遙感技術(shù)在我國(guó)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在我國(guó)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

中國(guó)人少地少。根據(jù)官方的土地調(diào)查數(shù)據(jù)，1996年人均耕地面積為0.06hm2，不到世界人均規(guī)模的1.3。它是世界上最罕見(jiàn)的耕地之一。然而,中國(guó)的耕地還在逐年減少。從1985年到1995年的10年間,耕地面積從96.8×106hm2下降到94.9×106hm2,下降了1.9%。最近這幾年,每年凈減少的耕地?cái)?shù)仍然在0.4～0.8×106hm2之間。因此,中國(guó)的耕地減少引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。中國(guó)耕地減少的原因眾多,比如退耕還牧還林和沙化的影響,但建設(shè)用地的增加是主要原因。從1990年到1996年的6年間,居民點(diǎn)、工礦和交通用地凈占耕地1.4×106hm2,為1985～1995年這10年間耕地總減少量的73.7%。中國(guó)正處在工業(yè)化和城市化的較快速發(fā)展時(shí)期,同時(shí)人口還在增加,農(nóng)業(yè)用地的減少是必然的趨勢(shì)。為了及時(shí)掌握城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展和耕地減少情況,國(guó)土資源部在1999年啟動(dòng)了城市用地變化遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目:主要針對(duì)市區(qū)非農(nóng)業(yè)人口在50萬(wàn)以上的城市,每年選擇大約其中的1/3進(jìn)行監(jiān)測(cè),包括建設(shè)用地增加、耕地減少和增加的建設(shè)用地占用耕地?cái)?shù)量。在1999～2001年的3年監(jiān)測(cè)中,采用的是TM和SPOT融合技術(shù),形成了《土地利用變化遙感監(jiān)測(cè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》、《全國(guó)土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)培訓(xùn)教材》和《2000年度土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)成果匯編》。采用TM和SPOT融合技術(shù)的主要問(wèn)題是,對(duì)2000m2以下的變化圖斑遺漏較多。監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度評(píng)價(jià)是該項(xiàng)工作的一個(gè)重要方面,有關(guān)方面對(duì)此總結(jié)了一些評(píng)價(jià)指標(biāo),奠定了良好的工作基礎(chǔ)。然而,評(píng)價(jià)指標(biāo)的某些方面尚需完善。比如:當(dāng)以樣點(diǎn)資料進(jìn)行精度評(píng)價(jià)時(shí),如何確定各檔圖斑的樣點(diǎn)數(shù),如何對(duì)各檔的圖斑精度進(jìn)行合理的加權(quán)以獲得總體的圖斑精度,如何推算監(jiān)測(cè)的區(qū)域精度,如何從統(tǒng)計(jì)學(xué)上表達(dá)以樣點(diǎn)為基礎(chǔ)的精度分析等。為此,本文提出以分層隨機(jī)抽樣的方法來(lái)獲取對(duì)遙感監(jiān)測(cè)的精度分析。本文的第一部分利用北京市和重慶市的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)遙感監(jiān)測(cè)誤差分布進(jìn)行實(shí)證分析,從經(jīng)驗(yàn)上查看誤差與圖斑規(guī)模的關(guān)系。第二部分給出以分層隨機(jī)抽樣為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)精度評(píng)價(jià)系統(tǒng),包括精度評(píng)價(jià)的分類和指標(biāo)系統(tǒng)、分層隨機(jī)抽樣的樣本容量和各層樣本分配的計(jì)算公式、抽樣評(píng)價(jià)的工作步驟以及抽樣調(diào)查的統(tǒng)計(jì)分析和結(jié)果表達(dá)。第三部分以北京市和重慶市的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行一次精度評(píng)價(jià)的實(shí)際演練。