基于3S技術的土地變更調查系統的設計與實現

趙忠君，洪曉峰,2，夏 寅,2，

（1.武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢430079；2.武漢大學地理信息系統教育部重點實驗室，湖北武漢430079）

基于3S技術的土地變更調查系統的設計與實現

趙忠君1，洪曉峰1,2，夏 寅1,2，

（1.武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢430079；2.武漢大學地理信息系統教育部重點實驗室，湖北武漢430079）

在分析土地利用變更調查流程基礎上，以3S技術為輔助提出土地變更調查系統的設計與實現方案，探討系統實現的關鍵技術，利用Vb.Net和ArcGISEngine建立原型系統，對基于3S的土地利用變更調查系統的建立進行有益探索，并分析討論現存技術問題和未來研究方向。

3S技術；土地變更調查；系統設計；系統實現

由于我國土地詳查時間跨度大，加上近幾年我國經濟建設飛速發展引起土地利用的快速變化、科學管理信息水平的提高，以及目前變更調查手段等問題，土地利用現狀圖的更新已遠遠跟不上土地利用狀況的變化[1]，土地利用基礎圖件信息的非現勢性已逐漸制約國土資源的信息化和科學化管理，如何集合新技術和新方法實現對已有土地利用現狀數據的快速更新，是國土資源管理亟待解決的問題。3S技術在土地利用/覆被變化動態監測中具有各自的優勢[2]，而只有將三者有機結合起來才能發揮其最大功效[3]。

1 系統建設方案

針對我國系列土地利用現狀基礎圖件的更新問題，本文采用3S技術為主體技術，同時結合外業調查的方法實現一個原型系統，系統提供了一個基本的框架來存儲、管理、分析和處理土地變更調查的各類數據，實現土地利用現狀圖的快速更新。

系統以遙感影像和已有土地利用現狀數據庫或土地利用現狀圖為基礎，利用計算機自動發現變化信息和人機交互解譯提取土地利用變化信息；外業調查在GPS技術引導和準確定位下，確認變化圖斑的類型、面積、范圍、權屬界限，核實行政境界變化范圍，完成對變化的現狀地物和零星地物的量測；內業在地面調查的基礎上，利用GIS技術，在多源信息的支持下，實現對基礎圖件的數字化更新。

3S技術支持的土地利用現狀圖更新技術流程主要包括以下幾個步驟：遙感影像數據的導入，坐標系的轉換，影像的糾正、匹配，地類代碼的轉換，土地利用變化信息提取及土地利用變化遙感圖生成，GPS引導的外業調查，GIS支持下的土地利用變化圖斑更新編繪以及土地利用現狀數據庫的更新等。

2 系統設計

2.1 總體流程

系統的工作流程如圖1所示。整個流程可以分成3個先后有序的階段，即準備階段、變化檢測階段和更新輸出階段。

圖1 系統的工作流程圖

1）準備階段。主要完成遙感圖像的預處理、GIS矢量數據格式轉換、地類代碼轉換、影像之間以及影像與地圖的配準、多圖層疊加顯示以及判讀影像區域選擇等任務。在此，應該特別強調：圖像與地圖的配準是遙感圖像判讀得以在GIS支持下進行工作的基本保證和前提條件，也是本系統與常規圖像處理系統的重要不同之處。

2）變化檢測階段。本階段主要有2個步驟，影像判讀解譯和外業調查。針對不同的影像數據源（衛星影像和航空相片），采用不同的方法處理。對于航空相片，由于缺乏光譜信息，直接采用人工屏幕交互式解譯；對于衛星影像，可根據其光譜信息，先進行自動分類，再采用人工屏幕交互式解譯，以減少工作量，提高工作效率。經過影像判讀解譯，找出可疑圖斑，輸出給GPS數據采集子系統，以進行高精度的外業調查，完成對可疑變化圖斑的地類變更、權屬變更、行政轄區變化境界的調查核實，變更線狀地物和零星地物的量測，以及遙感未發現的遺漏圖斑的補測。

3）更新輸出階段。在確定變更圖斑結束后，這個階段要根據調查結果完成數據的圖形與屬性的變更。接下來就是數據的輸出，數據輸出主要分為3個方面：①將數據文件根據需要轉為其他格式輸出；②按用戶要求，將變更結果經過圖面整飾輸出；③根據用戶需要，將更新后的統計報表輸出。

