遙感在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應用

江國兵

(增城市國土資源測繪院，廣東 增城 511300)

1 引 言

隨著全球的經(jīng)濟建設與發(fā)展，土地利用格局不斷變化。為了及時、有效地掌握土地資源，各國政府一直進行著不同層次的土地資源及其利用狀況調(diào)查工作［1］。遙感技術具有覆蓋面廣、空間信息豐富、快捷方便準確等先天優(yōu)勢，已成為土地利用監(jiān)測的重要手段。目前，世界各國都在研究遙感技術在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應用。自從國土資源部1999年9月29日頒布，10月30日實施《土地利用動態(tài)監(jiān)測規(guī)程》以來，我國全面開展土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測。土地遙感監(jiān)測體系在全國范圍內(nèi)被逐步建立起來，遙感技術在土地調(diào)查監(jiān)測領域內(nèi)逐漸成熟，并朝著標準化、規(guī)模化的方向發(fā)展［2］。本文主要對國內(nèi)遙感在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應用進行總結，介紹了國內(nèi)遙感在土地利用/土地覆蓋監(jiān)測、建設用地監(jiān)測、耕地變化監(jiān)測與土地質(zhì)量監(jiān)測四個方面的應用情況。

2 土地利用遙感監(jiān)測流程

遙感數(shù)據(jù)主要包括光學遙感數(shù)據(jù)、SAR 數(shù)據(jù)和Li-DAR 數(shù)據(jù)，不同的數(shù)據(jù)各有優(yōu)缺，應用在不同的方面。總體上，光學遙感數(shù)據(jù)的在土地利用監(jiān)測中的應用最廣泛，也是研究最為深入的。應用光學遙感數(shù)據(jù)進行土地利用監(jiān)測的一般技術流程如圖1 所示，主要包括準備工作、數(shù)據(jù)轉換、圖像預處理、變化信息提取、成果輸出等步驟。

(1)準備工作。明確主題，即確定遙感監(jiān)測的范圍與內(nèi)容，為順利開展工作收集和分析相關資料，制定相關的標準規(guī)范和工作機制。

(2)數(shù)據(jù)轉換。按照步驟(1)制定的標準規(guī)范，將收集到的資料進行統(tǒng)一轉換，并導入數(shù)據(jù)庫中。

圖1 土地利用遙感監(jiān)測技術流程圖

(3)數(shù)據(jù)預處理。根據(jù)不同來源的遙感數(shù)據(jù)進行預處理，一般包括輻射糾正、幾何糾正、鑲嵌配準、數(shù)據(jù)融合等工作，目的是保證遙感監(jiān)測區(qū)域的所有影像具有統(tǒng)一的地理坐標及較高的影像分辨率。為進一步優(yōu)化不同來源的數(shù)據(jù)信息，提高遙感影像信息提取的準確率，文獻［3］～［5］對多源遙感影像融合方法進行研究與驗證。

(4)變化信息提取。根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容要求，在模型庫中選擇適當?shù)姆椒▽Χ鄷r相、多源遙感數(shù)據(jù)進行分析處理，凸顯土地利用變化特征，通過變化模板的生成有效提取出可能發(fā)生變化的位置大小和范圍。變化信息提取是土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測的關鍵步驟，經(jīng)常會采用不同的方法，文獻［6］～［7］總結了常用的信息提取方法的適用范圍與優(yōu)缺點。

(5)成果輸出。把提取的變化信息按監(jiān)測主題制作成表格、文檔、專題圖、統(tǒng)計圖表等數(shù)據(jù)，進行成果輸出。

3 土地利用遙感監(jiān)測應用

3.1 土地利用/土地覆蓋監(jiān)測

遙感技術的應用可以揭示全球、區(qū)域和局地不同空間尺度土地利用和土地覆蓋變化以及不同驅(qū)動力之間的聯(lián)系。因此，常用同一地區(qū)不同年份的同一時相的遙感影像間存在著光譜特征差異的原理來識別土地利用狀態(tài)或現(xiàn)象的變化。早在1983年，王長耀等［8］就利用航空遙感進行平原地區(qū)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查，完成天津市北郊區(qū)1∶1 萬、1∶3 萬土地利用現(xiàn)狀圖的編

制工作。而當前土地利用/覆蓋變化動態(tài)監(jiān)測中常用分類后比較法和人機交互解譯法。周翔等［9］對株洲市1999年、2003年和2007年3 個時相CBERS 星CCD 數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類后提取土地覆蓋信息，發(fā)現(xiàn)株洲市林地、水體和城鎮(zhèn)居民點面積所占比重在1999年～2007年間逐漸提高。為提高分類精度，田傳召等［10］先利用NDVI 對1992年、2000年和2013年3 期LANDSAT 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行植被區(qū)和非植被區(qū)的劃分，然后利用最大似然法分類，發(fā)現(xiàn)云南省昆明市區(qū)在1992年～2013 期間土地利用變化最大的是人工用地和未利用土地。田霞飛等［11］選取1990年、2000年、2005年和2010年的TM 和ETM+中的假彩色影像，通過人機交互解譯法監(jiān)測到黃河寧蒙段所處流域1990年～2010年的土地利用變化，如圖2 所示。

