QuickBird影像在城市土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用研究

摘要：以O(shè)uickBird衛(wèi)星影像作為主要數(shù)據(jù)源，采用主成分分析法對(duì)全色和多光譜圖像進(jìn)行融合，并與其它輔助信息進(jìn)行綜合分析，通過(guò)室內(nèi)遙感目視解譯，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，對(duì)天津市塘沽區(qū)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行了遙感調(diào)查。研究表明：QuickBird提供的高分辨率衛(wèi)星圖像可以滿足制作大比例尺城市土地利用現(xiàn)狀圖的要求，圖像融合可以充分利用全色圖像的高空間分辨率和多光譜圖像的高光譜分辨率，提高了目視解譯的精度。

關(guān)鍵詞：QuiekBird；圖像融合；圖像解譯；土地利用現(xiàn)狀；調(diào)查

中圖分類號(hào)：S159－3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006－6500(2008)02－0012－04

土地利用是指人們?cè)谏鐣?huì)生產(chǎn)中對(duì)作為生產(chǎn)資料的土地的利用方式、程度和效果的總稱，它既是制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)劃和宏觀決策的重要基礎(chǔ)資料，也是土地利用總體規(guī)劃和日常土地管理的重要依據(jù)。隨著城市化進(jìn)程的加快，各級(jí)行政管理部門(mén)迫切需要準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測(cè)和分析地表現(xiàn)狀，為城市可持續(xù)發(fā)展提供決策服務(wù)。在常規(guī)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中，通常用傳統(tǒng)的資料和數(shù)據(jù)采集方法，耗費(fèi)大量人力、物力和資金，調(diào)查的時(shí)間跨度大，影響基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取和分析的效率，不能滿足社會(huì)快速發(fā)展的需要。相對(duì)于自然景觀，以多種建筑物、交通網(wǎng)、公共設(shè)施、公園等為特征的城市區(qū)域，材質(zhì)多樣(包括混凝土、瀝青、金屬、玻璃、塑料、水、綠地、灌木、樹(shù)和土壤等)，空間布局錯(cuò)綜復(fù)雜，變化頻繁，這些特性要求遙感數(shù)據(jù)必須具有高空間分辨率和高光譜分辨率。城市應(yīng)用的高精度要求，使正射航空像片在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)成為唯一的遙感來(lái)源，隨著商用衛(wèi)星IKONOS，QuiekBird相繼發(fā)射成功，衛(wèi)星遙感突破了米級(jí)空間分辨率的局限，大大縮小了衛(wèi)星影像與航空像片之間分辨力的差距，使衛(wèi)星遙感用于城市監(jiān)測(cè)成為可能。

本研究利用多種方法對(duì)QuickBird 0.61m全色與2.44m多光譜影像在ERDAS IMAGINE8.7中進(jìn)行融合，比較融合效果后，從最佳融合方法得到融合影像，參考相關(guān)輔助圖件和實(shí)地調(diào)查資料制訂相應(yīng)的圖像解譯標(biāo)志，進(jìn)行人機(jī)交互式解譯分類——進(jìn)行土地利用類型的專題信息提取，并利用地理信息系統(tǒng)軟件ARCGIS9.0制作土地利用現(xiàn)狀圖。

1 試驗(yàn)與分析

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)為天津市塘沽區(qū)，位于天津市東部，東臨渤海，地跨海河兩岸，地處環(huán)渤海地區(qū)中心，介于東經(jīng)117°29′-117°48′，北緯38°44′～39°12′之間。塘沽區(qū)是濱海新區(qū)三個(gè)行政區(qū)之一，地勢(shì)低洼平坦，屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究所用遙感數(shù)據(jù)為2006年5月的QuickBird影像。全色光影像的地面分辨率為0.6m×0.6m，多光譜影像的地面分辨率為2.4m×2.4m，數(shù)據(jù)以11bits存儲(chǔ)。其它圖形數(shù)據(jù)有塘沽區(qū)1：1萬(wàn)地形圖、行政邊界圖、矢量化地形圖。根據(jù)1：1萬(wàn)的地形圖，在全區(qū)范圍內(nèi)均勻選取20個(gè)控制點(diǎn)，利用遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGINE8.7對(duì)圖像進(jìn)行幾何糾正和波段間相互配準(zhǔn)，采用最鄰近法進(jìn)行重采樣，避免插值引起的光譜退化，完成全色光影像和多光譜影像空間上的配準(zhǔn)。同時(shí)將多光譜影像上采樣得到像素大小為0.6m×0.6m，與全色光影像尺度一致，坐標(biāo)系為WGS_1984_UTM_Zone_50N。以增強(qiáng)處理的QuiekBird影像3(紅)、4(綠)、2(藍(lán))波段合成的假彩色圖像，作為研究中解譯的主要信息源。

