土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

戴瀟蕾　唐宏華

摘 要：遙感技術(shù)是當(dāng)前土地利用變化動態(tài)監(jiān)測的核心技術(shù)，在我國土地資源管理中有著重要作用。土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用主要分為遙感圖像預(yù)處理和土地變化信息提取兩個步驟，文章就從圖像預(yù)處理和土地變化信息提取兩個方面對土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：土地利用；遙感技術(shù)；動態(tài)監(jiān)測；圖像處理

遙感技術(shù)是上世紀(jì)60年發(fā)展起來的觀測綜合性技術(shù)，可進(jìn)行電磁場、機械波等探測，主要應(yīng)用于無接觸的遠(yuǎn)距離探測。隨著航天、航空技術(shù)的發(fā)展，航空遙感和航天遙感技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，并被廣泛應(yīng)用于土地資源調(diào)查、開發(fā)以及環(huán)境監(jiān)測[1]。利用遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確獲取土地利用變化和土地覆蓋變化信息。目前，遙感技術(shù)被應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測工作中，尤其在土地利用變化動態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。利用遙感技術(shù)獲取同一區(qū)域在一段時間內(nèi)的土地變化信息即為土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測，利用遙感技術(shù)進(jìn)行土地利用動態(tài)監(jiān)測主要涉及到兩個方面內(nèi)容，一是圖像預(yù)處理，二是提取土地利用變化信息。下面著重介紹土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測過程中圖像的預(yù)處理方法，并對土地利用變化的方法進(jìn)行分析。

1 遙感圖像的預(yù)處理

圖像預(yù)處理是遙感技術(shù)應(yīng)用的第一步，也是非常關(guān)鍵和重要的一步。遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理是為了土地利用變化信息的提取更快速、更準(zhǔn)確，這對動態(tài)監(jiān)測結(jié)果的精確度有著直接影響。土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中，遙感圖像的預(yù)處理主要包括影像糾正、融合階段、增強階段、色調(diào)調(diào)整階段以及鑲嵌等步驟，遙感圖像經(jīng)過一系列預(yù)處理后可以得到更清晰的圖像，圖像的預(yù)處理為后期提取土地利用變化信息做好了準(zhǔn)備工作[2]。以下是遙感圖像預(yù)處理方法。

1.1 遙感影像糾正

土地利用變化動態(tài)監(jiān)測中初始得到的遙感影像數(shù)據(jù)都經(jīng)過了幾何粗校正，但由于測量過程中各種因素的影響，地球曲率和空氣折射都發(fā)生不穩(wěn)定變化，因此還需要進(jìn)一步進(jìn)行幾何精校正，消除這些非系統(tǒng)性幾何變形。遙感影像的矯正需要考慮到多個方面因素，一是幾何的變形性質(zhì)和特點，二是矯正的數(shù)據(jù)，三是圖像的應(yīng)用目的，結(jié)合這三個因素來選擇合適的幾何糾正方法。在平坦地勢的遙感動態(tài)監(jiān)測中，可以采用二次多項式法進(jìn)行影像糾正，采用三次卷積法進(jìn)行灰度重采，并按照原影像分辨率作為影像采樣間隔。在影像糾正過程中，控制點的選擇可以采用1：1萬比例尺數(shù)字地形圖，首先要進(jìn)行影像糾正的是SPOT2.5m影像，然后在此基礎(chǔ)上以相同的參考影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。

影像的糾正必須要選取控制點，所以遙感影像的幾何校正首先需要確定若干個地面控制點。地面控制點的數(shù)量與具體糾正模型有關(guān)，如果模型較完善，就需要較少的地面控制點。在選取地面控制點時，可以充分利用衛(wèi)星提供的輔助數(shù)據(jù)，根據(jù)輔助數(shù)據(jù)可以建立比較完善的物理模型，模型結(jié)構(gòu)非常嚴(yán)密，此時只需要選取9個控制點即可。一般情況下，幾何多項式模型需要的地面控制點是30到50個，具體可根據(jù)地形情況來確定，而山地地區(qū)應(yīng)該適當(dāng)增加地面控制點。所選取的地面控制點要求在圖像上進(jìn)行明顯標(biāo)識定位，一般情況下，道路交叉口為首選地面控制點，其次可以選擇河流交叉口為控制點，然后是水庫堤壩等建筑物邊緣，控制點要求分布均勻[3]。

