基于3S技術(shù)的地利用動(dòng)態(tài)變化的研究

1、基于3S技術(shù)的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3S技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中。GPS具有對(duì)地理空間位置的精確定位功能；RS技術(shù)能夠快速、試試的提供多波段、多時(shí)相、不同分辨率的信息；GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的空間分析、處理功能。結(jié)合“3S”技術(shù)對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅能準(zhǔn)確及時(shí)的提供土地利用現(xiàn)狀信息，還能從宏觀和微觀兩方面觀察土地利用的變化。這對(duì)如何協(xié)調(diào)好人類活動(dòng)與土地資源的關(guān)系，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：3S技術(shù)；RS；GIS；GPS；土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)引言土地資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。沒有了土地，人類將無法生存。然而，隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的

2、發(fā)展，土地機(jī)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，相繼出現(xiàn)了一些如植被減少、亂占耕地、土地沙漠化、環(huán)境質(zhì)量下降的問題。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握土地資源的數(shù)量、質(zhì)量、分布以及變化趨勢(shì)，直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)已是進(jìn)行資源環(huán)境研究的重要技術(shù)手段。利用“3S”技術(shù)，可以對(duì)多時(shí)相高分辨率的遙感影像進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)信息提取，為土地管理部門提供決策支持和戰(zhàn)略決策依據(jù)。1.“3S”技術(shù)以其應(yīng)用1.1 GPS技術(shù)GPS全稱“Global Positioning System”。由美國(guó)國(guó)防部于20世紀(jì)70年代開始設(shè)計(jì)、研制，于1993年全部建成。經(jīng)過20年，耗資超過3

3、00億美元，是繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的第三項(xiàng)龐大的空間計(jì)劃。其目標(biāo)為實(shí)時(shí)地提供三維位置、三維速度和高精度的時(shí)間信息，從根本上解決人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，以滿足各種不同用戶的需要。 GPS系統(tǒng)由24顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。它們分布在6個(gè)等間距的軌道平面上，軌道面相對(duì)赤道的夾角為55度，每個(gè)軌道面上有4顆工作衛(wèi)星，衛(wèi)星的軌道接近圓形，軌道高度為2.01836萬公里，周期約12小時(shí)。GPS能覆蓋全球，用戶數(shù)量不受限制。其所發(fā)射的信號(hào)編碼有精碼與粗碼。精碼保密，主要提供給本國(guó)和盟國(guó)的軍事用戶使用；粗碼提供給本國(guó)民用和全世界使用。精碼給出的定位信息比粗碼的精度高。GPS系統(tǒng)能夠連

4、續(xù)、適時(shí)、隱蔽地定位，一次定位時(shí)間僅幾秒到十幾秒，用戶不發(fā)射任何電磁信號(hào)，只要接受衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)即可定位，所以可全天候晝夜作業(yè)，隱蔽性好。在地理學(xué)領(lǐng)域中，對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理、提取空間信息以及進(jìn)行各種空間分析前必須進(jìn)行幾何校正，進(jìn)行幾何校正時(shí)需要地面控制點(diǎn)。如果利用地形圖獲得控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的位置，由于時(shí)空變化較快，有時(shí)很難在地形圖和遙感影像中找到同名地物點(diǎn)；另外，在某些領(lǐng)域，控制點(diǎn)的選擇和精度要求較高，要在土地利用圖上找到控制點(diǎn)作為幾何糾正的基礎(chǔ)就更加困難。這是，GPS的精確定位功能就能夠發(fā)揮很好的作用。GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用于完成區(qū)域土地資源的外業(yè)調(diào)繪和數(shù)據(jù)采集工作中。1.2 RS技術(shù)遙感，即遙遠(yuǎn)

