基于遙感和GIS技術(shù)的耕地后備資源調(diào)查研究

肖 禹 ， 周 寧

（1.唐山市曹妃甸區(qū)自然資源和規(guī)劃局，河北 唐山 063210；2.江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊(duì)，江西 南昌 330001）

現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展速度的提升，使得各地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)于耕地資源的需求量呈現(xiàn)一種增加趨勢(shì)，按照《中華人民共和國(guó)土地管理法》第30條的規(guī)定，非農(nóng)業(yè)建設(shè)經(jīng)批準(zhǔn)占用耕地的，按照“占多少，墾多少”的原則，由占用耕地的單位負(fù)責(zé)開墾與所占用耕地的數(shù)量和質(zhì)量相當(dāng)?shù)母?。因此，補(bǔ)充耕地是一項(xiàng)十分重要的工作，如何在此過(guò)程中，找尋更多的耕地后備資源，保證建設(shè)用地的平衡性，成為土地資源管理與相關(guān)單位亟需解決的問(wèn)題[1]。為全面落實(shí)耕地補(bǔ)償工作，本研究引進(jìn)GIS技術(shù)與遙感技術(shù)，以某地區(qū)為例，開展耕地后補(bǔ)資源調(diào)查工作的研究，試圖通過(guò)此種方式，給予后備資源的連續(xù)性保障。

1 遙感技術(shù)與GIS技術(shù)

1.1 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)以電磁波理論作為支撐，輔助多種傳感器設(shè)備的使用，根據(jù)探測(cè)目標(biāo)反饋的電磁波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行綜合收集、整理、針對(duì)性處理，從而形成完整的遙感圖像[2-4]?；诖朔N方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表不同景物與事物的精準(zhǔn)探測(cè)與識(shí)別。與此同時(shí)，應(yīng)正確認(rèn)知，在一個(gè)相同的光譜感知區(qū)域內(nèi)，不同的物體對(duì)于光譜的感知能力是不同的，即便是相同的物體，他們?cè)诓煌膮^(qū)域內(nèi)或在不同的場(chǎng)景中，也會(huì)由于反射光線不同，產(chǎn)生光譜吸收程序差異的現(xiàn)象[4-6]。通常情況下，遙感技術(shù)的有效波段為紅色光、紅外光與綠色光，綠色光段主要用于地下水環(huán)境中事物的探測(cè)以及外界環(huán)境中巖體、土壤、地質(zhì)層等特性的綜合分析，紅色光段主要用于探測(cè)植被生長(zhǎng)情況、事物變化及其規(guī)律的挖掘、水體污染特性等，紅外線光段主要用于探測(cè)礦產(chǎn)資源與土地資源。因此，紅外光段更加適用于本研究提出的耕地后備資源調(diào)查需要。

1.2 GIS技術(shù)

GIS技術(shù)屬于一種具有多學(xué)科、多專業(yè)交叉優(yōu)勢(shì)的技術(shù)。在應(yīng)用中，可將地理空間信息作為基礎(chǔ)，利用此方面信息，建立標(biāo)準(zhǔn)化的地理結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)模型中地理空間與動(dòng)態(tài)信息的更新，實(shí)現(xiàn)為地質(zhì)研究與地質(zhì)資源調(diào)查提供一種計(jì)算機(jī)專項(xiàng)服務(wù)[7-10]。此項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用中的具體功能是將模型中的表格數(shù)據(jù)（表格中數(shù)據(jù)可以來(lái)自源端，也可以來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)或電子程序）通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，轉(zhuǎn)換成圖像進(jìn)行顯示，并采用對(duì)圖像的集中分析、操作、瀏覽，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)環(huán)境與地理資源的更新。基于宏觀角度分析，GIS技術(shù)是一項(xiàng)較為特殊的數(shù)據(jù)空間系統(tǒng)，在多功能硬件設(shè)備與完善的編譯程序的支撐下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行專項(xiàng)采集、處理、存儲(chǔ)、管理、分析與描述。