1基于監(jiān)測(cè)面積和相對(duì)誤差的回歸分析本文實(shí)證分析的資料為北京市和重慶市2001年的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),2000年全國(guó)土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(完成單位為中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心)利用雷達(dá)影像進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究的數(shù)據(jù),包括遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分別得到213個(gè)和254個(gè)監(jiān)測(cè)變化圖斑的監(jiān)測(cè)面積和實(shí)測(cè)面積。將實(shí)測(cè)面積作為圖斑面積的真值,計(jì)算各變化圖斑遙感監(jiān)測(cè)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差,計(jì)算公式如下:Vi=Ai-Bi△i=|Ai-Bi|Bi其中,Ai表示第i個(gè)圖斑的遙感測(cè)量面積,Bi表示實(shí)測(cè)面積即真實(shí)面積,Vi表示遙感測(cè)量的絕對(duì)誤差,△i表示遙感測(cè)量的相對(duì)誤差。然后以監(jiān)測(cè)面積為自變量分別對(duì)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行一元線性回歸,發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)均很低,說(shuō)明遙感監(jiān)測(cè)的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差與面積之間并沒(méi)有很明顯的相關(guān)關(guān)系,但是絕對(duì)誤差要比相對(duì)誤差與面積之間的相關(guān)性稍大。其中由北京市213個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)回歸得到的監(jiān)測(cè)面積和絕對(duì)誤差的相關(guān)系數(shù)為0.225,監(jiān)測(cè)面積和相對(duì)誤差的相關(guān)系數(shù)為0.169;由重慶市254個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)回歸得到的監(jiān)測(cè)面積和絕對(duì)誤差的相關(guān)系數(shù)為0.314,監(jiān)測(cè)面積和相對(duì)誤差的相關(guān)系數(shù)為0.026。按照《全國(guó)土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)培訓(xùn)教材》的標(biāo)準(zhǔn),將圖斑按監(jiān)測(cè)面積小于10畝、10～20畝、20～50畝、大于50畝分成4個(gè)檔次,各檔次圖斑的基本統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如表1所示。然后分別計(jì)算各檔次變化圖斑的平均相對(duì)誤差和平均絕對(duì)誤差,計(jì)算公式如下:ˉV=1ΝΝΣi=1Viˉ△=1ΝΝΣi=1△i其中,ˉV表示該檔次的平均絕對(duì)誤差,ˉ△表示該檔次的平均相對(duì)誤差,N表示該檔次內(nèi)的變化圖斑數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表中可以看出,北京市和重慶市遙感監(jiān)測(cè)平均絕對(duì)誤差均隨著圖斑面積的增大而增大,平均相對(duì)誤差開(kāi)始均隨著圖斑面積的增大而減小,但在圖斑面積大于50畝的檔次,平均相對(duì)誤差均有大幅度的增加。2基于隨機(jī)抽樣的監(jiān)測(cè)精度評(píng)價(jià)體系2.1遙感測(cè)量技術(shù)精度分析精度評(píng)價(jià)分為技術(shù)精度評(píng)價(jià)和區(qū)域精度評(píng)價(jià)。前者反映遙感技術(shù)在單個(gè)地塊水平上的面積測(cè)量誤差情況,后者則反映用遙感技術(shù)調(diào)查一個(gè)區(qū)域的土地利用變化時(shí)產(chǎn)生的誤差情況。由于一個(gè)區(qū)域內(nèi)的土地利用變化可能出現(xiàn)在多處,遙感監(jiān)測(cè)會(huì)夸大或縮小各個(gè)地塊的實(shí)際量,其正負(fù)誤差有可能抵消一部分,所以技術(shù)精度與區(qū)域精度在數(shù)值上有可能大相徑庭。對(duì)于前者而言,相對(duì)精度更為重要,而對(duì)于后者,絕對(duì)精度和相對(duì)精度同等重要。