遙感與GIS技術在土地利用動態監測及執法監察中的應用

胡黎明，蘇達，王樹文

（1.天津市測繪院，天津 300381；2.天津市國土資源測繪和房屋測量中心，天津 300051）

1 引言

近年來，隨著天津市持續快速增長，土地特別是城市用地量逐年增大，土地利用變化頻繁，耕地資源數量減少，非農業用地大量增加，土地利用及城市用地結構發生明顯變化。及時、準確地掌握城市土地資源的數量、質量、分布及其變化趨勢，直接關系到國民經濟的持續發展與規劃。土地利用督察主要作用是為國土資源管理提供了現時基礎資料；檢查土地利用總體規劃執行情況；復核土地變更調查數據；為土地執法檢查提供服務。

土地利用動態變化監測是指了確保土地利用合理高效，掌握土地利用變化趨勢，應用包括地面調查、統計分析和遙感監測在內的各種有效手段，對土地利用的發展變化及時加以調查分析。近年來遙感技術（RS）它能快速、動態地提供地球表層的信息，為人們提供高時間分辨率和空間分辨率的遙感數據，滿足城市用地動態監測害和督察的時效性；地理信息系統（GIS）為空間數據組織、管理、分析與可視化提供了強大的工具，適合用來管理土地利用督察數據，并具有強大的制圖功能。在完善和服務土地利用執法檢查和監測城市土地利用規模等方面的督察工作上。充分發揮遙感和GIS技術在國土資源調查、規劃、管理、保護和合理利用中的作用，為執法檢查和掌握城市用地規模和結構等提供一種快速、高效的高科技手段。

2 土地利用動態監測的主要方式

土地利用動態監測的主要內容有：土地資源狀況、土地利用狀況、土地權屬狀況、土地條件狀況、土地質量和等級狀況等。土地利用動態監測的主要方式是土地利用變更調查和遙感動態監測方法。

2.1 土地利用變更調查

土地變更調查工作主要是將地類發生變化的圖版勾繪出來，將勾繪的結果與往年的現狀數據進行疊加分析，根據疊加分析的結果明確地類變化部分的流向，從而輸出各種統計數據，為決策提供依據。

土地變更調查管理系統需要完成的主要功能即數據輸入、變更分析和數據輸出。變更分析是系統的核心，ArcGIS Engine實現變更圖層和現狀圖層的分割，分割結果放入過程庫中，同時重新生產被分割圖斑的屬性信息。用戶根據過程庫的結果生產各種統計報表并檢查數據的準確性，確認無誤后執行圖斑的合并操作將合并過程庫中被分割的變更圖斑合并，得到更新現狀的圖斑，更新現狀就是用合并后的過程庫數據更新原有現狀圖層得到新的現狀圖層，同時將現狀土地類發生變化的圖斑存入歷史庫，便于將來查詢和回溯。如果更新現狀后發現有誤操作，用戶可以根據歷史庫將現狀數據恢復到初始狀態。數據輸出依據變更分析的結果生產各種報表，調用Excel控件，實現各種統計報表的自動輸出。

多數情況下一次變更會涉及到多個圖層的多個要素，因此變更前后數據的一致性和完整性特別是圖形數據拓撲的正確性非常重要。ArcSDE高級空間數據服務器是一個基于數據庫管理系統并驅動空間數據的高效引擎，將空間數據和屬性數據放在DBMS中統一管理并支持多用戶并發訪問。結合這兩者優勢，編程人員可方便的構建出土地變更調查系統。

2.2 遙感動態監測

土地利用動態遙感監測是應用遙感技術，對土地資源和土地利用實時宏觀動態監測，即使發現實地變化并作出相應的分析。動態遙感監測方法示意圖如圖1所示：

圖1 土地利用動態遙感監測方法示意圖

以下是幾種常用的動態監測方法：

1）圖像直接比較法

圖像直接比較法是最為常見的方法，它是對經過配準的兩個時相遙感圖像中像元值直接進行運算或變換處理，找出變化的區域。如下為幾種常見的方法：

a)圖像差值/比值法：圖像差值法就是將兩個時相的遙感圖像相減或相除。其原理是：圖像中未發生變化的地類在兩個時相的遙感圖像上一般具有相等或相近的灰度值，而地類發生較大變化時，對應位置的灰度值將有較大差別。因此在差值/比值圖像上發生地類變化區域的灰度值會與背景值有較大差別，從而使變化信息從背景圖像中顯現出來。這種方法也可以推廣到植被指數、水指數、建筑物指數、主成分分析第一成分等相減或相除。

