基于遙感與GIS的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的研究

王茂乾

自然資源部第一地形測(cè)量隊(duì) 陜西 西安 710054

隨著科技的發(fā)展，傳感器空間分辨率提高，呈現(xiàn)出多平臺(tái)、短周期獲取多源遙感數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。RS技術(shù)是獲取空間信息的重要技術(shù)手段，通過(guò)遙感獲取時(shí)間序列信息，為重現(xiàn)土地利用空間信息提供支持。目前城市建設(shè)步伐加快，高分辨率衛(wèi)星遙感的發(fā)展，為土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供新的信息源，為空間信息處理帶來(lái)新動(dòng)力。RS發(fā)展為土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息獲取奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 遙感與GIS技術(shù)概述

土地利用覆蓋變化是環(huán)境變化的重要原因。當(dāng)前3S技術(shù)廣泛應(yīng)用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，RS可提供多時(shí)相的大范圍信息；RS與GIS技術(shù)在資源環(huán)境變化監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮重要作用。結(jié)合RS與GIS技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土地利用，從宏微觀(guān)觀(guān)察土地利用結(jié)構(gòu)等變化，為土地管理部門(mén)決策提供客觀(guān)依據(jù)。

RS，GIS與GPS是目前地理空間信息獲取更新分析應(yīng)用支撐技術(shù)，3S技術(shù)應(yīng)用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，GPS主要 用于提供靶區(qū)準(zhǔn)確空間位置，GIS對(duì)多種來(lái)源數(shù)據(jù)綜合處理；RS用于實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)地球表面變化[1]。遙感技術(shù)應(yīng)用第二階段表示動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，數(shù)字遙感技術(shù)及時(shí)動(dòng)態(tài)得到區(qū)域時(shí)間段影像系列優(yōu)點(diǎn)，土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)是具有周期性特點(diǎn)的遙感信息為信息源，基于不同年份同時(shí)相影像間存在光譜特征差異原理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)土地利用狀況系統(tǒng)分析的方法。土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)是快速獲取土地利用變化信息的重要手段。

GIS是處理分析空間數(shù)據(jù)的有力工具，促進(jìn)空間信息專(zhuān)題制圖。GIS與遙感結(jié)合成為二者發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)用遙感與GIS結(jié)合，利用遙感數(shù)據(jù)獲取土地利用現(xiàn)狀信息[2]。利用GIS功能進(jìn)行土地利用狀況動(dòng)態(tài)分析，土地利用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采用人機(jī)交互方式對(duì)遙感圖像解釋?zhuān)?jì)算區(qū)域各地類(lèi)變化面積。

2 土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究

土地利用是人類(lèi)有目的開(kāi)發(fā)利用土地資源的活動(dòng)，通過(guò)發(fā)展工農(nóng)業(yè)等滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展需要，改變地表形態(tài)及生物物種平衡，地球上1/2的土地被人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響[3]。土地利用動(dòng)態(tài)變化研究有助于加強(qiáng)土地科學(xué)管理，土地利用變化研究要揭示變化過(guò)程，遙感與GIS技術(shù)成為土地利用變化研究的重要工具，對(duì)變化信息動(dòng)態(tài)管理日益得到重視，遙感技術(shù)在土地利用變化研究中作用是進(jìn)行土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.1 遙感圖像處理

土地資源利用是動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，利用遙感技術(shù)對(duì)研究區(qū)土地利用變化進(jìn)行科學(xué)更新，為國(guó)家宏觀(guān)決策提供可靠的土地利用變化情況，隨著國(guó)土合理開(kāi)展，土地管理部門(mén)如何準(zhǔn)確獲取土地利用動(dòng)態(tài)變化信息尤為重要[4]。土地利用遙感監(jiān)測(cè)目的是準(zhǔn)確掌握土地利用狀況，內(nèi)容包括土地利用變化類(lèi)型，相關(guān)環(huán)境要素變化等。遙感圖像處理包括預(yù)處理與增強(qiáng)處理。

