遙感監(jiān)測(cè)土地覆蓋變化的方法及研究進(jìn)展

冷澤華

摘 要：本文對(duì)監(jiān)測(cè)土地覆蓋變化使用的遙感監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究，首先介紹了遙感圖像的處理方法，其次研究了土地覆蓋變化信息提取方法，最后提到了土地覆蓋遙感地物分類的新進(jìn)展，旨在通過研究遙感技術(shù)在土地覆蓋變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，總結(jié)歸納出主要方法和研究現(xiàn)狀及最新趨勢(shì)，為促進(jìn)遙感技術(shù)在環(huán)境變化研究中的應(yīng)用和發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：土地覆蓋變化；遙感技術(shù)；方法；研究進(jìn)展

土地覆蓋變化可以影響地氣能量平衡，從而引起地表及大氣組分的變化，這種變化會(huì)影響部分區(qū)域及小氣候，主要表現(xiàn)在地表反射率、粗糙度、土壤水分、水分交換、地氣系統(tǒng)能量交換平衡的擾動(dòng)上。而遙感技術(shù)以及衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠?yàn)橥恋馗采w變化監(jiān)測(cè)提供豐富的動(dòng)態(tài)鏈家數(shù)據(jù)源，已成為了獲取土地覆蓋信息最有效的手段之一。

1 遙感圖像處理方法

遙感技術(shù)作為一種先進(jìn)綜合性技術(shù)，借助各國(guó)太空中的各種導(dǎo)航定位衛(wèi)星，對(duì)地物進(jìn)行衛(wèi)星識(shí)別，成像原理是通過傳感器，把接觸到遠(yuǎn)處物體的反射電磁波帶來的相關(guān)信息進(jìn)行收集和處理。電磁波理論也是地籍調(diào)查和測(cè)量中，實(shí)施遙感技術(shù)的工作原理，另外，遙感技術(shù)的組成部分包括：平臺(tái)、遙感器、接收器、傳輸設(shè)備、圖像處理等。遙感在土地覆蓋變化監(jiān)測(cè)應(yīng)用上的條件是發(fā)生了廣譜反射和輻射值變化，且要大于其他照度、物候、大氣等引起的反射輻射值的變化。圖像處理是必須進(jìn)行的步驟，通過抑制其他信息的干擾來增強(qiáng)土地覆蓋變化信息，這直接影響到了監(jiān)測(cè)的精度。

1.1 預(yù)處理圖像

預(yù)處理圖像是對(duì)不同傳感器或不同時(shí)相之間的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)的工作，包括輻射恢復(fù)、大氣和幾何校正、圖像匹配、鑲嵌等。經(jīng)常利用道德處理圖像方式有：ATCOR2快速大氣校正模型、TM影像的大氣校正試驗(yàn)、ASCR、相對(duì)輻射歸一化（RRN）。

1.2 增強(qiáng)圖像

增強(qiáng)圖像的方法多種多樣，主要的方法有：調(diào)整直方圖、直方圖線性擴(kuò)展、多波段線性組合、濾波及分析主成分等。但是對(duì)不同資料和問題，應(yīng)該有針對(duì)性和特殊性地采用不同增強(qiáng)方式，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變通，不能對(duì)所有的問題都采取同樣的增強(qiáng)方法。

1.3 融合多源影像

多源影像是指融合多光譜圖像和高分辨率圖像，這樣做的好處是不僅提高了分辨率，還擴(kuò)展了地物光譜信息，現(xiàn)在已成為我國(guó)遙感圖像處理的新興手段，并得到了廣泛的應(yīng)用。融合多源影像的技術(shù)方法有三種，分別是像素融合、特征融合、先驗(yàn)知識(shí)和影響理解融合。下面分別就這三種技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

