基于數(shù)學(xué)重采樣的遙感土地利用調(diào)查精度驗(yàn)證方法

基于數(shù)學(xué)重采樣的遙感土地利用調(diào)查精度驗(yàn)證方法

1遙感土地利用覆蓋的應(yīng)用通過研究遙感土地利用，可以為生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)，但驗(yàn)證數(shù)據(jù)非常重要，被忽視。很多情況下,由遙感解譯得到的數(shù)據(jù),往往只經(jīng)過簡單的野外實(shí)地驗(yàn)證,進(jìn)行一些定性的評價(jià),就交付使用或入庫,缺乏較嚴(yán)格認(rèn)真的精度評估。我國土地資源遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測正處于試點(diǎn)階段,對生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求大而迫切。應(yīng)當(dāng)看到,現(xiàn)今信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊高度發(fā)達(dá),保證生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量,比過去任何時(shí)候都重要,廣泛共享的、高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是信息時(shí)代生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測和建設(shè)的需要,直接關(guān)系到生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的質(zhì)量,意義重大。評價(jià)遙感土地利用成果的精度仍然是整個(gè)土地資源遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作的核心。目前,在遙感土地利用(覆蓋)調(diào)查中應(yīng)用最為廣泛的是TM(ETM+)數(shù)據(jù)。土地利用調(diào)查成果數(shù)據(jù)的幾何精度評價(jià),通?？刹捎美碚摲治龅姆椒?即采用誤差傳播理論進(jìn)行分析。用該方法進(jìn)行幾何精度評價(jià)必須獲得數(shù)據(jù)取得過程中各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差。另一種方法是用遙感圖像與調(diào)查數(shù)據(jù)疊合并計(jì)算疊合的吻合度。這種方法隨著GIS與遙感集成化程度和水平的提高將會(huì)受到重視。第三種方法是先從微觀角度入手,計(jì)算圖幅的中誤差,最后推出總面積的中誤差;最后從宏觀角度出發(fā),計(jì)算評價(jià)數(shù)據(jù)的整體幾何精度、總面積的相對精度等。本文結(jié)合“九五”科技攻關(guān)“西部大開發(fā)”專項(xiàng)“西北地區(qū)遙感本底調(diào)查及動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)”的研究,以定西遙感土地利用調(diào)查為例,介紹一種利用GIS疊置的方法,對項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行再次解譯,對成果進(jìn)行疊置分層分析計(jì)算,可生成完整的數(shù)據(jù)庫精度評價(jià)結(jié)果或分類系統(tǒng)不同級別的精度評價(jià)結(jié)果。2遙感本底調(diào)查及動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)甘肅省生態(tài)環(huán)境遙感本底調(diào)查及動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)是國家“九五”科技攻關(guān)“西部大開發(fā)”專項(xiàng)“西北地區(qū)遙感本底調(diào)查及動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)”的子專題之一。