2 基于遙感和GIS技術(shù)的某地區(qū)耕地后備資源調(diào)查

2.1 數(shù)據(jù)源選擇

為實(shí)現(xiàn)對(duì)某地區(qū)后備資源的合理調(diào)查，以遙感技術(shù)和GIS技術(shù)作為基礎(chǔ)，應(yīng)用假彩色合成的方法，生成對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的影像圖。同時(shí)，選擇將按照1∶10 000比例生成的土地利用現(xiàn)狀圖以及該地區(qū)所屬行政區(qū)域的劃分圖作為輔助條件，將上述所有圖像作為耕地后備資源調(diào)查的數(shù)據(jù)源。除此之外，在項(xiàng)目開展的初期階段，還需要與自然資源、農(nóng)業(yè)、交通等相關(guān)部門溝通，獲取相關(guān)資料，以此確保在圖件、數(shù)據(jù)和文字三個(gè)方面都具備豐富的數(shù)據(jù)資源，確保后續(xù)各項(xiàng)調(diào)查工作順利開展。針對(duì)獲取到的各類電子檔案資料數(shù)據(jù)信息，按照獲取時(shí)間的先后順序進(jìn)行整理，并為后續(xù)工作提供準(zhǔn)備。針對(duì)各類紙質(zhì)資料數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字矢量化處理。在充分遵循紙質(zhì)圖數(shù)字化技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，利用空間數(shù)據(jù)與柵格圖、矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上一次該地區(qū)耕地后備資源作為基礎(chǔ)，結(jié)合獲取到的各項(xiàng)資料，初步確定該地區(qū)耕地后備資源的具體分布情況，并確定后續(xù)工作開展的各項(xiàng)調(diào)查區(qū)域以及具體路線。具體而言，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行對(duì)比分析，將區(qū)域范圍內(nèi)所有坡度角在25°以下的非耕地圖斑去除，同時(shí)去除的圖像還包括自然坡度角為5級(jí)的區(qū)域圖像、復(fù)墾后備資源當(dāng)中面積未超過(guò)300 m2的獨(dú)立圖斑、林業(yè)部門規(guī)劃的生態(tài)公益林區(qū)域圖像等。

2.2 耕地后備資源類型劃分

在完成對(duì)數(shù)據(jù)源的選擇后，針對(duì)各類耕地后備資源類型進(jìn)行劃分。首先，針對(duì)灘涂區(qū)域的耕地后備資源進(jìn)行劃分。通常情況下，灘涂區(qū)域內(nèi)的墾殖指數(shù)較高，但在耕地后備資源占比較低，并且容易出現(xiàn)各類災(zāi)害問(wèn)題。若在灘涂區(qū)域范圍內(nèi)建設(shè)水庫(kù)，則在汛期灘涂水流量將會(huì)得到有效控制，其面積也會(huì)發(fā)生一定改變，進(jìn)而形成適宜開墾和種植的區(qū)域。灘涂區(qū)域又可以分為新灘和舊灘兩種，舊灘的表面更加平坦，而且將其作為耕地在開墾莊稼時(shí)行壟分布更加整齊，周圍常常會(huì)有供居民居住的房屋等其他建筑物。而上述舊灘的特點(diǎn)在新灘上并不常見。在遙感圖像上其分布的位置通常會(huì)與周圍河流的走向平行，并且大多集中在河流灘區(qū)內(nèi)部。隨后，依次依據(jù)不同地類特征對(duì)其他各類耕地后備資源類型進(jìn)行劃分。

2.3 基于遙感和GIS技術(shù)的圖像解譯

2.3.1調(diào)查工作流程

在完成對(duì)耕地后備資源的類型劃分后，引入遙感和GIS技術(shù)，對(duì)獲取到的遙感圖像進(jìn)行全面解釋。選擇將獲取到的遙感影像作為信息源，結(jié)合人機(jī)交互的RS完成對(duì)信息的采集。具體而言，在調(diào)查過(guò)程中，需要完成對(duì)遙感圖像的處理、地形圖數(shù)字化處理、影像幾何校正等工作，其調(diào)查工作流程示意圖如圖1所示。

圖1 基于遙感和GIS技術(shù)的調(diào)查工作流程示意圖

按照?qǐng)D1所示的流程完成對(duì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)所有耕地后備資源的調(diào)查。在調(diào)查過(guò)程中，要準(zhǔn)確詳實(shí)地對(duì)調(diào)查地區(qū)耕地后備資源的特征信息進(jìn)行記錄，以此來(lái)反映區(qū)域內(nèi)地貌具體數(shù)值特征。以圖像當(dāng)中地貌坡面的傾斜程度為例，利用數(shù)值分析法對(duì)其進(jìn)行量化處理。假設(shè)某一地貌坡面的坡度為s，則其在東西方向或南北方向上的高程變化率可用如下公式計(jì)算得出：

式中，S為總高程變化率；fx為東西方向變化率；fy為南北方向變化率。在公式（1）的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)規(guī)格為3×3的局部移動(dòng)窗口，如圖2所示。

圖2 3×3規(guī)格局部移動(dòng)窗口示意圖

在圖2所示的窗口上完成對(duì)地貌坡面高程變化率數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，在實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮到地貌在描述過(guò)程中的尺度效應(yīng)問(wèn)題以及不確定性問(wèn)題，選擇合理的尺度完成對(duì)DEM坡度信息的提取，完成對(duì)耕地后備資源區(qū)域的調(diào)查工作。

