遙感技術(shù)應(yīng)用于土地利用變化監(jiān)測

1、遙感技術(shù)應(yīng)用于土地利用變化監(jiān)測研究進展讀書報告摘要:應(yīng)用遙感技術(shù)進行土地利用變化監(jiān)測研究是土地調(diào)查研究的重要組成部 分，在大量閱讀相關(guān)前沿研究文獻的基礎(chǔ)上，歸納土地利用變化概念、研究內(nèi)容，遙 感動態(tài)監(jiān)測研究方法在國內(nèi)外土地調(diào)查、土地利用/覆蓋變化監(jiān)測研究工作中的應(yīng) 用，分析了其研究特點。關(guān)鍵詞：土地利用變化遙感動態(tài)監(jiān)測遙感分類方法“人類活動作為主導因素所導致的土地利用與土地覆蓋變化（LUCC通過地球生 物物理過程影響全球氣候變化的研究，沒有得到應(yīng)有的重視,這不利于科學界為制 定全球變化策略提供全面系統(tǒng)的科學支撐?！?2010月10月21日，在京召開的國家 “ 973”計劃全球變化研究重大科學研

2、究計劃“大尺度土地利用變化對全球氣候的影 響”項目啟動會上，項目首席科學家、中國科學院地理資源所研究員劉紀遠作上述 表示。目前土地利用變化的研究是土地科學領(lǐng)域的熱點,也是重要組成部分。土地利 用變化研究是伴隨全球環(huán)境變化研究而逐漸開展起來的,90年代初，兩大國際組織 IGBP和IHDP都把土地利用變化作為全球環(huán)境變化的核心內(nèi)容，制訂了 LUCC等 研究計劃。2002 年, IGBP （國際地圈與生物圈計劃和IHDP （全球環(huán)境變化的人文 因素計劃兩大國際組織對以往IGBP和IHDP的研究計劃進行了總結(jié)，將從前的 LUCC （土地利用土地覆蓋計劃和GCTE （陸地生態(tài)系統(tǒng)全球變化計劃進行整合，提

3、 出了今后10年的土地計劃，并提出了土地變化科學（Land Change Science概念。1在IGBP和HDP報告中,LUCC作為其核心研究計劃，將低空間分辨率與高空間 分辨率的衛(wèi)星遙感信息相結(jié)合進行全球尺度和區(qū)域尺度的研究，在全球范圍進行 1km 2km分辨率的土地覆蓋變化制圖，對區(qū)域的精確研究采用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)等高 空間分辨率資料進行。報告中將應(yīng)用低、高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)進行土地覆蓋變 化的速率、目前土地覆蓋變化地點及未來發(fā)生地點、空間和環(huán)境屬性對土地覆蓋 變化的影響因素等作為其3個研究重點之一。1土地利用變化的概念及研究內(nèi)容土地利用變化的概念土地利用是指人類有目的地開發(fā)利用土地資源的一

4、切活動，如農(nóng)業(yè)用地、工業(yè) 用地、交通用地、居住用地等都是土地利用的概念。土地利用一般是指人類為獲 取所需要的產(chǎn)品或服務(wù)所進行的土地資源利用活動，是人類對土地自然屬性的利用 方式和利用狀況,包含著人類利用土地的目的和意圖。土地利用變化是人類與地球 環(huán)境進行物質(zhì)、能量交互作用的重要表現(xiàn)。發(fā)生于任何時空尺度，它不僅影響陸 地生態(tài)系統(tǒng)的地理分布格局及其生產(chǎn)力,客觀反映人類改變地球生物化學循環(huán)、生 態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能及產(chǎn)品和服務(wù)的供應(yīng)，而且還再現(xiàn)了陸地表面的時空變化過 程。LUCC由于影響到了人類生存與發(fā)展的自然基礎(chǔ),如氣候、土壤、植被、水資 源與生物多樣性等,影響到地球生物化學圈層的結(jié)構(gòu)、功能以及地球

