準(zhǔn)、多圖層疊加顯示以及判讀影像區(qū)域選擇等任務(wù)。在此，應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)：圖像與地圖的配準(zhǔn)是遙感圖像判讀得以在GIS支持下進(jìn)行工作的基本保證和前提條件，也是本系統(tǒng)與常規(guī)圖像處理系統(tǒng)的重要不同之處。

2）變化檢測階段。本階段主要有2個(gè)步驟，影像判讀解譯和外業(yè)調(diào)查。針對(duì)不同的影像數(shù)據(jù)源（衛(wèi)星影像和航空相片），采用不同的方法處理。對(duì)于航空相片，由于缺乏光譜信息，直接采用人工屏幕交互式解譯；對(duì)于衛(wèi)星影像，可根據(jù)其光譜信息，先進(jìn)行自動(dòng)分類，再采用人工屏幕交互式解譯，以減少工作量，提高工作效率。經(jīng)過影像判讀解譯，找出可疑圖斑，輸出給GPS數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，以進(jìn)行高精度的外業(yè)調(diào)查，完成對(duì)可疑變化圖斑的地類變更、權(quán)屬變更、行政轄區(qū)變化境界的調(diào)查核實(shí)，變更線狀地物和零星地物的量測，以及遙感未發(fā)現(xiàn)的遺漏圖斑的補(bǔ)測。

3）更新輸出階段。在確定變更圖斑結(jié)束后，這個(gè)階段要根據(jù)調(diào)查結(jié)果完成數(shù)據(jù)的圖形與屬性的變更。接下來就是數(shù)據(jù)的輸出，數(shù)據(jù)輸出主要分為3個(gè)方面：①將數(shù)據(jù)文件根據(jù)需要轉(zhuǎn)為其他格式輸出；②按用戶要求，將變更結(jié)果經(jīng)過圖面整飾輸出；③根據(jù)用戶需要，將更新后的統(tǒng)計(jì)報(bào)表輸出。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模塊

本系統(tǒng)作為土地利用現(xiàn)狀更新系統(tǒng)，能同時(shí)處理矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，把計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類與人工判讀有機(jī)的融合在一起，且具有一般GIS功能，能夠用來提高圖像判讀精度、速度和效率，并利用GPS輔以高精度外業(yè)調(diào)查。系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于3S的土地利用更新調(diào)查系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1）工程管理。系統(tǒng)按照第二次全國土地大調(diào)查的建庫要求，采用工程的形式組織由基期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入的空間數(shù)據(jù)和圖形屬性數(shù)據(jù)。本模塊提供了工程的新建、編輯，以及數(shù)據(jù)字典的管理功能，以方便數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。針對(duì)系統(tǒng)所支持矢量與柵格影像2種空間數(shù)據(jù)類型，本模塊分別為它們提供了一些預(yù)處理操作，以便輔助變化提取和變更。對(duì)于影像數(shù)據(jù)，不僅提供包括亮度和對(duì)比度調(diào)整、平滑、銳化、濾波、圖像增強(qiáng)、圖像運(yùn)算、圖像裁剪、圖像旋轉(zhuǎn)等信息增強(qiáng)操作，還提供影像與影像、影像與地圖之間的配準(zhǔn)功能。對(duì)于矢量數(shù)據(jù)，主要提供數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、地類代碼轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等操作。

3）變化提取。變化提取模塊，提供影像分類、影像求差、影像解譯標(biāo)志管理、人機(jī)交互解譯以及變化信息交互提取等功能，完成變化區(qū)域探測和提取，為下一步GPS/PDA野外測繪指明了的工作范圍。變化檢測的結(jié)果輔助土地利用更新調(diào)查可以極大地減少人力、物力和財(cái)力，節(jié)省時(shí)間，提高效益。

4）數(shù)據(jù)變更。數(shù)據(jù)變更模塊，完成將外業(yè)調(diào)繪結(jié)果更新已有的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫的工作，主要提供變更項(xiàng)目的新建、刪除以及編輯等功能，并將變更過程記錄進(jìn)歷史數(shù)據(jù)庫，以便歷史回溯。另外為變更后的數(shù)據(jù)庫，提供拓?fù)錂z查和平衡檢查，以確保變更的正確性。

5）匯總分析。匯總分析模塊的功能包括將更新后的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，重新統(tǒng)計(jì)、匯總，形成第二次大調(diào)查所要求的各級(jí)、各類土地調(diào)查面積數(shù)據(jù)匯總報(bào)表。同時(shí)輔助進(jìn)行年度分析和地類變更分析，以便更好地調(diào)查區(qū)域的土地利用變化。

3 關(guān)鍵技術(shù)

土地利用變化信息提取是在已有基期土地利用數(shù)據(jù)庫與相關(guān)土地利用圖件的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的影像數(shù)據(jù)，對(duì)遙感影像進(jìn)行分類，把分類后的影像做代數(shù)運(yùn)算生成土地利用/覆蓋變化索引圖，然后將矢量庫、遙感影像和變化索引圖在同一坐標(biāo)空間進(jìn)行柵格矢量的混合疊置，人機(jī)協(xié)同式的逐圖斑提取土地利用變化信息。對(duì)于基期只有矢量數(shù)據(jù)庫的情況，可采用矢柵轉(zhuǎn)換的方法得到基期的分類影像。

