土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)論文

1、基于RS技術(shù)在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用李 玥（遼寧工程技術(shù)大學(xué)，測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新，123000）摘要:對(duì)數(shù)字遙感技術(shù)在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述，介紹了 土地利用動(dòng) 態(tài)遙感監(jiān)測(cè)的概念、方法、過(guò)程以及監(jiān)測(cè)中存在的難點(diǎn)，如數(shù)據(jù)預(yù)處理、監(jiān)測(cè)方法的選擇等。 強(qiáng)調(diào)了今后應(yīng)加強(qiáng)數(shù)字遙感技術(shù)在資源和環(huán)境管理中的應(yīng)用研究。關(guān)鍵詞：遙感 土地利用 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 信息增強(qiáng)0.引言人類利用土地的過(guò)程是不斷變化 的。各國(guó)政府一直進(jìn)行著不同層次的 土地資源及其利用狀況調(diào)查工作。及 時(shí)掌握土地利用類型的變化信息，是 進(jìn)行土地利用總體規(guī)劃、基本農(nóng)田保 護(hù)、土地利用用途管制等土地管理工 作的必要條件。迅

2、速發(fā)展的數(shù)字遙感 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，為土地利用現(xiàn)狀 及變化信息的獲取提供了及時(shí)有效的 技術(shù)手段。數(shù)字遙感技術(shù)的動(dòng)態(tài)、宏 觀、及時(shí)以及能夠得到同一區(qū)域時(shí)間 段上影像系列等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)迅 速處理的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)土地利用動(dòng)態(tài) 調(diào)查技術(shù)所無(wú)法比擬的。目前，各國(guó) 都在開(kāi)展數(shù)字遙感影像處理技術(shù)在土 地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，國(guó)土 資源部在原國(guó)家土地管理局地籍司工 作基礎(chǔ)上，在這方面也展開(kāi)了系統(tǒng)的 應(yīng)用研究，取得了階段性進(jìn)展。基于遙感的土地利用動(dòng)態(tài) 監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用1.1國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀國(guó)家土地管理局成立以后，在國(guó) 務(wù)院統(tǒng)一布署下，組織完成了全國(guó)縣 級(jí)土地詳查，東部地區(qū)采用航空遙感 為基本方法完成比例尺1

3、:1萬(wàn)土地利 用調(diào)查制圖，西部地區(qū)采用衛(wèi)星遙感 和航空遙感相結(jié)合的方法完成1:5萬(wàn)、 1:10萬(wàn)和1:20萬(wàn)土地利用調(diào)查。這一 成果為各級(jí)政府制定經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)劃、 計(jì)劃，為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、水利、能源、交 通等各專業(yè)部門制定規(guī)劃、計(jì)劃提供 了可靠的數(shù)據(jù)資料、為各項(xiàng)土地管理 工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。1.2國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀目前，各國(guó)都在開(kāi)展數(shù)字遙感影 像處理技術(shù)在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的 應(yīng)用研究。由于遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)具 有覆蓋面廣、宏觀性強(qiáng)、快速、多時(shí) 相、豐富的綜合信息等優(yōu)點(diǎn)，人們對(duì) 于衛(wèi)星遙感在土地調(diào)查中的應(yīng)用，從 衛(wèi)星遙感發(fā)展初期就寄于厚望，較普 遍地應(yīng)用于土地調(diào)查制圖與監(jiān)測(cè)中， 美國(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家還為泰國(guó)、

4、墨 西哥、肯尼亞等第三世界國(guó)家制作中 小比例尺的土地利用圖。1.3我國(guó)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的功能與特點(diǎn)根據(jù)我國(guó)國(guó)情，土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)應(yīng)具有下列功能與特點(diǎn)：1）監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是耕地變化和建設(shè) 用地?cái)U(kuò)展。我國(guó)耕地減少的主要去向 是非農(nóng)建設(shè)占地和農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào) 整，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整占用耕地，有可逆 性特點(diǎn)，耕地尚能恢復(fù)，而非農(nóng)建設(shè) 占用，耕地就難恢復(fù)，所以監(jiān)測(cè)非農(nóng) 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展是重點(diǎn)。2）監(jiān)測(cè)成果的多樣性。為適應(yīng)各 級(jí)土地管理機(jī)構(gòu)的需求，通過(guò)土地利 用監(jiān)測(cè)定期提供土地利用現(xiàn)狀資料， 包括面積數(shù)據(jù)和反映土地利用空間分 布、變化等專題圖資料。3）監(jiān)測(cè)體系的層次性。為保證監(jiān) 測(cè)任務(wù)的完成，各級(jí)土地管理部門都 應(yīng)有相應(yīng)