遙感圖像預(yù)處理是對(duì)原始圖像進(jìn)行輻射增強(qiáng)，使不同時(shí)相圖像具有統(tǒng)一地理坐標(biāo)等。用戶(hù)從遙感圖像提取專(zhuān)題信息，需對(duì)原始圖像進(jìn)行幾何校正。多項(xiàng)糾正法原理直觀(guān)，共線(xiàn)方程就蒸發(fā)具有優(yōu)越性，但需提供高程數(shù)據(jù)，通常用于二元三次多項(xiàng)式圖像糾正。遙感圖像增強(qiáng)是對(duì)圖像進(jìn)行專(zhuān)題信息增強(qiáng)處理，根據(jù)圖像后處理需要，擴(kuò)大灰階層次，按圖像在亮度等方面適應(yīng)人眼視覺(jué)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)單波段圖像增強(qiáng)，使不同土地利用類(lèi)型邊界清晰。

2.2 GIS在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

土地利用動(dòng)態(tài)變化包括數(shù)量類(lèi)型變化，應(yīng)對(duì)土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，找出各類(lèi)發(fā)生變化主導(dǎo)因素。GIS空間信息分析包括疊加、網(wǎng)絡(luò)分析等。利用GIS信息分析技術(shù)，可以獲取土地利用變化信息。GIS可以設(shè)計(jì)具有個(gè)性化的電子地圖。

土地利用變化分析中應(yīng)用GIS幾何量算功能計(jì)算圖斑面積，統(tǒng)計(jì)各類(lèi)用地面積總和；利用查詢(xún)檢索工具對(duì)土地利用類(lèi)型歸類(lèi)處理等。利用GIS分類(lèi)成圖功能形成土地利用類(lèi)型圖，應(yīng)用GIS屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，統(tǒng)計(jì)各類(lèi)用地面積[5]。遙感技術(shù)以其真實(shí)性特點(diǎn)，對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，GIS空間分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)土地利用變化量面積量算等操作。

2.3 遙感數(shù)據(jù)融合

遙感數(shù)據(jù)融合是采用將遙感圖像數(shù)源提供信息綜合，降低其不確定性，形成對(duì)目標(biāo)完整一致的信息描述。通過(guò)多種傳感器數(shù)據(jù)處理增進(jìn)對(duì)目標(biāo)的解讀。數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)備工作包括影像數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)，SPOT影像表現(xiàn)色調(diào)較暗，融合時(shí)會(huì)影響整體亮度表現(xiàn)，需要對(duì)SPOT影像灰度拉伸處理，灰度拉伸方法包括分段拉伸，指數(shù)拉伸等。

影像數(shù)據(jù)處理針對(duì)SPOT全色高分辨率影像細(xì)部特征處理，采用直方圖線(xiàn)性拉伸法增強(qiáng)SPOT影像局部反差。對(duì)建筑物差異進(jìn)行特殊處理。應(yīng)用算法將兩種數(shù)據(jù)融合，保證TM多光譜影像豐富色彩信息，土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合包括元級(jí)融合、決策級(jí)融合。像元級(jí)數(shù)據(jù)融合是低水平融合，經(jīng)分析處理后得到研究對(duì)象特征信息，缺點(diǎn)是所需處理信息量大，不能顧及地物圖像特征。像元級(jí)數(shù)據(jù)融合常用算法有HIS變換等。小波變換是最近發(fā)展不斷融合方法，統(tǒng)計(jì)融合數(shù)據(jù)均值[6]。小波變換法可聚焦到分析對(duì)象任意細(xì)節(jié)，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低的場(chǎng)合。

特征級(jí)數(shù)據(jù)融合是中等水平融合，將提取特征信息充分表示量進(jìn)行分類(lèi)處理，優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息壓縮，為決策信息提供所需特征信息。Bayes決策法是分析傳感器獲取信息相關(guān)性，運(yùn)用Bayes決策法時(shí)涉及先檢概率問(wèn)題，比值運(yùn)算將同像元對(duì)應(yīng)不同波段作商運(yùn)算，得到圖像與原有圖像 色調(diào)下降，變化區(qū)域色調(diào)突出。可以分辨邊緣地帶，是土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中可采用的處理方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有通過(guò)計(jì)算進(jìn)行推力的突出特點(diǎn)，可以提高數(shù)據(jù)融合推理速度。

