基于GPS和GIS技術的基本農(nóng)田動態(tài)監(jiān)測研究

王曉輝，吳多朋，王錚

(吉林省基礎地理信息中心，吉林長春 130062)

基于GPS和GIS技術的基本農(nóng)田動態(tài)監(jiān)測研究

王曉輝?，吳多朋，王錚

(吉林省基礎地理信息中心，吉林長春 130062)

基本農(nóng)田保護對國家的糧食安全和社會穩(wěn)定具有特殊意義，及時準確地獲取基本農(nóng)田的動態(tài)變化信息是基本農(nóng)田保護的重要一環(huán)。本文提出利用動態(tài)差分GPS技術和GIS技術對基本農(nóng)田土地變化進行定量監(jiān)測。首先通過動態(tài)差分GPS技術精確獲取基本農(nóng)田保護區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，然后利用GIS空間分析方法對土地利用變化的數(shù)量和方向進行分析。實踐結果表明利用GPS和GIS集成技術可以高精度、高效率和低成本地對基本農(nóng)田動態(tài)變化信息進行及時監(jiān)測。

動態(tài)差分；基本農(nóng)田；動態(tài)監(jiān)測；GIS

1 引 言

基本農(nóng)田是指根據(jù)一定時期人口和社會經(jīng)濟發(fā)展對農(nóng)產(chǎn)品的需求以及對建設用地的預測，由土地利用總體規(guī)劃而確定的長期不得占用的耕地[1]。隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的加速，導致各種非農(nóng)業(yè)用地需求迅速增長。因此，有的地方政府為了片面地滿足經(jīng)濟發(fā)展對土地的需求，存在大量違規(guī)占用基本農(nóng)田的情況，致使基本農(nóng)田的面積減少，國家相關部門對此十分重視。如何準確快速監(jiān)測土地資源利用變化信息，尤其是在對精度要求高的小尺度基本農(nóng)田保護區(qū)內(nèi)。本文結合具體研究區(qū)，利用動態(tài)差分GPS技術快速、準確獲取研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖，利用GIS建立基本農(nóng)田現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，結合GIS空間分析與數(shù)量統(tǒng)計分析研究區(qū)內(nèi)基本農(nóng)田的數(shù)量、分布及特征的變化趨勢，以期為基本農(nóng)田監(jiān)測提供了技術思路和方法。

2 技術路線與方法

利用動態(tài)差分GPS技術對基本農(nóng)田保護區(qū)范圍內(nèi)進行實地測量，獲取區(qū)域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀圖，按照《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T21010-2007標準為各圖斑添加用地類型，然后拓撲構面，在GIS軟件支持下建立屬性庫，并對不同時期基本農(nóng)田土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行空間分析，獲取不同時期間土地利用變化數(shù)量關系，在此基礎上運用相關模型對基本農(nóng)田保護區(qū)范圍內(nèi)土地利用流向、土地利用程度和各土地利用類型變化率等進行分析。

2.1 基準轉(zhuǎn)換參數(shù)求解

GPS接收機直接接收得到的是WGS84坐標系統(tǒng)，通常實際應用需要的是地方平面直角坐標系，高程為正常高，因此需要我們求解兩坐標系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，為提高動態(tài)差分GPS測量的精度，需要獲取適合研究區(qū)范圍內(nèi)的基準轉(zhuǎn)換參數(shù)，求解的方法是獲取一定數(shù)量同點在GPS的WGS84坐標系統(tǒng)坐標值和地方坐標系統(tǒng)坐標值，利用專業(yè)軟件工具或GPS控制器內(nèi)置的實時處理軟件求解參數(shù)，為保證精度要使用不同方法求基準轉(zhuǎn)換參數(shù)，比較RMSE選擇精度較高者使用。

2.2 架設基準站進行數(shù)據(jù)采集

為保證GPS接收信號的質(zhì)量，基準應架設在遠離各種強電磁干擾源、周圍應無明顯的大面積的信號反射物和高層建筑物、高山等地區(qū)[2]。設置好GPS手簿中基準轉(zhuǎn)換參數(shù)、基準站坐標和高程等參數(shù)，按照基本農(nóng)田土地利用調(diào)查相關要求對地類圖斑、線狀地物、零星地物等目標特征點坐標和高程進行采集，并繪制草圖，記錄圖斑的用地類型。