5、系統(tǒng)能量與物 質(zhì)循環(huán)等方面，與全球的氣候變化、生物多樣性的減少、生態(tài)環(huán)境演變以及人類 與環(huán)境之間相互作用的可持續(xù)性等密切相關(guān),是所有與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)問題的核心, 可以說是“可持續(xù)發(fā)展理論”的開拓計劃，土地利用與土地覆蓋變化的作用是全球變 化的關(guān)鍵,是自然與人文科學領(lǐng)域的“橋梁工程”。2土地利用變化研究內(nèi)容1.2.1 土地利用數(shù)量變化研究區(qū)域土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質(zhì)量變化。面 積變化首先反映在不同類型的總量變化上,通過分析土地利用類型的總量變化，可 了解土地利用變化總的態(tài)勢和土地利用結(jié)構(gòu)的變化。目前土地利用的數(shù)量變化的 指標有:土地利用變化的幅度、土地利用變化的速度和

6、土地變化的區(qū)域差異。通過 各地類之間的轉(zhuǎn)化,得出土地利用的轉(zhuǎn)化矩陣。1.2.2驅(qū)動力研究有關(guān)土地利用變化驅(qū)動力的研究是探索土地利用被變化驅(qū)動機制的核心問題, 驅(qū)動力通常分為生物物理和社會經(jīng)濟兩大類。生物物理驅(qū)動力包括自然環(huán)境的特 征和過程，而社會經(jīng)濟驅(qū)動力則包括人口變化、貧富狀況、技術(shù)進步、經(jīng)濟增 長、政治經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及價值觀念等。有的時候驅(qū)動力與被觀察的土地利用變化在 空間或時間上相差甚遠，經(jīng)常涉及到宏觀經(jīng)濟政策的轉(zhuǎn)變和變化，很難預(yù)測。在區(qū)域 LUCC主要驅(qū)動力比較方面,目前較為一致的意見是:自然因素在很大程度上決定了 高原、山地等自然條件復雜地區(qū)的土地利用狀況,而經(jīng)濟發(fā)展、人口增長及政策等

7、是影響人類擾動強烈、開發(fā)歷史悠久而較少受自然條件約束地區(qū)的主要因素。1.2.3 土地利用/土地覆被變化（LUCC模型研究進展人類一環(huán)境系統(tǒng)是地球表層人類活動與地理環(huán)境相互作用形成的開放的復雜巨 系統(tǒng)。LUCC模型就是對這一復雜系統(tǒng)的一種抽象或有意義的比喻。它將土地變 化系統(tǒng)中的現(xiàn)實問題歸結(jié)為相應(yīng)的數(shù)學問題，并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)學的概念、方法 和理論進行深人的分析和研究。從而從定性或定量的角度來刻畫實際問題。并為 解決現(xiàn)實問題提供數(shù)據(jù)或可靠的指導。LUCC模型作為一種認知和學習工具，有助 于人們了解、認識和解釋土地系統(tǒng)的動態(tài)變化規(guī)律和特征。目前LUCC模型具有以下特點:LUCC模型的功能和作用呈現(xiàn)

8、多樣化趨勢，是 了解、認識和解釋土地利用系統(tǒng)的動態(tài)變化特征、過程和效應(yīng)的有效工具,可以服 務(wù)于土地利用管理和政策的制訂。模型的核心內(nèi)容是研究LUCC時空變化格 局。模型發(fā)展正經(jīng)歷從單一的非空間模型向非空間模型和空間模型融合的演進過 程。但多數(shù)模型只重視空間變化機制研究，而對時間機制考慮不足。反饋機制是 LUCC系統(tǒng)的一個重要特征，現(xiàn)有模型在反饋機制方面的研究尚十分薄弱。研究不 同時空尺度的反饋機制必將是未來LUCC模型的新焦點。LUCC研究本質(zhì)上是 “人類一環(huán)境”關(guān)系研究。以往模型多為局部均衡分析模型，未來LUCC模型發(fā)展趨 向應(yīng)從系統(tǒng)觀和整體觀角度來綜合考慮“人類一環(huán)境”相互作用機制,這也是