1.3圖像融合

圖像融合是對(duì)不同空間分辨率遙感圖像的融合處理，使處理后的遙感圖像既具有較好的空間分辨率，又具有多光譜特征，從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。圖像融合分為三個(gè)層次：像素級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合，其中像素級(jí)融合具有精度高和工作量小的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，在ER－DAS IMAGINE系統(tǒng)中提供了Principal Component(主成分變換)、Muhiplicative(乘積變換)和BroveyTransform(比值變換)三種圖像融合方法。本研究分別采用這些方法對(duì)圖像進(jìn)行融合，經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)Principal Component方法，是建立在圖像統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的多維線性變換，具有方差信息濃縮、數(shù)據(jù)量壓縮的作用，可以更準(zhǔn)確揭示多波段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的遙感信息，以高分辨率數(shù)據(jù)代替多波段數(shù)據(jù)變換以后的第一主成分達(dá)到融合目的。在視覺(jué)上極大地改善了融合圖像目視判讀效果，提高了分辨率，融合圖像目標(biāo)細(xì)部特征更清晰，光譜信息更豐富，灰度范圍增加，信息量有所提高。

1.4土地利用分類系統(tǒng)的建立

根據(jù)研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)以及遙感信息源的特點(diǎn)，以土地資源的利用特征與地表覆蓋特征為主要依據(jù)，擬定土地利用分類系統(tǒng)。與國(guó)家有關(guān)部門(mén)制定的土地現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)統(tǒng)一，其一、二級(jí)分類系統(tǒng)的編碼及命名參照國(guó)家統(tǒng)一的土地分類系統(tǒng)編碼和命名。具體類別的劃分參照國(guó)土資源部2002年8月下發(fā)的《全國(guó)土地分類》(過(guò)渡期間適用)實(shí)施；以遙感影像特征為主導(dǎo)因素，劃分類型時(shí)應(yīng)考慮影像特征的可鑒別性；分類系統(tǒng)應(yīng)盡可能做到類型名稱簡(jiǎn)潔，分類標(biāo)準(zhǔn)易定，含義準(zhǔn)確，層次清楚；同時(shí)在分類上體現(xiàn)塘沽區(qū)的地理規(guī)律和土地利用特點(diǎn)，服務(wù)于塘沽區(qū)的土地利用規(guī)劃與管理。

采用三級(jí)分類系統(tǒng)：第一級(jí)分為農(nóng)用地、建設(shè)用地和未利用地三大類型；第二級(jí)是在第一級(jí)基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化為耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、居民點(diǎn)即獨(dú)立工礦用地、交通用地、水利設(shè)施用地、未利用土地及其他土地等10個(gè)類型；第三級(jí)依據(jù)塘沽區(qū)土地資源的主要利用方式、利用條件、難易程度劃分為灌溉水田、旱地、有林地、灌木、坑塘水面、農(nóng)田水利用地、城市、建制鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、獨(dú)立工礦用地、鹽田、特殊用地、鐵路用地、公路用地、港口碼頭用地、水庫(kù)水面、水工建筑用地、荒草地、河流水面、湖泊水面、葦?shù)亍┩考捌渌蠢猛恋?3個(gè)類型(見(jiàn)表1)。根據(jù)三級(jí)類建立一個(gè)DBF文件，包含“CODE”和“土地利用”兩個(gè)字段，分別與“編號(hào)”、“名稱”一一對(duì)應(yīng)。

1.5遙感影像目視解譯

利用QuickBird衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)開(kāi)展土地利用現(xiàn)狀調(diào)查的技術(shù)方法如下：利用遙感、GIS、GPS等技術(shù)，以QuickBird衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為主要信息源，參照地形圖和原土地利用調(diào)查、權(quán)屬、用地等資料，以室內(nèi)圖像目視解譯為主，野外調(diào)查為輔。采用ERDAS進(jìn)行圖象處理，根據(jù)校正后遙感圖像的色調(diào)，紋理，結(jié)構(gòu)，幾何形狀，分布及所處的地形、地貌、地理位置，通過(guò)地面調(diào)查，并運(yùn)用相關(guān)資料和圖件，建立不同遙感數(shù)據(jù)源分類系統(tǒng)的判讀標(biāo)志，計(jì)算機(jī)屏幕數(shù)字化解譯。由于影像圖中所表現(xiàn)的地物類別比較復(fù)雜，目前計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類技術(shù)仍不能達(dá)到識(shí)別要求，本研究采用人機(jī)交互式的目視解譯。