數(shù)據(jù)源為TM圖像(分辨率為30m),內(nèi)容包括生態(tài)環(huán)境遙感本底調(diào)查、生態(tài)環(huán)境評價(jià)、生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立等。2.1地貌單元及其古地貌試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省中部黃土高原、甘南高原、隴南山地的交匯地帶,介于東經(jīng)103°44′～105°38′,北緯34°50′～36°02′之間,包括定西、隴西、渭源和通渭四縣。海拔大部分在1900～3000m之間。全區(qū)大的地貌單元屬于黃土高原丘陵山地類型,是在新第三系、第四系早期古地形基礎(chǔ)上,覆蓋了厚度不等的風(fēng)蝕黃土,經(jīng)水流侵蝕切割而成。地貌差異大,梁峁起伏,溝壑縱橫,地形破碎是區(qū)內(nèi)最顯著的特點(diǎn)。2.2治理生物措施相結(jié)合,進(jìn)行小流域綜合治理近幾年來,區(qū)內(nèi)各縣以小流域?yàn)閱卧?以“水保立縣”為發(fā)展戰(zhàn)略,山、水、田、林統(tǒng)一規(guī)劃,蓄、引、灌、排相結(jié)合,工程措施和生物措施相結(jié)合,大力發(fā)展小流域綜合治理。對坡度大于25度的坡耕地進(jìn)行退耕還林、還草,發(fā)展種草種樹,進(jìn)行生態(tài)環(huán)境重建;發(fā)展以“121雨水集流”工程為主的集雨節(jié)灌,進(jìn)行土豆、中藥材以及經(jīng)濟(jì)林種植,全面發(fā)展特色農(nóng)業(yè);同時(shí),進(jìn)行了舊城鎮(zhèn)改造、小城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民地建設(shè);另外,寶蘭二線、攙柳高速公路、國道省道改造和工礦區(qū)的建設(shè)等都大大地改變了定西地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀。3定性描述方向發(fā)展和定量方向發(fā)展方向遙感技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了環(huán)境科學(xué)也不斷向深度和廣度方向發(fā)展,并且逐步由定性描述向定量方向發(fā)展。Landsat-5TM影像能客觀、直接地提供相關(guān)的地理環(huán)境信息,因此調(diào)查中選擇TM作為主要信息源。3.1土地利用分類系統(tǒng)本專題所采用的總的土地利用分類系統(tǒng)為國家“863-308”西部金睛行動(dòng)《中國生態(tài)環(huán)境本底調(diào)查分類系統(tǒng)》(土地利用/土地覆蓋),在沒有改變總的分類系統(tǒng)的同時(shí),結(jié)合試驗(yàn)區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行了增減,形成了既統(tǒng)一又具有本地區(qū)特點(diǎn)的新的土地利用分類系統(tǒng)(見表1)。3.2輔助數(shù)據(jù)評價(jià)屏幕目視解譯是解譯人員以自身對該地區(qū)地域特征的了解為基礎(chǔ),根據(jù)影像的紋理、色調(diào)、形態(tài)及其在該地區(qū)的分布規(guī)律,對應(yīng)一定的分類系統(tǒng)及技術(shù)要求,對地物判讀的過程;解譯過程是一個(gè)反復(fù)的過程,首先確定分類系統(tǒng)的第一級單元;然后進(jìn)一步細(xì)分一級單元。在這一步需要對輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真的評價(jià)。細(xì)分大的土地覆蓋單元要反復(fù)進(jìn)行直到超過最小制圖單位的所有土地覆蓋單元被描述和確定為止。然后,對這些初步確定的單元進(jìn)行野外調(diào)查,解決剩余的解譯問題和解譯綜合驗(yàn)證。原始數(shù)據(jù)收集和驗(yàn)證的土地覆蓋類型在一個(gè)點(diǎn)是確定的。與收集原始數(shù)據(jù)相比,解譯是反向進(jìn)行的。解譯采樣點(diǎn)的類型別時(shí),不考慮周圍環(huán)境的影響。忽視最小制圖單元的要求將導(dǎo)致完全不同的解譯結(jié)果。顯示時(shí)應(yīng)把比例尺固定在小于1∶40000的某一個(gè)值。當(dāng)縮小圖像時(shí),能夠看到圖像的全貌。