9、LUCC 模型的最高更次的科學難點問題。多尺度、多層次的綜合研究是LUCC模型的 必然要求，模型空間尺度已經(jīng)從早期的單一空間尺度轉(zhuǎn)變到現(xiàn)今的多空間尺度，但尺 度推移仍是模型研究中值得深入探討的問題。盡管LUCC模型驗證方法趨于多 元化,但目前還沒有一個模型驗證的統(tǒng)一標準和規(guī)范。參考數(shù)據(jù)的不足也大大限制了模型驗證效果。如何對LUCC模型的可靠性和科學性進行合理驗證始終是LUCC模型所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。32國內(nèi)外土地調(diào)查中的遙感技術(shù)研究現(xiàn)狀早在二十世紀三十年代，國外就開始利用航空攝影測量進行土地資源調(diào)查，而利 用衛(wèi)星遙感影像進行土地調(diào)查的研究則開始于二十世紀七十年代。國際上的土地 資源利用調(diào)查基

10、本是以航空遙感、航天遙感為手段分階段地進行，如加拿大每五年 用衛(wèi)星遙感資料和航空遙感資料相結(jié)合的方法對全國土地資源的利用情況做一次 詳查;澳大利亞、法國以及日本、西歐等一些經(jīng)濟發(fā)達的國家，也定期地利用衛(wèi)星 遙感進行土地資源利用情況的調(diào)查。近二十年來，國外遙感技術(shù)在土地資源研究中有了長足的進展，尤其是土地利用 分類成為遙感專題制圖中最熱門的課題。自1990年起,國際社會科學聯(lián)合會積極籌 劃全球性綜合研究計劃，于1995年共同擬定并發(fā)表了土地利用/土地覆蓋變化科 學研究計劃，并將其列為核心研究計劃。目前更多的國際組織和國家啟動了各自 的土地利用變化研究項目，取得了一系列成果。各國從生產(chǎn)經(jīng)營活動的需

11、要出發(fā)， 進行了有關(guān)土地利用類型以及植被覆蓋類型的調(diào)查、分類及制圖等,對于土地利用 / 土地覆蓋的現(xiàn)狀進行了較為全面的認識，其成果是各種各樣的土地利用類型圖、 植被覆蓋類型圖等，以便及時掌握全國土地利用狀況。國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所于 1995年開始的“歐洲和北亞土地利用/土地覆蓋變化模擬”的項目用以分析土地利 用的空間特征、時間動態(tài)和環(huán)境效應(yīng)。美國的土地利用研究主要集中在對全球與 區(qū)域性土地覆蓋變化的監(jiān)測研究，以揭示土地覆蓋變化與溫室氣體釋放的關(guān)系4。我國的遙感調(diào)查工作起步較晚，從“六五”才開始采用航空遙感與衛(wèi)星遙感相結(jié) 合的方法進行土地利用資源調(diào)查的應(yīng)用研究5。為配合全球變化的人文領(lǐng)域研究 計劃

12、（HDP與國際地圈-生物圈計劃（IGBP的工作，在“九五”期間設(shè)立了多項土地 利用的研究項目，并將“遙感、地理信息系統(tǒng)及全球定位系統(tǒng)技術(shù)”作為國家科技攻 關(guān)重點項目，應(yīng)用于資源、環(huán)境、災(zāi)害等監(jiān)測工作中6。1994年原國家土地局組 織北京師范大學、中科院遙感所以及北京農(nóng)業(yè)大學采取遙感監(jiān)測技術(shù)對全國19個 城市的土地利用狀況進行了監(jiān)測，后又將監(jiān)測范圍擴大至70個城市，取得了遙感技 術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測中產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。1999年以來，國土資源部采用 TM/ETM+、SPOT、SAR、IRS、航空數(shù)據(jù)等遙感資料全面開展了土地利用動態(tài) 遙感監(jiān)測工作7，對全國104個重點城市面積近200萬km2的土地利用