圖2 1990年～2010年黃河寧蒙段所處流域土地利用類型分布［11］

3.2 建設用地監(jiān)測

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建設用地擴展變化迅猛。因此，建設用地的變化是土地利用動態(tài)監(jiān)測的重點監(jiān)測對象。通常可利用不同時期的高分辨率遙感影像，依據(jù)建設用地的光譜特征及空間特征，通過影像變化信息自動發(fā)現(xiàn)與提取或人機交互解譯方法，獲得區(qū)域內(nèi)的建設用地信息。在提取的建設用地信息上，疊加建設用地項目信息、城市規(guī)劃數(shù)據(jù)等資料，可進行違法違規(guī)建設用地信息提取。張少佳等［12］就采用2009年的Geoeye 影像、2010年的Worldview－2 影像和IKONOS－2 影像，輔助地形圖、DEM、建設用地規(guī)劃許可等資料，獲取了重慶兩江新區(qū)內(nèi)的城市建設用地規(guī)模、結構和布局現(xiàn)狀及其變化信息(如表1 所示)，準確掌握區(qū)內(nèi)城市建設情況。宋剛賢［13］采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結合的方法，對2004年和2005年的IKONOS 遙感影像進行分類后提取了南京市建設用地信息，并結合南京的地形圖、城市總體和專項規(guī)劃圖、建設用地審批圖等數(shù)據(jù)，提取了城市違規(guī)建設用地信息。孫華蕓［14］采用像素級的影像融合方法，對SPOT和Landsat7 的影像進行融合后通過構建建設用地的特征波段，采用最大似然法，對融合影像進行分類及建設用地的識別，進而評價各種融合算法的有效性，發(fā)現(xiàn)PCA 變換法和GS 變換法融合后影像最有利于提高建設用地識別的準確性，其建設用地識別的正確率分別提高到85.03%和83.50%。

2009年～2010年兩江新區(qū)各組團城市建設用地變化統(tǒng)計表［12］ 表1

續(xù)表1

3.3 耕地變化監(jiān)測

18 億畝耕地是條紅線，耕地數(shù)量再也不能低于18億畝。為實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的宏偉目標，必須全面、及時、準確地掌握全國耕地變化的情況，因此，耕地變化監(jiān)測是土地利用動態(tài)監(jiān)測的重要任務，也是土地利用/土地覆蓋監(jiān)測的一個專題信息。馬志勇［15］采用SPOT5、TM/ETM+和MODIS 數(shù)據(jù)，經(jīng)判讀解譯、監(jiān)督分類處理提取了整個長三角地區(qū)的耕地專題信息，通過空間疊加分析，得出長三角區(qū)域1995年～2001年與2001年～2004年的耕地變化圖(如圖3 所示)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)(如表2 所示)。初征等［16］利用TM 影像影像，提取了松嫩平原1980年～2000年的耕地信息，在此基礎上疊加降水資料，分析了耕地面積變化對干旱幾率的影響。劉海啟［17］闡述了我國耕地變化監(jiān)測的研究過程，并通過遙感技術和統(tǒng)計抽樣理論的有機結合，提出了一種監(jiān)測大尺度耕地變化的有效方法。

圖3 長三角耕地變化監(jiān)測［15］

長三角地區(qū)耕地變化統(tǒng)計表［15］ 表2

3.4 土地質(zhì)量監(jiān)測

土地利用與其環(huán)境條件密切相關，及時地掌握土地質(zhì)量的變化，可有效防止土地質(zhì)量變化帶來的災難。因此，需要對土地動態(tài)監(jiān)測提出更高的要求，將從以往單一的土地數(shù)量監(jiān)測向土地質(zhì)量監(jiān)測發(fā)展。土地質(zhì)量指標可包括土壤有機質(zhì)、全氮、土壤水分、鐵氧化物、土壤重金屬、土壤質(zhì)地、土壤鹽分、植被覆蓋度、生物量等，姚闊等［18］歸納了多個土地質(zhì)量指標的高光譜遙感信息提取、敏感波段選擇與反演方法。劉芳等［19］結合實際工作要求，參照國家林業(yè)局《全國荒漠化和沙化監(jiān)測技術規(guī)定》，采用天繪影像對鄂爾多斯杭錦旗荒漠化土地進行了監(jiān)測評價，形成了杭錦旗全旗的正射影像圖、荒漠化土地類型程度分布圖。張宏斌［20］基于多源遙感數(shù)據(jù)研究了內(nèi)蒙古草原植被狀況變化。在1983年～2006年 的 24年 間，NDVI 值年 均 遞 增10 268.11 km2。周祖煜等［21］采用多源遙感數(shù)據(jù)進行浙江省水土流失遙感監(jiān)測，提取了浙江省土壤侵蝕信息，發(fā)現(xiàn)全省水土流失面積呈逐步下降的趨勢。

