基于遙感與GIS的土地利用動態(tài)監(jiān)測的研究

王茂乾

自然資源部第一地形測量隊 陜西 西安 710054

隨著科技的發(fā)展，傳感器空間分辨率提高，呈現(xiàn)出多平臺、短周期獲取多源遙感數(shù)據(jù)的趨勢。RS技術(shù)是獲取空間信息的重要技術(shù)手段，通過遙感獲取時間序列信息，為重現(xiàn)土地利用空間信息提供支持。目前城市建設(shè)步伐加快，高分辨率衛(wèi)星遙感的發(fā)展，為土地利用動態(tài)監(jiān)測提供新的信息源，為空間信息處理帶來新動力。RS發(fā)展為土地利用動態(tài)監(jiān)測信息獲取奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 遙感與GIS技術(shù)概述

土地利用覆蓋變化是環(huán)境變化的重要原因。當前3S技術(shù)廣泛應(yīng)用于土地利用動態(tài)監(jiān)測，RS可提供多時相的大范圍信息；RS與GIS技術(shù)在資源環(huán)境變化監(jiān)測方面發(fā)揮重要作用。結(jié)合RS與GIS技術(shù)動態(tài)監(jiān)測土地利用，從宏微觀觀察土地利用結(jié)構(gòu)等變化，為土地管理部門決策提供客觀依據(jù)。

RS，GIS與GPS是目前地理空間信息獲取更新分析應(yīng)用支撐技術(shù)，3S技術(shù)應(yīng)用于土地利用動態(tài)監(jiān)測中，GPS主要 用于提供靶區(qū)準確空間位置，GIS對多種來源數(shù)據(jù)綜合處理；RS用于實時發(fā)現(xiàn)地球表面變化[1]。遙感技術(shù)應(yīng)用第二階段表示動態(tài)監(jiān)測，數(shù)字遙感技術(shù)及時動態(tài)得到區(qū)域時間段影像系列優(yōu)點，土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測是具有周期性特點的遙感信息為信息源，基于不同年份同時相影像間存在光譜特征差異原理，運用計算機圖像處理技術(shù)，對土地利用狀況系統(tǒng)分析的方法。土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測是快速獲取土地利用變化信息的重要手段。

GIS是處理分析空間數(shù)據(jù)的有力工具，促進空間信息專題制圖。GIS與遙感結(jié)合成為二者發(fā)展趨勢。應(yīng)用遙感與GIS結(jié)合，利用遙感數(shù)據(jù)獲取土地利用現(xiàn)狀信息[2]。利用GIS功能進行土地利用狀況動態(tài)分析，土地利用的動態(tài)監(jiān)測采用人機交互方式對遙感圖像解釋，計算區(qū)域各地類變化面積。

2 土地利用動態(tài)監(jiān)測研究

土地利用是人類有目的開發(fā)利用土地資源的活動，通過發(fā)展工農(nóng)業(yè)等滿足社會發(fā)展需要，改變地表形態(tài)及生物物種平衡，地球上1/2的土地被人類開發(fā)利用，對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響[3]。土地利用動態(tài)變化研究有助于加強土地科學管理，土地利用變化研究要揭示變化過程，遙感與GIS技術(shù)成為土地利用變化研究的重要工具，對變化信息動態(tài)管理日益得到重視，遙感技術(shù)在土地利用變化研究中作用是進行土地利用變化動態(tài)監(jiān)測。

2.1 遙感圖像處理

土地資源利用是動態(tài)變化過程，利用遙感技術(shù)對研究區(qū)土地利用變化進行科學更新，為國家宏觀決策提供可靠的土地利用變化情況，隨著國土合理開展，土地管理部門如何準確獲取土地利用動態(tài)變化信息尤為重要[4]。土地利用遙感監(jiān)測目的是準確掌握土地利用狀況，內(nèi)容包括土地利用變化類型，相關(guān)環(huán)境要素變化等。遙感圖像處理包括預(yù)處理與增強處理。

遙感圖像預(yù)處理是對原始圖像進行輻射增強，使不同時相圖像具有統(tǒng)一地理坐標等。用戶從遙感圖像提取專題信息，需對原始圖像進行幾何校正。多項糾正法原理直觀，共線方程就蒸發(fā)具有優(yōu)越性，但需提供高程數(shù)據(jù)，通常用于二元三次多項式圖像糾正。遙感圖像增強是對圖像進行專題信息增強處理，根據(jù)圖像后處理需要，擴大灰階層次，按圖像在亮度等方面適應(yīng)人眼視覺特點，通過對單波段圖像增強，使不同土地利用類型邊界清晰。

2.2 GIS在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

土地利用動態(tài)變化包括數(shù)量類型變化，應(yīng)對土地利用變化動態(tài)監(jiān)測，找出各類發(fā)生變化主導(dǎo)因素。GIS空間信息分析包括疊加、網(wǎng)絡(luò)分析等。利用GIS信息分析技術(shù)，可以獲取土地利用變化信息。GIS可以設(shè)計具有個性化的電子地圖。

土地利用變化分析中應(yīng)用GIS幾何量算功能計算圖斑面積，統(tǒng)計各類用地面積總和；利用查詢檢索工具對土地利用類型歸類處理等。利用GIS分類成圖功能形成土地利用類型圖，應(yīng)用GIS屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，統(tǒng)計各類用地面積[5]。遙感技術(shù)以其真實性特點，對土地利用動態(tài)監(jiān)測，GIS空間分析技術(shù)實現(xiàn)土地利用變化量面積量算等操作。