13、變化情況 進行了監(jiān)測。2004年,國土資源部首次開展了對全國189個國家級開發(fā)區(qū)的遙感監(jiān) 測,對全國50萬人口以上城市再次進行了年度變化監(jiān)測，同時監(jiān)測了 29個城市各季 度新增建設(shè)用地情況。2006年3月國土資源部發(fā)出通知，利用遙感技術(shù)開展土地執(zhí) 法調(diào)查，利用2004年10月至2005年10月期間衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖片在北京等幾個省 （自治區(qū)、直轄市的部分市、區(qū)調(diào)查城市新增建設(shè)用地情況。早期的土地調(diào)查在技術(shù)上受到了遙感數(shù)據(jù)源和計算機軟硬件條件等諸多因素的 制約。隨著高分辨衛(wèi)星陸續(xù)遨游在太空中和GIS技術(shù)的蓬勃發(fā)展,3S技術(shù)為土地 調(diào)查提供了堅實的技術(shù)支持8。以前的遙感數(shù)據(jù)源來自于中低分辨率的航天平臺

14、 （如LANDSAT TM等，或者是航空飛機。中低分辨率的衛(wèi)星由于其識別能力差，制 約了土地調(diào)查的精度;而航空飛機由于耗費人力財力較大且受天氣、軍事等因素 影響，無法全面及時地完成土地調(diào)查任務(wù)。計算機軟硬件條件的限制主要指海量數(shù) 據(jù)的管理、存儲與分析?，F(xiàn)在，已經(jīng)有多顆高分辨率民用衛(wèi)星遨游太空，隨著 QUICKBIRD、IKONOS的存檔數(shù)據(jù)越來越多，土地調(diào)查質(zhì)量將得到明顯提高;而 隨著存儲技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GIS軟件技術(shù)的逐步深入，計算機軟硬件條件的約束也 將大大減小。3國外土地利用/覆蓋變化遙感監(jiān)測進展綜合進行土地利用/ 土地覆蓋變化研究并在全球區(qū)域進行是近10年來隨著全球 環(huán)境演變研究的深入

15、開展起來的。應(yīng)用衛(wèi)星圖象進行土地利用/覆蓋動態(tài)監(jiān)測目前 在兩種區(qū)域尺度的范圍內(nèi)開展。一是全球和洲際尺度，二是區(qū)域級（亞洲際或更小 區(qū)域尺度。二者所選用的信息源不同，近年來的研究在精度上都取得了較大進展。大量的研究在全球和洲際尺度進行，以使用氣象衛(wèi)星NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)進行 監(jiān)測為主。應(yīng)用AVHRR數(shù)據(jù)進行全球和洲際尺度的植被變化和土地研究始于1981年9。最早應(yīng)用多時相AVHRR的植被指數(shù)（NDVI數(shù)據(jù)進行洲際尺度的土 地覆蓋研究是Tucker和Townshend ,他們分別進行了非洲（Tucker, 1985和南美洲 的研究（Townshend, 1994。Cihlar等研究NOAA/A

16、VHRR各多波段組合方案進行 加拿大北方地區(qū)土地覆蓋分類，以AVHRR的1、2和4波段、它們的主成分波段以及NDVI進行,認為其中最有效的是NDVI，其與TM 數(shù)據(jù)分類的精度比較可達45%60%,其中主要土地覆蓋類型的精度可超過 80%（Cihlar, 1996。土地利用/覆蓋動態(tài)監(jiān)測在區(qū)域級尺度的研究，所選用的遙感信 息源以高空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)LANDSAT/MSS和LANDSAT/TM為主。采用的 遙感監(jiān)測方法包括比較土地覆蓋分類結(jié)果、多時相數(shù)據(jù)分類、圖象差值/比值、植 被指數(shù)、主成分分析以及變化向量分析等，其中圖象差值、主成分分析法或纓帽變 換是最常用的兩種方法。Fung于1990年在