在目視判讀的過(guò)程中，可以遵循以下原則進(jìn)行。

(1)綜合原則：遙感影像的復(fù)雜性和宏觀性，決定了遙感圖像解譯的綜合性。對(duì)各種解譯標(biāo)志都要充分利用，不能自發(fā)片面的強(qiáng)調(diào)個(gè)別“典型標(biāo)志”的作用，將其絕對(duì)化，更不能將某種“典型”色調(diào)或結(jié)構(gòu)特征與某種地物(植被類型等)等同起來(lái)，以免誤判；同時(shí)解譯工作中應(yīng)盡量利用已有的相關(guān)資料，如林相圖、土地利用／覆蓋圖、野外調(diào)查資源等。

(2)多尺度宏觀原則：在詳細(xì)解譯之前，首先對(duì)影像總體輪廓和研究區(qū)生態(tài)概況進(jìn)行研究，以獲取整個(gè)研究區(qū)宏觀生態(tài)分布類型的正確概念。

(3)先易后難，循序漸進(jìn)原則：整個(gè)遙感圖像目視解譯工作往往比較復(fù)雜，反復(fù)枯燥，工作量較大，需要有足夠的耐心，可遵循先易后難，循序漸進(jìn)的原則。

在ARCGIS9.0中以融合后影像作為底圖，建立一個(gè)shapefile文件，添加一個(gè)字段名為“CODE”的字段，進(jìn)行屏幕數(shù)字化，解譯完之后通過(guò)“CODE”字段與DBF文件建立關(guān)聯(lián)，給shapefile文件添加一個(gè)名稱為“土地利用”的字段。再根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果，修正解譯中的錯(cuò)誤，進(jìn)行圖斑綜合、屬性生成等解譯結(jié)果后處理，完成影像解譯工作。最后的解譯結(jié)果見(jiàn)圖1。

2 結(jié)果與討論

隨著遙感技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)將成為土地調(diào)查的重要手段，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)將成為重要的信息源。高分辨率衛(wèi)星圖像為城市尺度土地覆蓋分類和變化監(jiān)測(cè)提供了新的數(shù)據(jù)源。QuickBird遙感影像具有現(xiàn)勢(shì)性好、空間、時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能及時(shí)、準(zhǔn)確、快速地反映土地利用變化情況。與傳統(tǒng)的土地調(diào)查方法比較，利用高分辨率QuickBird遙感影像調(diào)查具有快速、省時(shí)、省力等特點(diǎn)，能基本滿足現(xiàn)代土地利用調(diào)查的需要。為了充分利用高分辨率全色圖像和多光譜信息，需要選擇合適的圖像融合方法。

在對(duì)QuickBird衛(wèi)星影像進(jìn)行正射校正時(shí)，選取控制點(diǎn)的數(shù)量和分布情況是影響校正效果的一個(gè)很重要的因素，但我國(guó)目前很難提供大比例尺基礎(chǔ)地形圖件，這就成為高分辨率遙感影像在大比例尺土地利用調(diào)查中應(yīng)用的瓶頸。雖然可以采用高精度GPS到野外采取控制點(diǎn)的辦法來(lái)解決，但是這樣做產(chǎn)生的成本會(huì)很高。因此，編制大比例尺基礎(chǔ)地形圖件就成為測(cè)繪部門(mén)所面臨的緊迫任務(wù)。

OuickBird衛(wèi)星影像具有廣闊的應(yīng)用前景，但是價(jià)格比較高，在一定程度上制約了大面積應(yīng)用。OuickBird衛(wèi)星影像一般數(shù)據(jù)量都比較大，例如本研究所用塘沽區(qū)的QuickBird影像合成后總數(shù)據(jù)量約為8GB，在對(duì)影像進(jìn)行存儲(chǔ)、融合處理時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件配置的要求比較高，因而數(shù)據(jù)處理成本也相對(duì)比較高。