4 結 論

遙感作為一門先進的科學技術，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，成為土地利用/土地覆蓋監(jiān)測、建設用地監(jiān)測、耕地變化監(jiān)測和土地質(zhì)量監(jiān)測的重要手段。但對土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測現(xiàn)今的研究來講，還存在不少難點。首先，數(shù)據(jù)預處理的算法和技術在實際工作中可能達不到定量反演要求，影響監(jiān)測結果精度。其次，目前的變化監(jiān)測算法受空間、光譜、時域和專業(yè)內(nèi)容等的限制，選用的算法在一定程度上會影響提取結果的精度。在同一環(huán)境下，由于采用的方法不同可能獲得的結果會有很大的不同。因此，今后還需對土地利用動態(tài)變化遙感監(jiān)測技術和方法進行深入研究，以建立起我國宏觀土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測體系，為我國國土資源管理提供技術支持。

［1］沙志剛．數(shù)字遙感技術在土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應用概述［J］．國土資源遙感，1999(2):7～11．

［2］王文卿．遙感技術在國土資源管理中的應用現(xiàn)狀及前景［J］．測繪通報，2009(6):38～40．

［3］翁永玲，田慶久．遙感數(shù)據(jù)融合方法分析與評價綜述［J］．遙感信息，2003(3):49～53．

［4］劉金梅．多源遙感影像融合及其應用研究［D］．青島:中國海洋大學，2014．

［5］郭文娟．遙感影像數(shù)據(jù)融合方法及效果評價研究［D］．鄭州:河南大學，2010．

［6］單楠，況明生，賀重媛．遙感監(jiān)測子系統(tǒng)在國土資源信息系統(tǒng)中的應用研究［J］．測繪與空間地理信息，2009，32(1):123～127．

［7］鮑桂葉．不同變化信息提取方法在土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測中的應用［J］．測繪通報，2003(8):38～40．

［8］王長耀，劉紀遠，王長有．平原地區(qū)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查的航空遙感方法研究［J］．資源科學，1984(3):80～89．

［9］周翔，林輝，薛曉坡．基于CBERS 影像的土地覆蓋動態(tài)監(jiān)測方法研究［J］．林業(yè)科學研究，2008(21):80～84．

［10］田傳召，于陽，肖虹雁等．基于TM 影像的昆明市區(qū)土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測［J］．林業(yè)資源管理，2014(4):103～107．

［11］田霞飛，薛嫻，廖杰等．1990年～2010年黃河寧蒙段所處流域土地利用變化［J］．中國沙漠，2014(4):1167～1176．

［12］張少佳，胡艷，李勝等．山地城市建設用地遙感動態(tài)監(jiān)測研究［J］．地理空間信息，2012(6):97～100．

［13］宋剛賢．基于遙感影像的城市違規(guī)建設用地監(jiān)測研究［D］．南京:南京農(nóng)業(yè)大學，2008．

［14］孫華蕓．基于遙感數(shù)據(jù)融合的建設用地識別方法研究［D］．南京:南京師范大學，2011．

［15］馬志勇．基于遙感的耕地預警和植被動態(tài)監(jiān)測研究［D］．河北:河北師范大學，2007．

［16］初征，張麗娟，馬駿等．1980年～2000年松嫩平原耕地變化及其對干旱的影響［J］．自然災害學報，2013．

［17］劉海啟．大尺度耕地變化監(jiān)測的遙感抽樣方法研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2001．

［18］姚闊，郭旭東，周冬等．高光譜遙感土地質(zhì)量指標信息提取研究進展［J］．地理與地理信息科學，2014(6):7～12．

［19］劉芳，夏強．基于天繪影像結合3S 技術的荒漠化土地遙感監(jiān)測［J］．北京測繪，2014(5):47～52．

［20］張宏斌．基于多源遙感數(shù)據(jù)的草原植被狀況變化研究［D］．北京:農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，2007．

［21］周祖煜，章孝燦，聶國輝等．基于多源遙感數(shù)據(jù)的浙江省水土流失遙感監(jiān)測［J］．中國水土保持科學，2011(2):4～10．