17、加拿大的滑鐵盧地區(qū)，進行了 LANDSAT/TM圖象在土地覆蓋變化動態(tài)監(jiān)測中的評價研究，選擇1985年8月和 1986年7月的LANDSAT/TM數(shù)據(jù)進行，采用的方法是圖象差值、主成分分析法和 多時相纓帽變換法，對產(chǎn)生的12種變化信息提取圖象的精度進行了評價，其中第三 主分量在農(nóng)用地變化為建筑工地的監(jiān)測精度達95151%,纓帽變換中的亮度變化分 量在監(jiān)測建筑工地變化為居民地的精度為91167%。Riley等人用MSS圖象進行 墨西哥的Tuxtlas地區(qū)的1986年1994年土地覆蓋變化的研究并表明其精度可以達 到81%87%（Riley, 1997。Adams等人對巴西的Amazon盆地進行的

18、土地覆蓋變化 研究是采用1988年、1989年、1990年和1991年的TM數(shù)據(jù)進行的，估計監(jiān)測精 度可以達到90%以上（Adams, 1995。Lenney等人應(yīng)用1984年和1993年的TM數(shù) 據(jù)采用其NDVI特征進行埃及的農(nóng)業(yè)土地監(jiān)測，其分類的4種農(nóng)用地的分類精度可 達到 95185%（Lenney, 1996。也有研究將 NOAA/AVHRR 和 LANDSAT/TM 數(shù)據(jù)結(jié) 合進行土地覆蓋的試驗研究，取得了較好的效果。4我國土地利用變化遙感監(jiān)測工作80年代初，在國家計委國土局、國家自然科學基金委和全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃辦公室的 資助下，編制了中國1:100 x104 土地利用圖10。從“六五”

19、開始，我國就開始進 行土地利用遙感調(diào)查與應(yīng)用研究,90年代初，國家土地局組織完成了全國縣級土地詳查工作,東部采用航空遙感信息完成1:1x104 土地利用調(diào)查圖，西部以航空遙感和 衛(wèi)星遙感信息相結(jié)合完成1:5x104、1; 10 x104和1:20 x104 土地利用圖11。近 20a來，隨著我國經(jīng)濟全面高速的發(fā)展，土地利用/土地覆蓋變化較快。在國家科委和 國家科學基金委“九五”到2010年的重點發(fā)展領(lǐng)域和基金優(yōu)先資助領(lǐng)域中，將土地 利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響，人類活動對土地利用狀況變化的影響作為其研究 的重點之一 12。為配合IGBP/HDP的工作。在“九五”期間，我國對全球變化的研 究項目

20、中涉及了多項土地利用/ 土地覆蓋變化的研究項目，如：國家自然科學基金重 大項目(九五“中國陸地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與全球變化相互作用機理的研究”中的“土地 利用與覆蓋變化及其對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響”子專題,“九五”國家重大基礎(chǔ)研究預(yù) 選項目“我國未來生存環(huán)境變化趨勢預(yù)測研究”中的“中國東北陸地生態(tài)系統(tǒng)樣帶 (NECT對全球變化響應(yīng)和反饋的研究NECT樣帶的土地利用和土地覆蓋的研究”等。這些項目與IGBP/HDPLUCC的研究自標基本一致。我國遙感開始于70 年代?！捌呶濉焙汀鞍宋濉逼陂g都進行了一些應(yīng)用遙感進行自然災(zāi)害監(jiān)測的研究 13。在國家“九五”計劃中,“遙感、地理信息系統(tǒng)及全球定位系統(tǒng)技術(shù)( 3S

