土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測流程與方法研究

土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測流程與方法研究

1土地利用動態(tài)監(jiān)測隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，尤其是城市建設的加快，城市土地的年使用發(fā)生了顯著變化。傳統(tǒng)的土地利用調(diào)查需要花費大量的人力、時間和經(jīng)費,難以適應土地利用的這種快速變化。遙感以其覆蓋面大、信息更新快、人為干擾因素小等優(yōu)點已逐漸應用到土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測中。我國遙感技術(shù)在土地資源調(diào)查和監(jiān)測中的應用始于20世紀90年代:史文中提出了綜合遙感及GIS技術(shù)進行土地利用動態(tài)監(jiān)測的設想;尚東依靠遙感技術(shù)研究了土地開發(fā)的現(xiàn)狀和速度以及城市建成區(qū)的發(fā)展狀況和交通變化;中國科學院遙感所提出了“依靠遙感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)靶區(qū),運用差分GPS進行動態(tài)監(jiān)測,利用GIS進行空間數(shù)據(jù)組織管理分析”的土地動態(tài)監(jiān)測流程;中國土地規(guī)劃研究院、中國測繪研究院、北京地星偉業(yè)數(shù)碼有限公司、東南大學共同進行了土地變更調(diào)查現(xiàn)代化技術(shù)方法研究,提出了基于3S技術(shù)進行土地變更調(diào)查的現(xiàn)代化技術(shù)方法體系等。1999年開始,在新一輪國土資源大調(diào)查項目的支持下,土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測在我國全面推廣應用。1999年度,利用最新時相的遙感資料對全國66個50×104以上人口城市的土地利用變化情況進行監(jiān)測;2000年度,完成了62個50×104以上人口城市的遙感監(jiān)測工作和西部生態(tài)退耕變更調(diào)查工作;2001年度,對43個50×104以上人口城市的近40×104km2進行了監(jiān)測;2002年度開始采用高分辨率遙感影像繼續(xù)對全國50×104人口的城市進行監(jiān)測,輔助開展土地變更調(diào)查、復核土地變更調(diào)查、輔助城市土地利用總體規(guī)劃修編,輔助更新土地利用現(xiàn)狀圖。本文研究的工作即是2003年度蘭州市土地利用遙感監(jiān)測的一部分。2研究區(qū)域的概括和數(shù)據(jù)來源的選擇2.1安寧區(qū)城市發(fā)展現(xiàn)狀蘭州是甘肅省的省會,處在東經(jīng)102°30′～104°30′、北緯35°5′～38°之間,現(xiàn)轄城關、七里河、西固、安寧、紅古5個區(qū)和永登、榆中、皋蘭3個縣,全市總面積1.31×104km2,其中市區(qū)面積1631.6km2。本次研究以安寧區(qū)為例。安寧區(qū)位于蘭州市區(qū)中北部,全區(qū)總面積90km2,總?cè)丝诩s21×104。安寧區(qū)是國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū),是蘭州市開放的窗口、改革的實驗田。轄區(qū)內(nèi)有蘭州高新技術(shù)開發(fā)區(qū)西區(qū)和安寧園區(qū),總規(guī)劃面積近677hm2。為了滿足國家經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)發(fā)展的需要,近幾年來安寧區(qū)加快了城市建設的力度,每年的土地利用也發(fā)生著劇烈的變化。