遙感技術(shù)在我國建設(shè)用地擴展監(jiān)測中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在我國建設(shè)用地擴展監(jiān)測中的應(yīng)用

中國人少地少。根據(jù)官方的土地調(diào)查數(shù)據(jù)，1996年人均耕地面積為0.06hm2，不到世界人均規(guī)模的1.3。它是世界上最罕見的耕地之一。然而,中國的耕地還在逐年減少。從1985年到1995年的10年間,耕地面積從96.8×106hm2下降到94.9×106hm2,下降了1.9%。最近這幾年,每年凈減少的耕地數(shù)仍然在0.4～0.8×106hm2之間。因此,中國的耕地減少引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。中國耕地減少的原因眾多,比如退耕還牧還林和沙化的影響,但建設(shè)用地的增加是主要原因。從1990年到1996年的6年間,居民點、工礦和交通用地凈占耕地1.4×106hm2,為1985～1995年這10年間耕地總減少量的73.7%。中國正處在工業(yè)化和城市化的較快速發(fā)展時期,同時人口還在增加,農(nóng)業(yè)用地的減少是必然的趨勢。為了及時掌握城市建設(shè)用地擴展和耕地減少情況,國土資源部在1999年啟動了城市用地變化遙感監(jiān)測項目:主要針對市區(qū)非農(nóng)業(yè)人口在50萬以上的城市,每年選擇大約其中的1/3進(jìn)行監(jiān)測,包括建設(shè)用地增加、耕地減少和增加的建設(shè)用地占用耕地數(shù)量。在1999～2001年的3年監(jiān)測中,采用的是TM和SPOT融合技術(shù),形成了《土地利用變化遙感監(jiān)測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》、《全國土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測培訓(xùn)教材》和《2000年度土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測成果匯編》。采用TM和SPOT融合技術(shù)的主要問題是,對2000m2以下的變化圖斑遺漏較多。監(jiān)測結(jié)果的精度評價是該項工作的一個重要方面,有關(guān)方面對此總結(jié)了一些評價指標(biāo),奠定了良好的工作基礎(chǔ)。然而,評價指標(biāo)的某些方面尚需完善。比如:當(dāng)以樣點資料進(jìn)行精度評價時,如何確定各檔圖斑的樣點數(shù),如何對各檔的圖斑精度進(jìn)行合理的加權(quán)以獲得總體的圖斑精度,如何推算監(jiān)測的區(qū)域精度,如何從統(tǒng)計學(xué)上表達(dá)以樣點為基礎(chǔ)的精度分析等。為此,本文提出以分層隨機抽樣的方法來獲取對遙感監(jiān)測的精度分析。本文的第一部分利用北京市和重慶市的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)對遙感監(jiān)測誤差分布進(jìn)行實證分析,從經(jīng)驗上查看誤差與圖斑規(guī)模的關(guān)系。第二部分給出以分層隨機抽樣為基礎(chǔ)的監(jiān)測精度評價系統(tǒng),包括精度評價的分類和指標(biāo)系統(tǒng)、分層隨機抽樣的樣本容量和各層樣本分配的計算公式、抽樣評價的工作步驟以及抽樣調(diào)查的統(tǒng)計分析和結(jié)果表達(dá)。第三部分以北京市和重慶市的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行一次精度評價的實際演練。1基于監(jiān)測面積和相對誤差的回歸分析本文實證分析的資料為北京市和重慶市2001年的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù),2000年全國土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測項目(完成單位為中國國土資源航空物探遙感中心)利用雷達(dá)影像進(jìn)行土地利用動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用研究的數(shù)據(jù),包括遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分別得到213個和254個監(jiān)測變化圖斑的監(jiān)測面積和實測面積。