沒有采樣點(diǎn)的區(qū)域,可以顯示原先的解譯結(jié)果,這樣有助于解譯者熟悉已經(jīng)采用的解譯方法。在源數(shù)據(jù)收集時(shí),詳細(xì)記錄野外調(diào)查結(jié)果,以節(jié)約經(jīng)費(fèi)。然后檢查驗(yàn)證數(shù)據(jù)的拓?fù)溴e(cuò)誤。記錄解譯過程中的錯(cuò)誤。最后建立一個(gè)所有土地覆蓋單元的匯總表。3.3不同產(chǎn)土類型土地利用結(jié)構(gòu)及其變化試驗(yàn)區(qū)四縣土地總面積為1103014hm2,其中耕地面積為562936.94hm2,占土地總面積的54.4%;林地(包括落葉林、常綠林、防護(hù)林、灌木林等)66344.17hm2,占總面積的6.01%;草地108647.85hm2,占總面積的9.85%;公路、鐵路及廠礦用地為282.12hm2,占0.025%;城鎮(zhèn)、農(nóng)村建筑用地為17208.15hm2,占總面積的1.56%;荒地為185981.37hm2,占16.86%;園地為118.8hm2,占0.01%;水體面積為488.37hm2,占0.04%;難利用地和其它用地為123324.56hm2,占總面積的11.18%。土地利用結(jié)構(gòu)之比例為:農(nóng)∶林∶牧∶水∶其它=54∶6∶10∶0.03∶29.97。圖1為試驗(yàn)區(qū)1990年土地利用結(jié)構(gòu)比例圖。經(jīng)過十年的發(fā)展變化,項(xiàng)目區(qū)土地利用和土地覆蓋發(fā)生了很大改變。其中耕地面積為600120hm2,占土地總面積的58.86%;林地(包括落葉林、常綠林、防護(hù)林、灌木林等)73797.63hm2,占總面積的6.69%;草地83778.10hm2,占總面積的7.6%;公路、鐵路及廠礦用地為341.57hm2,占0.03%;城鎮(zhèn)、農(nóng)村建筑用地為19766.66hm2,占總面積的1.79%;荒地為149357.70hm2,占13.54%;園地為231.68hm2,占0.02%;水體面積為400.67hm2,占0.03%;難利用地和其它用地為125965.94hm2,占總面積的11.42%。土地利用結(jié)構(gòu)之比例為:農(nóng)∶林∶牧∶水∶其它=59∶7∶8∶0.03∶25.97。圖2為試驗(yàn)區(qū)2000年土地利用結(jié)構(gòu)比例圖。5采樣點(diǎn)的確定和驗(yàn)證精度驗(yàn)證是在對成果進(jìn)行定性評價(jià)的基礎(chǔ)上的定量分析,是確定土地覆蓋單元類別和面積劃定和描述的精度。驗(yàn)證時(shí),采用相同的數(shù)據(jù)源按照同樣的解譯方法對采樣點(diǎn)再次解譯,然后對兩次解譯結(jié)果進(jìn)行比較。比較結(jié)果提供一個(gè)混淆矩陣(圖3所示),用以區(qū)分特定的土地覆蓋類別的錯(cuò)分程度1。4.1采樣點(diǎn)地理位置第一步,選定層并確定選定層的選擇點(diǎn)數(shù)。第二步,確定采樣點(diǎn),如確定每個(gè)土地覆蓋單元內(nèi)采樣點(diǎn)的地理位置。驗(yàn)證時(shí)將確定解譯錯(cuò)的面積占每層總面積的比例。4.1.1解譯誤差的解譯算法確定h層需要的采樣點(diǎn)數(shù)按下列公式計(jì)算:nh=Ρh(1-Ρh)σ2hnh=Ph(1?Ph)σ2h(1)其中:nh是采樣點(diǎn)數(shù),Ph是估計(jì)的解譯誤差率,σh是h層可接受的解譯誤差的絕對標(biāo)準(zhǔn)差。通過對選定的單元進(jìn)行兩次解譯可估計(jì)解譯誤差率。利用GIS的疊置方法,統(tǒng)計(jì)計(jì)算兩次解譯的代碼相同的單元和不同的單元的總面積,后者除以樣點(diǎn)解譯區(qū)的總面積得解譯誤差率。在得到驗(yàn)證結(jié)果、知道錯(cuò)誤率的基礎(chǔ)上就可以計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。必須估計(jì)每層的錯(cuò)誤率和確定每層可接受的標(biāo)準(zhǔn)差。然后,就可計(jì)算分層的采樣點(diǎn)數(shù)。若每層的面積比較小,應(yīng)增加點(diǎn)的密度。但考慮到實(shí)際操作的可能性,每平方公里的點(diǎn)數(shù)須限制于一定的數(shù)量。