2.2遙感影像結(jié)果本次研究所用的數(shù)據(jù)主要包括:遙感影像數(shù)據(jù)和輔助資料。遙感影像數(shù)據(jù)包括:2002年全色SPOT2數(shù)據(jù)1景(軌道號:255/277,時間:20020928,分辨率:10m),2002年多光譜TM數(shù)據(jù)1景(軌道號:131/35,時間:20020927,分辨率30m);2003年SPOT5數(shù)據(jù)2.5m分辨率和10m分辨率影像各1景(軌道號:256/277,時間:20030803)。輔助資料包括行政界線圖、土地利用現(xiàn)狀圖(時間:1990年,共21幅,E00格式,比例尺1∶1萬)。數(shù)據(jù)源分析:所選遙感影像紋理清晰,側(cè)視角為10°,云量為6%,城鄉(xiāng)結(jié)合部等關鍵地區(qū)無云霧,符合土地利用遙感監(jiān)測規(guī)程相應的指標1)(側(cè)視角不大于27°,云量在10%以下)。兩期遙感影像時相基本一致,便于土地利用變化信息的提取。土地利用矢量圖要素完整,圖面清晰,符合作為基準底圖的要求。3土地利用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)分析土地利用遙感監(jiān)測以SPOT52.5m全色數(shù)據(jù)和10m多光譜數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源,輔以土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖、DEM等輔助資料。通過遙感影像糾正、鑲嵌、融合等處理步驟,形成具有高空間分辨率和高光譜分辨率的遙感正射影像圖。利用計算機自動處理和人工解譯相結(jié)合的方法,對比兩個時相的遙感正射影像,提取土地利用變化信息;將遙感影像與基期土地利用現(xiàn)狀圖進行疊合分析,從而更新土地利用現(xiàn)狀圖。通過野外實地調(diào)查,核實內(nèi)業(yè)提取的變化信息,補充內(nèi)業(yè)遺漏圖斑。經(jīng)過內(nèi)業(yè)后處理,最終形成土地利用變化圖層,更新基期土地利用現(xiàn)狀圖。本次研究以蘭州安寧區(qū)2002年～2003年度土地利用變化為例展開土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測研究。土地利用年度變化遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)流程如圖1所示。3.1erdas軟件遙感影像處理即對遙感影像進行糾正、配準、增強處理、融合等。本次研究涉及的遙感數(shù)據(jù)包括2002年SPOT2影像1景,TM影像1景;2003年SPOT52.5分辨率影像1景,10m分辨率影像1景,采用ERDAS軟件進行處理。采用的技術(shù)路線是:先以1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖為基準對2003年2.5m影像進行幾何糾正,再以糾正后的2003年2.5m影像糾正2003年10m遙感影像,最后將二者融合,形成2003年的遙感正射影像數(shù)據(jù);以2003年遙感正射影像數(shù)據(jù)為基準分別糾正2002年的TM數(shù)據(jù)和SPOT2數(shù)據(jù),將糾正后的2002年遙感影像融合得到2002年遙感正射影像數(shù)據(jù)。3.1.1pot5影像校正算法影像糾正包括控制點選擇、糾正模型選取、幾何糾正精度檢查等。本次研究以SPOT5整景影像為單元進行糾正,影像重采樣間隔為2.5m,重采樣方法為雙線性內(nèi)插法,影像糾正控制點選擇主要參照土地利用現(xiàn)狀圖,部分地區(qū)由于沒有土地利用現(xiàn)狀圖,以地形圖代替,同時山區(qū)部分還參照DEM進行選點糾正。(1)幾何模型及有限元模型在影像糾正過程中控制點與糾正模塊的選擇對糾正精度的影響較大,二者的關系如下:SPOT5的物理模型:要求控制點均勻分布、控制整景影像,控制點個數(shù)不少于12個。