5、的監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，各級(jí)機(jī)構(gòu)互為 關(guān)聯(lián)形成體系，各層次組成有機(jī)整體， 既要保證監(jiān)測(cè)成果的統(tǒng)一性和可比 性，又能開(kāi)展本轄區(qū)的監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，提 供本地區(qū)的監(jiān)測(cè)成果。4）技術(shù)手段的綜合性。根據(jù)我國(guó) 土地利用監(jiān)測(cè)的任務(wù)和要求，在技術(shù) 手段上宜采用衛(wèi)星遙感、航空遙感、 抽樣調(diào)查和地面調(diào)查相結(jié)合的方法， 發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，求得總體功能上滿足 各項(xiàng)需要。土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)的 一般過(guò)程上述兩種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法都是以 影像光譜輻射特征所包含的信息和像 元分類器為基礎(chǔ)的，其主要過(guò)程都包 含有土地利用變化位置確定什么地方 發(fā)生了變化和變化類型的確定變化 本質(zhì)，圖1）。2. 1逐個(gè)像元比較法的監(jiān)測(cè)過(guò)程2. 1. 1遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理土地

6、利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù) 預(yù)處理的兩個(gè)重要方面是影像系列空 間匹配和輻射校正。顯然，多時(shí)相影像 間準(zhǔn)確的空間配準(zhǔn)是動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)所 必須的。在影像匹配誤差對(duì)土地利用 變化監(jiān)測(cè)精度影響的研究中，證明了 要得到可靠的土地利用變化結(jié)果，需 極影像系列空間匹配數(shù)據(jù)預(yù)處理高的 圖像配準(zhǔn)精度。研究結(jié)果表明，1個(gè) 像元空間影像系列輻射校正匹配誤差 將導(dǎo)致50 %的虛假變化。要想將錯(cuò)誤 率影像系列變化控制在10 %，圖像 配準(zhǔn)誤差就必須小于0. 2個(gè)像元變化 位置的確定一信息增強(qiáng)或更小。土 地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)的另一個(gè)重 要變化掩膜產(chǎn)生預(yù)處理就是必須對(duì)影 像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正，只有在變化類 型的識(shí)別一變化區(qū)域分

7、類可靠的輻射 校正基礎(chǔ)上的監(jiān)測(cè)結(jié)果，才可能避免 偽 變化圖幾何校正變化。Hall et al （1990） , Caselles and Carcia （1989），監(jiān)測(cè)成果評(píng)價(jià)一監(jiān)測(cè)精度評(píng) 定Conel 1990等人發(fā)展了一系列輻射 匹配技術(shù)，這些技術(shù)回避了各種輻射 校正參數(shù)獲取困難的問(wèn)題，可面積統(tǒng) 計(jì)分析以直接將影像系列上穩(wěn)定的景 觀要素作為輻射控制圖。2. 1. 2遙感信息的增強(qiáng)近20年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了一系 列遙感信息增強(qiáng)算法，筆者現(xiàn)將這些 算法歸納如下：1簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)處理增強(qiáng)變 化信息這一類方法主要是對(duì)有關(guān)波段 圖像的像元亮度值進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)處理 主要是求差值或求比值，增強(qiáng)有用信 息，以便

8、進(jìn)行波段之間光譜強(qiáng)度的比 較。1）影像差值。該方法是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 中應(yīng)用最廣泛的方法之一。不同年代， 同一時(shí)相的影像系列經(jīng)過(guò)幾何匹配 后，用其中一個(gè)年代的圖像像元亮度 值減去另一個(gè)年代圖像的對(duì)應(yīng)像元亮 度值。當(dāng)差值為零時(shí)，表示土地利用 類型未發(fā)生任何變化，而正值或負(fù)值 均表示土地利用類型發(fā)生了變化。2）影像比值。比值增強(qiáng)處理是迅 速進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一種方法，該方法就是求取有關(guān)波段圖像像 元亮度值的比值。土地利用類型發(fā)生 變化區(qū)域的像元亮度值之比會(huì)顯著地 大于或小于1，而未發(fā)生變化區(qū)域的 亮度值接近1。3）多時(shí)域線性變換增強(qiáng)變化信 息。通過(guò)對(duì)系列影像進(jìn)行線性變換， 進(jìn)而將土地利用變化信息提取出

9、來(lái)。 最常用的線性變換方法有主成分分析 PCA，穗帽變換K - T，G - S正交 變換。這些線性變換方法產(chǎn)生出一組 新的組分圖像，目的就是要把原來(lái)多 個(gè)波段中的有用信息集中到數(shù)目盡可 能少的新的組分中，起到數(shù)據(jù)壓縮波 段數(shù)降為N個(gè)主成分和突出變化信息 的目的。4）變化向量分析。首先對(duì)各時(shí)相 的影像分別進(jìn)行K-T變換，然后對(duì)K -T變換后的有關(guān)特征組分分量進(jìn)行差 值運(yùn)算，求得每個(gè)像元的變化值，稱 為變化向量。5）多時(shí)域非線性變換增強(qiáng)變化 信息。該方法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué) 習(xí)功能，對(duì)影像變化信息進(jìn)行非線性 運(yùn)算，提取變化信息，其精度高于G - S正交變換所獲得的結(jié)果精度，是一 種可行的土地利用類