5、的感知，是非接觸的、遠(yuǎn)距離的探測(cè)技術(shù)。一般指運(yùn)用傳感器對(duì)物體的電磁波輻射、反射特性的探測(cè)，并根據(jù)其特性對(duì)物體的性質(zhì)、特征、狀態(tài)進(jìn)行分析的理論、方法和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。遙感（Remote Sensing）一詞在1950年代提出，標(biāo)志著遙感技術(shù)從傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量將向更新更先進(jìn)的地球表面信息獲取技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代的遙感技術(shù)是通過多光譜攝影及時(shí)獲取豐富信息的，主要表現(xiàn)在它的傳感器、高分辨率和多時(shí)相特征，隨著空間技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感技術(shù)已應(yīng)用于很多領(lǐng)域如農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)水文、海洋學(xué)、測(cè)繪測(cè)圖、環(huán)境以及城市規(guī)劃等方面。遙感技術(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明

6、顯的空間特點(diǎn)和時(shí)間特點(diǎn)，通過遙感獲取的信息，看一回復(fù)和重現(xiàn)土地利用的空間信息和預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而為更好的管理和使用土地利用狀況時(shí)空信息提供有效的工具和手段。1.3 GIS技術(shù)地理信息系統(tǒng)是有計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。GIS獨(dú)特的空間查詢、空間分析能力以及可視化表達(dá)、地理過程的演變模擬和決策支持，使其廣泛應(yīng)用于政府國(guó)土、環(huán)境、人口等資源的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、分析、管理及決策，區(qū)域規(guī)劃管理和城市基礎(chǔ)設(shè)施，行業(yè)規(guī)劃管理，大型工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、市場(chǎng)分析、商業(yè)與服務(wù)管理等方面。GIS目前在向集成化、產(chǎn)業(yè)化、社會(huì)

7、化發(fā)展。已經(jīng)成為一門綜合性技術(shù)，GIS的相產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，GIS的網(wǎng)絡(luò)化已成為社會(huì)熱點(diǎn)。隨著地理信息系統(tǒng)的不斷地發(fā)展，在不久的將來，GIS會(huì)越來越大眾化，日益融入人們的生活。1.4 3S集成技術(shù)3S集成技術(shù)是指將上述三種對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù)有機(jī)地集成在一起，是目前對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中空間信息獲取、貯存、管理、更新、分析和應(yīng)用的三大支撐技術(shù)?？偟膩碚f，RS與GPS為GIS提供高質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)，而GIS則是綜合處理這些數(shù)據(jù)的平臺(tái)，并且反過來指導(dǎo)RS與GPS的數(shù)據(jù)的采集，它們是個(gè)有機(jī)的整體（1）。3S技術(shù)中，RS相當(dāng)于傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；GPS相當(dāng)于定位器，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；GIS相當(dāng)于神經(jīng)中樞

8、，進(jìn)行空間分析和綜合處理。三者有機(jī)結(jié)合，能夠準(zhǔn)確的把握土地利用資源利用變化區(qū)域的特征，實(shí)現(xiàn)土地資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有著傳統(tǒng)調(diào)查方法無法比擬的優(yōu)越性。2基于3S技術(shù)的土地利用動(dòng)態(tài)變化的研究2.1土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)流程 圖1 土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的流程2.2 遙感數(shù)據(jù)的選擇與預(yù)處理2.2.1 遙感數(shù)據(jù)的選擇關(guān)于遙感數(shù)據(jù)的選擇，可以根據(jù)研究對(duì)象的空間尺度和指標(biāo)，采用不同的遙感平臺(tái)及數(shù)據(jù)。土地利用變化狀況因其時(shí)間上和空間上的不確定二呈現(xiàn)出十分復(fù)雜的地表形態(tài)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)以其宏觀、快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中。對(duì)于省市或區(qū)縣級(jí)尺度以上的土地利用動(dòng)態(tài)變化研究，陸地資源衛(wèi)星Landsat遙感