2.3.2數(shù)字化配準(zhǔn)

對(duì)遙感衛(wèi)星圖像與地形圖進(jìn)行配準(zhǔn)，具備準(zhǔn)確精度的遙感圖像和具備準(zhǔn)確精度的柵格地形圖像能夠?qū)崿F(xiàn)完全重疊，在配準(zhǔn)時(shí)可選擇在MapInfo軟件當(dāng)中以打開表的方式將柵格地形圖像打開。若第一次將該圖像打開，則此時(shí)MapInfo軟件會(huì)彈出提示窗口詢問(wèn)是否需要配準(zhǔn)，此時(shí)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊配準(zhǔn)按鈕，再進(jìn)入到配準(zhǔn)圖像對(duì)話框當(dāng)中，通過(guò)投影和設(shè)置坐標(biāo)系等方式實(shí)現(xiàn)遙感圖像與柵格地形圖像的配準(zhǔn)。針對(duì)已經(jīng)完成校正的柵格地形圖，將其作為參考文件，將完成校正后的遙感衛(wèi)星圖像作為校正文件，在保持控制點(diǎn)數(shù)量不變的條件下，執(zhí)行配準(zhǔn)操作。

2.3.3核實(shí)修正

為了進(jìn)一步提高最終調(diào)查結(jié)果的可靠性，還需要對(duì)獲取的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行核實(shí)修正，將從地類圖當(dāng)中解釋出的信息與按照安全標(biāo)準(zhǔn)劃分的地類圖信息進(jìn)行比較，再經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證的方式確定不同耕地后備資源的位置、范圍，在確保調(diào)查結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤后匯總，并對(duì)總面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.4 調(diào)查結(jié)果分析

通過(guò)上述操作得到耕地后備資源信息后，為提高信息的利用價(jià)值，還需要對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，并將得到的遙感解釋結(jié)果與比例為1∶10 000的電子地圖套合處理，在圖像上能夠清晰地顯示出該地區(qū)耕地后備資源的具體面積和位置。按照這一流程將需要調(diào)查的所有區(qū)域內(nèi)防洪預(yù)案流量進(jìn)行數(shù)字化模擬顯示，并在比例為1∶10 000的電子地圖上疊加顯示。再結(jié)合實(shí)地踏勘得到的調(diào)查結(jié)果，分析該區(qū)域當(dāng)前開發(fā)和利用的耕地資源以及后續(xù)可以開發(fā)利用的資源，最終確定各類別下資源的面積，將其匯總作為最終的耕地后備資源調(diào)查結(jié)果。

3 對(duì)比分析

為證明設(shè)計(jì)的調(diào)查方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，在完成對(duì)此方法的理論設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)此方法進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)調(diào)查區(qū)域進(jìn)行初步地質(zhì)勘查，整理勘查結(jié)果，整理成表格，某黃河灘區(qū)基本情況概述如表1所示。

表1 某黃河灘區(qū)基本情況概述

分別使用本研究設(shè)計(jì)的調(diào)查方法與傳統(tǒng)調(diào)查方法，對(duì)所選的地區(qū)展開后備資源調(diào)查工作，將調(diào)查數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果的完整度與所獲取遙感地質(zhì)圖像的分辨率作為此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。整理此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，如表2、圖3所示。

表2 本文調(diào)查方法與傳統(tǒng)調(diào)查方法調(diào)查數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果的完整度對(duì)比

圖3 本文調(diào)查方法與傳統(tǒng)調(diào)查方法所獲取遙感地質(zhì)圖像的分辨率對(duì)比

在此基礎(chǔ)上，整理對(duì)應(yīng)區(qū)域獲取遙感影像的分辨率，隨機(jī)截取某段地質(zhì)調(diào)查影像，將其分辨率以連續(xù)曲線呈現(xiàn)在顯示端，如圖3所示。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本次設(shè)計(jì)研究的調(diào)查技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論是所獲取遙感地質(zhì)圖像的分辨率適宜度，還是調(diào)查數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果的完整度，都優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究以某地區(qū)為例，引進(jìn)GIS技術(shù)與遙感技術(shù)，開展耕地后補(bǔ)資源調(diào)查工作的研究。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)研究的方法在實(shí)際地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)更突出，可以起到提升所獲取遙感地質(zhì)圖像分辨率適宜度、提高調(diào)查數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果完整度的作用，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)耕地保護(hù)工作的全面優(yōu)化，從而提高耕地質(zhì)量與土地資源市場(chǎng)價(jià)值。