在圖斑分類方面,我們?nèi)耘f沿襲已有的規(guī)定,將變化圖斑分成4檔(即將變化圖斑分成4層。在本文的隨后部分檔和層這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)具有相同的意義):面積小于10畝的為一檔,10～20畝的為一檔,20～50畝的為一檔,大于50畝的為一檔。假設(shè)通過(guò)遙感影像已經(jīng)發(fā)現(xiàn)各檔在影像上的變化圖斑數(shù)分別為:N1,N2,N3,N4;總的變化圖斑數(shù)為N。用Aki表示第k檔的第i個(gè)圖斑的遙感測(cè)量面積,Bki為其真實(shí)面積。則第k檔第i個(gè)圖斑遙感測(cè)量的絕對(duì)誤差(Vki)為:Vki=Aki-Bki(1)第k檔第i個(gè)圖斑遙感測(cè)量的相對(duì)誤差(△ki)為:△ki=|Aki-Bki|Bki(2)第k檔圖斑的絕對(duì)誤差(Vk)為:Vk=Νk∑i=1Vki(3)第k檔圖斑平均絕對(duì)誤差(ˉVk)為:ˉVk=1ΝkΝk∑i=1Vki(4)第k檔圖斑平均相對(duì)誤差(ˉ△k)為:ˉVk=1ΝkΝk∑i=1Vki(5)ˉ△k越小,技術(shù)精度越高。第k檔圖斑絕對(duì)誤差的方差(σ2κ)為:σ2κ=1Νk-1Νk∑i=1(Vki-ˉVk)2(6)σ2κ越大,在分配樣點(diǎn)時(shí)為了達(dá)到一定推算精度所需樣本容量越大。第k檔圖斑相對(duì)誤差的方差(S2k)為:S2k=1Νk-1Νk∑i=1(△ki-ˉ△k)2(7)S2k越小,技術(shù)越穩(wěn)定,同時(shí)在分配樣點(diǎn)時(shí)為了達(dá)到一定推算精度所需樣本容量越小。全體圖斑平均相對(duì)誤差(即技術(shù)精度)為:ˉ△=1ΝL∑k=1Νk∑i=1△ki=1ΝL∑k=1Νkˉ△k(8)L表示變化圖斑檔次數(shù)。區(qū)域絕對(duì)誤差(V):V=L∑k=1Vk(9)區(qū)域平均絕對(duì)誤差(Vˉ):Vˉ=1Ν∑k=1LVk(10)區(qū)域絕對(duì)誤差的方差(σ2):σ2=1Ν-1∑k=1L∑i=1Νk(Vki-Vˉk)2(11)全體圖斑相對(duì)誤差的方差(S2):S2=1Ν-1∑k=1L∑i=1Νk(△ki-△ˉk)2(12)區(qū)域的相對(duì)誤差(u)為:u=∑k=1L∑i=1Νk(Aki-Bki)∑k=1L∑i=1ΝkBki(13)式(5)和式(8)反映遙感測(cè)量在各檔變化圖斑和全區(qū)的平均相對(duì)誤差,所以我們用它們分別表示遙感方法在各檔變化圖斑和全區(qū)的技術(shù)精度。式(10)和(13)反映了對(duì)某一區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行一次遙感測(cè)量產(chǎn)生的在面積大小上的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差,我們用它們分別表示這一次遙感測(cè)量在該區(qū)域的絕對(duì)精度和相對(duì)精度。2.2分層隨機(jī)抽樣的樣本容量及其分配我們關(guān)注反映遙感測(cè)量在各檔變化圖斑和全區(qū)的平均相對(duì)誤差(即式(5)和式(8))與反映對(duì)某一區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行一次遙感測(cè)量產(chǎn)生的在面積大小上的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差(即式(10)和式(13))。然而,現(xiàn)實(shí)中我們難以把握各個(gè)變化圖斑的真實(shí)面積。如果以實(shí)測(cè)值為真值,對(duì)每個(gè)圖斑面積進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,勢(shì)必付出巨大的代價(jià)。一個(gè)可行的途徑就是采用隨機(jī)抽樣的辦法。我們已經(jīng)將變化圖斑分成了4檔(或?qū)?,如果采用分層隨機(jī)抽樣法,第一個(gè)要解決的問(wèn)題就是樣本總?cè)萘考捌湓诟鲗拥暮侠矸峙?。?duì)于技術(shù)精度評(píng)價(jià)而言,分層隨機(jī)抽樣的樣本容量及其在各層的分配取決于各檔圖斑相對(duì)誤差的方差(Sk2)和抽樣統(tǒng)計(jì)分析的精度要求。對(duì)于區(qū)域精度評(píng)價(jià)而言,分層隨機(jī)抽樣的樣本容量及其在各層的分配取決于各檔圖斑絕對(duì)誤差的方差(σk2)和抽樣統(tǒng)計(jì)分析的精度要求。