9、數(shù)據(jù)是十分有效的，Landsat TM/ETM數(shù)據(jù)的多光譜性、空間分辨率、可獲取性、性能價(jià)格比等，目前依然是其它遙感數(shù)據(jù)無法比擬的。在實(shí)際的應(yīng)用研究中，最理想的是選擇幾何畸變小、影像質(zhì)量高、無噪聲、獲取季節(jié)相同或接近的多時(shí)相遙感圖像，這樣可以減少因季節(jié)差異二產(chǎn)生的偽變化信息，提高土地利用變化監(jiān)測(cè)的精度。2.2.2 遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理1遙感圖像的校正與配準(zhǔn)由于衛(wèi)星遙感影像在成像過程中受到很多因素的干擾，是從衛(wèi)星傳感器上獲取的影像發(fā)生了畸變，主要包括輻射畸變和幾何畸變。由傳感器的靈敏度特性、太陽高度角及地形以及大氣的影響而產(chǎn)生的畸變成為輻射畸變。這種畸變可以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式加以描述來校正，稱為幾何粗

10、校正。一般從地面衛(wèi)星站獲取的遙感影像都經(jīng)過了幾何粗校正。另一種畸變是由于地球曲率、地形起伏等因素引起的遙感影像上地物的幾何位置發(fā)生了變化，產(chǎn)生了地物大小與像元大小不對(duì)應(yīng)、行列不均勻、地物不規(guī)則變形等畸變，主要表現(xiàn)為位移、旋轉(zhuǎn)、縮放、仿射、彎曲等。為了保證遙感圖像的后續(xù)處理結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性以及具有標(biāo)準(zhǔn)的地理空間坐標(biāo)以便于進(jìn)行空間分析，就需要進(jìn)行幾何精校正。幾何精校正就是指從具有幾何畸變的圖像中消除畸變的過程，即定量的確定圖像上像元坐標(biāo)與目標(biāo)物中的地理坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。幾何精校正包括兩方面：幾何位置變換和圖像灰度重采樣。幾何變換的方法主要有多項(xiàng)式變換、共線變換、隨機(jī)插值變換。而灰度重采樣的方法包

11、括有最鄰近發(fā)、雙向線性內(nèi)插法、三次卷積內(nèi)插法。最鄰近法簡(jiǎn)單易用，計(jì)算量小，但處理后的圖像亮度具有不連續(xù)性，影響精確度；雙向線性內(nèi)插法精度明顯提高，特別對(duì)亮度不連續(xù)現(xiàn)象和線狀特征的塊狀畫現(xiàn)象有明顯的改善，缺點(diǎn)是計(jì)算量增加，且對(duì)圖像起到平滑的作用，是對(duì)比度明顯分界線變得模糊；三次卷積內(nèi)插法有更好的圖像質(zhì)量，細(xì)節(jié)表現(xiàn)更為清楚，但是計(jì)算量很大。2遙感圖像增強(qiáng)處理為了使圖像上感興趣的特征得以加強(qiáng)，使圖像變得清晰、解譯性高，通常要進(jìn)行遙感圖像增強(qiáng)處理，以便于顯示、觀察、進(jìn)一步分析與處理。圖像增強(qiáng)包括空域增強(qiáng)方法和頻域增強(qiáng)方法。空域方法又可分為點(diǎn)運(yùn)算（線性變換、非線性變換、直方圖修正、圖像間運(yùn)算）、鄰域增強(qiáng)

12、（圖像平滑、圖像銳化）、彩色增強(qiáng)（假彩色增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)、真彩色增強(qiáng)）；頻域方法包括低通濾波、高通濾波、同態(tài)濾波。2.3 遙感數(shù)據(jù)融合圖像融合是將多種遙感平臺(tái)，多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)之間以及遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)之間的信息組合匹配的技術(shù)。 數(shù)據(jù)融合是通過對(duì)某一研究對(duì)象的多源遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，產(chǎn)生比較單一的信息源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地物更精確、更可靠的分析和識(shí)別。其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)大時(shí)空覆蓋范圍、提高圖像的清晰度和空間分辨力，減少模糊度，增強(qiáng)解譯精度和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力，以及有效的提高遙感圖像的利用率（2）。不同遙感數(shù)據(jù)具有不同的空間分辨率、波普分辨率和時(shí)間分辨率，如果將他們各自的優(yōu)勢(shì)綜合起來，可以彌補(bǔ)單一圖像上的