①像素融合；像素融合使用到的方法有：Brovey變換法，HIS變換法，加權(quán)融合法，主分量分析法。比如在實(shí)際的操作中，可以使用Brovey圖像變換法，通過融合SPOT和TM資料，將得到的結(jié)果應(yīng)用于地區(qū)土地覆蓋調(diào)查中去；②特征融合；特征融合這種技術(shù)是把地物空間結(jié)構(gòu)和紋理特征方法結(jié)合在一起，比較常使用的是小波變換融合法，采用這種方法可以進(jìn)行光譜特征信息和幾何特征的融合，同時(shí)還具有減少原始圖像廣譜的信息損失，提高分辨率和細(xì)節(jié)的作用；③先驗(yàn)知識(shí)和影響理解融合；這一技術(shù)建立在圖像概略分類的前提上，可根據(jù)不同類別選擇適合的特征影響，并進(jìn)行融合。采用這一方法可以對(duì)SPOT影像，ERS-2雷達(dá)影像和TM多光譜影像等進(jìn)行融合，融合的信息都屬于多源信息。

2 土地覆蓋變化信息提取方法

2.1 大尺度研究方法

大尺度就是指全球、全國(guó)、全洲等為單位的尺度。大尺度研究以前使用最多的是NOAA/AVHRR資料。大尺度研究采取的主要方法是通過計(jì)算NDVI等植被指數(shù)，對(duì)土地覆蓋分類，同時(shí)對(duì)變化信息進(jìn)行檢測(cè)。計(jì)算的方法有以下兩種。

2.1.1主成分分析法

使用這一方法主可以通過提取主要信息，對(duì)土地覆蓋進(jìn)行研究。比如早期經(jīng)常使用的多時(shí)相AVHRR的NDVI數(shù)據(jù)，對(duì)派生的主分量進(jìn)行土地覆蓋分類研究。

2.1.2 植物季相節(jié)律和物候特征法

使用這一方法，可以對(duì)植被類型NDVI的年變化曲線進(jìn)行分析，在對(duì)植被的類型和季相節(jié)律，以及物候特征的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，區(qū)分植被的類別。土地覆蓋變化的檢測(cè)過程中應(yīng)用遙感技術(shù)，現(xiàn)代遙感技術(shù)還可以對(duì)旱情、洪澇、積雪、水質(zhì)等情況進(jìn)行檢測(cè)，在一定程度上對(duì)自然災(zāi)害具有較大的防治作用。例如：運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)土壤流失、土壤侵蝕相關(guān)元素的檢測(cè)，借助逐像比較、逐像分類兩者之間相結(jié)合運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。構(gòu)建水土流失定量計(jì)算模型研究水土流失的情況，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患、及時(shí)采取防治措施、采取有效的治理方式，最大程度的減少水土流失、確保水土的平衡，有效的控制、預(yù)測(cè)旱情。

2.2 區(qū)域尺度研究方法

區(qū)域尺度是指以國(guó)內(nèi)范圍，比如省、地、縣、區(qū)等為單位的尺度。主要方法可分為兩大類，分別是元光譜的直接比較為基礎(chǔ)的方法，和分類后比較為基礎(chǔ)的方法。

2.2.1 元光譜的直接比較為基礎(chǔ)的方法包括：

不同時(shí)相的波段代數(shù)運(yùn)算法，如差值法、比值法、植被指數(shù)法等。還有回歸法、主成分分析法、變化向量分析法（CVA）。分類后比較為基礎(chǔ)的方法包括：不同時(shí)相數(shù)據(jù)的分類后比較法、不同時(shí)相數(shù)據(jù)的直接分類比較法。這兩類方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行選擇。

2.2.2 回歸法首先需要假設(shè)

定時(shí)相t1內(nèi)的像元值與t2像元值構(gòu)成線性函數(shù)，借助最小二乘法，促使其進(jìn)行回歸，使用回歸方程將預(yù)測(cè)值計(jì)算出來，并將t1內(nèi)的原始像素值減去，以此獲得時(shí)相回歸殘差圖像。經(jīng)過回歸處理之后，在一定程度上遙感數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)輻射水準(zhǔn)的校正，以此降低多時(shí)相數(shù)據(jù)由大氣條件、太陽高度帶來的影響。（下轉(zhuǎn)第241頁）

（上接第239頁）

2.2.3 成分分析法

變化檢測(cè)研究工作開展中，多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)中的主分量可以將其作為圖像差值法、回歸法的輸入?yún)?shù)，可以對(duì)每個(gè)時(shí)相數(shù)據(jù)開展獨(dú)立分析，明確其主分量，接著開展分量比較工作，將信息變化呈現(xiàn)出來。通過構(gòu)建多時(shí)相數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)強(qiáng)制性的組合在一起，形成單一的遙感數(shù)據(jù)組，接著開展主分量分析工作。