b)假彩色合成法：由于地表的變化，相同傳感器對同一地點所獲取的不同時相的圖像在灰度上有較大的區別。在進行變化信息的發現時，將前、后兩時相的數據精確配準，再利用假彩色合成的方法，將后一時相的一個波段數據賦予紅色通道，前一時相的同一波段賦予藍色和綠色通道。利用三原色原理，形成假彩色圖像。其中，地表未發生變化的區域，合成后圖像灰度值接近，而土地利用發生變化的區域則呈現出紅色，即判定為變化區域。

c)波段替換法

在RGB假彩色合成中，G和B分量用前時相的兩個波段，用后一時相的一個波段組成R分量，在合成的RGB假彩色圖像上能夠很容易地發現紅色區域即為變化區域。

2）分類后比較法

分類后結果比較法是將經過配準的兩個時相遙感圖像分別進行分類，然后比較分類結果得到變化檢測信息。該方法的核心是在分類基礎上發現變化信息，該方法也是獲取土地利用轉移矩陣的過程。

3 土地利用動態監測中的土地執法監察

土地執法監察的內容是對土地管理法律、法規的執行情況進行督察檢查，并對違法者實時法律制裁。主要包辦兩方面內容：一是對土地行政主管部門是否依法履行職責進行監督檢查。二是對土地所有者和土地使用者是否依法合理利用土地繼續監督檢查，預防和制止一切違法占地和侵害土地合法權益的行為。

利用3S技術構建的土地利用執法監察系統能夠有效的提高執法監測工作水平，土地利用監測系統將違法用地的發現、定性及查處等管理過程溶為一體利用精確可靠的GPS手持設備完成違法用地的發現和實時傳輸其信息，接受社會的廣泛督察。如圖2所示

圖2 利用遙感數據動態監測管理的工作流程

4 土地執法監察案例

4.1 單期影像數據分析

利用ERDAS的影像分類方法，通過影像監督分類的樣本提取（ROI）建立分析模型，對單期影像進行分類，如圖3。

圖3 遙感影像信息分類提取

通過對多期影像的分類結果，設置分類變化類型，然后進行差異對比分析。分析的結果進行過濾處理，把小面積的圖斑與大面積圖斑進行過濾、合并，得到相對較為集中、面積較大的圖斑，并可進一步由柵格圖轉換為矢量圖，如圖4。

圖4 分類后多期影像對比分析結果-綠色變化區域

通過半自動人工，或是自動的方式，分析兩期影像差異圖斑，并實現其影像特征到空間特征的提取，如圖5。

5 結束語

圖5 多期影像數據對比差異圖斑識別-耕地變新增建筑

通過將GIS與遙感數據分析功能的集成，大大提高了土地利用信息平臺的處理和分析能力。其自動半自動進行的兩期影像的差異提取，大大提高兩期影像變化的識別率。得到的變化圖斑分布圖、用地類型圖斑分布圖等分析結果，可以為城市規劃、土地利用建設的執法督察管理等方面的業務提供新的技術支持。確保土地利用督察工作有據可循，及時發現規劃執行中出現的問題，將違法違規的案件制止于初期，避免重大違法違規案件的發生，同時在新形勢下需要對規劃建設用地督察工作做出新的探索，將RS、GIS有機的結合在一起，充分利用遙感、地理信息系統技術的優勢，可以徹底改變當前土地宏觀管理信息滯后的被動局面。

但是由于受到遙感信息自動化提取、影像數據存儲管理等技術的影響，遙感動態監測管理系統在遙感影像分類的質量、差異圖斑提取的精度及自動化程度以及分析模型對海量影像數據的分析支持等方面還有待提高，一些不確定的圖斑需要實地核查與土地利用規劃對比，以確定是否違法。

［1］郭云開.土地開發整理工程的遙感評價方法研究與應用［D］；中南大學，2008.

［2］王思遠，張增祥，周全斌，王長有.基于遙感與GIS技術的土地利用時空特征研究［J］；遙感學報，2002年03期.

［3］黃瀟瑩，胡艷.遙感技術在城鄉規劃督察中的應用研究——以武隆仙女山為例《第十七屆中國遙感大會摘要集》，2010.

［4］陳昆侖，陳旭，曾克峰.基于遙感技術的城市用地的擴張分析［A］；湖北省地理學會，2006；優秀學術論文集（地理科學類）［C］，2006年.

［5］曹雪，柯長青.基于TM影像的南京市土地利用遙感動態監測［J］；武漢大學學報（信息科學版），2006年11期.

［6］王艷君，姜彤，呂宏軍.快速城市化地區的土地利用時空動態變化研究——以南京市為例［J］；長江流域資源與環境，2005年02期.

［7］胡自寧，陳玉蘭.遙感技術在土地利用變更調查中的應用方法［A］；第三屆廣西青年學術年會論文集（自然科學篇）［C］，2004年.