遙感概論：土地覆蓋檢測(cè)

土地覆蓋檢測(cè)我們組思路1根據(jù)對(duì)憲法第二十六條中關(guān)于生態(tài)環(huán)境涵義的解讀，以及這些年來(lái)使用生態(tài)表征人類追求的理想狀態(tài)，經(jīng)常被作為褒義形容詞的實(shí)際情況，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員、博士生導(dǎo)師陳百明認(rèn)為生態(tài)環(huán)境應(yīng)定義為:不包括污染和其他重大問(wèn)題的、較符合人類理念的環(huán)境，或者說(shuō)是適宜人類生存和發(fā)展的物質(zhì)條件的綜合體。根據(jù)這個(gè)生態(tài)環(huán)境含義的理解，同時(shí)我們認(rèn)為應(yīng)該與別的組的遙感在土地中的應(yīng)用區(qū)分開，又符合生態(tài)這一要求，我們側(cè)重于在土地覆蓋被污染破壞這方面我們組思路中國(guó)生態(tài)問(wèn)題：自然環(huán)境先天脆弱水土流失嚴(yán)重荒漠化擴(kuò)大水資源緊缺，污染嚴(yán)重森林覆蓋率低天然林生態(tài)系統(tǒng)和野生動(dòng)植物面臨危機(jī)氣溫呈上升趨勢(shì)我們組思路2.由于提倡在切實(shí)抓好現(xiàn)有自然保護(hù)區(qū)建設(shè)與管理的同時(shí)，抓緊建設(shè)一批新的自然保護(hù)區(qū)，使各類良好自然生態(tài)系統(tǒng)及重要物種得到有效保護(hù)。所以我們也關(guān)注遙感在自然保護(hù)區(qū)中的運(yùn)用我組思路3.感性認(rèn)識(shí)需上升到理性認(rèn)識(shí)。我們認(rèn)為遙感監(jiān)測(cè)的原理和方法也很重要遙感圖像能夠直接反映土地覆蓋我國(guó)土地利用分類的目的是查清各縣各種土地分類的面積、分布和利用狀況，為國(guó)家制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)劃，農(nóng)業(yè)區(qū)劃和規(guī)劃，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)與土地統(tǒng)計(jì)登記制度等管理工作。因此土地利用分類的主要依據(jù)是土地用途、土地經(jīng)營(yíng)方式、土地利用方式和土地覆蓋特征等。土地覆蓋只是土地利用分類的一個(gè)依據(jù)，但遙感圖像最能夠直接反映的是土地覆蓋。土地利用分類體系《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，土地利用現(xiàn)狀按兩級(jí)進(jìn)行分類，統(tǒng)一編碼排列，其中：一級(jí)類型按土地用途劃分為：耕地、園地、林地、牧草地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水域、未利用土地8類；二級(jí)類型按利用方式、經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)及覆蓋特征劃分為47類。地類編碼：一級(jí)類型以一位阿拉伯?dāng)?shù)字1～8表示；二級(jí)類型用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，前一位表示隸屬的一級(jí)類型，后一位表示二級(jí)類型在該一級(jí)類型內(nèi)的編碼，如14，為耕地中的旱地，71為水域中的河流水面。概念土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)是基于同一區(qū)域不同年份的同一時(shí)相影像間存在著光譜特征差異的原理,來(lái)識(shí)別土地利用狀態(tài)或現(xiàn)象變化的工作。其本質(zhì)就是對(duì)影像系列時(shí)域效果進(jìn)行量化。土地利用遙感監(jiān)測(cè)就是通過(guò)量化多時(shí)相遙感影像空間域、時(shí)間域、光譜域的耦合特征,以獲得區(qū)域土地利用變化的類型、位置和數(shù)量等內(nèi)容。原理：將遙感用于土地覆蓋變化檢測(cè)的基本前提是土地覆蓋狀況的變化導(dǎo)致了光譜反射，輻射值發(fā)生變化，并且這種變化必須大于由于其它一些因素（如大氣，照度，物候和傳感器標(biāo)度等差異）所引起的反射輻射值變化。因此對(duì)遙感圖像進(jìn)行必要的前處理，以增強(qiáng)土地覆蓋變化信息并抑制其它“噪聲”信息就顯得很重要，而遙感圖像處理就是為了更明晰準(zhǔn)確地提取土地覆蓋信息，其處理效果的好壞直接決定了監(jiān)測(cè)的精度，此項(xiàng)工作是遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。