土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測中運(yùn)用RS、GPS和GIS集成技術(shù)的研究

摘 要：土地利用數(shù)據(jù)的更新是土地管理工作的重要內(nèi)容之一。依靠常規(guī)的手段不僅更新速度慢、難以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，而且成圖周期長、效率低。依靠遙感（RS）手段可以主動(dòng)快速地發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，運(yùn)用差分GPS技術(shù)可以精確獲取土地利用變化的數(shù)量和性質(zhì)，GIS則是管理土地利用的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)（如土地利用類型、權(quán)屬、圖斑號(hào)等）的有效工具。基于RS、GIS和GPS的集成技術(shù)建立面向工程目標(biāo)的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測新方法是文章研究的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：遙感；GPS；土地利用更新；動(dòng)態(tài)監(jiān)測；集成平臺(tái)

土地是人類賴以生存和社會(huì)賴以發(fā)展的重要資源。長期以來，落后的土地管理技術(shù)手段一直是制約我國土地管理事業(yè)發(fā)展的瓶頸因素，特別是缺少現(xiàn)勢性的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，不能適時(shí)地進(jìn)行土地利用信息變更。傳統(tǒng)的土地利用監(jiān)測方法大部分工作需要人工完成，為了獲取一個(gè)地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀資料往往需要消耗大量的時(shí)間和人力物力進(jìn)行土地調(diào)查，不但方法落后而且難以保證數(shù)據(jù)的精度。因此，有必要研究一種既能節(jié)省人力物力財(cái)力，又能及時(shí)提供可靠信息的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測的方法。3S技術(shù)在其中發(fā)揮著越來越重要的作用，將之應(yīng)用于土地管理的土地利用中，不僅可以提高工作效率，實(shí)現(xiàn)土地利用信息的及時(shí)更新，更重要的是可以提高決策的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性，減少工作中的失誤。

一、運(yùn)用RS、GIS和GPS技術(shù)進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測的思路與方法

（一）3S技術(shù)簡介

衛(wèi)星遙感技術(shù)（RS）是一種遠(yuǎn)距離不直接接觸物體而取得其信息的探測技術(shù)，是獲取空間信息和時(shí)間序列信息的重要技術(shù)手段。由于土地利用特征具有顯著的空間特點(diǎn)和時(shí)間特點(diǎn)，通過遙感獲取的信息，可為恢復(fù)和重現(xiàn)土地利用的空間信息和預(yù)測未來發(fā)展趨勢奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而為更好地管理和土地利用狀況提供有效的工具和手段。

全球定位系統(tǒng)（GPS）是一種可以定時(shí)和測距的空間交會(huì)定點(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，廣泛應(yīng)用于土地資源的外業(yè)調(diào)繪和數(shù)據(jù)采集工作中。

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)硬、軟件環(huán)境的支持下，對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存取、編輯、處理、分析和顯示，并采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究、綜合評價(jià)、管理、定量分析和決策服務(wù)而建立起來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3S集成技術(shù)是指將上述三種對地觀測新技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)有機(jī)地集成在一起。在3S系統(tǒng)中，RS相當(dāng)于傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集更新；GPS相當(dāng)于定位器，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；GIS相當(dāng)于中樞神經(jīng)，進(jìn)行空間分析和綜合處理等。三者有機(jī)結(jié)合，能夠準(zhǔn)確把握土地資源利用變化區(qū)域的特征，實(shí)現(xiàn)土地資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。從未來發(fā)展看，利用RS，GPS技術(shù)快速準(zhǔn)確地獲取空間信息和GIS技術(shù)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理功能，即“兩只眼睛，一個(gè)大腦”有機(jī)結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)對信息實(shí)時(shí)、整體、動(dòng)態(tài)地管理。

目前我國土地管理部門進(jìn)行土地資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測和土地利用更新的主要手段是采用航空攝影測量技術(shù)，這種方法對大面積的土地利用數(shù)據(jù)的獲取非常有效，通過外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)處理獲得大比例尺的土地利用詳查圖和土地利用變更統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。但由于費(fèi)用很高，作業(yè)時(shí)間長，因此只適合中長期的普查工作。在進(jìn)行短周期的土地利用監(jiān)測中，一般會(huì)根據(jù)用地部門上報(bào)的用地?cái)?shù)據(jù)，采取人工野外現(xiàn)場測量（如簡易補(bǔ)測法）修改原圖，再清繪重新印刷成圖。此時(shí)這種方法的缺點(diǎn)就是明顯的：（1）不能主動(dòng)監(jiān)測變化；（2）變更數(shù)據(jù)獲取速度慢，多次清繪誤差累積；（3）一旦發(fā)現(xiàn)變化，原來的圖件即失去現(xiàn)實(shí)性；（4）土地利用圖斑多為不規(guī)則多邊形，運(yùn)用全站儀等測量工具只能測量拐點(diǎn)，不能連續(xù)測量整個(gè)邊界。

近年來遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，給土地管理部門提供了土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測新的思路與方法。