用前幾年的遙感監(jiān)測(cè)和室外調(diào)查資料可以估計(jì)出Sk2和σk2,在預(yù)設(shè)的統(tǒng)計(jì)分析精度下,分層隨機(jī)抽樣的最小樣本容量(n)計(jì)算公式如下:n=(∑ΝtSt)2βΝ2△ˉ2+∑ΝtSt2(14)各層最優(yōu)分配的樣本數(shù)(nt)為:nt=nΝtSt∑ΝtSt(15)其中,Nt為第t層(組)的變化圖斑數(shù)目,N是區(qū)域的總體變化圖斑數(shù)。St為第t層的圖斑相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差(如果是針對(duì)區(qū)域絕對(duì)精度而言,則采用各檔圖斑絕對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差(σk)),St2為第t層的圖斑相對(duì)誤差的方差(如果是針對(duì)區(qū)域絕對(duì)精度而言,則采用各檔圖斑絕對(duì)誤差的方差(σk2)),△ˉ是圖斑平均相對(duì)誤差,即技術(shù)精度(如果是針對(duì)區(qū)域絕對(duì)精度而言,則采用區(qū)域平均絕對(duì)誤差(Vˉ))?！鳌ズ蚔ˉ的值也用前幾年的遙感監(jiān)測(cè)和室外調(diào)查資料來(lái)估計(jì)。β的確定方法如下:取β=(λ/ud),其中:λ是置信水平為(1-α)允許的統(tǒng)計(jì)推算相對(duì)誤差,一般為0.05;ud是這個(gè)置信水平下標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布或t分布上α對(duì)應(yīng)的分位數(shù)。一般采用95%的置信水平(或稱置信度)。2.3采樣數(shù)的確定抽樣評(píng)價(jià)的工作步驟如下:第一步:將用遙感技術(shù)發(fā)現(xiàn)的變化圖斑進(jìn)行分檔和編號(hào)。第二步:根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)全體圖斑平均相對(duì)誤差△ˉ、各檔圖斑相對(duì)誤差的方差(Sk2)、區(qū)域平均絕對(duì)誤差(Vˉ)和各檔圖斑絕對(duì)誤差的方差(σk2)。第三步:用公式(14)分別計(jì)算針對(duì)技術(shù)精度評(píng)價(jià)和區(qū)域精度評(píng)價(jià)的樣本容量;用公式(15)分別計(jì)算針對(duì)技術(shù)精度評(píng)價(jià)和區(qū)域精度評(píng)價(jià)的各檔的樣本數(shù)。取各層分配的最大的樣本分配數(shù)作為各層的最終采樣數(shù)。第四步:用隨機(jī)抽樣法確定各檔的樣本點(diǎn)。第五步:針對(duì)各樣本點(diǎn)到室外進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。第六步:對(duì)樣本的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2.4第k檔圖斑的平均相對(duì)誤差根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,用樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算的下面各項(xiàng)指標(biāo)為其對(duì)應(yīng)總體各指標(biāo)的無(wú)偏估計(jì)。這些指標(biāo)的估計(jì)值分別是(樣本值和估計(jì)值的符號(hào)用相應(yīng)的小寫(xiě)體):第k檔圖斑的平均絕對(duì)誤差估計(jì)值(vˉk):vˉk=1nk∑i=1nkvki(16)第k檔圖斑的絕對(duì)誤差估計(jì)值(vk):vk=Νkvˉk(17)第k檔圖斑的平均相對(duì)誤差估計(jì)值(Sk2):δˉk=1nk∑i=1nkδki(18)第k檔圖斑的絕對(duì)誤差的方差估計(jì)值(τk2):τk2=1nk-1∑i=1nk(vki-vˉk)2(19)第k檔圖斑的相對(duì)誤差的方差估計(jì)值(Sk2):Sk2=1nk-1∑i=1nk(δki-δˉk)2(20)全體圖斑平均相對(duì)誤差(即技術(shù)精度)估計(jì)值:δˉ=1Ν∑k=1LΝkδˉk(21)區(qū)域絕對(duì)誤差估計(jì)值(v):v=∑k=1Lvk(22)這時(shí),第k檔圖斑的平均相對(duì)誤差估計(jì)值(δˉk)的方差(var(δˉk))為:var(δˉk)=(1nk-1Νk)Sk2(23)全體圖斑的平均相對(duì)誤差(即技術(shù)精度δˉ)估計(jì)值的方差(var(δˉ))為:var(δˉ)=∑k=1L(ΝkΝ)2(1nk-1Νk)Sk2(24)區(qū)域絕對(duì)誤差估計(jì)值(v)的方差(var(v))為:var(v)=∑k=1LΝk2nkτk2(25)第k檔圖斑的平均相對(duì)誤差的置信區(qū)間為:(δˉk-zvar(δˉk),δˉk+zvar(δˉk))(26)全體圖斑的平均相對(duì)誤差(即技術(shù)精度)的置信區(qū)間為:(δˉ-zvar(δˉ),δˉ+zvar(δˉ))(27)區(qū)域絕對(duì)誤差的置信區(qū)間為:(v-zvar(v),v+zvar(v))(28)區(qū)域的相對(duì)誤差(u)的置信區(qū)間為:(v/(v+zvar(v)),v/(v+zvar(v))(29)z是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布上,概率P=(1-α)處的對(duì)應(yīng)值。