土地利用動態(tài)監(jiān)測論文

1、基于RS技術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用李 玥（遼寧工程技術(shù)大學(xué)，測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新，123000）摘要:對數(shù)字遙感技術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了簡單的論述，介紹了 土地利用動 態(tài)遙感監(jiān)測的概念、方法、過程以及監(jiān)測中存在的難點，如數(shù)據(jù)預(yù)處理、監(jiān)測方法的選擇等。 強調(diào)了今后應(yīng)加強數(shù)字遙感技術(shù)在資源和環(huán)境管理中的應(yīng)用研究。關(guān)鍵詞：遙感 土地利用 動態(tài)監(jiān)測 信息增強0.引言人類利用土地的過程是不斷變化 的。各國政府一直進(jìn)行著不同層次的 土地資源及其利用狀況調(diào)查工作。及 時掌握土地利用類型的變化信息，是 進(jìn)行土地利用總體規(guī)劃、基本農(nóng)田保 護、土地利用用途管制等土地管理工 作的必要條件。迅

2、速發(fā)展的數(shù)字遙感 技術(shù)和計算機技術(shù)，為土地利用現(xiàn)狀 及變化信息的獲取提供了及時有效的 技術(shù)手段。數(shù)字遙感技術(shù)的動態(tài)、宏 觀、及時以及能夠得到同一區(qū)域時間 段上影像系列等優(yōu)點，結(jié)合計算機迅 速處理的特點，是傳統(tǒng)土地利用動態(tài) 調(diào)查技術(shù)所無法比擬的。目前，各國 都在開展數(shù)字遙感影像處理技術(shù)在土 地利用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究，國土 資源部在原國家土地管理局地籍司工 作基礎(chǔ)上，在這方面也展開了系統(tǒng)的 應(yīng)用研究，取得了階段性進(jìn)展?；谶b感的土地利用動態(tài) 監(jiān)測在國內(nèi)外的應(yīng)用1.1國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀國家土地管理局成立以后，在國 務(wù)院統(tǒng)一布署下，組織完成了全國縣 級土地詳查，東部地區(qū)采用航空遙感 為基本方法完成比例尺1

3、:1萬土地利 用調(diào)查制圖，西部地區(qū)采用衛(wèi)星遙感 和航空遙感相結(jié)合的方法完成1:5萬、 1:10萬和1:20萬土地利用調(diào)查。這一 成果為各級政府制定經(jīng)濟建設(shè)規(guī)劃、 計劃，為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、水利、能源、交 通等各專業(yè)部門制定規(guī)劃、計劃提供 了可靠的數(shù)據(jù)資料、為各項土地管理 工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。1.2國外應(yīng)用現(xiàn)狀目前，各國都在開展數(shù)字遙感影 像處理技術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的 應(yīng)用研究。由于遙感對地觀測技術(shù)具 有覆蓋面廣、宏觀性強、快速、多時 相、豐富的綜合信息等優(yōu)點，人們對 于衛(wèi)星遙感在土地調(diào)查中的應(yīng)用，從 衛(wèi)星遙感發(fā)展初期就寄于厚望，較普 遍地應(yīng)用于土地調(diào)查制圖與監(jiān)測中， 美國、西歐等發(fā)達(dá)國家還為泰國、

4、墨 西哥、肯尼亞等第三世界國家制作中 小比例尺的土地利用圖。1.3我國土地利用動態(tài)監(jiān)測的功能與特點根據(jù)我國國情，土地利用動態(tài)監(jiān) 測應(yīng)具有下列功能與特點：1）監(jiān)測重點是耕地變化和建設(shè) 用地擴展。我國耕地減少的主要去向 是非農(nóng)建設(shè)占地和農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào) 整，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整占用耕地，有可逆 性特點，耕地尚能恢復(fù)，而非農(nóng)建設(shè) 占用，耕地就難恢復(fù)，所以監(jiān)測非農(nóng) 建設(shè)用地擴展是重點。2）監(jiān)測成果的多樣性。為適應(yīng)各 級土地管理機構(gòu)的需求，通過土地利 用監(jiān)測定期提供土地利用現(xiàn)狀資料， 包括面積數(shù)據(jù)和反映土地利用空間分 布、變化等專題圖資料。3）監(jiān)測體系的層次性。為保證監(jiān) 測任務(wù)的完成，各級土地管理部門都 應(yīng)有相應(yīng)