將實測面積作為圖斑面積的真值,計算各變化圖斑遙感監(jiān)測的絕對誤差和相對誤差,計算公式如下:Vi=Ai-Bi△i=|Ai-Bi|Bi其中,Ai表示第i個圖斑的遙感測量面積,Bi表示實測面積即真實面積,Vi表示遙感測量的絕對誤差,△i表示遙感測量的相對誤差。然后以監(jiān)測面積為自變量分別對絕對誤差和相對誤差運用SPSS軟件進(jìn)行一元線性回歸,發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)均很低,說明遙感監(jiān)測的相對誤差和絕對誤差與面積之間并沒有很明顯的相關(guān)關(guān)系,但是絕對誤差要比相對誤差與面積之間的相關(guān)性稍大。其中由北京市213個樣點數(shù)據(jù)回歸得到的監(jiān)測面積和絕對誤差的相關(guān)系數(shù)為0.225,監(jiān)測面積和相對誤差的相關(guān)系數(shù)為0.169;由重慶市254個樣點數(shù)據(jù)回歸得到的監(jiān)測面積和絕對誤差的相關(guān)系數(shù)為0.314,監(jiān)測面積和相對誤差的相關(guān)系數(shù)為0.026。按照《全國土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測培訓(xùn)教材》的標(biāo)準(zhǔn),將圖斑按監(jiān)測面積小于10畝、10～20畝、20～50畝、大于50畝分成4個檔次,各檔次圖斑的基本統(tǒng)計指標(biāo)如表1所示。然后分別計算各檔次變化圖斑的平均相對誤差和平均絕對誤差,計算公式如下:ˉV=1ΝΝΣi=1Viˉ△=1ΝΝΣi=1△i其中,ˉV表示該檔次的平均絕對誤差,ˉ△表示該檔次的平均相對誤差,N表示該檔次內(nèi)的變化圖斑數(shù)。計算結(jié)果如表2所示。由表中可以看出,北京市和重慶市遙感監(jiān)測平均絕對誤差均隨著圖斑面積的增大而增大,平均相對誤差開始均隨著圖斑面積的增大而減小,但在圖斑面積大于50畝的檔次,平均相對誤差均有大幅度的增加。2基于隨機抽樣的監(jiān)測精度評價體系2.1遙感測量技術(shù)精度分析精度評價分為技術(shù)精度評價和區(qū)域精度評價。前者反映遙感技術(shù)在單個地塊水平上的面積測量誤差情況,后者則反映用遙感技術(shù)調(diào)查一個區(qū)域的土地利用變化時產(chǎn)生的誤差情況。由于一個區(qū)域內(nèi)的土地利用變化可能出現(xiàn)在多處,遙感監(jiān)測會夸大或縮小各個地塊的實際量,其正負(fù)誤差有可能抵消一部分,所以技術(shù)精度與區(qū)域精度在數(shù)值上有可能大相徑庭。對于前者而言,相對精度更為重要,而對于后者,絕對精度和相對精度同等重要。在圖斑分類方面,我們?nèi)耘f沿襲已有的規(guī)定,將變化圖斑分成4檔(即將變化圖斑分成4層。在本文的隨后部分檔和層這兩個術(shù)語具有相同的意義):面積小于10畝的為一檔,10～20畝的為一檔,20～50畝的為一檔,大于50畝的為一檔。假設(shè)通過遙感影像已經(jīng)發(fā)現(xiàn)各檔在影像上的變化圖斑數(shù)分別為:N1,N2,N3,N4;總的變化圖斑數(shù)為N。用Aki表示第k檔的第i個圖斑的遙感測量面積,Bki為其真實面積。則第k檔第i個圖斑遙感測量的絕對誤差(Vki)為:Vki=Aki-Bki(1)第k檔第i個圖斑遙感測量的相對誤差(△ki)為:△ki=|Aki-Bki|Bki(2)第k檔圖斑的絕對誤差(Vk)為:Vk=Νk∑i=1Vki(3)第k檔圖斑平均絕對誤差(ˉVk)為:ˉVk=1ΝkΝk∑i=1Vki(4)第k檔圖斑平均相對誤差(ˉ△k)為:ˉVk=1ΝkΝk∑i=1Vki(5)ˉ△k越小,技術(shù)精度越高。第k檔圖斑絕對誤差的方差(σ2κ)為:σ2κ=1Νk-1Νk∑i=1(Vki-ˉVk)2(6)σ2κ越大,在分配樣點時為了達(dá)到一定推算精度所需樣本容量越大。第k檔圖斑相對誤差的方差(S2k)為:S2k=1Νk-1Νk∑i=1(△ki-ˉ△k)2(7)S2k越小,技術(shù)越穩(wěn)定,同時在分配樣點時為了達(dá)到一定推算精度所需樣本容量越小。全體圖斑平均相對誤差(即技術(shù)精度)為:ˉ△=1ΝL∑k=1Νk∑i=1△ki=1ΝL∑k=1Νkˉ△k(8)L表示變化圖斑檔次數(shù)。區(qū)域絕對誤差(V):V=L∑k=1Vk(9)區(qū)域平均絕對誤差(Vˉ):Vˉ=1Ν∑k=1LVk(10)區(qū)域絕對誤差的方差(σ2):σ2=1Ν-1∑k=1L∑i=1Νk(Vki-Vˉk)2(11)全體圖斑相對誤差的方差(S2):S2=1Ν-1∑k=1L∑i=1Νk(△ki-△ˉk)2(12)區(qū)域的相對誤差(u)為:u=∑k=1L∑i=1Νk(Aki-Bki)∑k=1L∑i=1ΝkBki(13)式(5)和式(8)反映遙感測量在各檔變化圖斑和全區(qū)的平均相對誤差,所以我們用它們分別表示遙感方法在各檔變化圖斑和全區(qū)的技術(shù)精度。