圖像處理包括圖像預(yù)處理和圖像增強(qiáng)。原理遙感在環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用具體的作用東莞市城市擴(kuò)張與生態(tài)環(huán)境變化遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究采用縱橫向比較的方法深入淺出的把握東莞市1990-2005年整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)演變特征，進(jìn)一步比較同一時(shí)期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布模式；探討基于土地利用方式的生態(tài)服務(wù)功能的變化模式。由此基于生態(tài)足跡模型探討東莞市的生態(tài)承載力，挖掘影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升的原因所在，定量化表征生態(tài)系統(tǒng)的健康程度，并在以上研究的基礎(chǔ)上，客觀地進(jìn)行東莞市生態(tài)功能分區(qū)?；哪O(jiān)測(cè)荒漠化監(jiān)測(cè)的條件拍攝的地球圖片利用衛(wèi)星遙感技術(shù)拍攝的地球圖片色彩鮮艷、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，令人嘆為觀止。它們同時(shí)也能反映出地球正面臨著的各種問(wèn)題，例如環(huán)境污染、土地荒漠化、城市擴(kuò)張等等。來(lái)自巴黎的環(huán)保人士亞恩-波特蘭正利用美國(guó)國(guó)家航空航天局拍攝的衛(wèi)星航拍圖研究地球最迫在眉睫的環(huán)境和社會(huì)挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)遙感圖像的處理，可以給人的視覺(jué)帶來(lái)沖擊，引起人們的注意。坐落于馬達(dá)加斯加的西海岸，貝奇布卡河的入?？谂筘愅锌瞅暄褦?shù)十公里。紅色的部分代表紅樹林，河口周圍的森林已經(jīng)被矮樹林、木薯以及水稻所取代。目視判讀常規(guī)認(rèn)為在遙感影像上不同地物目標(biāo)在遙感圖像上通常表現(xiàn)為以下七個(gè)特征上的不同，即形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理、位置、布局特征等。內(nèi)蒙古多倫縣土地沙化及土地利用分布圖2000年土地沙化及土地利用面積統(tǒng)計(jì)圖土地利用遙感監(jiān)測(cè)方法基本上可以分兩種:即逐個(gè)像元比較法(pixeltopixelcomparison)和分類后比較法(postclassificationcomparison)。第一種方法首先是對(duì)同一區(qū)域不同年份同一時(shí)相影像系列的光譜特征差異進(jìn)行比較,確定土地利用發(fā)生變化的位置,在此基礎(chǔ)上,再采用分類的方法來(lái)確定土地利用變化類型信息。該方法優(yōu)點(diǎn)是首先確定了土地利用變化的位置,因此縮小了分類范圍,提高了監(jiān)測(cè)速度,同時(shí)也避免了分類過(guò)程中引入虛假的變化類型;第二種方法是首先對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的逐影像系列進(jìn)行各自分類,然后比較在各影像系列同一位置分類結(jié)果,進(jìn)而確定土地利用類型變化的位置和所屬類型。以IKONOS衛(wèi)星遙感圖像監(jiān)測(cè)南麂列島土地覆蓋狀況為例：1.陸地信息提取對(duì)土地覆蓋進(jìn)行分類,首先要從圖像中分離陸地,并提取其海岸線。在IKONOS近紅外波段的圖像中,因?yàn)楹Ｋ畬?duì)近紅外的強(qiáng)烈吸收,以及陸地植被和地物的強(qiáng)反射作用,水體和陸地的灰度反差十分明顯,如圖1所示。因此本文用直方圖和閾值法來(lái)提取海岸線。然后與4m分辨率的假彩色合成圖像作對(duì)比分析和校正,除了幾處由于云層覆蓋導(dǎo)致海陸邊界不明,而發(fā)生較大偏離外,效果較好。對(duì)有云層覆蓋的小部分岸線,用1∶1萬(wàn)的地形圖作驗(yàn)證。2.監(jiān)督分類及精度分析在本研究中利用Envi軟件和IKONOS多光譜數(shù)據(jù)對(duì)南麂列島陸地部分進(jìn)行監(jiān)督分類。根據(jù)南麂列島的實(shí)際情況,擬劃分為草地、灌木林地、居民地、莊稼地、道路、水體、沙灘、巖石等8類土地覆蓋類型,另外對(duì)云也進(jìn)行了單獨(dú)分類。