2.2.4 變化向量分析法

變化向量分析法也稱之為“CVA”分析法，基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)內(nèi)的任意矢量，可以在多維測(cè)量空間內(nèi)，使用某一點(diǎn)開展表示作業(yè)，描述與分析第一時(shí)相t1，第二時(shí)相t2在多維空間內(nèi)的變化情況，通過分析方向能夠明確變化類型。上述4種方式，在其應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)土地覆蓋變化目標(biāo)的明確分布，輕易將變化數(shù)量確定出來。但在其應(yīng)用中也存在著一些缺點(diǎn)，主要包括搬移實(shí)現(xiàn)圖像輻射糾正，多時(shí)相、季節(jié)光譜的統(tǒng)一，幾何標(biāo)準(zhǔn)要求相對(duì)較高。

3 土地覆蓋遙感地物分類的新進(jìn)展

遙感技術(shù)作為一種先進(jìn)綜合性技術(shù)，借助各國(guó)太空中的各種導(dǎo)航定位衛(wèi)星，對(duì)地物進(jìn)行衛(wèi)星識(shí)別，成像原理是通過傳感器，把接觸到遠(yuǎn)處物體的反射電磁波帶來的相關(guān)信息進(jìn)行收集和處理。新進(jìn)展主要表現(xiàn)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類的廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)性，多源信息分類，優(yōu)化組合、改進(jìn)現(xiàn)有分類方法上。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與傳統(tǒng)監(jiān)督分類法相比，具有容錯(cuò)率高，處理速度快，分類精度強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。多源信息分類可以利用GIS技術(shù)對(duì)形狀信息提取及改善精度等產(chǎn)生糾正的作用。我們需要對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合和升級(jí)，獲取關(guān)于地學(xué)先驗(yàn)知識(shí)，并把先驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用到挖掘分類空間數(shù)據(jù)，這也是遙感研究的焦點(diǎn)之一。強(qiáng)化多元信息分類，將對(duì)中遙感技術(shù)收集的數(shù)據(jù)介個(gè)在一起，強(qiáng)化與非遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合運(yùn)用。比如GIS技術(shù)，這類結(jié)合分類技術(shù)屬于全新的遙感分類技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。在遙感分類前，能夠在影像分區(qū)應(yīng)用GIS數(shù)據(jù)技術(shù)，可以在信息分類中輔助數(shù)據(jù)層開展各項(xiàng)分類工作，可以輔助系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)后期處理。

隨著近十幾年的發(fā)展，傳統(tǒng)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)理擴(kuò)展，同時(shí)也將數(shù)據(jù)引入了分類領(lǐng)域中，分層聚類、決策樹等方式得到了廣泛的應(yīng)用。能夠獲取精準(zhǔn)、有效的數(shù)據(jù)，借助地理學(xué)知識(shí)開展數(shù)據(jù)分析與利用，將相關(guān)知識(shí)應(yīng)用在空間數(shù)據(jù)挖掘中，能夠?qū)崿F(xiàn)土地覆蓋信息數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)與研究，這也是當(dāng)前遙感技術(shù)應(yīng)用中的熱點(diǎn)研究問題之一。

4 結(jié)束語

綜上所述，遙感技術(shù)能夠從多波段，多時(shí)相和全天侯角度獲得全球觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有全球觀測(cè)的能力。遙感測(cè)量技術(shù)將信息傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、傳感器融為一體，在實(shí)際的應(yīng)用中，具備監(jiān)測(cè)周期短、數(shù)據(jù)全的特點(diǎn)，能夠進(jìn)行全天候作業(yè)，不會(huì)受到時(shí)間、氣候的影響。隨著不斷發(fā)射上天的新型遙感衛(wèi)星，今后將出現(xiàn)種類更豐富的數(shù)據(jù)源，和新的變化檢測(cè)方法，與此同時(shí)遙感分類的精度會(huì)得到不斷提升。在對(duì)全球氣候變的監(jiān)測(cè)和研究上，遙感技術(shù)將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

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