基于RS的土地變更調(diào)查監(jiān)測研究

摘 要：遙感技術(shù)在全國土地變更調(diào)查工作中得到廣泛應(yīng)用，主要通過從最新獲取的遙感影像中提取所需信息，對比之前的數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行分析得到一定時(shí)間階段的土地變更情況?；?012年全國土地變更調(diào)查遙感監(jiān)測項(xiàng)目，以Quick Bird影像數(shù)據(jù)和前時(shí)相基礎(chǔ)底圖為基礎(chǔ)，運(yùn)用RS對遙感影像進(jìn)行拼接、融合以及調(diào)色等處理過程，并運(yùn)用GIS對監(jiān)測圖斑進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)對土地變更的動態(tài)監(jiān)測研究。

關(guān)鍵詞：土地變更；遙感；影像處理；Quick Bird影像；監(jiān)測圖斑

中圖分類號 F301.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）14-123-04

The Study of RS Technology in Monitoring of Land Use Change Survey

Zhang Tongyan

（Urumqi Land Surveying Planning Institute，Urumqi 830002，China）

Abstract：The remote sensing technology obtains the widespread application in the national land change investigation work. The certain stage land change situation is mainly obtained through the comparing and analyzing the extracted information from the newest remote sensing images and the database information before. The paper，with Quick Bird image，the previous fundamental base map，implemented the stitching process，image composite and adjusting color of image using RS technology，and extracted the spot using GIS. Finally，this paper implemented the dynamic monitoring of land use change.

Key words：Land use change； Remote sensing； Image processing； Quick Bird image ；Monitoring spot

土地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，土地資源是一定區(qū)域內(nèi)氣候、地貌、巖石、水文、土壤和動植物等自然要素與人類勞動成果相結(jié)合的自然生態(tài)-經(jīng)濟(jì)綜合體，具有自然、經(jīng)濟(jì)和社會屬性[1]。我國土地資源生態(tài)環(huán)境惡化、水土流失嚴(yán)重、土地沙漠化、土壤次生鹽堿化，從而導(dǎo)致土地質(zhì)量下降，生產(chǎn)力低，不合理建設(shè)濫占耕地導(dǎo)致大量農(nóng)田喪失，最終導(dǎo)致我國耕地資源日益減少[2]。針對土地資源存在的問題，國家定期對土地利用變化狀況進(jìn)行管理，進(jìn)行土地利用變更調(diào)查，目的是及時(shí)掌握土地權(quán)屬與利用的變動狀況，保持地籍資料的現(xiàn)時(shí)性，完成土地利用現(xiàn)狀調(diào)查和建立初始地籍后，國家每年對土地權(quán)屬和用途發(fā)生變化的土地進(jìn)行連續(xù)調(diào)查、全面更新土地用地資料的過程，本質(zhì)上是一種動態(tài)監(jiān)測，提高土地信息變更的效率和質(zhì)量成為土地管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此在土地利用變更調(diào)查中引入3S技術(shù)成為了土地利用變更調(diào)查發(fā)展方向[3]。筆者基于2012年全國土地變更調(diào)查遙感監(jiān)測項(xiàng)目，對2012年和2011年度遙感影像進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，進(jìn)行地類圖斑變化信息提取，實(shí)現(xiàn)對土地變更的動態(tài)監(jiān)測研究。

1 數(shù)據(jù)源

項(xiàng)目所采用的數(shù)據(jù)為2011年原始影像數(shù)據(jù)，包括Quickbird、WorldView-2、GeoEye數(shù)據(jù)，使用2012年下發(fā)的Quickbird全色和多光譜遙感數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系統(tǒng)為1980西安坐標(biāo)系（如圖1）。

圖1 2012年下發(fā)影像數(shù)據(jù)

2 技術(shù)流程

2.1 技術(shù)流程 首先是前期數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作，主要包括原始影像質(zhì)量檢查、落圖文件制作、基礎(chǔ)底圖和前時(shí)相處理工作；其次是影像預(yù)處理，根據(jù)原始數(shù)據(jù)的具體情況選擇對應(yīng)的處理方法，對單景原始影像進(jìn)行初步處理，主要包括影像拼接、波段組合、影像數(shù)值調(diào)整、影像融合、正射校正等步驟，最終制作DOM[4]；最后是地類圖斑變化信息提取，根據(jù)國家下發(fā)的關(guān)于影像變化信息提取的技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行提取，經(jīng)過前后時(shí)相DOM套合對比，運(yùn)用多種方法結(jié)合發(fā)現(xiàn)和提取變化信息，圖斑邊界勾繪以后時(shí)相DOM為準(zhǔn)，利用GIS建立監(jiān)測圖斑矢量數(shù)據(jù)層，建立屬性表，最后進(jìn)行圖斑拓?fù)錂z查。