式(10)和(13)反映了對某一區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行一次遙感測量產(chǎn)生的在面積大小上的絕對誤差和相對誤差,我們用它們分別表示這一次遙感測量在該區(qū)域的絕對精度和相對精度。2.2分層隨機抽樣的樣本容量及其分配我們關(guān)注反映遙感測量在各檔變化圖斑和全區(qū)的平均相對誤差(即式(5)和式(8))與反映對某一區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行一次遙感測量產(chǎn)生的在面積大小上的絕對誤差和相對誤差(即式(10)和式(13))。然而,現(xiàn)實中我們難以把握各個變化圖斑的真實面積。如果以實測值為真值,對每個圖斑面積進(jìn)行實地測量,勢必付出巨大的代價。一個可行的途徑就是采用隨機抽樣的辦法。我們已經(jīng)將變化圖斑分成了4檔(或?qū)?,如果采用分層隨機抽樣法,第一個要解決的問題就是樣本總?cè)萘考捌湓诟鲗拥暮侠矸峙?。對于技術(shù)精度評價而言,分層隨機抽樣的樣本容量及其在各層的分配取決于各檔圖斑相對誤差的方差(Sk2)和抽樣統(tǒng)計分析的精度要求。對于區(qū)域精度評價而言,分層隨機抽樣的樣本容量及其在各層的分配取決于各檔圖斑絕對誤差的方差(σk2)和抽樣統(tǒng)計分析的精度要求。用前幾年的遙感監(jiān)測和室外調(diào)查資料可以估計出Sk2和σk2,在預(yù)設(shè)的統(tǒng)計分析精度下,分層隨機抽樣的最小樣本容量(n)計算公式如下:n=(∑ΝtSt)2βΝ2△ˉ2+∑ΝtSt2(14)各層最優(yōu)分配的樣本數(shù)(nt)為:nt=nΝtSt∑ΝtSt(15)其中,Nt為第t層(組)的變化圖斑數(shù)目,N是區(qū)域的總體變化圖斑數(shù)。St為第t層的圖斑相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差(如果是針對區(qū)域絕對精度而言,則采用各檔圖斑絕對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差(σk)),St2為第t層的圖斑相對誤差的方差(如果是針對區(qū)域絕對精度而言,則采用各檔圖斑絕對誤差的方差(σk2)),△ˉ是圖斑平均相對誤差,即技術(shù)精度(如果是針對區(qū)域絕對精度而言,則采用區(qū)域平均絕對誤差(Vˉ))?！鳌ズ蚔ˉ的值也用前幾年的遙感監(jiān)測和室外調(diào)查資料來估計。β的確定方法如下:取β=(λ/ud),其中:λ是置信水平為(1-α)允許的統(tǒng)計推算相對誤差,一般為0.05;ud是這個置信水平下標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布或t分布上α對應(yīng)的分位數(shù)。一般采用95%的置信水平(或稱置信度)。2.3采樣數(shù)的確定抽樣評價的工作步驟如下:第一步:將用遙感技術(shù)發(fā)現(xiàn)的變化圖斑進(jìn)行分檔和編號。第二步:根據(jù)以往的經(jīng)驗估計全體圖斑平均相對誤差△ˉ、各檔圖斑相對誤差的方差(Sk2)、區(qū)域平均絕對誤差(Vˉ)和各檔圖斑絕對誤差的方差(σk2)。第三步:用公式(14)分別計算針對技術(shù)精度評價和區(qū)域精度評價的樣本容量;用公式(15)分別計算針對技術(shù)精度評價和區(qū)域精度評價的各檔的樣本數(shù)。取各層分配的最大的樣本分配數(shù)作為各層的最終采樣數(shù)。第四步:用隨機抽樣法確定各檔的樣本點。第五步:針對各樣本點到室外進(jìn)行實地測量。第六步:對樣本的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。2.4第k檔圖斑的平均相對誤差根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理,用樣本點數(shù)據(jù)計算的下面各項指標(biāo)為其對應(yīng)總體各指標(biāo)的無偏估計。