因此,面積相對小的層的采樣點(diǎn)的總數(shù)將減少,這將導(dǎo)致比較高的標(biāo)準(zhǔn)差。4.1.2采樣點(diǎn)的選擇和網(wǎng)格寬度的確定第一步,步面積是根據(jù)每層的總面積除以每層的采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算的。土地覆蓋單元的繪制和每個(gè)選定的土地覆蓋單元的采樣點(diǎn)數(shù)的計(jì)算是按累積方法進(jìn)行的。每層土地覆蓋單元的面積逐漸累加,然后,從隨機(jī)采樣的起點(diǎn)按步面積系統(tǒng)選擇土地覆蓋單元,同時(shí)計(jì)算每個(gè)土地覆蓋單元的采樣點(diǎn)數(shù)。圖4說明了單元選擇和采樣點(diǎn)的確定。其中Ah表示層h的總面積;Ahi表示層h第i類的土地覆蓋類別的面積;nh表示層h的隨機(jī)采樣點(diǎn)數(shù);AhnhAhnh表示步面積。土地覆蓋單元面積逐漸累計(jì),如,單元面積累計(jì)從圖幅的西北角開始,到西南角結(jié)束。起始點(diǎn)選擇:隨機(jī)選擇0到步面積之間的隨機(jī)值,垂直箭頭表示隨機(jī)采樣點(diǎn),每個(gè)單元當(dāng)被采樣過程選中時(shí),有一個(gè)采樣點(diǎn)。圖4表明單元1和3有一個(gè)采樣點(diǎn),單元5有兩個(gè)采樣點(diǎn),單元2和4沒有采樣點(diǎn)。這種方法保證了隨機(jī)選擇在空間上的均勻分布。當(dāng)單元面積大于步面積時(shí),總會(huì)被選中。采樣點(diǎn)數(shù)取決于單元的大小,因而選擇是與面積成正比的。第二步,確定單元內(nèi)隨機(jī)采樣點(diǎn)的位置。結(jié)合局部隨機(jī)采樣方法確定單元內(nèi)的采樣點(diǎn)。這種方法保證采樣點(diǎn)不會(huì)集中在單元內(nèi)的一個(gè)部位,而是在單元內(nèi)最優(yōu)分配。下面是采樣時(shí)的3種不同情況:第一種情況如果給定的單元只有一個(gè)點(diǎn),采用純粹的隨機(jī)采樣。根據(jù)單元的坐標(biāo)范圍,確定能完全包含單元的最小矩形(邊界矩形)。如果隨機(jī)選中的點(diǎn)在單元內(nèi),那它就是有效的,否則,采樣一直進(jìn)行到一個(gè)選中的點(diǎn)有效為止。第二種情況如果有多個(gè)點(diǎn),系統(tǒng)采樣和局部采樣要結(jié)合起來。第三種情況如果有n個(gè)點(diǎn),邊界矩形就要按平行于其最短邊的直線分為n個(gè)同樣大小的小矩形。每個(gè)小矩形內(nèi)采一個(gè)點(diǎn)。如果沒有一個(gè)點(diǎn)有效,這個(gè)過程就要再次進(jìn)行。如果至少有一個(gè)點(diǎn)有效但不是所有的點(diǎn)有效,剩余的點(diǎn)為r(0<r<n)。為分散這些點(diǎn),隨機(jī)選擇n個(gè)矩形中的r個(gè)矩形,然后確定一個(gè)樣點(diǎn)。如果r個(gè)隨機(jī)選擇點(diǎn)都是有效的,就確定了所有的點(diǎn)。否則將重復(fù)以上步驟直到剩余r′個(gè)點(diǎn)(0<r′<r)。如果采樣多于5個(gè)(包括5個(gè)),給定單元的矩形就要用一個(gè)指向北的規(guī)則的正方形網(wǎng)格覆蓋。隨機(jī)選擇的網(wǎng)格交點(diǎn)決定網(wǎng)格的位置。網(wǎng)格的寬度由以下確定:一是單元上繪制的采樣單元的數(shù)目n;二是從北到南和從東到西單元的最大范圍。即矩形邊的長度和寬度。為確定網(wǎng)格寬度d,n應(yīng)該大于或等于覆蓋單元的網(wǎng)格的最大數(shù)目,這是d的最小值。采樣方法的影響隨d值增大而增大,因此,d值應(yīng)該盡可能地接近最小值。如果R和H分別代表矩形的長和寬,則:s=([ΔR]d+2)([ΔΗ]d+2)s=([ΔR]d+2)([ΔH]d+2)(2)d未知時(shí)上面方程不能解。網(wǎng)格寬度可由另一個(gè)方程確定,即:n=([ΔR]d+2)([ΔΗ]d+2)n=([ΔR]d+2)([ΔH]d+2)(3)然而多數(shù)情況下,實(shí)際得到的寬度值太大。因此,上面的方程要用以下的方程替代。n=([ΔR]d+1)([ΔΗ]d+1)n=([ΔR]d+1)([ΔH]d+1)(4)從而得到以下結(jié)果:d=√ΔRΔΗn-1+c2+c和c=ΔR+ΔΗ2(n-1)如果m是覆蓋單元的矩形數(shù)目,那么在多數(shù)情況下,不等式n<m能滿足。