GNSS技術在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應用

吳祖程

（1.惠州市惠陽區(qū)國土資源測繪隊，廣東 惠州516211）

土地是人類賴以生存和社會賴以發(fā)展的重要資源，其動態(tài)變化反映了人類利用土地進行生產(chǎn)活動的發(fā)展趨勢[1]。近年來，隨著信息技術，特別是3S技術的飛速發(fā)展，可以依靠遙感手段主動發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，運用差分GPS技術精確獲取土地利用變化的數(shù)量和性質(zhì)，采用GIS管理土地利用的圖形和屬性數(shù)據(jù)[2]。GNSS技術作為3S技術之一，在土地利用動態(tài)監(jiān)測中提供了快速和精確的空間定位信息服務。隨著RTK、VRS等新興定位方式與技術的發(fā)展，伴隨著CORS站、信標站等定位服務系統(tǒng)的完善，使得GNSS的空間定位信息服務更加靈活、精確。因而，在土地利用動態(tài)監(jiān)測中，GNSS技術作為主要的空間定位服務技術，與常規(guī)土地變更調(diào)查相比，可以大大提高調(diào)查的精度、效率和實時性。同時，GNSS定位數(shù)據(jù)本身可以和GIS系統(tǒng)進行很好的轉(zhuǎn)換，結(jié)合GIS和RS，可以更好地實現(xiàn)土地利用的動態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)庫更新。

1 適宜性分析

1.1 GNSS的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

GNSS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)誕生于20世紀80年代初，是一個包含GPS、GLONASS、COMPASS和GALILEO在內(nèi)的綜合衛(wèi)星星座系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)為民用用戶提供全天候、全天時的實時導航定位和定時服務。隨著衛(wèi)星定位導航技術與現(xiàn)代通信技術相結(jié)合，GNSS技術開創(chuàng)了以導航衛(wèi)星為動態(tài)參考點的空基無線電導航定位技術的新時代，將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間，從靜態(tài)擴展到動態(tài)，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從后處理擴展到實時定位與導航，絕對和相對精度擴展到m級、cm級乃至亞mm級，從而大大拓寬了應用范圍。

1.2 GNSS在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應用

隨著GNSS技術的發(fā)展，伴隨著DGPS技術的進步和局域差分GPS系統(tǒng)的逐步建立，GNSS三維空間定位的高精度、快速度、全天候等作業(yè)特點使其成為獲取現(xiàn)勢空間數(shù)據(jù)的重要手段，并廣泛應用于土地資源調(diào)查和空間定位數(shù)據(jù)的采集。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）土地利用變更調(diào)查。RS作為土地利用變更調(diào)查的主要數(shù)據(jù)來源，可以反映調(diào)查區(qū)域土地利用的現(xiàn)狀情況。然而，對于小面積的或突發(fā)的有較大影響的變化，RS技術手段或沒有必要，或反映不出來[3]。這時，就可以用GNSS技術方便地獲取變化區(qū)域的數(shù)據(jù)，不僅起到對遙感成果野外定位量化的作用，而且是一種獨立的數(shù)據(jù)源[4]。

在利用GPS進行土地利用變更調(diào)查中，選擇合適的GPS機型和測量模式，其測量精度可滿足不同應用層次的精度要求。當采用RTK或網(wǎng)絡RTK的數(shù)據(jù)采集方式時，可方便、靈活地得到高精度的土地利用變更數(shù)據(jù)，其精度可達cm級。此外，GPS測量數(shù)據(jù)可直接用于GIS系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)方法多次轉(zhuǎn)繪、清繪帶來的誤差。

2）土地利用執(zhí)法監(jiān)察。相對于土地利用變更調(diào)查，土地利用執(zhí)法監(jiān)察對土地利用動態(tài)監(jiān)測的時效性要求更高。由于我國正處在經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型時期，經(jīng)濟活躍，土地利用變化時刻存在，包括合法的變化也包括非法的變化，土地執(zhí)法監(jiān)察人員通過野外巡查發(fā)現(xiàn)土地利用變化時，需要及時提供變化圖斑的空間位置和范圍。