2.2 系統結構與功能模塊

本系統作為土地利用現狀更新系統，能同時處理矢量數據和柵格數據，把計算機自動分類與人工判讀有機的融合在一起，且具有一般GIS功能，能夠用來提高圖像判讀精度、速度和效率，并利用GPS輔以高精度外業調查。系統主要功能結構如圖2所示。

圖2 基于3S的土地利用更新調查系統總體結構

1）工程管理。系統按照第二次全國土地大調查的建庫要求，采用工程的形式組織由基期土地利用現狀數據庫中導入的空間數據和圖形屬性數據。本模塊提供了工程的新建、編輯，以及數據字典的管理功能，以方便數據的管理和維護。

2）數據預處理。針對系統所支持矢量與柵格影像2種空間數據類型，本模塊分別為它們提供了一些預處理操作，以便輔助變化提取和變更。對于影像數據，不僅提供包括亮度和對比度調整、平滑、銳化、濾波、圖像增強、圖像運算、圖像裁剪、圖像旋轉等信息增強操作，還提供影像與影像、影像與地圖之間的配準功能。對于矢量數據，主要提供數據格式轉換、地類代碼轉換、坐標轉換、投影轉換等操作。

3）變化提取。變化提取模塊，提供影像分類、影像求差、影像解譯標志管理、人機交互解譯以及變化信息交互提取等功能，完成變化區域探測和提取，為下一步GPS/PDA野外測繪指明了的工作范圍。變化檢測的結果輔助土地利用更新調查可以極大地減少人力、物力和財力，節省時間，提高效益。

4）數據變更。數據變更模塊，完成將外業調繪結果更新已有的土地利用現狀數據庫的工作，主要提供變更項目的新建、刪除以及編輯等功能，并將變更過程記錄進歷史數據庫，以便歷史回溯。另外為變更后的數據庫，提供拓撲檢查和平衡檢查，以確保變更的正確性。

5）匯總分析。匯總分析模塊的功能包括將更新后的土地利用現狀數據，重新統計、匯總，形成第二次大調查所要求的各級、各類土地調查面積數據匯總報表。同時輔助進行年度分析和地類變更分析，以便更好地調查區域的土地利用變化。

3 關鍵技術

土地利用變化信息提取是在已有基期土地利用數據庫與相關土地利用圖件的基礎上，結合最新的影像數據，對遙感影像進行分類，把分類后的影像做代數運算生成土地利用/覆蓋變化索引圖，然后將矢量庫、遙感影像和變化索引圖在同一坐標空間進行柵格矢量的混合疊置，人機協同式的逐圖斑提取土地利用變化信息。對于基期只有矢量數據庫的情況，可采用矢柵轉換的方法得到基期的分類影像。

土地利用是人們根據土地的特點，對其進行的長期性或周期性的經營活動。在特定的時間段內，土地利用會在位置、范圍、大小或屬性方面發生變化，遙感影像通過影像的特征將這種變化集中的反映出來，表現為顏色、形狀、大小、紋理等變化。經過上一輪的土地利用詳查，全國各地相應的建立了土地利用現狀數據庫，在新一輪的土地利用變更調查中，將利用最新的遙感影像探測土地利用變化信息，輔助更新土地利用現狀庫[7]。在已有基期土地利用數據庫與相關土地利用圖件的基礎上，結合最新的影像數據，有以下幾種模式來提取變化信息。

模式一：對于基期只有矢量數據庫的情況，可采用矢柵轉換的方法得到基期的柵格分類圖，對最新遙感影像進行分類，再把分類后的影像和基期柵格分類圖作代數運算生成土地利用/覆蓋變化索引圖，最后將矢量庫、遙感影像和變化索引圖在同一坐標空間配準，人機交互逐圖斑提取土地利用變化信息。

模式二：對最新遙感影像進行分類，提取分類后影像的特征信息，得到最新的土地利用/覆蓋矢量圖，然后把它和基期矢量圖作疊置分析，探測發生變化的土地利用圖斑和變化的類別。

模式三：如果存在基期和最新的2時相遙感影像，可采用像元光譜比較法，直接對2個時相的遙感影像進行比較，通過設定合理的閾值，探測發生變化的像元，并結合土地利用現狀庫信息得出變化的類別[8]。