2.3 采集數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)成圖與實地核查

外業(yè)實測數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)線導入計算機內(nèi)，結合草圖利用專業(yè)測繪成圖軟件，并依據(jù)相應地形圖圖式規(guī)范，制作基本農(nóng)田土地利用現(xiàn)狀圖。根據(jù)現(xiàn)狀圖野外實地檢查測量成果，發(fā)現(xiàn)問題現(xiàn)場進行補測，依據(jù)補測數(shù)據(jù)修正內(nèi)業(yè)制作的土地利用現(xiàn)狀圖。

2.4 建立土地利用數(shù)據(jù)建庫

刪除土地利用現(xiàn)狀圖中不參與地類圖斑構面的零星地物和不必要的線狀地物，將土地利用現(xiàn)狀圖轉(zhuǎn)入地理信息系統(tǒng)軟件，建立空間拓撲關系，拓撲檢查地物圖斑間是否存在重疊和縫隙等拓撲錯誤，添加必要屬性字段(圖斑面積、地類代碼、坐落權屬等)，利用基于ArcEngine開發(fā)的程序工具實現(xiàn)屬性字段的賦值。

2.5 空間分析與統(tǒng)計計算

利用ArcGIS空間分析的融合工具進行二類圖斑融合為一類，并統(tǒng)計面積。將不同時期數(shù)據(jù)在ArcGIS中進行空間疊加分析追蹤不同時期圖斑轉(zhuǎn)換情況。統(tǒng)計計算生成兩時期土地利用結構變化表，利用相關模型對基本農(nóng)田土地利用結構動態(tài)變化過程進行分析。

3 實例應用

3.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于吉林省長春市寬城區(qū)，試驗區(qū)面積約為3.4 km2。近年來，由于經(jīng)濟的發(fā)展，城鄉(xiāng)工業(yè)、交通、住宅等各行業(yè)和各部門對該區(qū)土地占用不斷增加，導致該區(qū)基本農(nóng)田狀況變化迅速，為保證基本農(nóng)田的數(shù)量，當?shù)叵嚓P部門對該區(qū)的土地進行了重新開發(fā)整理。

3.2 數(shù)據(jù)獲取及處理

應用GPSRTK測量技術分別實地測定界址點、地形點、地物點的精確坐標，利用繪圖軟件根據(jù)外業(yè)資料繪制整理成兩時期(2010年、2011年)的土地利用現(xiàn)狀圖，成圖比例尺為1∶2 000，坐標系統(tǒng)為西安1980高斯投影，然后利用ArcGIS軟件及基于ArcEngine二次開發(fā)的工具進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、拓撲關系檢查、屬性數(shù)據(jù)賦值、邏輯錯誤檢查等數(shù)據(jù)的綜合處理，分別建立兩個時期的基本農(nóng)田現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。

4 結果與分析

4.1 土地利用分布及變化

由表1可知研究區(qū)基本農(nóng)田土地整理前后土地利用類型發(fā)生了很大的變化，其中水域及水利設施用地、交通運輸用地明顯減少，耕地、園地明顯增加。

基本農(nóng)田整理前后土地利用統(tǒng)計表 表1

由圖1可看出整理前后土地變化主要發(fā)生在水域及水利設施用地上。

圖1 研究區(qū)基本農(nóng)田整理前后土地利用圖

4.2 土地利用類型動態(tài)度

土地利用類型動態(tài)度是為了反映土地類型用地面積的變化幅度、變化速度以及區(qū)域土地利用變化中的類型差異提出的，其可直觀地反映類型變化的幅度與速度[3]。土地利用類型動態(tài)度數(shù)值越高說明該利用類型變化程度越劇烈，計算方法為:

式中K為研究時段研究區(qū)域內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度，Ua為研究初期某一土地利用類型面積，Ub為研究末期某一土地利用類型面積，T為研究的時長，根據(jù)研究區(qū)整理前后的土地利用數(shù)據(jù)，由式(1)計算研究區(qū)研究時間段內(nèi)土地利用動態(tài)度，如表2所示。