10、型變化檢測(cè)算 法。2. 1. 3變化掩膜的產(chǎn)生在土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)中，變 化掩膜是指在土地利用變化信息增強(qiáng) 的基礎(chǔ)上，用一定方法對(duì)可能的變化 區(qū)域進(jìn)行劃分，形成二值影像。最常 用的方法就是簡(jiǎn)單的閾值技術(shù)：1 I ( x , y ) NTI x , y 二 T為閾值0 I ( x , y ) T即：當(dāng)像元亮度值大于T時(shí) 賦值1,用于表示土地利用類型發(fā)生 了變化的區(qū)域，T值通常由分析者憑 經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)選取，因此，這一步 是影響監(jiān)測(cè)精度的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于變 化區(qū)域的劃分，也可用監(jiān)督和非監(jiān)督 分類方法，但這些方法在文獻(xiàn)中出現(xiàn) 的不多。2. 1. 4變化類型的識(shí)別1)目視解譯。目視解譯的最大優(yōu) 點(diǎn)是方

11、便靈活，解譯者在解譯過(guò)程中 能夠充分利用影像解譯標(biāo)志和其它輔 助信息地貌，地形等識(shí)別地物。但解 譯者的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)包括對(duì)所研究 地理區(qū)域的熟悉程度以及影像本身的 差異或限制，都會(huì)導(dǎo)致解譯結(jié)果的不 一致。2)計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯分類。目前， 用得較多的方法是多元統(tǒng)計(jì)識(shí)別分類 方法。該方法主要優(yōu)點(diǎn)是處理速度快， 并且可重復(fù)性強(qiáng)，其中，最大似然法 有著嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，對(duì)于呈正態(tài)分 布的數(shù)據(jù)，具有很好的統(tǒng)計(jì)特性，而 且判別函數(shù)易于建立，是目前最常用 的分類方法。2. 2分類后比較法的監(jiān)測(cè)過(guò)程這一類方法，通常不對(duì)各年代影 像作任何增強(qiáng)處理，只是單純依靠各 自的光譜分類結(jié)果進(jìn)行分析和處理， 主要有：分類后比較

12、 對(duì)各年代影像 分別進(jìn)行光譜分類，并對(duì)分類結(jié)果圖 進(jìn)行復(fù)合分析，獲取土地利用變化信 息。該方法主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)兩個(gè)時(shí)期影 像分別進(jìn)行分類處理，避免了不同時(shí) 相影像間輻射校正問(wèn)題。初始分類的 精度決定了土地利用動(dòng)態(tài)變化的計(jì)算 結(jié)果精度，它近似等于各自分類精度 的乘積。原始影像上錯(cuò)誤的分類和不 正確的圖像匹配，均會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié) 果。多維時(shí)域空間復(fù)合分析匹配后的影像系列，土地利用發(fā)生變化 的類別與未發(fā)生變化的類別在統(tǒng)計(jì)模 式上會(huì)有顯著的不同。這樣，對(duì)影像系 列同時(shí)進(jìn)行變化類型的分類，通常被 稱為“分層光譜或時(shí)域變化分類 ”， “多時(shí)相聚類”或“光譜變化模式分析”。監(jiān)測(cè)成果評(píng)價(jià)一般而言，監(jiān)測(cè)結(jié)果是應(yīng)用部門

13、 最關(guān)心的，如監(jiān)測(cè)的精度有多高，各 地類變化面積有多大等。原國(guó)家土地 管理局在土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)研究 中，采用基于混淆矩陣基礎(chǔ)上的精度 評(píng)價(jià)方法和面積校正方法，為土地利 用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)成果在實(shí)際工作中的 應(yīng)用提供了依據(jù)。結(jié)論遙感作為一門先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)， 可為土地利用動(dòng)態(tài)變化研究提供多時(shí) 相、大范圍的實(shí)時(shí)信息，成為研究地 球資源、環(huán)境的有力手段之一。就動(dòng) 態(tài)遙感監(jiān)測(cè)來(lái)講，還有不少難點(diǎn):首先 數(shù)據(jù)預(yù)處理在實(shí)際工作中達(dá)不到要 求，其有效算法和技術(shù)影響了動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)成果的精度；其次，由于變化監(jiān)測(cè) 算法的差異性，所有變化監(jiān)測(cè)算法的 能力受空間、光譜、時(shí)域和專業(yè)內(nèi)容 的限制，所采用的方法在一定程度上 影響了變化監(jiān)測(cè)的精度。甚至對(duì)于同 一環(huán)境，由于采用的方法不同，所產(chǎn) 生的結(jié)果也會(huì)不同，因此，選擇合適 的土地利用變化監(jiān)測(cè)方法，顯得尤為 重要。綜上所述，土地利用動(dòng)態(tài)變化遙 感監(jiān)測(cè)有多種方法，各方法都有其優(yōu) 缺點(diǎn)?？偟膩?lái)講，多時(shí)域線性變換、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性變換和變化向量分 析等方法充分利用了影像系列各波段 所包含的變化信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮 的同時(shí)，又增強(qiáng)了變化信息，其算法 的精度比較高、處理速度比較快。今 后還需對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)