2.2 遙感影像處理 遙感影像處理是土地變更調(diào)查的基礎(chǔ)性工作，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)源選擇對應(yīng)的處理方法，主要包括影像拼接、波段組合、影像降位、正射糾正、影像融合、影像鑲嵌和裁切等步驟[5]。

2.2.1 影像拼接處理 項(xiàng)目中的QB影像數(shù)據(jù)，每景影像被分為9小塊，將9塊影像進(jìn)行拼接處理，從而形成一景影像，如圖2所示。

圖2 Quick Bird影像數(shù)據(jù)

2.2.2 影像數(shù)值調(diào)整 QB影像數(shù)據(jù)采用的是16bit數(shù)據(jù)格式存儲，存儲和處理時(shí)16bit格式表示灰度范圍，大大降低了計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)存儲與處理的效率，為了降低文件容量，加快處理速度，均要將位數(shù)轉(zhuǎn)換成8bit。

2.2.3 正射校正 影像正射糾正應(yīng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)源的種類及已有數(shù)據(jù)情況進(jìn)行選擇，主要包括物理傳感器模型、有理函數(shù)模型、有理多項(xiàng)式模型和幾何多項(xiàng)式模型，本項(xiàng)目中根據(jù)數(shù)據(jù)源選擇有理函數(shù)模型，需要提供影像的RPC/PRB文件和DEM數(shù)據(jù)，Quickbird數(shù)據(jù)選擇Quickbird RPC模型進(jìn)行幾何精糾正，得到正射影像，其流程如圖3所示。

圖3 正射處理流程

以上過程在PCI Geomatica v9.0版本的Ortho-Engine模塊中能夠自動實(shí)現(xiàn)，操作流程分為4個(gè)步驟進(jìn)行：（1）建立校正模型，選擇Quickbird RPC模型，設(shè)置好正射影像坐標(biāo)系和控制點(diǎn)坐標(biāo)系以及正射重采樣的像元大小。（2）采集GCP并計(jì)算嚴(yán)格的傳感器物理模型。（3）載入DEM數(shù)據(jù)并進(jìn)行正射糾正，重采樣選擇雙線性插值，多光譜數(shù)據(jù)采樣間隔為2m，全色數(shù)據(jù)采樣間隔為0.5m。（4）采用基礎(chǔ)底圖為糾正基礎(chǔ)，選取待糾正影像和基礎(chǔ)底圖上均有的同名明顯特征地物點(diǎn)為糾正控制點(diǎn)，控制點(diǎn)數(shù)量根據(jù)數(shù)據(jù)源、作業(yè)區(qū)范圍和模型來選擇，一般每景控制點(diǎn)數(shù)量在9～15個(gè)，山地應(yīng)適當(dāng)增加控制點(diǎn)，相鄰景重疊區(qū)應(yīng)選取不少于3個(gè)公共點(diǎn)，要求控制點(diǎn)均勻分布，點(diǎn)位具有唯一性且相對固定；控制區(qū)域大于片區(qū)范圍，點(diǎn)位盡量均勻分布于影像。采用輸出后的糾正影像和基礎(chǔ)底圖進(jìn)行套合并對比檢查[6]。

2.2.4 影像融合 影像融合是將各種數(shù)據(jù)中的優(yōu)勢或互補(bǔ)性有機(jī)結(jié)合起來，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的技術(shù)過程，目的是改善目視解譯的環(huán)境，進(jìn)行遙感圖像信息增強(qiáng)，突出融合效果，反映土地利用類型要素信息，提高可判讀性，提高監(jiān)測精度，本項(xiàng)目采用Pan-sharp融合方法。

2.2.5 影像調(diào)色 影像由于成像條件、傳感器成像特性等原因造成了原始影像與自然地物光譜特性存在一定差異，直接使用不能準(zhǔn)確反映土地利用特征。為了使影像清晰，明暗度、對比度適中，色彩及色調(diào)均勻，影像無模糊、錯(cuò)位、扭曲、拉花等明顯變形現(xiàn)象，保證影像數(shù)據(jù)的連續(xù)、無縫和視覺一致性，根據(jù)本次土地利用遙感監(jiān)測工作中的影像使用特點(diǎn)，需要應(yīng)用圖像處理軟件PhotoShop對成圖進(jìn)行處理，使影像紋理清晰，色調(diào)均勻，反差適中，彩色影像模擬自然真彩色，光譜信息豐富，能準(zhǔn)確反映土地利用特征，以達(dá)到數(shù)字正射影像的生產(chǎn)要求。