隨著GNSS和計算機技術的發(fā)展，手持GPS在土地利用野外調(diào)查中呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。GPS/PDA技術是一項集GPS、GIS和PDA于一體的土地調(diào)查新技術,可以實現(xiàn)快速實測更新GIS數(shù)據(jù)[5]。利用PDA可滿足野外土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)存貯及連續(xù)工作的要求，實現(xiàn)土地利用圖件的實時更新。同時，將GPS與DC集成到PDA上，利用GPS實現(xiàn)變更圖斑的測量，解決了變更區(qū)域大、形狀不規(guī)則、周邊沒有明顯地物或控制點不足情況下需布設控制點進行補測的問題，精度依要求可達m級或亞m級。利用手持GPS集成的DC對野外實景進行拍攝，可作為土地執(zhí)法監(jiān)察的行政執(zhí)法依據(jù)。

1.3 GNSS、RS及攝影測量技術的比較

RS和攝影測量技術構成了土地利用現(xiàn)狀信息的主要數(shù)據(jù)來源，是土地利用動態(tài)監(jiān)測的有力工具。隨著傳感器空間及時間分辨率的不斷提高，基于RS本身宏觀和大尺度的特點，其反映地物的能力也越來越強。因而，在土地利用動態(tài)監(jiān)測中，遙感數(shù)據(jù)的獲取、處理，很大程度上是獲得土地利用現(xiàn)狀信息的主要渠道。結(jié)合RS和攝影測量的基本原理，利用所得的相片來研究和確定被攝物體形狀、大小、位置、屬性等相互關系。通俗來講，RS和攝影測量就是要解決測量目標在哪里和是什么這2個基本屬性[6]。然而，該方法只能確定地類的相關位置，對于地類屬性的判別，往往采用人工解譯。對于不確定的或變化地類，仍然需要通過實地考查來準確獲取地物的地類信息及其范圍。另一方面，由于RS和攝影測量技術只能分年度或在相隔較長的一個時間段才能運用，而土地利用變化是時刻存在的，相對于土地利用變化RS和攝影測量技術有長達半年甚至數(shù)年的滯后性。

針對RS和攝影測量在地類判別和實時性上的不足，GNSS憑借其高精準、實時快速定位的特點，越來越多地應用于土地利用動態(tài)監(jiān)測中。同時，伴隨著GPS/PDA技術的發(fā)展和應用，實時動態(tài)地收集和存儲地類屬性信息已經(jīng)容易實現(xiàn)。在基于GNSS實時測定變化區(qū)域的封閉邊界的基礎上，采集位置及屬性信息實時存入PDA中，進行存儲和編輯。因此，從土地利用動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)源來說，RS和攝影測量是較大范圍的數(shù)據(jù)獲取方式。而基于GNSS的GPS定位方法，作為RS技術的輔助定位手段及獨立的數(shù)據(jù)源，很好地解決了小區(qū)域變化范圍及地類屬性數(shù)據(jù)獲取的問題。GNSS與RS的結(jié)合，很好地解決了RS在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的不足，實現(xiàn)了從宏觀到微觀尺度對土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的采集和處理。

綜上所述，由于GNSS在空間定位和實時性、準確性上的優(yōu)勢，其已經(jīng)成為土地利用動態(tài)監(jiān)測在基于RS技術和攝影測量技術的土地利用現(xiàn)狀信息的主數(shù)據(jù)源之外的必要補充技術，是提高土地利用動態(tài)監(jiān)測的精度、準確度和實時性的必要技術手段。

2 作業(yè)方法

GNSS測量模式可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。其中動態(tài)測量又可分為準動態(tài)測量和實時動態(tài)測量。在土地利用動態(tài)監(jiān)測中，往往采用實時動態(tài)測量模式，即DGPS和RTK模式。

實時動態(tài)測量是一種實時得到高精度測量結(jié)果的測量模式。其具體方法是：在一個已知測站上架設GPS基準站接收機和數(shù)據(jù)鏈，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，并通過數(shù)據(jù)鏈向移動站發(fā)送數(shù)據(jù)。移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收基準站發(fā)射來的數(shù)據(jù)，并在線進行處理，從而得到實時的高精度位置。

基于3S技術的土地利用動態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)庫更新的總體技術路線由3部分組成，分別是遙感變化監(jiān)測或土地執(zhí)法監(jiān)察野外巡查、外業(yè)調(diào)繪及確界和土地利用數(shù)據(jù)庫更新。雖然遙感數(shù)據(jù)給我們提供了較為準確和方便的參考基礎，但并不能完全如實地反映土地利用現(xiàn)狀。通過遙感圖像變化檢測或者土地執(zhí)法監(jiān)察野外巡查發(fā)現(xiàn)可疑圖斑之后，往往需要借助GNSS來確定變化區(qū)域的確切坐標和輪廓，并實地核對地類屬性，確定變化區(qū)域和圖譜信息。其具體技術流程見圖1。