這些指標(biāo)的估計值分別是(樣本值和估計值的符號用相應(yīng)的小寫體):第k檔圖斑的平均絕對誤差估計值(vˉk):vˉk=1nk∑i=1nkvki(16)第k檔圖斑的絕對誤差估計值(vk):vk=Νkvˉk(17)第k檔圖斑的平均相對誤差估計值(Sk2):δˉk=1nk∑i=1nkδki(18)第k檔圖斑的絕對誤差的方差估計值(τk2):τk2=1nk-1∑i=1nk(vki-vˉk)2(19)第k檔圖斑的相對誤差的方差估計值(Sk2):Sk2=1nk-1∑i=1nk(δki-δˉk)2(20)全體圖斑平均相對誤差(即技術(shù)精度)估計值:δˉ=1Ν∑k=1LΝkδˉk(21)區(qū)域絕對誤差估計值(v):v=∑k=1Lvk(22)這時,第k檔圖斑的平均相對誤差估計值(δˉk)的方差(var(δˉk))為:var(δˉk)=(1nk-1Νk)Sk2(23)全體圖斑的平均相對誤差(即技術(shù)精度δˉ)估計值的方差(var(δˉ))為:var(δˉ)=∑k=1L(ΝkΝ)2(1nk-1Νk)Sk2(24)區(qū)域絕對誤差估計值(v)的方差(var(v))為:var(v)=∑k=1LΝk2nkτk2(25)第k檔圖斑的平均相對誤差的置信區(qū)間為:(δˉk-zvar(δˉk),δˉk+zvar(δˉk))(26)全體圖斑的平均相對誤差(即技術(shù)精度)的置信區(qū)間為:(δˉ-zvar(δˉ),δˉ+zvar(δˉ))(27)區(qū)域絕對誤差的置信區(qū)間為:(v-zvar(v),v+zvar(v))(28)區(qū)域的相對誤差(u)的置信區(qū)間為:(v/(v+zvar(v)),v/(v+zvar(v))(29)z是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布上,概率P=(1-α)處的對應(yīng)值。一般地,當(dāng)(樣本數(shù))n<50時,可用t來代替z,t是t分布上概率P=(1-α)處的對應(yīng)值(這時自由度為(n-1))。以上這些統(tǒng)計分析結(jié)果可以列表表示。3計算結(jié)果和隨機抽樣為對本文提出的以分層隨機抽樣為基礎(chǔ)的遙感監(jiān)測精度分析方法的可行性和適用性進(jìn)行檢驗,現(xiàn)以北京市和重慶市的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行一次精度評價全過程的實際演練。首先對變化圖斑分檔。將北京市和重慶市2001年的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分別得到213個和254個監(jiān)測變化圖斑的監(jiān)測面積和實測面積,將變化圖斑按監(jiān)測面積小于10畝、10～20畝、20～50畝、大于50畝分成四個檔次。然后對全體圖斑平均相對誤差(△ˉ)、各檔圖斑相對誤差的方差(Sk2)、區(qū)域平均絕對誤差(Vˉ)和各檔圖斑絕對誤差的方差(σk2)進(jìn)行估計。在此我們用整理得到的北京市213個和重慶市254個監(jiān)測變化圖斑的監(jiān)測面積和實測面積數(shù)據(jù)分別進(jìn)行估計,在實際工作中當(dāng)年的變化圖斑的實測面積數(shù)據(jù)是沒有的,因而不能計算相對誤差和絕對誤差,也就無從估計上述4個量,這時可以用前一年或者前幾年的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計。根據(jù)本文2.1節(jié)的公式計算結(jié)果如表3。接著用公式(14)和公式(15)分別計算針對技術(shù)精度評價和區(qū)域精度評價的樣本容量和各檔的樣本數(shù),取各層分配的最大的樣本分配數(shù)作為各層的最終采樣數(shù)。取95%的置信水平和5%的統(tǒng)計推算相對誤差,計算結(jié)果如表4。我們注意到在監(jiān)測面積大于50畝的圖斑檔次,技術(shù)精度評價和區(qū)域精度評價所需要的樣本數(shù)均大于該檔次的實有變化圖斑數(shù)。但這并不是一個普遍的規(guī)律。最后,根據(jù)確定的各檔最終采樣數(shù)用隨機抽樣的方法確定各檔的樣本點,根據(jù)樣本點的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到總體的相應(yīng)指標(biāo)。在實際工作中須先針對確定的各檔樣本點到室外進(jìn)行實地測量得到樣本點的實測面積。根據(jù)本文2.4節(jié)的公式進(jìn)行計算,將進(jìn)行的多次隨機抽樣試驗中效果最好的抽樣計算結(jié)果列于表5。在監(jiān)測面積大于50畝的圖斑檔次,由于技術(shù)精度評價和區(qū)域精度評價所需要的樣本數(shù)均大于該檔次的實有圖斑數(shù),實際抽樣的樣本數(shù)受到限制,在一定程度上降低了抽樣統(tǒng)計推斷的精度。將變化圖斑按監(jiān)測面積小于10畝、10～20畝、20～50畝、大于50畝分成4個檔次,每個檔次內(nèi)的變化圖斑間的相對誤差和絕對誤差的差異較大,增加了隨