在進(jìn)行調(diào)色之前，首先應(yīng)對影像特征進(jìn)行分析，確定影像范圍內(nèi)地物色調(diào)是否正常，觀察影像整體或個(gè)別地類是否存在偏色，影像明暗是否適中，確定影像是否有整體或局部過明過暗，影像整體反差是否到位，地物紋理是否清晰[9]。

具體調(diào)色方法如下：（1）色階處理。色階是表示圖像亮度強(qiáng)弱的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也就是色彩指數(shù)。圖像的色彩豐滿度和精細(xì)度是由色階決定的。色階指亮度，和顏色無關(guān)，色階可以對影像的暗部和亮部分別或整體操作，可以通過調(diào)整色階改變影像的反差效果。在進(jìn)行局部影像色彩調(diào)整時(shí)候，當(dāng)圖像偏暗或偏亮的時(shí)候，可使用色階命令對其進(jìn)行調(diào)整[2]。通過色階調(diào)整，對低亮度區(qū)的截取有利于減少蒙霧，對高亮度區(qū)的截取可以消除部分噪聲。（2）曲線調(diào)整。通過曲線調(diào)整可對影像整體RGB或單個(gè)波段（R＼G＼B）進(jìn)行色調(diào)及亮度的調(diào)整，可以較好地提高亮度，增大反差或減少細(xì)節(jié)損失。（3）色彩平衡是圖像處理軟件中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過對圖像的色彩平衡處理，可以校正圖像色偏、過飽和或飽和度不足的情況。色彩平衡命令可以用來控制圖像的顏色分布，使圖像整體達(dá)到色彩平衡。該命令在調(diào)整圖像的顏色時(shí)，根據(jù)顏色的補(bǔ)色原理，要減少某個(gè)顏色，就增加這種顏色的補(bǔ)色。它可以簡單快捷地調(diào)整圖像陰影區(qū)、中間色調(diào)區(qū)和高光區(qū)的各色彩成分，并混合各色彩達(dá)到平衡。（4）USM銳化，當(dāng)影像模糊不清的時(shí)候用銳化工具，銳化就是使圖片的局部清晰一些，但一定要適度，不然很容易使東西不真實(shí)。（5）通過調(diào)整后，影像的色彩仍然不能達(dá)到理想效果，此時(shí)可通過調(diào)整色相、飽和度和明度來增強(qiáng)色彩，提高對比度等。亮度對比度調(diào)整只能分別對影像進(jìn)行整體亮度或?qū)Ρ榷鹊恼{(diào)整[6]，如圖4所示。

調(diào)色前 調(diào)色后

圖4 QB影像調(diào)色前后對比

2.2.6 影像鑲嵌 遙感影像鑲嵌是將2幅或多幅遙感影像（它們有可能是在不同的成像條件下獲取的）拼接在一起，構(gòu)成一幅整體影像的技術(shù)過程[8]。在遙感影像處理中，為了獲得更大范圍的地面影像，通常需要將多幅遙感圖像拼成一幅影像圖，在這個(gè)過程中，影像鑲嵌是非常重要的一步。影像鑲嵌時(shí)除了要滿足在拼接線上相鄰影像的細(xì)節(jié)在幾何一一對接外，通常還要求相鄰影像的色調(diào)一致。當(dāng)鑲嵌的影像存在色調(diào)差異時(shí)，可以進(jìn)行色調(diào)調(diào)整和色調(diào)匹配，使處理后的圖像色調(diào)平滑過渡[7]。利用處理好的分景遙感影像數(shù)據(jù)，在相鄰影像重疊有效區(qū)域內(nèi)，選取同名特征點(diǎn)，確定鑲嵌線，逐景進(jìn)行鑲嵌，形成一幅完整的遙感影像[9]，如圖5所示。