一般地,當(dāng)(樣本數(shù))n<50時(shí),可用t來(lái)代替z,t是t分布上概率P=(1-α)處的對(duì)應(yīng)值(這時(shí)自由度為(n-1))。以上這些統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以列表表示。3計(jì)算結(jié)果和隨機(jī)抽樣為對(duì)本文提出的以分層隨機(jī)抽樣為基礎(chǔ)的遙感監(jiān)測(cè)精度分析方法的可行性和適用性進(jìn)行檢驗(yàn),現(xiàn)以北京市和重慶市的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行一次精度評(píng)價(jià)全過(guò)程的實(shí)際演練。首先對(duì)變化圖斑分檔。將北京市和重慶市2001年的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分別得到213個(gè)和254個(gè)監(jiān)測(cè)變化圖斑的監(jiān)測(cè)面積和實(shí)測(cè)面積,將變化圖斑按監(jiān)測(cè)面積小于10畝、10～20畝、20～50畝、大于50畝分成四個(gè)檔次。然后對(duì)全體圖斑平均相對(duì)誤差(△ˉ)、各檔圖斑相對(duì)誤差的方差(Sk2)、區(qū)域平均絕對(duì)誤差(Vˉ)和各檔圖斑絕對(duì)誤差的方差(σk2)進(jìn)行估計(jì)。在此我們用整理得到的北京市213個(gè)和重慶市254個(gè)監(jiān)測(cè)變化圖斑的監(jiān)測(cè)面積和實(shí)測(cè)面積數(shù)據(jù)分別進(jìn)行估計(jì),在實(shí)際工作中當(dāng)年的變化圖斑的實(shí)測(cè)面積數(shù)據(jù)是沒(méi)有的,因而不能計(jì)算相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差,也就無(wú)從估計(jì)上述4個(gè)量,這時(shí)可以用前一年或者前幾年的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)本文2.1節(jié)的公式計(jì)算結(jié)果如表3。接著用公式(14)和公式(15)分別計(jì)算針對(duì)技術(shù)精度評(píng)價(jià)和區(qū)域精度評(píng)價(jià)的樣本容量和各檔的樣本數(shù),取各層分配的最大的樣本分配數(shù)作為各層的最終采樣數(shù)。取95%的置信水平和5%的統(tǒng)計(jì)推算相對(duì)誤差,計(jì)算結(jié)果如表4。我們注意到在監(jiān)測(cè)面積大于50畝的圖斑檔次,技術(shù)精度評(píng)價(jià)和區(qū)域精度評(píng)價(jià)所需要的樣本數(shù)均大于該檔次的實(shí)有變化圖斑數(shù)。但這并不是一個(gè)普遍的規(guī)律。最后,根據(jù)確定的各檔最終采樣數(shù)用隨機(jī)抽樣的方法確定各檔的樣本點(diǎn),根據(jù)樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到總體的相應(yīng)指標(biāo)。在實(shí)際工作中須先針對(duì)確定的各檔樣本點(diǎn)到室外進(jìn)行實(shí)地測(cè)量得到樣本點(diǎn)的實(shí)測(cè)面積。根據(jù)本文2.4節(jié)的公式進(jìn)行計(jì)算,將進(jìn)行的多次隨機(jī)抽樣試驗(yàn)中效果最好的抽樣計(jì)算結(jié)果列于表5。在監(jiān)測(cè)面積大于50畝的圖斑檔次,由于技術(shù)精度評(píng)價(jià)和區(qū)域精度評(píng)價(jià)所需要的樣本數(shù)均大于該檔次的實(shí)有圖斑數(shù),實(shí)際抽樣的樣本數(shù)受到限制,在一定程度上降低了抽樣統(tǒng)計(jì)推斷的精度。將變化圖斑按監(jiān)測(cè)面積小于10畝、10～20畝、20～50畝、大于50畝分成4個(gè)檔次,每個(gè)檔次內(nèi)的變化圖斑間的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差的差異較大,增加了隨