2.3 遙感數(shù)據(jù)融合

遙感數(shù)據(jù)融合是采用將遙感圖像數(shù)源提供信息綜合，降低其不確定性，形成對目標完整一致的信息描述。通過多種傳感器數(shù)據(jù)處理增進對目標的解讀。數(shù)據(jù)融合準備工作包括影像數(shù)據(jù)空間配準，SPOT影像表現(xiàn)色調(diào)較暗，融合時會影響整體亮度表現(xiàn)，需要對SPOT影像灰度拉伸處理，灰度拉伸方法包括分段拉伸，指數(shù)拉伸等。

影像數(shù)據(jù)處理針對SPOT全色高分辨率影像細部特征處理，采用直方圖線性拉伸法增強SPOT影像局部反差。對建筑物差異進行特殊處理。應(yīng)用算法將兩種數(shù)據(jù)融合，保證TM多光譜影像豐富色彩信息，土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)融合包括元級融合、決策級融合。像元級數(shù)據(jù)融合是低水平融合，經(jīng)分析處理后得到研究對象特征信息，缺點是所需處理信息量大，不能顧及地物圖像特征。像元級數(shù)據(jù)融合常用算法有HIS變換等。小波變換是最近發(fā)展不斷融合方法，統(tǒng)計融合數(shù)據(jù)均值[6]。小波變換法可聚焦到分析對象任意細節(jié)，適用于對實時性要求較低的場合。

特征級數(shù)據(jù)融合是中等水平融合，將提取特征信息充分表示量進行分類處理，優(yōu)點是可實現(xiàn)對信息壓縮，為決策信息提供所需特征信息。Bayes決策法是分析傳感器獲取信息相關(guān)性，運用Bayes決策法時涉及先檢概率問題，比值運算將同像元對應(yīng)不同波段作商運算，得到圖像與原有圖像 色調(diào)下降，變化區(qū)域色調(diào)突出。可以分辨邊緣地帶，是土地利用動態(tài)監(jiān)測中可采用的處理方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有通過計算進行推力的突出特點，可以提高數(shù)據(jù)融合推理速度。

2.3.1 土地利用動態(tài)監(jiān)測遙感與GIS的應(yīng)用

研究項目選取長三角南京市江寧區(qū)，試總面積1566.78km2，江寧區(qū)水域面積186km2，境內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，丘陵崗地面積最大。地形呈馬鞍狀，地勢開闊，山體高度在海拔400m以下。項目地區(qū)是人類活動與資源環(huán)境密切的地區(qū)。

根據(jù)對影響土地利用變化成因分析，確定影響因素包括土地覆蓋類型，土壤水分等區(qū)域性參數(shù)，社會經(jīng)濟活動等有關(guān)。綜合分析土地利用影響因素，利用遙感圖像獲取土地利用分類圖，通過數(shù)字化方式獲取基礎(chǔ)年土地利用狀況資料,為政府部門決策提供科學依據(jù)。

MOMS-2P通過三行線陣CCD掃描獲得沿軌向立體像對，SCOP軟件完成圖像匹配與三角測量方法生成DHIM。MOMS-2P可用于土地利用狀況分類，首先選擇樣區(qū)分波段對地物類型分類訓練，進行研究區(qū)多波段遙感圖像分類。獲得土地利用分類專題為柵格類數(shù)據(jù)格式，將土地利用圖像轉(zhuǎn)化為多邊形Coverages，用于DEM三維地面土地利用制作。

系統(tǒng)歷史圖資料通過數(shù)字化方法建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，首先在MapGIS平臺下對1：10000地形圖進行掃描數(shù)字化等工作，數(shù)字化內(nèi)容包括地形水文等，通過E00交換文件格式轉(zhuǎn)換格式，進行投影轉(zhuǎn)換及圖像拼貼，形成完整的矢量數(shù)據(jù)庫。通過遙感圖像分類計數(shù)，建立基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)精度等不一致，需建立合適統(tǒng)一坐標系統(tǒng)集成矢量數(shù)據(jù)類型。

2.3.2 RS，GIS支持下的土地利用動態(tài)監(jiān)測分析

RS，GIS支持下對遙感圖像，統(tǒng)計數(shù)據(jù)源空間數(shù)據(jù)庫動態(tài)分析，對影響土地利用變化特征規(guī)律，對不同時期土地利用專題圖層進行時序分析，通過比較對土地利用預(yù)測提供指導(dǎo)性依據(jù)，對分析結(jié)果制圖輸出，以村級行政單位為基本分析單元，生成不同用途的獨立結(jié)果，主要包括DEM分析，土地利用分析，Overlay分析等。

土地利用分析是對土地利用程度，植被類型等因子分析，對植被因子敏感紅外波進行圖像處理，由于NDVI可綜合反映植被覆蓋度，葉面積指數(shù)等特征，結(jié)合GIS技術(shù)支持，對比獲得土地利用時相變化特征。DEM基于DEM單要素多時相分析，可通過不同時相DEM數(shù)據(jù)比較獲得研究區(qū)地形變化，直接獲得土壤侵蝕狀況分布。利用GIS的Overlay功能，對不同時期遙感分類圖像進行疊置分析，掌握土地利用在空間的連續(xù)變化情況，為及時掌握土地利用情況提供可靠依據(jù)。

3 結(jié)束語

衛(wèi)星遙感信息是土地利用動態(tài)監(jiān)測的重要信息源。土地資源利用需要長期動態(tài)監(jiān)測支持，通過多種方法監(jiān)測分析，了解土地利用動態(tài)變化規(guī)律。RS，GIS技術(shù)集成為進行土地利用監(jiān)測提供科學保證，GIS空間分析應(yīng)用為各級部門提供輔助決策。系統(tǒng)分析自然地理各因子對土地利用變化狀況的影響，由于多方面原因，需要深入研究專家系統(tǒng)引入等內(nèi)容。