基于 Terra SAR-X雷達數據監測土地利用動態的研究

曾 菲,朱曉亮

(廣東省國土資源技術中心,廣東廣州 510075)

基于 Terra SAR-X雷達數據監測土地利用動態的研究

曾 菲,朱曉亮

(廣東省國土資源技術中心,廣東廣州 510075)

在多云、多雨地區,可見光獲取遙感影像數據不能滿足對土地利用實時監測的需要,而雷達衛星可以不受天氣條件影響獲取數據。對 TerraSAR-X雷達數據影像進行正射糾正和解譯,判斷出變化的區域并到實地驗證。高分辨雷達衛星數據作為光學數據源的補充用于監測土地利用動態具有重大的現實意義。

耕地;動態監測;TerraSAR-X;正射糾正;解譯

一、引 言

從一定意義上來說,耕地是不可再生的資源,一旦轉為建設用地就很難恢復成耕地[1]。廣東省人均占有耕地面積只有 0.03 hm2,不到全國平均水平的一半,而且有限的土地資源還在不斷減少[2]。耕地減少及其變化趨勢成為人們最關注的問題之一。遙感技術具有客觀性、實時性、有效性、周期短等特點,已成為獲取土地動態數據最主要的技術手段[3]。通過對比不同時期的衛星影像,檢測出土地利用變化地塊,計算耕地面積變化值,獲得客觀與全面且實時的土地利用信息[4],為合理開發利用土地資源,有效保護耕地,特別是保護基本農田,查處違法用地提供了科學依據。廣東省大部分地區為南亞熱帶和熱帶季風氣候類型,除每年的 11月初至次年的 1月底為大范圍晴天外,其他時段的天氣以多云、多雨及多霧為主。這種氣候條件對基于可見光獲取遙感影像數據的正常采集有嚴重影響,甚至完全獲取不到數據,不能滿足對土地利用實時監測的需要。而雷達遙感數據有快速獲取以及不受天氣制約的優越性,能提供不同于可見光和紅外遙感提供的某些信息[5],彌補了光學遙感數據的不足。因此,在多云多雨地區研究高分辨雷達衛星數據作為光學數據源的補充,用于監測土地利用動態具有重大的現實意義。

二、研究區域概況及雷達數據簡介

1.研究區域概況

研究區域位于廣州市番禺區,地處東經 113°15′00″～113°18′45″,北緯 22°55′00″～22°57′30″,地形類別為丘陵地。區域內地物內容比較豐富,水網密集,交通方便。市橋水道和陳村水道貫穿南北,大夫山位于區域的東北部,居民地以碧桂園住宅區為主,水田、旱地分布于碧江、南山等多個自然村之間, G105國道、廣珠西線高速、S102省道在區域內穿過。

2.雷達數據簡介

文中采用的是一景 TerraSAR-X雷達影像數據。數據的獲取時間是 2008年 5月。比對的數據是2007年國土資源部下發用于第二次全國土地調查的SOPT衛星影像。

TerraSAR-X有豐富的產品極化和增強方式,快速的軌道重訪周期可以滿足各種快速反應需求。還具有采集數據不依賴于氣象和日照條件的特性,從而能夠在復雜氣象條件下,短時間內以高成功率獲取大面積區域數據。TerraSAR的 StripMap影像模式有關參數：幅寬為 30 km(單極化)和 15 km(雙極化);空間分辨率為 3 m(單極化)和 6 m(雙極化);標準長度為 50 km。

三、數據處理

由于 TerraSAR-X產品的默認坐標系與國內制圖坐標系不一致,數據處理時需要將 TerraSAR-X數據投影到 1980西安坐標系,再利用已有的DOM和DEM數據,將 TerraSAR-X原始數據糾正為正射影像圖。

糾正概略過程為：①讀取 TerraSAR-X數據元文件,在上一年光學正射圖像中提取 10個明顯地物點作為控制點,將其導入 TerraSAR-X圖像進行匹配,控制點中誤差為 ±2.81 m,小于 ±3 m;②使用DEM和地面控制點正射糾正出雷達影像;③利用前期的DOM,在雷達圖像上生成檢查點。檢查點的中誤差為 ±3.18m,小于 ±5m。

四、解譯判讀及實地驗證

雷達遙感是主動發射電磁波能量,數據記錄回波的強弱。回波反映地面的粗糙度,其影像只是亮度不同的點的集合。回波受諸多因素的影響,故針對回波信號的應用計算機自動分類存在許多困難。目前一般采用目視的解譯方法,主要是根據不同地物在雷達影像的形狀、紋理等特點以及地物間相互關系,對經過正射糾正出來的雷達影像進行解譯判讀。在解譯的同時,與上一年的DOM進行對比,對判讀不一致的區域繪制出變化圖斑,并依據判讀知識和經驗,分析地類變化。