5、的監(jiān)測機構(gòu)，各級機構(gòu)互為 關(guān)聯(lián)形成體系，各層次組成有機整體， 既要保證監(jiān)測成果的統(tǒng)一性和可比 性，又能開展本轄區(qū)的監(jiān)測業(yè)務(wù)，提 供本地區(qū)的監(jiān)測成果。4）技術(shù)手段的綜合性。根據(jù)我國 土地利用監(jiān)測的任務(wù)和要求，在技術(shù) 手段上宜采用衛(wèi)星遙感、航空遙感、 抽樣調(diào)查和地面調(diào)查相結(jié)合的方法， 發(fā)揮各自優(yōu)勢，求得總體功能上滿足 各項需要。土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測的 一般過程上述兩種動態(tài)監(jiān)測的方法都是以 影像光譜輻射特征所包含的信息和像 元分類器為基礎(chǔ)的，其主要過程都包 含有土地利用變化位置確定什么地方 發(fā)生了變化和變化類型的確定變化 本質(zhì)，圖1）。2. 1逐個像元比較法的監(jiān)測過程2. 1. 1遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理土地

6、利用動態(tài)變化監(jiān)測遙感數(shù)據(jù) 預(yù)處理的兩個重要方面是影像系列空 間匹配和輻射校正。顯然，多時相影像 間準(zhǔn)確的空間配準(zhǔn)是動態(tài)變化監(jiān)測所 必須的。在影像匹配誤差對土地利用 變化監(jiān)測精度影響的研究中，證明了 要得到可靠的土地利用變化結(jié)果，需 極影像系列空間匹配數(shù)據(jù)預(yù)處理高的 圖像配準(zhǔn)精度。研究結(jié)果表明，1個 像元空間影像系列輻射校正匹配誤差 將導(dǎo)致50 %的虛假變化。要想將錯誤 率影像系列變化控制在10 %，圖像 配準(zhǔn)誤差就必須小于0. 2個像元變化 位置的確定一信息增強或更小。土 地利用動態(tài)監(jiān)測遙感數(shù)據(jù)的另一個重 要變化掩膜產(chǎn)生預(yù)處理就是必須對影 像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正，只有在變化類 型的識別一變化區(qū)域分

7、類可靠的輻射 校正基礎(chǔ)上的監(jiān)測結(jié)果，才可能避免 偽 變化圖幾何校正變化。Hall et al （1990） , Caselles and Carcia （1989），監(jiān)測成果評價一監(jiān)測精度評 定Conel 1990等人發(fā)展了一系列輻射 匹配技術(shù)，這些技術(shù)回避了各種輻射 校正參數(shù)獲取困難的問題，可面積統(tǒng) 計分析以直接將影像系列上穩(wěn)定的景 觀要素作為輻射控制圖。2. 1. 2遙感信息的增強近20年，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了一系 列遙感信息增強算法，筆者現(xiàn)將這些 算法歸納如下：1簡單數(shù)學(xué)處理增強變 化信息這一類方法主要是對有關(guān)波段 圖像的像元亮度值進(jìn)行簡單數(shù)學(xué)處理 主要是求差值或求比值，增強有用信 息，以便

8、進(jìn)行波段之間光譜強度的比 較。1）影像差值。該方法是動態(tài)監(jiān)測 中應(yīng)用最廣泛的方法之一。不同年代， 同一時相的影像系列經(jīng)過幾何匹配 后，用其中一個年代的圖像像元亮度 值減去另一個年代圖像的對應(yīng)像元亮 度值。當(dāng)差值為零時，表示土地利用 類型未發(fā)生任何變化，而正值或負(fù)值 均表示土地利用類型發(fā)生了變化。2）影像比值。比值增強處理是迅 速進(jìn)行土地利用動態(tài)監(jiān)測的一種方法，該方法就是求取有關(guān)波段圖像像 元亮度值的比值。土地利用類型發(fā)生 變化區(qū)域的像元亮度值之比會顯著地 大于或小于1，而未發(fā)生變化區(qū)域的 亮度值接近1。3）多時域線性變換增強變化信 息。通過對系列影像進(jìn)行線性變換， 進(jìn)而將土地利用變化信息提取出

9、來。 最常用的線性變換方法有主成分分析 PCA，穗帽變換K - T，G - S正交 變換。這些線性變換方法產(chǎn)生出一組 新的組分圖像，目的就是要把原來多 個波段中的有用信息集中到數(shù)目盡可 能少的新的組分中，起到數(shù)據(jù)壓縮波 段數(shù)降為N個主成分和突出變化信息 的目的。4）變化向量分析。首先對各時相 的影像分別進(jìn)行K-T變換，然后對K -T變換后的有關(guān)特征組分分量進(jìn)行差 值運算，求得每個像元的變化值，稱 為變化向量。5）多時域非線性變換增強變化 信息。該方法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué) 習(xí)功能，對影像變化信息進(jìn)行非線性 運算，提取變化信息，其精度高于G - S正交變換所獲得的結(jié)果精度，是一 種可行的土地利用類