勻色鑲嵌前 勻色鑲嵌后

圖5 QB影像勻色前后對比

2.2.7 影像裁切 以縣界為單位，套合影像，利用ARCGIS軟件按縣界外擴(kuò)1km對影像進(jìn)行裁切。

2.3 監(jiān)測圖斑的提取

2.3.1 監(jiān)測圖斑提取原則 遙感監(jiān)測圖斑主要以影像為依據(jù)提取遙感監(jiān)測圖斑，即前時(shí)相未建設(shè)，后時(shí)相已推填土或已形成建（構(gòu)）筑物的地塊[7]。包括：（1）前時(shí)相影像有植被覆蓋或明顯非建設(shè)用地特征，后時(shí)相有明顯建設(shè)痕跡（如地基、建筑物等）；（2）前時(shí)相有植被覆蓋或明顯非建設(shè)用地特征，后時(shí)相有建設(shè)推填土痕跡；（3）前時(shí)相有推填土特征，后時(shí)相有明顯建設(shè)痕跡，如圖6所示。

前時(shí)相 后時(shí)相

圖6 監(jiān)測圖斑類型

2.3.2 最小上圖監(jiān)測圖斑 根據(jù)管理需要，結(jié)合不同分辨率影像識別能力，綜合確定最小監(jiān)測圖斑面積，符合表1規(guī)定。

表1 最小監(jiān)測圖斑面積

[原始影像分辨率（m）＼最小監(jiān)測圖斑面積（m2）＼≤1＼200.1＼1～2.5（含）＼667.0＼2.5～5（含）＼1 334.0＼5～10（含）＼3 335.0＼10～30（含）＼10 005.0＼]

2.3.3 監(jiān)測圖斑信息提取

表2 監(jiān)測圖斑屬性

[序號＼字段名稱＼字段

代碼＼字段

類型＼字段

長度＼小數(shù)

位數(shù)＼備注＼1＼縣級行政區(qū)代碼＼XZQDM＼Char＼6＼＼＼2＼縣級行政轄區(qū)名稱＼XMC＼Char＼30＼＼＼3＼監(jiān)測圖斑編號＼JCBH＼Char＼10＼＼＼4＼圖斑類型＼TBLX＼Char＼＼＼見本表注1＼5＼前時(shí)相＼QSX＼Char＼8＼＼見本表注2＼6＼后時(shí)相＼HSX＼Char＼8＼＼7＼中心點(diǎn)X坐標(biāo)＼XZB＼Float＼15＼1＼＼8＼中心點(diǎn)Y坐標(biāo)＼YZB＼Float＼15＼1＼＼9＼監(jiān)測面積＼JCMJ＼Float＼15＼1＼單位：667m2＼14＼備注＼BZ＼Char＼100＼＼見本表注3＼]

注：1.前時(shí)相影像有植被覆蓋或明顯非建設(shè)用地特征，后時(shí)相有明顯建設(shè)痕跡（如地基、建筑物等）的填寫“1”；前時(shí)相有植被覆蓋或明顯非建設(shè)用地特征，后時(shí)相有建設(shè)推填土痕跡的填寫“2”；前時(shí)相有推填土特征，后時(shí)相有明顯建設(shè)痕跡的填寫“3”。2.依據(jù)監(jiān)測圖斑所在原始遙感影像拍攝的時(shí)相填寫，填寫至日，如 “20120506”。后時(shí)相影像由不同源數(shù)據(jù)融合而成的，按照“全色_多光譜”方式填寫。3.備注填寫其他需要說明的特殊情況。

監(jiān)測圖斑信息的提取包括矢量數(shù)據(jù)的提取和屬性數(shù)據(jù)的提取[10]。對比前后兩時(shí)相DOM，勾繪變化信息，所有監(jiān)測圖斑均按面狀圖斑勾繪，包括公路、鐵路和管道用地等線狀地物。以影像為基礎(chǔ)，建立監(jiān)測圖斑矢量數(shù)據(jù)層，基于GIS軟件建立圖斑的拓?fù)潢P(guān)系，生成圖斑屬性表，屬性表結(jié)構(gòu)如表2所示。

2.3.4 監(jiān)測圖斑的拓?fù)錂z查 在圖斑提取過程中會有相鄰地塊因類型不同而共邊的情況，這個(gè)時(shí)候圖斑提取時(shí)要特別注意節(jié)點(diǎn)捕捉，如果沒有捕捉節(jié)點(diǎn)或者捕捉錯(cuò)誤就會產(chǎn)生圖斑拓?fù)溴e(cuò)誤，表現(xiàn)為相鄰圖斑有重疊，或者有細(xì)微縫隙。拓?fù)溴e(cuò)誤一般肉眼看不出來，所以要用軟件進(jìn)行檢查[8]。

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（責(zé)編：徐世紅）