圖1 外業(yè)調(diào)繪技術路線圖

在土地利用動態(tài)監(jiān)測中，GNSS技術作用環(huán)節(jié)主要是外業(yè)調(diào)繪驗證，包括基準站的建立、流動站的數(shù)據(jù)采集、變化圖斑邊界確認及屬性采集、GPS坐標轉(zhuǎn)換及差分處理等。

3 主要成果及技術特點

實踐證明，通過3S技術對實驗區(qū)進行土地利用動態(tài)監(jiān)測，其各項精度和技術要求均滿足當?shù)赝恋乩米兏{(diào)查的技術規(guī)范。主要表現(xiàn)在：

1）基于GNSS技術，能很好地實地判定變化地類，實測變化區(qū)域及確定地類屬性，GPS測量數(shù)據(jù)可直接反映在GIS的圖形界面上。利用此項技術可以實現(xiàn)基于RS和攝影測量技術的土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)的精化，一方面提高圖斑空間地理位置、邊界的精度；另一方面可以提高圖斑地類判別的準確性。變化后的圖斑結(jié)果如圖2所示。

圖2 GNSS實測的變化區(qū)域結(jié)果圖

2）利用手持GPS(GPSPDA)空間定位、數(shù)據(jù)存儲、便攜性的優(yōu)勢，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術，建立土地利用執(zhí)法監(jiān)察動態(tài)巡查系統(tǒng)。以土地利用數(shù)據(jù)庫為平臺和管理中心，手持GPS集成3G通信功能，內(nèi)置SIM卡插槽，直接插入手機卡，就可以實現(xiàn)管理中心與移動手持GPS終端的通訊，實時將手持GPS的地理位置傳回管理中心。土地利用執(zhí)法監(jiān)察野外巡查人員配備手持GPS，實時定位并通過互聯(lián)網(wǎng)傳回管理中心，可以直觀地反映野外巡查的路徑、范圍，便于土地利用執(zhí)法監(jiān)察野外巡查路線的規(guī)劃和工作監(jiān)管。野外巡查人員發(fā)現(xiàn)土地利用變化或者違法用地行為，可以直接利用手持GPS測定圖斑范圍并利用DC拍攝標有坐標和時間的照片直接通過3G網(wǎng)絡傳回管理中心，變化圖斑可以實時地顯示在土地利用數(shù)據(jù)平臺上，及時判定變化圖斑的合法性，合法圖斑加入數(shù)據(jù)庫可以作為土地利用動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容，非法圖斑可以由土地執(zhí)法監(jiān)察部門立案查處，大大提高了土地利用執(zhí)法監(jiān)察的效率和準確性。

從空間定位服務的角度，GNSS技術引入土地利用動態(tài)監(jiān)測后，使得傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，數(shù)據(jù)采集精度更高、即時性更好，可選用的定位方式靈活多樣，保證了數(shù)據(jù)的客觀性和準確性。此外，調(diào)查過程中的數(shù)字化和信息化，不僅大大簡化了數(shù)據(jù)記錄、整理、錄入的工作，而且還提高了調(diào)查的精度和數(shù)據(jù)采集的客觀性。同時，外業(yè)作業(yè)方式的改變，加快了土地利用動態(tài)監(jiān)測各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流動，保證了土地變更信息的現(xiàn)勢性，實現(xiàn)土地利用的動態(tài)監(jiān)測，為城市土地的使用、規(guī)劃、設計提供客觀實時的數(shù)據(jù)，并可在此基礎上開展土地資源的動態(tài)監(jiān)測、土地分等定級、耕地保護、土地利用評價等。

4 結(jié) 語

土地利用動態(tài)監(jiān)測是一項技術性、政策性、法律性較強的工作。GNSS技術的引入為開展土地利用動態(tài)監(jiān)測、更新土地利用數(shù)據(jù)庫和土地利用執(zhí)法監(jiān)察提供了新的方向。GNSS技術提高了土地利用動態(tài)監(jiān)測的空間定位精度、地類判別準確性和動態(tài)監(jiān)測的實時性，從而真正實現(xiàn)了土地利用動態(tài)監(jiān)測。

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