10、型變化檢測算 法。2. 1. 3變化掩膜的產(chǎn)生在土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測中，變 化掩膜是指在土地利用變化信息增強 的基礎(chǔ)上，用一定方法對可能的變化 區(qū)域進(jìn)行劃分，形成二值影像。最常 用的方法就是簡單的閾值技術(shù)：1 I ( x , y ) NTI x , y 二 T為閾值0 I ( x , y ) T即：當(dāng)像元亮度值大于T時 賦值1,用于表示土地利用類型發(fā)生 了變化的區(qū)域，T值通常由分析者憑 經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)選取，因此，這一步 是影響監(jiān)測精度的重要環(huán)節(jié)。對于變 化區(qū)域的劃分，也可用監(jiān)督和非監(jiān)督 分類方法，但這些方法在文獻(xiàn)中出現(xiàn) 的不多。2. 1. 4變化類型的識別1)目視解譯。目視解譯的最大優(yōu) 點是方

11、便靈活，解譯者在解譯過程中 能夠充分利用影像解譯標(biāo)志和其它輔 助信息地貌，地形等識別地物。但解 譯者的經(jīng)驗和專業(yè)知識包括對所研究 地理區(qū)域的熟悉程度以及影像本身的 差異或限制，都會導(dǎo)致解譯結(jié)果的不 一致。2)計算機自動解譯分類。目前， 用得較多的方法是多元統(tǒng)計識別分類 方法。該方法主要優(yōu)點是處理速度快， 并且可重復(fù)性強，其中，最大似然法 有著嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，對于呈正態(tài)分 布的數(shù)據(jù)，具有很好的統(tǒng)計特性，而 且判別函數(shù)易于建立，是目前最常用 的分類方法。2. 2分類后比較法的監(jiān)測過程這一類方法，通常不對各年代影 像作任何增強處理，只是單純依靠各 自的光譜分類結(jié)果進(jìn)行分析和處理， 主要有：分類后比較

12、 對各年代影像 分別進(jìn)行光譜分類，并對分類結(jié)果圖 進(jìn)行復(fù)合分析，獲取土地利用變化信 息。該方法主要優(yōu)點是對兩個時期影 像分別進(jìn)行分類處理，避免了不同時 相影像間輻射校正問題。初始分類的 精度決定了土地利用動態(tài)變化的計算 結(jié)果精度，它近似等于各自分類精度 的乘積。原始影像上錯誤的分類和不 正確的圖像匹配，均會產(chǎn)生錯誤的結(jié) 果。多維時域空間復(fù)合分析匹配后的影像系列，土地利用發(fā)生變化 的類別與未發(fā)生變化的類別在統(tǒng)計模 式上會有顯著的不同。這樣，對影像系 列同時進(jìn)行變化類型的分類，通常被 稱為“分層光譜或時域變化分類 ”， “多時相聚類”或“光譜變化模式分析”。監(jiān)測成果評價一般而言，監(jiān)測結(jié)果是應(yīng)用部門

13、 最關(guān)心的，如監(jiān)測的精度有多高，各 地類變化面積有多大等。原國家土地 管理局在土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測研究 中，采用基于混淆矩陣基礎(chǔ)上的精度 評價方法和面積校正方法，為土地利 用動態(tài)遙感監(jiān)測成果在實際工作中的 應(yīng)用提供了依據(jù)。結(jié)論遙感作為一門先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)， 可為土地利用動態(tài)變化研究提供多時 相、大范圍的實時信息，成為研究地 球資源、環(huán)境的有力手段之一。就動 態(tài)遙感監(jiān)測來講，還有不少難點:首先 數(shù)據(jù)預(yù)處理在實際工作中達(dá)不到要 求，其有效算法和技術(shù)影響了動態(tài)監(jiān) 測成果的精度；其次，由于變化監(jiān)測 算法的差異性，所有變化監(jiān)測算法的 能力受空間、光譜、時域和專業(yè)內(nèi)容 的限制，所采用的方法在一定程度上 影響了變化監(jiān)測的精度。甚至對于同 一環(huán)境，由于采用的方法不同，所產(chǎn) 生的結(jié)果也會不同，因此，選擇合適 的土地利用變化監(jiān)測方法，顯得尤為 重要。綜上所述，土地利用動態(tài)變化遙 感監(jiān)測有多種方法，各方法都有其優(yōu) 缺點?？偟膩碇v，多時域線性變換、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性變換和變化向量分 析等方法充分利用了影像系列各波段 所包含的變化信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮 的同時，又增強了變化信息，其算法 的精度比較高、處理速度比較快。今 后還需對土地利用動態(tài)變化遙感監(jiān)測