從表2可看出特殊用地動態(tài)度最大；耕地因為基值比較大，所以動態(tài)度相對較??；公共管理與公共服務用地從無到有，本文將其動態(tài)度定為100%；總的看來特殊用地是變化最快的用地類型，其次是住宅用地，而交通運輸用地變化最慢。

各土地利用類型動態(tài)度 表2

4.3 土地利用結構變化與變化方向分析

土地利用結構變化主要是反映同一區(qū)域兩個時間點土地利用轉(zhuǎn)換的數(shù)量信息，其通過轉(zhuǎn)移矩陣來進行定量描述，反映一段時期內(nèi)土地由一種類型轉(zhuǎn)化為另一種類型的數(shù)據(jù)量，通過它可以了解一定時期內(nèi)土地類型的流失取向、來源和構成[4]。

本文基于ArcGIS環(huán)境下利用Python開發(fā)獲取變化的數(shù)量關系，首先利用數(shù)據(jù)融合工具實現(xiàn)同一利用類型不同圖斑的融合，然后計算各用地類型的面積，再將兩個不同時期的數(shù)據(jù)進行疊加分析，整理后結果如表3所示。

土地利用結構變化情況表 表3

從表3中可以看出整理后耕地流向了除其他土地的所有用地類型，向耕地轉(zhuǎn)移最多達238.21 km2，園地、草地、交通運輸用地、水域及水利設施用地都流向了耕地共達41.51 km2，其中水域及水利設施用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐拿娣e最多為38.04 km2，主要原因是土地整理中對大量的溝渠和面積小的坑塘水面進行填平整理改耕地。

5 結 論

本文利用GPS技術獲取研究區(qū)范圍內(nèi)土地整理前后的土地利用數(shù)據(jù)，運用GPS測量技術進行實地數(shù)據(jù)采集，該技術手段無論在數(shù)據(jù)的精度上還是作業(yè)效率都很高，而且可全天候觀測，操作簡單易于學習，十分適合小范圍土地利用變化數(shù)據(jù)的快速精確低成本獲取。

利用GIS的空間分析和統(tǒng)計方法快速準確得到前后土地利用變化數(shù)據(jù)，定量直觀的獲取前后土地利用變化數(shù)量關系。通過實踐表明，GPS和GIS技術相結合的基本農(nóng)田動態(tài)監(jiān)測方法方便、高效可行。

[1] 王小燕，任國業(yè).淺談“3S”技術在基本農(nóng)田動態(tài)監(jiān)測中的應用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40(28):14116～14118，14127.

[2] 張現(xiàn)峰.差分GPS技術在地籍測量中的應用[J].測繪通報，2000(6):4～6.

[3] 魯春陽，羅奇，陳照永.土地利用動態(tài)變化的模型分析[J].喀什師范學院學報，2006，27(6):25～28.

[4] 劉瑞，朱道林.基于轉(zhuǎn)移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討[J].資源科學，2010，32(20):1544～1550.

[5] 劉紅兵.GPS-RTK技術支持下的小區(qū)域土地利用變化研究[J].山西師范大學學報，2008，4(22):118～122.

[6] 劉銳，陳毓齡.RS和GIS技術在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應用[J].測繪通報，2011(5)，76～79.

The Study of GPS and GIS Technology in the Dynam ic M onitoring of Basic Farm land

Wang Xiaohui，Wu Duopeng，Wang Zheng
(Jilin Provincial Geomatics Center，Changchun 130062，China)

Basic farm land protection of the country's food security and social stability is of special significance. Quickly and accurate access to the dynamic changes of the basic farmland information is an important part of the basic farmland protection，In this paper.the use of GPS-RTK and GIS technology for quantitativemonitoring of basic farmland land changes，F(xiàn)irst accurately obtain basic farmland protection areas of land use data by dynamic differential GPS technology，and analysis using GIS spatial analysis of land use change in the number and direction.The experiment results show that the use of GPSand GIS integration technology can be high-precision，high-efficiency and low-cost and timely monitoring of basic farmland dynamic changes in information.

GPS-RTK；basic farmland；dynamic monitoring；GIS

1672-8262(2013)05-13-03

P208.2

A

2013—03—01

王曉輝(1975—)，男，高級工程師，主要從事3S方面的應用與開發(fā)。

吉林省測繪局創(chuàng)新科技項目(201206)資助