2.3.1 土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)遙感與GIS的應(yīng)用

研究項(xiàng)目選取長(zhǎng)三角南京市江寧區(qū)，試總面積1566.78km2，江寧區(qū)水域面積186km2，境內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，丘陵崗地面積最大。地形呈馬鞍狀，地勢(shì)開(kāi)闊，山體高度在海拔400m以下。項(xiàng)目地區(qū)是人類(lèi)活動(dòng)與資源環(huán)境密切的地區(qū)。

根據(jù)對(duì)影響土地利用變化成因分析，確定影響因素包括土地覆蓋類(lèi)型，土壤水分等區(qū)域性參數(shù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等有關(guān)。綜合分析土地利用影響因素，利用遙感圖像獲取土地利用分類(lèi)圖，通過(guò)數(shù)字化方式獲取基礎(chǔ)年土地利用狀況資料,為政府部門(mén)決策提供科學(xué)依據(jù)。

MOMS-2P通過(guò)三行線(xiàn)陣CCD掃描獲得沿軌向立體像對(duì)，SCOP軟件完成圖像匹配與三角測(cè)量方法生成DHIM。MOMS-2P可用于土地利用狀況分類(lèi)，首先選擇樣區(qū)分波段對(duì)地物類(lèi)型分類(lèi)訓(xùn)練，進(jìn)行研究區(qū)多波段遙感圖像分類(lèi)。獲得土地利用分類(lèi)專(zhuān)題為柵格類(lèi)數(shù)據(jù)格式，將土地利用圖像轉(zhuǎn)化為多邊形Coverages，用于DEM三維地面土地利用制作。

系統(tǒng)歷史圖資料通過(guò)數(shù)字化方法建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，首先在MapGIS平臺(tái)下對(duì)1：10000地形圖進(jìn)行掃描數(shù)字化等工作，數(shù)字化內(nèi)容包括地形水文等，通過(guò)E00交換文件格式轉(zhuǎn)換格式，進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換及圖像拼貼，形成完整的矢量數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)遙感圖像分類(lèi)計(jì)數(shù)，建立基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)精度等不一致，需建立合適統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)集成矢量數(shù)據(jù)類(lèi)型。

2.3.2 RS，GIS支持下的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析

RS，GIS支持下對(duì)遙感圖像，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源空間數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)分析，對(duì)影響土地利用變化特征規(guī)律，對(duì)不同時(shí)期土地利用專(zhuān)題圖層進(jìn)行時(shí)序分析，通過(guò)比較對(duì)土地利用預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)性依據(jù)，對(duì)分析結(jié)果制圖輸出，以村級(jí)行政單位為基本分析單元，生成不同用途的獨(dú)立結(jié)果，主要包括DEM分析，土地利用分析，Overlay分析等。

土地利用分析是對(duì)土地利用程度，植被類(lèi)型等因子分析，對(duì)植被因子敏感紅外波進(jìn)行圖像處理，由于NDVI可綜合反映植被覆蓋度，葉面積指數(shù)等特征，結(jié)合GIS技術(shù)支持，對(duì)比獲得土地利用時(shí)相變化特征。DEM基于DEM單要素多時(shí)相分析，可通過(guò)不同時(shí)相DEM數(shù)據(jù)比較獲得研究區(qū)地形變化，直接獲得土壤侵蝕狀況分布。利用GIS的Overlay功能，對(duì)不同時(shí)期遙感分類(lèi)圖像進(jìn)行疊置分析，掌握土地利用在空間的連續(xù)變化情況，為及時(shí)掌握土地利用情況提供可靠依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星遙感信息是土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要信息源。土地資源利用需要長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)支持，通過(guò)多種方法監(jiān)測(cè)分析，了解土地利用動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。RS，GIS技術(shù)集成為進(jìn)行土地利用監(jiān)測(cè)提供科學(xué)保證，GIS空間分析應(yīng)用為各級(jí)部門(mén)提供輔助決策。系統(tǒng)分析自然地理各因子對(duì)土地利用變化狀況的影響，由于多方面原因，需要深入研究專(zhuān)家系統(tǒng)引入等內(nèi)容。