由于雷達影像沒有光學影像那么直觀,在解譯時難度較大。如不規則的農村房屋、有果實的果樹、未利用地、裸露地及復墾地等,它們在雷達影像上的成像特點較相似;樹木附近新起的獨立房屋,影像特點不明顯,也很容易漏監測。對于丘陵或山地正射糾正后影像容易產生“拉絲”,甚至只有二三十米的高差也會產生“拉絲”或“扭曲”現象,這種現象可能會遮蓋部分變化區域,影響判讀而導致遺漏。

對本區域中發現變化的圖斑,野外實地調繪了9處進行驗證,有 8處地塊確實發生了變化,而且是農用地向建設用地的變化。基于 TerraSAR-X生成的變化圖斑見下面各示例。

1)示例一：房屋等建筑物,如圖 1所示。

圖1

圖 1中雷達影像上“L”形的白色亮條,及亮斑群提示,此處圖像符合居民地建筑的特征。由于建筑物的四個面及頂面總有兩面受到雷達波束照射,側面與地面可能組成多個角反射器,回波較強。平頂建筑物屋頂大多成鏡面反射,整個建筑物在圖像上顯示L形;村莊居民點在雷達圖像上表現為聚集的亮斑群,回波強度偏高[5]。對比光學影像可判斷圖 1中 0號圖斑處變化為居民點及獨立工礦用地。實地調繪結果該處為碧江工業區內的新建房屋。

2)示例二：植被,如圖 2所示。

圖2

在圖 2雷達影像上,11號圖斑除北部與東部紋理不均勻,圖像有稍亮的少量無規則亮點外,其余灰度基本一致,并且偏暗沒有亮點。根據看不到有田埂反射的“亮線條”推斷,該地已經不是田埂明顯的規則田塊。變化后的地類根據雷達影像紋理特征來判斷,一般分布著稀疏植物的地面和農作物的圖像紋理比較均勻、細致,而自然植被的圖像有更多的斑點[5],因此可以判斷此區域植被稀少。但具體的地類較難確定,可能是荒地或未利用土地。該圖斑邊界較難判定,因而也不能準確的統計變化區域的面積。實地調繪該處為已長雜草的閑置建設用地。

3)示例三：水系與道路,如圖 3所示。

在圖 3的雷達影像上,9號圖斑處有帶狀無規則亮斑變化,暗示著道路的存在。魚塘等水面總是造成鏡面反射,無回波信號,在圖像上為黑色調。圖斑中亮點集中的兩個地方提示,回波較強,應是水中橋及橋墩形成的多角反射器。初步判斷是魚塘變化為交通運輸用地,實地調繪該處為建筑中橋和公路。

五、結束語

TerraSAR-X的 StripMap模式產品作為光學衛星影像的補充在一定程度上可用于土地利用動態監測。對于大于 400m2的變化區域,或者變化明顯地物較易解譯,能夠保證較高的準確率。對河流、水庫、魚塘等水體;公路,鐵路和機場等交通用地;住宅區、居民地及建筑區域;田埂較明顯的規則田塊等農作物種植區;裸露地和有建筑材料堆砌的建筑用地等解譯準確度較高。但對于成像特點較相似的不同地物,解譯較困難,并且其邊界較難準確判定。

在現階段,由于雷達影像不直觀,雷達數據的全面應用會有很大困難。隨著計算機技術的發展和多學科的綜合運用,以及處理手段的提高和解譯經驗的積累,雷達數據在多云雨地區監測土地利用動態中將發揮重要的作用。

[1] 《廣東國土資源》編輯部.堅守 18億畝耕地紅線[J].廣東國土資源,2007(6)：18-20.

[2] 黃華華.努力推動國土資源管理工作上新臺階[J].廣東國土資源,2007(7)：4-7.

[3] 任志遠,李晶,王曉峰,等.城郊土地利用變化與區域生態安全動態[M].北京：科學出版社,2006：76.

[4] 莊逢甘,陳述彭.衛星遙感與政府決策[M].北京：宇航出版社,1997：16-24.

[5] 舒寧.雷達遙感原理 [M].北京：測繪出版社,1997：3-5;155-164.

Research on the Application of TerraSAR-X Data to Land-use Dynam icMonitor ing

ZENG Fei,ZHU Xiaoliang

0494-0911(2010)12-0047-02

P237

B

2010-11-16

曾 菲(1962—),女,湖南邵陽人,高級工程師,主要從事攝影測量與遙感及質量控制工作。