21、技術(shù) 綜合應(yīng)用研究”為國家科技攻關(guān)重點項目，應(yīng)用“ 3S ”技術(shù)進行資源、環(huán)境、災(zāi)害等 監(jiān)測，其中也包括對土地利用/土地覆蓋變化的監(jiān)測?！?1996年國家土地局進行土 地利用動態(tài)監(jiān)測的工作也開始起步，于1996年和1997年，運用TM和SPOT等衛(wèi)星 遙感資料,分別對19個城市和100個城市的城市擴展與耕地變化進行了動態(tài)監(jiān)測， 將土地利用遙感監(jiān)測納入土地管理業(yè)務(wù)化運行體系。我國應(yīng)用遙感技術(shù)進行土地利用/覆蓋動態(tài)監(jiān)測的工作已進行了多年，采用的監(jiān) 測方法多種多樣，主要包括：(1目視判讀方法，如：中科院地理所對浙江省蘭溪市上華實驗區(qū)，用50年代和 80年代的1 : 1175x104航空相片,并參考1

22、991年和1992年LANDSAT/TM模擬 真彩色圖象，通過目視判讀的方法進行了實驗區(qū)土地退化研究;武漢測繪科技大學 利用1957年、1967年和1980年的航空影像進行了隨州城市變遷的監(jiān)測研究;江蘇省選用1954年、1978年 和1988年三期航空相片進行了無錫市土地利用變化的監(jiān)測研究;山西省于1988年 用1958年和1981年兩期航空相片對晉西三川河流域進行了土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài) 分析；中科院遙感所將遙感與非遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，應(yīng)用GIS技術(shù)，以80年代初和90 年代的LANDSAT/TM圖象,經(jīng)分層數(shù)字化的方法進行全國土地資源動態(tài)變化研究； 黑龍江省應(yīng)用1997年大比例尺LANDSAT/T

23、M合成圖象進行了對1992年土地詳 查圖的更新,以阿城監(jiān)測區(qū)為例進行動態(tài)變化研究。(2計算機遙感動態(tài)信息提取/遙感分類方法，如，中國科學院遙感衛(wèi)星地面站曾 用1986年SPOT/HRV圖象和1987年LANDSAT/TM圖象進行了河北省南皮縣土 地利用變化的監(jiān)測，之后，應(yīng)用1987年、1989年和1992年LANDSAT/TM圖象進行 北京地區(qū)的土地覆蓋變化的遙感實驗研究;中科院廣州地理所在珠江三角洲的東莞 市以1988年和1993年的LANDSAT/TM圖象進行城市擴展的監(jiān)測研究，并采用主 成分分析方法改善了監(jiān)測精度;國家土地局于1997年采用LANDSAT/TM數(shù)據(jù)對全 國100個城市的擴

24、展進行了研究。(3遙感圖象目視判讀與計算機圖象處理結(jié)合方法;例如:浙江大學曾采用多平 臺遙感數(shù)據(jù)復合研究方法，用1978年LANDSAT/MSS圖象、1984年航空照片和 1987年LANDSAT/TM圖象完成了岳陽市19781984、19841987年間的城市擴 展的動態(tài)監(jiān)測，獲得了較大成功(監(jiān)測精度達9117%14;中科院遙感所對北京市朝 陽區(qū)進行土地利用動態(tài)監(jiān)測，采用1970年、1980年和1989年3個時段進行土地利 用動態(tài)監(jiān)測，1970年和1980年土地利用時間為已解譯數(shù)據(jù)，對1989年數(shù)據(jù)通過概 率松弛法進行分類，在GIS支持下進行動態(tài)信息的提取。我國土地利用覆蓋變化的 遙感監(jiān)測研究具有以下特點:采用的方法多樣，以目視判讀、計算機圖象處理以 及二者結(jié)合的方法進行，并且目視判讀進行監(jiān)測研究一直占有重要地位;監(jiān)測的空 間尺度廣泛，從小試驗區(qū)至城市、流域和全國范圍廣泛進行;時間尺度多種，以近 10a監(jiān)測為主，跨越的時間范圍從50年代至90年代后期。與國際土地利用/覆蓋遙 感監(jiān)測研究方法相比，我國的工作在遙感圖象的計算機信息提取方面尚存在一些差 距。參考文獻:1王靜.必須要重視