1.2 遙感圖像的融合

圖像的多分辨率融合目前是一個非常重要的圖像處理技術(shù)，在土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測時，同一地區(qū)往往采用多個不同類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖像的融合就是對多個類型傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，通過各種數(shù)據(jù)的互補、融合產(chǎn)生新的、更準(zhǔn)確、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。彩色的遙感圖像是通過對多個不同波段光譜的有效組合實現(xiàn)的，最佳波段組合是一種非常有效的遙感圖像預(yù)處理方法，操作方便、效果較好。該方法首先需要對遙感數(shù)據(jù)的光譜信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)光譜信息結(jié)構(gòu)觀察、比較各波段信息量，并對各個波段信息的相關(guān)性進(jìn)行計算、分析，最后通過雪氏熵值法選擇最佳波段。最佳波段組合的計算公式如為S=Pi（x）1nPi（x）（其中S代表熵值，Pi（x）代表變量概率密度函數(shù)）。綠光波段、紅光波段以及短波紅外的組合可以形成接近真彩色的遙感圖像，通過對各個波段影像的融合可以形成高分辨率的多光譜彩色圖像，可有效提高影像判讀的準(zhǔn)確性。當(dāng)兩個時段影像融合后發(fā)生變異時有利于提取土地利用變化信息。影像的融合方法有很多種，常用的影響融合方法有小波變換法、 HIS 變換法等。

1.3 圖像增強方法

圖像增強處理是指對圖像進(jìn)行相關(guān)處理后使原來模糊、不清晰的圖像經(jīng)過一系列處理后變得更清晰，圖像增強處理技術(shù)可以讓所需要的圖像信息更加明顯，同時對不需要的圖像信息有抑制作用，以便快速、準(zhǔn)確的提取圖像特征。圖像增強處理不是對所有效果都進(jìn)行增強處理，而是具有針對性的，只對所需要的圖像特征和效果進(jìn)行增強處理。經(jīng)過影像融合后的圖像灰階較窄，圖像亮度低，因此可以通過調(diào)整色彩平衡、色度、亮度等方式對圖像進(jìn)行增強處理，使圖像中物體的輪廓更清晰，圖像細(xì)節(jié)更明顯，同時也可以抑制不需要的圖像信息，處理后的圖像上所需要的圖像信息也就更突出，目視效果提高，有利于土地利用變化信息的提取。

1.4 遙感圖像的色調(diào)調(diào)整和鑲嵌

遙感圖像增強處理后要形成具有準(zhǔn)確性和完整性的融合影像文件，還需要調(diào)整色調(diào)。對遙感圖像進(jìn)行色調(diào)調(diào)整應(yīng)該結(jié)合圖像的應(yīng)用目的確定具體的調(diào)整措施和調(diào)整細(xì)節(jié)。當(dāng)要求保留光譜信息以及全色影像紋理細(xì)節(jié)時，影像沒有調(diào)整為天然真彩色，這樣有利于進(jìn)行變化分析。影像制圖時注重圖面視覺效果，為了保證圖像的整體色差，需要取出部分光譜信息和紋理，此時可到達(dá)天然真彩色的圖像。

影像接邊與鑲嵌處理時如果采用的是統(tǒng)一的地理坐標(biāo)，整體精度就不會受到較低局部精度的影像。影像接邊處理時會出現(xiàn)多個像素的重疊帶，不會出現(xiàn)重影或者模糊現(xiàn)象。從幾何角度分析，影像的鑲嵌過程中相鄰影像的細(xì)節(jié)一一對接，而且色調(diào)均勻一致，同時也沒有明顯的色調(diào)反差。影像接邊與鑲嵌處理后還以進(jìn)行影像分幅處理，即對經(jīng)過處理后的圖像進(jìn)行圖幅切割按，切割時需要按照一定比例尺標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 土地利用變化信息的提取

兩個時相遙感數(shù)據(jù)的信息提取可分為多個階段，第一階段是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，第二階段是變化信息發(fā)現(xiàn)，第三階段是變化區(qū)域提取。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是指兩個時相的遙感數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列預(yù)處理后形成基礎(chǔ)圖像，該圖像中兩個時相的遙感數(shù)據(jù)相互配準(zhǔn)，并具有統(tǒng)一地理坐標(biāo)，這是對數(shù)據(jù)處理和解譯分析進(jìn)行的準(zhǔn)備工作。第二階段是變化信息的發(fā)現(xiàn)，變化信息的發(fā)現(xiàn)是指通過對圖像的一系列處理后將實際當(dāng)中發(fā)生變化的部分從影像中凸顯出來，以便準(zhǔn)確確定發(fā)生變化的位置和范圍。第三階段是變化區(qū)域提取，第二階段發(fā)現(xiàn)變化信息后需要通過一定方法將詳細(xì)變化信息提取出來，該階段常采用的方法有人機互解譯法、分類法等。

2.1 土地利用變化信息內(nèi)容的提取

土地利用變化信息的提取方法有分類比較法、圖像差值法等。通過對土地利用類型變化進(jìn)行編碼來體現(xiàn)監(jiān)測實驗區(qū)建設(shè)用地變化和耕地變化。不同土地利用類型變化：例如占用耕地類型信息：（1）新增城鎮(zhèn)；（2）新增獨立工礦；（3）新增農(nóng)村居民點；（4）新修鐵路；（5）新增其他等。占用非耕地類型信息：（6）新增城鎮(zhèn)；（7）新增獨立工礦；（8）新增農(nóng)村居民點；（9）新修鐵路；（10）新增其他等。其它：（11）閑置建設(shè)用地；（12）被圈占的林地等。