（二）土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測的主要思路

土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測的主要思路是：對多源數(shù)據(jù)（包括遙感，航攝像片等）進(jìn)行糾正、配準(zhǔn)、融合等預(yù)處理，通過圖像處理和影像判讀來確定變化屬性，結(jié)合人工判讀目視解譯，發(fā)現(xiàn)和提取土地利用的變化信息，實(shí)地核查測量，并建立土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。根據(jù)本思路所形成的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)圖如圖1所示。

（三）利用3S集成技術(shù)進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測的新方法和步驟

1.依靠RS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)變化“靶區(qū)”。數(shù)據(jù)快速獲取與集成，是地球信息科學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)，也是動(dòng)態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵。遙感技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已趨成熟。它能快速、動(dòng)態(tài)地提供地球表層的信息。TM、SPOT是三種最常用的資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在宏觀資源調(diào)查中發(fā)揮了巨大的作用。由于傳統(tǒng)的土地管理中只能被動(dòng)地由用地部門上報(bào)用地?cái)?shù)字，存在誤報(bào)、漏報(bào)的問題。采用遙感手段則可以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，空間位置一目了然。我們可以充分利用人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，采用交互式數(shù)字化來提取變化的區(qū)域。具體做法是：將疊加后的圖象顯示在屏幕上，通過人機(jī)交互判讀發(fā)現(xiàn)地塊變化，用不同顏色的符號(hào)標(biāo)注出來（包括屬性）。但是，由于目前的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的分辨率還不能滿足1∶1萬以上的大比例尺土地利用調(diào)查的要求，所以縣（市）土地部門并不能完全依靠RS手段進(jìn)行大比例尺土地利用數(shù)據(jù)的更新，必須綜合運(yùn)用更精確的數(shù)據(jù)采集手段。

2.運(yùn)用差分GPS技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量。差分GPS技術(shù)不僅可以提高單機(jī)定位精度，而且可以消除美國的SA政策所帶來的誤差和部分系統(tǒng)誤差，充分提高GPS的測量精度。根據(jù)基準(zhǔn)站傳向移動(dòng)站的誤差改正量不同，差分GPS（DGPS）又可分為距離差分、偽距差分、相位平滑偽距差分和載波相位差分。

3.GPS數(shù)據(jù)獲取?？紤]到土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測的需要，GPS選型應(yīng)該符合以下要求：（1）定位精度較高，差分處理后必須達(dá)到厘米級(jí)；（2）接收機(jī)內(nèi)存必須足夠大，才能滿足野外動(dòng)態(tài)測量的要求；（3）操作簡便，易于掌握；（4）差分處理軟件功能強(qiáng)，除了能夠進(jìn)行高精度的差分處理外，還要提供和常用GIS軟件的數(shù)據(jù)接口。

4.基準(zhǔn)站的建立。運(yùn)用3臺(tái)GPS接收機(jī)，其中一臺(tái)作為基準(zhǔn)站，另外2臺(tái)作為移動(dòng)站進(jìn)行測量。GPS衛(wèi)星處在兩萬多公里的高空，從衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)到接收機(jī)接收，中間要經(jīng)過電離層、對流層以及來自多方面的干擾。同時(shí)，由于RTK數(shù)據(jù)鏈采用超高頻（UHF）電磁波，它的傳輸距離與接收天線的高度、地球曲率半徑以及大氣折射等因素有關(guān)。因此，要提高GPS信號(hào)接收的質(zhì)量，基準(zhǔn)站必須遠(yuǎn)離各種強(qiáng)電磁干擾源；同時(shí)，為了減少多路徑效應(yīng)的影響，基準(zhǔn)站周圍應(yīng)無明顯的大面積的信號(hào)反射物。另外，要求基準(zhǔn)站電臺(tái)天線和移動(dòng)站天線之間無大的遮擋物，且天線盡量設(shè)置高一些，以提高電臺(tái)信號(hào)的傳輸距離。

5.變化地塊邊界坐標(biāo)點(diǎn)的獲取。在設(shè)定好基準(zhǔn)站后即可進(jìn)行移動(dòng)站的動(dòng)態(tài)測量，獲取變化地塊的邊界坐標(biāo)。可以是步行，也可以以自行車、摩托車作為載體。在實(shí)際測量中可能因?yàn)閷ΜF(xiàn)場不熟悉，雖然圖上發(fā)現(xiàn)了變化但難于在野外找到該變化地塊。解決的辦法一是請當(dāng)?shù)厥煜で闆r的人員做向?qū)?；另一種辦法是在室內(nèi)發(fā)現(xiàn)變化后在GIS系統(tǒng)中獲取變化圖斑中心的地理坐標(biāo)值，在野外如果難于確定變化區(qū)域，就起用GPS的導(dǎo)航功能，引導(dǎo)測量人員到達(dá)被測地塊的大致位置。