首先根據(jù)2001年6月份開展的實(shí)地調(diào)查所記錄的重要解譯標(biāo)志的定位信息和錄像照片數(shù)據(jù),以及遙感圖像上對(duì)應(yīng)的明確解譯標(biāo)志,為每一類覆蓋類型和云層選定樣本區(qū),進(jìn)行樣本訓(xùn)練。隨后采用最小距離法進(jìn)行監(jiān)督分類,生成南麂列島的IKONOS遙感圖像土地覆蓋分類統(tǒng)計(jì)信息。為了分析監(jiān)督分類的精度,根據(jù)實(shí)地調(diào)查和目視解譯抽取部分測(cè)試樣本,進(jìn)行分類精度分析。分類精度是像元分類類別與其參考類別(或?qū)嶋H類別)相比較的分類準(zhǔn)確程度,目前通常用誤差矩陣法進(jìn)行分析。3.土地覆蓋分類結(jié)果校正：通過(guò)監(jiān)督分類,南麂列島的土地覆蓋已經(jīng)被分成了9大類,但是精度分析和目視判讀都表明存在很大一部分的漏分和錯(cuò)分,與IKONOS高分辨率的特性不相符。主要原因是遙感探測(cè)中普遍存在的異物同譜和同物異譜現(xiàn)象造成的,另外由于IKONOS的高分辨率可能造成同一地物的不同部位光譜特性也存在差異。因此有必要對(duì)監(jiān)督分類結(jié)果圖進(jìn)行必要的校正。校正的依據(jù)主要是地物的空間位置、形狀、紋理特征以及實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)等,采用的方法主要是植被指數(shù)法和人機(jī)交互目視判定法。4.土地覆蓋狀況經(jīng)過(guò)監(jiān)督分類法的分類以及植被指數(shù)法和人機(jī)交互法的校正后得到了南麂列島土地覆蓋狀況分布圖,包括的土地覆蓋類型分為草地、灌木林地、莊稼地、居民地、水體、道路、沙灘和巖石等8類土地覆蓋類型以及云層。根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和南麂列島土地覆蓋狀況分布圖,可以得出以下一些結(jié)果。①南列島土地覆蓋以草地和灌木林地等自然屬性覆蓋為主,占總面積的70%以上。其中草地的分布范圍最廣,幾乎在所有島嶼上均有分布。灌木林地主要分布在主島上,在海龍山有少量分布。②居民點(diǎn)較為分散,分布于南麂島、竹嶼、大檑山和門嶼等島嶼上,共有16處。道路主要分布于南麂島上,其中公路都在南麂島上,連接大部分居民地。公路的總長(zhǎng)度約為18.6km。莊稼地分布于居民點(diǎn)的周圍,幾乎所有居民點(diǎn)周圍都有數(shù)量不等的莊稼地。③由于居民地、莊稼地和道路往往混雜分布,且光譜特征相似,分類精度不夠,所以很難分別精確計(jì)算各自的面積。④巖石主要分布島嶼的邊緣,主要為海蝕巖石。在陸地內(nèi)部也有部分,面積很小的孤立巖塊。這是由南麂列島以海蝕地貌為主的狀況決定的。⑤根據(jù)實(shí)地調(diào)查,南麂列島的島嶼陸域狹小,大多地方坡度很陡,溪流短小,儲(chǔ)水性能很差,一般雨天有水,雨后溪流就斷流。因此在遙感圖像上很難探測(cè)到溪流應(yīng)用例子的原理用IKONOS的藍(lán)光(1)、綠光(2)、紅光(3)和近紅外(4)波段數(shù)據(jù)合成各種彩色圖像。4個(gè)波段數(shù)據(jù)理論上可以組合出24幅不同的彩色圖像。經(jīng)過(guò)比較分析這24種幅合的彩色合成圖像,針對(duì)土地覆蓋監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)有以下特征。(1)近紅外波段對(duì)合成彩色圖像色調(diào)影響最大。根據(jù)近紅外波段被賦予顏色的不同,這24種組合可分4大類,即近紅外為紅色、藍(lán)色、綠色和不含近紅外4種情況。(2)近紅外波段被賦予紅色成分時(shí)的組合,圖像為近似于假彩色圖像,植被為紅色色調(diào),居民點(diǎn)為暗灰色調(diào),水體為深綠或深藍(lán)色調(diào),沙灘、道路、巖石等裸露地為淺白、粉紅色調(diào)。(3)近紅外波段被賦予綠色成分時(shí)的組合,圖像為近似于真彩色圖像,植被為綠色調(diào),其中草地為暗綠色,灌木林地為亮綠色。居民地為灰色,水體為暗青或暗紫色調(diào),沙灘、道路、巖石等裸露地為淺青、淺黃色調(diào)。(4)近紅外波段被賦予藍(lán)色成分時(shí)的組合,陸地為藍(lán)色,不易被采用作為土地覆蓋監(jiān)測(cè)。(5)在不含近紅外波段的組合中,321與312組合相似,231與132組合相似,123與213組合相似。因此分為3種情況加以討論。①321與312組合的整體色調(diào)接近于真實(shí)景觀。特別是321作為真彩色合成圖像,最能