模式四：矢柵一體化的變化檢測，將基期矢量圖與當前影像進行匹配后疊加，然后基于矢量圖斑進行遙感影像的區域變化檢測[9]。

前面已經提到，變化檢測方法的選擇依賴于數據源和待檢測目標的類型。系統主要考慮在已有基期土地利用數據庫與相關土地利用圖件的基礎上，結合最新的影像數據，對遙感影像進行分類，把分類后的影像做代數運算生成土地利用/覆蓋變化索引圖，然后將矢量庫、遙感影像和變化索引圖在同一坐標空間進行柵格矢量的混合疊置，人機協同式的逐圖斑提取土地利用變化信息。對于基期只有矢量數據庫的情況，可采用矢柵轉換的方法得到基期的分類影像。

以上變化信息的提取方法基于矢柵位置配準和矢量柵格化技術，處理新時相的遙感影像時采用計算機和人機協同的分類技術。根據2時相分類影像求差得到土地利用/覆蓋變化索引圖后，逐圖斑判斷提取變化信息，對變化圖斑進行分裂、合并與更新。

4 系統開發與應用

在保證開發效率的前提下，系統采用的方式是基于ArcEngine的GIS二次開發，系統界面見圖3。通過引入ArcGIS Engine Runtime中所包括了的ArcObjects的核心組件,根據土地利用變更流程定制GIS功能，其中土地利用綜合變更模塊見圖4。同時，系統選用.NET框架作為開發平臺，.NET平臺跨語言、跨平臺的特性增加了系統的可移植性。采用基于COM的組件開發方式開發系統功能模塊，從而提高了系統的擴展性和可維護性。

5 結論與展望

將3S技術與網絡、大型數據庫等技術集成應用已經在土地資源調查中顯示出了其優勢[10]，基于3S的土地利用變更調查與更新技術是未來土地利用基礎數據日常更新的主要手段，今后將同時開展關鍵技術和軟件產品的集成與整合，提高目前技術產品的易用性和穩定性，開發可滿足大范圍推廣應用的技術流程和實用化軟件產品。

圖3 基于3S的土地利用更新調查系統界面

圖4 土地利用綜合變更模塊

[1] 國務院第二次全國土地調查領導小組辦公室.第二次全國土地調查培訓教材[M].北京：中國農業出版社，2007

[2] 付麗莉，李鋼.土地利用變更調查中的3S及其集成技術[J].測繪工程，2008，17（1）：55-59

[3] 江標初，陳映鷹.3S在土地利用/覆蓋變化監測的利用研究[J].青島理工大學學報，2006，27(1)：42-45

[4] 王建芳，包世泰.面向對象解譯方法在遙感影像地物分類中的應用[J].熱帶地理，2006，26(3):40-41，43-44，48

[5] 李百壽.遙感圖像線性影紋理解專家系統研究[D].吉林：吉林大學，2006

[6] 李春華，沙晉明.基于知識的遙感影像的BAYES分類方法研究--以福州市瑯歧島土地覆蓋/土地利用類型為例[J].水土保持研究.2006，13(6):130-132，136

[7] 孫永華，李小娟，尹連旺.土地利用基礎圖件數據庫建庫與更新技術研究[J].首都示范大學學報，2007，28(3)：105-107

[8] 張曉東.基于遙感影像與GIS數據的變化檢測理論和方法研究[D].武漢：武漢大學，2005

[9] 李向軍，牛錚.基于遙感分類的博鰲地區生態變化評價[J].遙感技術與應用，2006，21（3）：192-198

[10]韓杰.土地資源調查中3S集成應用的關鍵技術[J].測繪通報，2006，5：47-49

Design and Implementation of 3S-based Land-use Change Survey Information System

by ZHAO Zhongjun

Based on analysis of procedure of land use change survey, this paper proposed the design and realization scheme of land use change survey system with 3S technology.The key issues of implementation were discussed,and the prototype systemwasbuilt with Vb. Net and ArcGIS Engine.It was the beneficial exploration of building land use change survey system based on 3S technology.The existing problems and the future research trends were also mentioned in this paper.

3S technology，investigation of land-use change，system design，system implementation

2010-11-19

項目來源：國家自然科學基金資助項目（40871210）；武漢大學2008年博士研究生自主科研項目。

P208

B

1672-4623(2011)03-0058-03

趙忠君，博士，從事土地資源管理方面研究。