選擇控制點時必須選擇確定的特征地物點,避免由于遙感影像圖與土地利用現(xiàn)狀圖本身變化產(chǎn)生的選點誤差。幾何多項式模型:控制點個數(shù)與多項式階項(n)及地形情況相關?？刂泣c個數(shù)最少應二倍于(n+1)(n+2)/2。當階項n=2或更高時,通常要求每景控制點在20個以上,困難地區(qū)應適當增加控制點,保證在30個～50個之間。復雜地形條件下,建議對整景影像進行分區(qū)選點和糾正,并保證相鄰分區(qū)有影像重疊區(qū)和公共控制點。有限元模型:對于既有山區(qū)又有平原或地形比較復雜的影像圖,應采用有限元模型進行分區(qū)糾正,以便更好地控制誤差的傳遞。有限元模型選點要均勻分布,該模型控制點個數(shù)比前兩種模型多。在處理過程中往往可將幾何多項式模型與有限元模型相結(jié)合:選點時為了更好地控制控制點殘差,防止選點錯誤可采用幾何多項式模型;選點完畢后,對于殘差大的控制點進行檢查處理并保存控制點;再次進入糾正模塊調(diào)用剛才保存的控制點,選用有限元模型進行幾何糾正。本次研究山區(qū)部分采用有限元模型,平原部分采用多項式模型。(2)遙感影像圖疊加幾何糾正精度檢查包括粗略檢查和精確檢查。粗略檢查直接將土地利用現(xiàn)狀圖與糾正后的遙感影像圖進行疊加,采用卷簾方法檢查遙感影像圖相對于土地利用現(xiàn)狀圖的精度;精確檢查,以土地利用現(xiàn)狀圖為基礎,隨機選取除糾正控制點以外的不少于25個檢查點,要求校正精度檢查點中誤差平地不能超過5m、丘陵不能超過7.5m、山地則不能超過10m。3.1.2土地利用動態(tài)遙感影像融合是為了實現(xiàn)多源遙感影像的優(yōu)勢互補,通過變換處理,得到既有高空間分辨率又有高光譜分辨率的遙感影像。影像融合方法主要包括HIS變換、主分量變換、加法變換、加權(quán)相乘變換等,幾種方法在運算復雜度、紋理損失度及其優(yōu)缺點的比較如表1所示?？紤]到監(jiān)測區(qū)蘭州市安寧區(qū)地形地貌包括灘、川、山等多級階地,土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測主要是監(jiān)測建設用地、耕地的變化,因此融合方法選用能夠充分利用多光譜影像信息突出地物紋理邊界的主分量變換法。在影像融合前需要進行色調(diào)調(diào)整,一是提高高分辨率數(shù)據(jù)的亮度,增強局部反差,突出紋理細節(jié),盡可能降低噪聲;二是對多光譜數(shù)據(jù)進行色彩增強,拉大不同地類之間的色彩反差,突出其光譜彩色信息。融合后需要對數(shù)據(jù)進行后處理,一是檢查是否出現(xiàn)重影等現(xiàn)象;二是檢查影像紋理細節(jié)色彩,判斷融合前處理的正確性。融合后如果影像亮度偏低或灰階較窄,可采用線性拉伸、亮度對比、色彩平衡、色度、飽和度和明度調(diào)整等方法進行色調(diào)調(diào)整。3.2變化圖斑的提取液基于2002年、2003年兩時相遙感正射影像數(shù)據(jù),利用圖像差值、光譜特征變異等計算機自動處理方法突出發(fā)生變化的部分,在此基礎上采用人機交互的方式,逐一對變化圖斑進行提取、編號。對于基本肯定的變化圖斑用紅色表示,不確定的變化圖斑用黃色表示,圖斑編號以縣級行政轄區(qū)為單位,從左到右,自上而下順序編號。如圖2、圖3分別為2002年遙感正射影像圖和2003年遙感正射影像圖,通過兩者疊加分析,提取出變化信息(圖3中的紅色部分(確定)、黃色部分(不確定))。變化圖斑實地超過0.04hm2時,才進行提取。獲得所有變化圖斑后,利用GIS軟件建立土地利用變化圖斑的拓樸關系,生成土地利用變化信息屬性表。3.3國外的研究和處理3.3.1表1土壤中表達情況為了核實內(nèi)業(yè)解譯精度,防止錯提和漏提土地利用變化圖斑,確保土地利用變化信息空間位置和屬性的準確性,解譯完成后需要進行外業(yè)調(diào)查。