土地利用是人們根據(jù)土地的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行的長期性或周期性的經(jīng)營活動(dòng)。在特定的時(shí)間段內(nèi)，土地利用會(huì)在位置、范圍、大小或?qū)傩苑矫姘l(fā)生變化，遙感影像通過影像的特征將這種變化集中的反映出來，表現(xiàn)為顏色、形狀、大小、紋理等變化。經(jīng)過上一輪的土地利用詳查，全國各地相應(yīng)的建立了土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，在新一輪的土地利用變更調(diào)查中，將利用最新的遙感影像探測土地利用變化信息，輔助更新土地利用現(xiàn)狀庫[7]。在已有基期土地利用數(shù)據(jù)庫與相關(guān)土地利用圖件的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的影像數(shù)據(jù)，有以下幾種模式來提取變化信息。

模式一：對(duì)于基期只有矢量數(shù)據(jù)庫的情況，可采用矢柵轉(zhuǎn)換的方法得到基期的柵格分類圖，對(duì)最新遙感影像進(jìn)行分類，再把分類后的影像和基期柵格分類圖作代數(shù)運(yùn)算生成土地利用/覆蓋變化索引圖，最后將矢量庫、遙感影像和變化索引圖在同一坐標(biāo)空間配準(zhǔn)，人機(jī)交互逐圖斑提取土地利用變化信息。

模式二：對(duì)最新遙感影像進(jìn)行分類，提取分類后影像的特征信息，得到最新的土地利用/覆蓋矢量圖，然后把它和基期矢量圖作疊置分析，探測發(fā)生變化的土地利用圖斑和變化的類別。

模式三：如果存在基期和最新的2時(shí)相遙感影像，可采用像元光譜比較法，直接對(duì)2個(gè)時(shí)相的遙感影像進(jìn)行比較，通過設(shè)定合理的閾值，探測發(fā)生變化的像元，并結(jié)合土地利用現(xiàn)狀庫信息得出變化的類別[8]。

模式四：矢柵一體化的變化檢測，將基期矢量圖與當(dāng)前影像進(jìn)行匹配后疊加，然后基于矢量圖斑進(jìn)行遙感影像的區(qū)域變化檢測[9]。

前面已經(jīng)提到，變化檢測方法的選擇依賴于數(shù)據(jù)源和待檢測目標(biāo)的類型。系統(tǒng)主要考慮在已有基期土地利用數(shù)據(jù)庫與相關(guān)土地利用圖件的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的影像數(shù)據(jù)，對(duì)遙感影像進(jìn)行分類，把分類后的影像做代數(shù)運(yùn)算生成土地利用/覆蓋變化索引圖，然后將矢量庫、遙感影像和變化索引圖在同一坐標(biāo)空間進(jìn)行柵格矢量的混合疊置，人機(jī)協(xié)同式的逐圖斑提取土地利用變化信息。對(duì)于基期只有矢量數(shù)據(jù)庫的情況，可采用矢柵轉(zhuǎn)換的方法得到基期的分類影像。

以上變化信息的提取方法基于矢柵位置配準(zhǔn)和矢量柵格化技術(shù)，處理新時(shí)相的遙感影像時(shí)采用計(jì)算機(jī)和人機(jī)協(xié)同的分類技術(shù)。根據(jù)2時(shí)相分類影像求差得到土地利用/覆蓋變化索引圖后，逐圖斑判斷提取變化信息，對(duì)變化圖斑進(jìn)行分裂、合并與更新。

4 系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

在保證開發(fā)效率的前提下，系統(tǒng)采用的方式是基于ArcEngine的GIS二次開發(fā)，系統(tǒng)界面見圖3。通過引入ArcGIS Engine Runtime中所包括了的ArcObjects的核心組件,根據(jù)土地利用變更流程定制GIS功能，其中土地利用綜合變更模塊見圖4。同時(shí)，系統(tǒng)選用.NET框架作為開發(fā)平臺(tái)，.NET平臺(tái)跨語言、跨平臺(tái)的特性增加了系統(tǒng)的可移植性。采用基于COM的組件開發(fā)方式開發(fā)系統(tǒng)功能模塊，從而提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

5 結(jié)論與展望

將3S技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)、大型數(shù)據(jù)庫等技術(shù)集成應(yīng)用已經(jīng)在土地資源調(diào)查中顯示出了其優(yōu)勢[10]，基于3S的土地利用變更調(diào)查與更新技術(shù)是未來土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)日常更新的主要手段，今后將同時(shí)開展關(guān)鍵技術(shù)和軟件產(chǎn)品的集成與整合，提高目前技術(shù)產(chǎn)品的易用性和穩(wěn)定性，開發(fā)可滿足大范圍推廣應(yīng)用的技術(shù)流程和實(shí)用化軟件產(chǎn)品。

圖3 基于3S的土地利用更新調(diào)查系統(tǒng)界面

圖4 土地利用綜合變更模塊

[1] 國務(wù)院第二次全國土地調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.第二次全國土地調(diào)查培訓(xùn)教材[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007

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Design and Implementation of 3S-based Land-use Change Survey Information System

by ZHAO Zhongjun

Based on analysis of procedure of land use change survey, this paper proposed the design and realization scheme of land use change survey system with 3S technology.The key issues of implementation were discussed,and the prototype systemwasbuilt with Vb. Net and ArcGIS Engine.It was the beneficial exploration of building land use change survey system based on 3S technology.The existing problems and the future research trends were also mentioned in this paper.

3S technology，investigation of land-use change，system design，system implementation

2010-11-19

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40871210）；武漢大學(xué)2008年博士研究生自主科研項(xiàng)目。

P208

B

1672-4623(2011)03-0058-03

趙忠君，博士，從事土地資源管理方面研究。