m個(gè)矩形確定之后,以后的步驟與第二種情況相同。n=a×m+r(r<m),定義了一個(gè)總數(shù)。m個(gè)矩形中的每一個(gè)只能采一個(gè)點(diǎn)。由于無效的采樣過程,這將剩余r′個(gè)點(diǎn)。如果r′<m,這個(gè)過程以r′代替n重復(fù)進(jìn)行。如果r′>m,剩余的r′個(gè)點(diǎn)按照第二種情況的方法采樣。對于一個(gè)給定的單元n<m,公式(4)的使用是可能的,很明顯開始的時(shí)候a=0,r′=n,即:開始時(shí)總樣點(diǎn)數(shù)等于剩余的樣點(diǎn)數(shù)。完成隨機(jī)采樣后,就確定了每個(gè)點(diǎn)的地理位置?，F(xiàn)在,就能解譯點(diǎn)的土地覆蓋類型。4.2熟悉解譯方法的人完成對隨機(jī)采樣點(diǎn)的解譯,由沒有參與收集原始數(shù)據(jù)但熟悉解譯方法的人完成。使用相同的數(shù)據(jù),對隨機(jī)采樣點(diǎn)周圍1km的范圍進(jìn)行解譯。解譯員不知道隨機(jī)采樣點(diǎn)的位置,但同樣參考一些專題圖件數(shù)據(jù)。4.3確定主觀上的確定估計(jì)值完成驗(yàn)證數(shù)據(jù)的解譯后,對驗(yàn)證結(jié)果與采樣點(diǎn)的原先解譯結(jié)果進(jìn)行疊置分析,建立混淆矩陣。正確分類的點(diǎn)數(shù)除以每層的總點(diǎn)數(shù)得到每層分類精度的估計(jì)值。?Ρh?h=Xh?hnh(5)?Ρh為樣點(diǎn)的估計(jì)值,在數(shù)據(jù)收集過程和驗(yàn)證過程中,屬于h層且是分類系統(tǒng)中的同一類的比值;Xh為h層正確分類的點(diǎn)數(shù);nh為h層的總點(diǎn)數(shù)。因?yàn)闃狱c(diǎn)數(shù)與面積成正比,每層正確解譯區(qū)域的面積等于正確分類的點(diǎn)數(shù)乘以步面積就可得到?？筛鶕?jù)分類系統(tǒng)的類進(jìn)行分層。在這種情況下,分類系統(tǒng)中每類和總面積的精度就能夠得到估計(jì)。多層精度的估計(jì)值與面積成比例,即?Ρ=∑hAhA?Ρh?h(6)?Ρh為h層正確分類面積比例的估計(jì)值;Ah為h層的總面積;A為調(diào)查區(qū)域的總面積。根據(jù)分類系統(tǒng)進(jìn)行分層時(shí),匯總分類系統(tǒng)中不同級別的驗(yàn)證結(jié)果是很有意義的。更高級的正確分類面積的估計(jì)值按兩步進(jìn)行計(jì)算。第一步,將每層中的更高級別的正確解譯結(jié)果點(diǎn)的估計(jì)值加起來,即:?Ρh?Η=∑?h∈?ΗXh?hnh(7)其中:?Ρh為在匯總的?Η級h層正確分類面積的估計(jì)值;Xh?h為在匯總的?Η級h層正確分類點(diǎn)數(shù)的估計(jì)值。然后,對H級的樣方不同層的估計(jì)值進(jìn)行匯總,這要根據(jù)每層面積的大小按比例進(jìn)行,即:?ΡΗ?Η=∑h∈ΗAhAΗ?Ρh?Η(8)?ΡH為匯總的H級正確分類面積的估計(jì)值;AH為匯總的H級的所有層的總面積。最后,計(jì)算每一個(gè)正確分類區(qū)域估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差。每層的標(biāo)準(zhǔn)差可根據(jù)二項(xiàng)式分布計(jì)算。估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差的公式?jīng)]有考慮選擇面積單元的技術(shù)和在單元內(nèi)確定多個(gè)樣點(diǎn)的技術(shù)。因?yàn)檫@些技術(shù)通常增加了估計(jì)的精度,從而保證標(biāo)準(zhǔn)差比計(jì)算值要小。公式(5)、(6)和(8)可用于估計(jì)誤差方差:V?ar(?Ρh?h)=?Ρh?h(1-?Ρh?h)nh-1(9)這是一層的正確分類點(diǎn)比例估計(jì)值的方差。而每層面積總精度的方差為:V?ar(?Ρ)=∑h(A2hA?Ρh?h(1-?Ρh?h)nh-1(10)匯總的級別的方差估計(jì)值按同樣的方法計(jì)算:V?ar(?ΡΗ?Η)=∑h∈Η(A2hAΗ?Ρh?Η(1-?Ρh?