外業(yè)調(diào)查前需要制作外業(yè)調(diào)查底圖和外業(yè)調(diào)查表(如表2所示)。外業(yè)調(diào)查底圖以2003年遙感正射影像圖為底圖,分別疊加圖名,圖例、公里格網(wǎng)、1∶1萬接合表、行政境界、注記、土地利用變化圖斑及編號等要素。調(diào)查范圍以作業(yè)區(qū)行政轄區(qū)界線為準。外業(yè)調(diào)查的主要內(nèi)容包括:核實各類建設用地變化情況(包括空間位置和屬性信息)、實測線狀地物寬度、補充內(nèi)業(yè)遺漏的變化圖斑。同時,為了更好地對遙感監(jiān)測精度進行評估,需要在野外測量一定數(shù)量的地物特征點坐標和樣本圖斑面積。特征地物點坐標和樣本圖斑面積測量可直接通過GPS或全站儀測量,也可在大比例尺(大于1∶1萬)地圖上直接量取。3.3.2偽變化信息清除外業(yè)調(diào)查完成后,根據(jù)調(diào)查結(jié)果對先前解譯提取的土地利用變化圖斑進行修改,主要工作包括:剔除偽變化信息(如表圖斑1、2、3、4、14),補充遺漏圖斑,修改變化圖斑,修改相關注記及界線等。在此基礎上制作土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測圖、進行土地利用變化統(tǒng)計匯總、對監(jiān)測結(jié)果進行精度評定等。3.3.3動態(tài)監(jiān)測的誤差監(jiān)測精度是衡量土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測質(zhì)量的一個重要指標,其監(jiān)測結(jié)果精度的好壞直接關系到監(jiān)測數(shù)據(jù)的可用性和遙感監(jiān)測的生命力。孫曉霞等認為動態(tài)監(jiān)測的誤差主要源于:數(shù)據(jù)源、幾何處理、變化信息提取3個方面。監(jiān)測誤差最終以變化圖斑的幾何精度和屬性精度表現(xiàn)出來。幾何精度可通過特征地物點點位中誤差和圖斑面積總和中誤差來反映。(1)特征地物點精度評定通過野外GPS測量獲取地物特征點坐標值,作為評定參考。在遙感正射影像圖上量取相應點位的坐標值作為觀測值。運用點位中誤差進行特征地物點精度評定,如式1(式中:RMS為點位中誤差;n為檢查點個數(shù);ui表示遙感正射影像圖上檢查點的x、y坐標;vi為GPS外業(yè)檢查點的x、y坐標)。在研究區(qū)均勻選擇了25個明顯的地物特征點,進行了點位精度評定,其中誤差為1.87m。RMS=∑i=1n(ui?vi)2n????????√(1)RΜS=∑i=1n(ui-vi)2n(1)(2)ue0103屬性精度面積精度采用面積總和中誤差估算法進行評定,如式2(式中:Ai為單個圖斑遙感監(jiān)測面積;Bi為單個圖斑野外實測面積)。對安寧區(qū)發(fā)生變化的9塊圖斑進行了評定,面積總和誤差為2%。Dv=∑i=1n(Ai?Bi)∑i=1nBi????????ue001?ue000ue000ue000ue000(2)Dv=∑i=1n(Ai-Bi)∑i=1nBi(2)屬性精度主要是指變化圖斑地類的準確性。由于采用高分辨率遙感影像數(shù)據(jù),同時地類劃分只到二級,又有大量輔助資料的支持,因此地類解譯精度較高。屬性精度可用準確度(屬性正確的圖斑數(shù)占總圖斑數(shù)的比例)來表示。本次研究解譯的變化圖斑地類基本與實地一致。4利用遙感進行土地利用變化監(jiān)測的必要性(1)通過土地利用變化遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù),快速獲得了安寧區(qū)2002年～2003年土地利用年度變化信息。從遙感影像上直接解譯出14塊變化圖斑,經(jīng)外業(yè)調(diào)查核實,其中5塊圖斑在實地并未發(fā)生變化,產(chǎn)生差異的原因如表2所示。由此說明:遙感技術(shù)盡管是當前大范圍土地利用變化監(jiān)測一種高效的方法,由于遙感技術(shù)本身存在的異物同譜和同物異譜的現(xiàn)象,導致解譯時存在一定