2.2 變化信息的發(fā)現(xiàn)

這是土地利用變化信息的提取的第二個階段，變化信息的發(fā)現(xiàn)方法主要有兩種，一是多時相光譜數(shù)據(jù)直接比較法，多時相光譜數(shù)據(jù)直接比較法的具體比較方法可分為很多種，常用的有主成分差異法、差值法、光譜特征變異法等。差值法是根據(jù)差值圖像的差值來發(fā)現(xiàn)變化信息，該方法實現(xiàn)過程中需要利用軟件的ARI功能，對不同時相的SPOT融合影響的各個波段數(shù)據(jù)進(jìn)行減法處理，然后得到差值圖像。差值法的應(yīng)用依據(jù)是不同時相遙感影像上發(fā)生土地類型變化的部分灰度值有明顯的差異，而沒有發(fā)生變化的土地類型在影像上的灰度值相近或者是相同。在多波段差值圖像中，不同土地類型變化信息可以顯示為不同的顏色，在排除其他干擾信息后便可以準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)變化信息。采用差值法發(fā)現(xiàn)變化信息操作簡單方便，反應(yīng)迅速，但該方法對影像的時相有很高的要求，比較適用于同一季節(jié)，而且通過差值法獲取的圖像存在很多干擾信息，圖像干擾信息較多時會對解譯精度造成一定影響。差異主成分法與差值法相似，需要利用軟件的ARI和PCA功能，對不同時相各個波段數(shù)據(jù)進(jìn)行減法處理，相減后得到多波段差值圖像包含了兩個時相遙感影像上的大部分變化信息。然后對差值圖像取絕對值進(jìn)行主成份變換處理，圖像經(jīng)過主成份變換處理后，圖像的大部分變化信息集中在第一主分量中，并以高亮顏色顯示出來。差異主成分法的準(zhǔn)確率很高，因為該方法集中了多個波段的變化信息，但仍存在道路表面等干擾信息。

第二種變化信息的發(fā)現(xiàn)方法是分類后結(jié)果比較法，該方法首先需要對各個時相數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后比較分類后的土地變化類型，通過比較發(fā)現(xiàn)變化信息。結(jié)果比較法比較適用于新舊時期影像，該方法在發(fā)現(xiàn)變化信息的同時可以給出定量信息和變化類別。分類后結(jié)果比較法在操作過程中，不同時相的分類精度會影響的信息發(fā)現(xiàn)精度，而且該方法操作復(fù)雜，工作量較大。

2.3 變化區(qū)域的提取

第二階段的變化信息的發(fā)現(xiàn)可以檢測出領(lǐng)出監(jiān)測區(qū)域土地利用變化的分布情況和具體位置，雖然能夠檢測出具體位置，但發(fā)生變化的邊界位置以及變化的具體范圍并沒有完整體現(xiàn)出來，因此還需要進(jìn)行第三階段，提取變化區(qū)域，進(jìn)而明確變化區(qū)域的范圍、邊界以及變化區(qū)域的形狀。變化區(qū)域的提取方法有閾值法以及人機交互解譯法等。閥值法是利用閥值從圖像中提取變化區(qū)域，該方法只能夠獲取大概的圖斑范圍，準(zhǔn)確率不高，邊界粗糙，需要技術(shù)人員進(jìn)行大量工作，操作比較復(fù)雜。人機交互解譯法是根據(jù)解譯標(biāo)志進(jìn)行人機交互解譯，然后結(jié)合各地類界線從預(yù)處理后的圖像中顯示出變化區(qū)域。人機交互解譯法適用范圍比較廣，對采用閾值法以及其他方法均無效的復(fù)雜情況同樣適用，而且該方法應(yīng)用起來比較靈活，變化信息提取精度高。但其缺點是需要對圖像上的區(qū)域范圍進(jìn)行逐一提取，自動化程度低，工作量大。

提取變化區(qū)域之后還需要確定變化信息類型，土地利用變化信息類型的確定需要經(jīng)過外業(yè)調(diào)查來核實變化圖斑類型，具體操作這里不再詳細(xì)介紹。

3 結(jié)束語

以上是對土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的簡單分析，由于資料和篇幅限制，文章只對土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵步驟以及部分方法進(jìn)行了闡述。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，土地變化引起的環(huán)境問題越來越突出，所以要進(jìn)一步加強土地資源管理。遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)如今被廣泛應(yīng)用于土地利用監(jiān)測中，對推動我國土地資源管理事業(yè)的發(fā)發(fā)揮了重要作用。

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作者簡介：戴瀟蕾（1986，2-），女，籍貫：山東省煙臺市，現(xiàn)職稱：講師，學(xué)歷：碩士，研究方向：變形監(jiān)測。