13、信息的不足。這樣擴(kuò)大了各自信息的應(yīng)用范圍，而且提高了遙感影像分析的精度。數(shù)據(jù)融合可分為兩種：一是用于變化信息提取的數(shù)據(jù)融合，將同一時(shí)相的全色數(shù)據(jù)和多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，主要是為了增強(qiáng)地類邊緣的清晰度，提高目標(biāo)識(shí)別精度；將不同時(shí)相的多源影像進(jìn)行特征變異融合，主要是為了突出變化信息，保證變化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)精度；二是用于背景圖制作的數(shù)據(jù)融合，要求數(shù)據(jù)融合的結(jié)果清晰，色彩鮮艷，有較好的目視效果，以利于非專業(yè)人員的應(yīng)用。2.4 土地變化信息的提取土地利用變化信息是指在特定時(shí)間內(nèi)，土地利用在位置、范圍、大小、屬性等方面的變化以及變化的類型。通過遙感影像的光譜特征和結(jié)構(gòu)特征將這種變化集中的反映出來，具體表現(xiàn)為色調(diào)

14、、顏色、紋理、形狀、大小等變化，為人們快速準(zhǔn)確的確定變化信息提供了數(shù)據(jù)支持。土地利用變化信息提取是土地利用動(dòng)態(tài)變化研究中的一個(gè)重要步驟。主要是通過計(jì)算機(jī)與人工識(shí)別相結(jié)合，提取出土地利用變化在多時(shí)相遙感影像上的表現(xiàn)信息，并進(jìn)行處理和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，從而輸出變化信息成果的過程。2.4.1 土地利用變化信息的發(fā)現(xiàn)變化信息的發(fā)現(xiàn)是變化信息提取中最關(guān)鍵的一步。變化信息發(fā)現(xiàn)的方式有三種：人工發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)與人工相結(jié)合的方法。其中自動(dòng)發(fā)現(xiàn)方法主要有光譜特征變異法、假彩色合成法、主成分分析法、分類后比較法等。2.4.2 土地利用變化區(qū)域的提取由于遙感影像處理的復(fù)雜性，在處理不同影像時(shí)單一的變化信息提取的方法得

15、到的模板不能反映全部地類變化信息，所以要求對(duì)變化信息的提取進(jìn)行集中方法的綜合應(yīng)用。常用的方法有手工數(shù)字化法、區(qū)域生長(zhǎng)法、圖像分類法、閾值法和組合法等。2.4.3 變化類型的確定變化類型的確定方法是將變化模板疊加在兩個(gè)時(shí)相的影像上，通過對(duì)比分析判斷變化區(qū)域在；兩個(gè)時(shí)相上對(duì)應(yīng)的地物關(guān)系。當(dāng)只憑影像特征難以確定地物類型是，可以參考相關(guān)資料或進(jìn)行外業(yè)調(diào)查。2.4.4 變化信息的表示一調(diào)查區(qū)為單位，對(duì)圖斑編號(hào)。圖斑的順序安裝從左到右、從上到下的統(tǒng)一編號(hào)，編號(hào)不重復(fù)，且編號(hào)與圖斑之間保證一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。2.5 基于GPS技術(shù)的外業(yè)調(diào)查2.5.1制作外業(yè)調(diào)查資料將發(fā)現(xiàn)的有變化的圖斑所對(duì)應(yīng)的區(qū)域加載地形圖，制