6.GPS數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于我國的土地、地形測量是以北京54坐標(biāo)系，或者80坐標(biāo)系為參照，而GPS測量數(shù)據(jù)是以WGS84地心坐標(biāo)系作為參照，這兩個(gè)坐標(biāo)系所采用的參考橢球體不同，因此必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。不同的研究目的對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度要求也不一樣。當(dāng)工作區(qū)內(nèi)有足夠的已知WGS84和北京54坐標(biāo)或者80坐標(biāo)時(shí)的情況時(shí)，可計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的7參數(shù)或3參數(shù)（旋轉(zhuǎn)參數(shù)、尺度參數(shù)和平移參數(shù)）進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在測量中不僅要獲取變化地塊的空間坐標(biāo)，而且要記錄下變化地塊的屬性變化。在測量前應(yīng)該對所有待測地塊進(jìn)行編號(hào)以免測量中遺漏。

7.GIS的空間數(shù)據(jù)組織、管理、分析與可視化的操作。地理信息系統(tǒng)（GIS）具有空間數(shù)據(jù)的輸入與編輯，組織與分析，查詢與管理以及制圖輸出等功能，因此適合用來管理土地利用數(shù)據(jù)。事實(shí)上，GIS一產(chǎn)生，土地部門就是一個(gè)重要的用戶。我國各級(jí)土地部門正在或即將運(yùn)用GIS建立各自的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，城鎮(zhèn)地籍?dāng)?shù)據(jù)庫和土地變更、土地登記管理等內(nèi)容的應(yīng)用系統(tǒng)。

由于我國1∶10000的農(nóng)村地籍圖是按3°帶高斯—克呂格投影到二維平面直角坐標(biāo)系下，所以GPS測量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行投影才能與GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。GPS測量數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成GIS數(shù)據(jù)格式，比如生成Arc/Info的Coverage才能和土地詳查數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析。

數(shù)據(jù)處理。根據(jù)外業(yè)測量結(jié)果對土地利用數(shù)據(jù)庫中的空間和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和補(bǔ)充，然后進(jìn)行圖形與屬性數(shù)據(jù)的正確性和一致性核查、拓?fù)溴e(cuò)誤檢查、接邊情況檢查等。

利用GIS進(jìn)行各類分析和制圖輸出。GIS在土地利用數(shù)據(jù)采集、管理、分析及制圖中具有明顯優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)庫更新后可利用它進(jìn)行如下主要操作：

疊加分析：將同一區(qū)域范圍內(nèi)兩個(gè)不同圖層的數(shù)據(jù)疊加在一起，其結(jié)果是生成一個(gè)新的圖層。通過疊加分析，可以產(chǎn)生土地利用變化圖，在該圖上標(biāo)明了土地利用變化范圍與分布區(qū)域。

統(tǒng)計(jì)分析：對土地利用現(xiàn)狀圖與土地利用變化圖上不同類型的圖斑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出各種類型變化的面積。將不同土地利用類型的面積繪制圖表，比較土地利用類型在數(shù)量上的變化。

總的來說，可通過GIS強(qiáng)大的查詢、顯示、分析等功能，對各類信息進(jìn)行對比、搜尋、疊加、篩選等處理，實(shí)現(xiàn)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為管理部門提供決策支持服務(wù)。

二、結(jié)語

利用遙感與傳統(tǒng)方法在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面相比較具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（一）直觀實(shí)時(shí)

運(yùn)用遙感可以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)土地利用的變化信息，提取變化地塊的大致區(qū)域；而傳統(tǒng)方法只能被動(dòng)地由用地單位或個(gè)人申報(bào)，存在少報(bào)和漏報(bào)的情況，增加了監(jiān)測的客觀性。此外，運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)成本低，能夠較好地發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，尤其是非農(nóng)業(yè)用地。

（二）保證精度

以GPS作為測量工具不僅快速而且精度高，可全天侯作業(yè)，測量操作簡便。

（三）效率更高

與傳統(tǒng)成圖方式相比，GIS的優(yōu)勢是公認(rèn)的。最重要的一點(diǎn)是數(shù)字地圖可以十分方便、快捷進(jìn)行空間分析、綜合、提取和修改。而且成圖周期短、成本低。此外GIS可以在日常地籍管理中發(fā)揮重要的作用，擯棄傳統(tǒng)卡片的管理方式。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測不僅是土地管理部門的重要工作內(nèi)容，而且直接關(guān)系到區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。目前，3S技術(shù)的使用還處在單一或綜合利用階段，將之系統(tǒng)性的應(yīng)用于土地資源調(diào)查還不多見，如GPS技術(shù)只是簡單的導(dǎo)航定位功能，沒有與RS、GIS實(shí)現(xiàn)在線連接，影響了3S潛在和整體功能的發(fā)揮。所以，探索3S集成技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的路徑與方法，使其與傳統(tǒng)調(diào)查手段緊密結(jié)合，既能發(fā)揮3S技術(shù)豐富的數(shù)據(jù)源和強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，又能充分利用野外調(diào)查、取樣、分析的精確優(yōu)勢，對實(shí)現(xiàn)兩者的相互驗(yàn)證與補(bǔ)充、保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性與精確性、建立面向用戶的土地資源信息系統(tǒng)、反映土地資源動(dòng)態(tài)變化提供有效的技術(shù)支持。隨著高新技術(shù)的迅速發(fā)展及3S技術(shù)的廣泛普及，3S集成技術(shù)將更趨系統(tǒng)化。

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作者簡介：齊俊奎，山西省第三地質(zhì)工程勘察院。