16、作外業(yè)調(diào)查工作底圖，并根據(jù)需要制作外業(yè)調(diào)查表。2.5.2 實(shí)地調(diào)查有變化的區(qū)域GPS采集變化區(qū)域主要分三種：1.點(diǎn)狀地物如需測(cè)量點(diǎn)狀地物，最好采用靜態(tài)差分的方法記錄數(shù)據(jù)，這樣能夠達(dá)到厘米級(jí)的精度。2.線狀地物在測(cè)量中應(yīng)將天線放在其中心線或設(shè)置一個(gè)天線偏移量進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量，并記錄下改線狀地物的屬性信息，并輸入GPS接收機(jī)。3面狀地物最重要的測(cè)量對(duì)象，主要需要測(cè)量變化邊界。從變化邊界的起點(diǎn)開始，沿邊界移動(dòng)天線至終點(diǎn)，形成一個(gè)封閉的多邊形。將采集的數(shù)據(jù)鏡像內(nèi)業(yè)差分處理，根據(jù)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站得到的觀測(cè)量，按某種差分算法結(jié)算處移動(dòng)測(cè)量坐標(biāo)值，形成土地利用變化數(shù)據(jù)層。2.6 數(shù)據(jù)的處理及分析2.6.1空間數(shù)據(jù)

17、的更新1.圖斑的變更主要有圖斑的增加、消失、分割、合并等幾種類型。對(duì)于圖斑的增加、分割、合并應(yīng)以遙感影像或GPS數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，通過人機(jī)交互更新圖斑邊界賦給相應(yīng)的屬性。對(duì)于消失的圖斑，則可直接刪除改圖斑并填充相應(yīng)的圖斑和屬性。2.線狀地物的變更主要有線狀地物的增加、消失、合并、分解、屬性變更、線拓寬成面等類型。3.零星地物變更包括零星地物的增加、消失和屬性變化三種方式。由于零星地物在影像上難以判讀出來，因此零星地類的增加一般要通過實(shí)地的調(diào)查和測(cè)量獲取其權(quán)屬、地類和面積。在增加零星地類處，可以在該處標(biāo)記一種特殊符號(hào)，然后輸入該零星地類的相應(yīng)屬性。零星地類的消失，選擇要進(jìn)行變更的零星地類對(duì)象，系統(tǒng)從零星

18、地類的圖層中刪除該零星地類，其面積增加到該零星地類的圖斑中。2.6.2屬性數(shù)據(jù)的更新根據(jù)外業(yè)調(diào)查記錄與矢量圖形連接，對(duì)相應(yīng)的屬性進(jìn)行更新。地物的更新分為新增地物和消失地物，消失地物分為直接消失地物和由于圖斑變更引起的消失，對(duì)于新增的地物采集后輸入屬性信息形成新增地物，記錄新增地物的屬性數(shù)據(jù)；直接消失的地物直接將其在矢量圖層中刪除，屬性數(shù)據(jù)也隨之刪除；由于圖斑變更引起消失的地物的屬性特征則通過屬性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改。在更新土地線狀利用圖中，除了更新每幅圖變化圖斑和相應(yīng)的屬性以外，還應(yīng)該重新建立拓?fù)潢P(guān)系，并將結(jié)果入庫(kù)，更新數(shù)據(jù)庫(kù)有關(guān)內(nèi)容。2.6.3 對(duì)更新的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析1.疊加分析將統(tǒng)一區(qū)域范圍內(nèi)兩

19、個(gè)不同圖層的數(shù)據(jù)疊加在一起，形成一個(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和分布區(qū)域。2.統(tǒng)計(jì)分析對(duì)土地利用線狀圖和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。通過GIS強(qiáng)大的查詢、顯示、分析等功能，對(duì)各類信息進(jìn)行對(duì)比、搜尋、疊加、篩選等處理，實(shí)習(xí)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為管理部門提供決策支持服務(wù)。3.結(jié)論土地利用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。（1）用遙感手段可以主動(dòng)的反響土地利用變化信息，提取變化地塊的大致區(qū)域，增加了變更的客觀性；而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法大部分需要手工、人工完成，且