淺談地理國情普查數(shù)據(jù)的地表覆蓋變化監(jiān)測分析

郝云飛

（山西省測繪地理信息院第一測繪院，山西 太原 030002）

0.引言

在社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展下，國務(wù)院加大力度開展地理國情普查工作。地理國情體現(xiàn)的是地表自然和人文地理要素在空間分布上的關(guān)系問題，也是基本國情的一個重要組成，是對地球表層構(gòu)成國家物質(zhì)基礎(chǔ)的自然、生物和人文等各種條件因素的空間分布、時間變化和它們之間的相互關(guān)系進(jìn)行宏觀性、整體性、綜合性調(diào)查、分析和描述形成的結(jié)果。地理國情普查工作的目的是了解當(dāng)前我國自然地理、人文地理的空間分布情況，從而為生態(tài)文明的建設(shè)提供更多支持。地理國情普查的一個重要內(nèi)容是地表覆蓋監(jiān)測，通過開展必要的地表覆蓋監(jiān)測能夠更好地規(guī)劃一個地區(qū)的資源應(yīng)用，因此，獲取地表覆蓋數(shù)據(jù)是測繪部門必須開展的重要工作。根據(jù)目前情況，存在于現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)中，許多地理要素未表示，許多地名和地理要素、地理實(shí)體也沒有對應(yīng)的情況。本文選擇經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速的松山湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)為基本研究對象，綜合應(yīng)用遙感影像來收集地理國情普查數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的整合來分析時空斷面基本概況，了解地區(qū)的土地利用情況，并根據(jù)地區(qū)的土地利用情況，提出優(yōu)化土地資源利用的策略，加快基礎(chǔ)測繪建設(shè)，強(qiáng)化地理國情監(jiān)測，能夠更好地促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

1.地表覆蓋內(nèi)涵

地表覆蓋是遙感影像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要概念，從內(nèi)涵上來看，地表覆蓋是自然地物和人工建設(shè)物覆蓋的綜合性地表要素，包含土壤、水文、植被等。地表覆蓋研究能夠模擬地球表層系統(tǒng)環(huán)境變化趨勢，從而為環(huán)境治理和土地資源利用規(guī)劃提供重要參考支持。

地表覆蓋是地理國情監(jiān)測的基礎(chǔ)。只要把地表覆蓋做好了，地理國情監(jiān)測才能有一個良好的開端。需要不斷加強(qiáng)地表要素的基礎(chǔ)性特征，綜合考慮國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全面情況，查清全國的各種資源和建設(shè)情況，如，城市建成區(qū)面積、林地狀況、濕地狀況、沙漠狀況、河流現(xiàn)狀等。通過多年連續(xù)監(jiān)測，提取動態(tài)變化內(nèi)容，就可得出各種地理國情的變化情況以及發(fā)展趨勢。

2.松山湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)基本情況概述

松山湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)的面積為73 公頃，研究區(qū)域的監(jiān)測時間范圍在2013 年到2014 年之間，監(jiān)測的主要內(nèi)容是該地區(qū)的土地資源利用情況。區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較快速，是整個城市發(fā)展的核心，地理位置十分優(yōu)越，且周圍臨近較大面積的生態(tài)綠地和淡水湖，是典型的淺丘陵地形，地形起伏變化多樣，但是高度差不大，十分利于城市的擴(kuò)建發(fā)展。從土地利用結(jié)構(gòu)來看，2011年該地區(qū)就已經(jīng)建設(shè)完成面積581.50 公頃的建筑用地，但是從總體上來看，這個地區(qū)仍然存在無法被開發(fā)利用的土地。在已經(jīng)建設(shè)完成的土地中，土地綜合利用結(jié)構(gòu)相對簡單，一般被用來作為倉儲用地和道路交通運(yùn)輸用地。

3.研究區(qū)域地理國情普查數(shù)據(jù)信息的獲取和處理

3.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

3.1.1 元數(shù)據(jù)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換處理

在2014 年全國地理國情普查遙感影像和地表覆蓋數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，應(yīng)用專業(yè)的2.0 米分辨率衛(wèi)片影像來獲取和處理信息。將所收集整理的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一到 2000 國家大地坐標(biāo)系中。但是，由于所收集整理的數(shù)據(jù)資料是往年的數(shù)據(jù)資料，一些數(shù)據(jù)比較陳舊，想要使用需要對數(shù)據(jù)開展坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.1.2 影像配準(zhǔn)

對所需要分析的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行正射校正處理，減少影像數(shù)據(jù)信息變形對最終分析結(jié)果的不利影響。借助已經(jīng)被正射校正處理的2014 年地理國情普查成果影像，來作為基本校準(zhǔn)影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)。在每100 公頃的位置上，選擇四個同名點(diǎn)進(jìn)行測量，所有測量點(diǎn)的控制點(diǎn)分布比較均衡，影像邊緣也布設(shè)了相應(yīng)的控制點(diǎn)，校正精度被控制在0.5 個像素以內(nèi)。

3.1.3 輻射量化統(tǒng)一

當(dāng)不同時相的遙感影像與本底數(shù)據(jù)中的遙感影像輻射量化比特數(shù)不同時，需進(jìn)行輻射分辨率處理，使經(jīng)過輻射處理后的比特數(shù)與本底數(shù)據(jù)中的遙感影像統(tǒng)一，來保證變化檢測指標(biāo)各因子的計算是在同一尺度、同一量級上。

3.1.4 彩色變換

為了目視判讀方便，可對不同時相的遙感影像進(jìn)行彩色變換，使其接近自然真彩色，或突出部分地表覆蓋信息，以增強(qiáng)判讀效果。

3.1.5 影像強(qiáng)化

通過強(qiáng)化影像數(shù)據(jù)信息能夠提升數(shù)據(jù)信息處理圖像的效率。在一般情況下，通過增強(qiáng)影像能夠?qū)⒃静粔蚯逦膱D像變得更加清晰，并對各類信息進(jìn)行整合化處理和應(yīng)用，從而更好地滿足相關(guān)人員提取和利用信息的需要。影像增強(qiáng)方法主要有以下幾種，根據(jù)原始資料的情況組合使用：

（1）去薄霧處理。降低多光譜影像和全色影像因薄霧造成的模糊程度。

（2）對比度/色彩飽和度調(diào)整。采用濾波和直方圖拉伸的方法，對影像的對比度和色彩飽和度進(jìn)行調(diào)整。

（3）勻光處理。采用直方圖均衡化和直方圖匹配方法，用非線性對比拉伸重新分配像元值，使一幅圖像的直方圖與參照圖像的直方圖相匹配，達(dá)到分景或分幅圖像的色彩均衡。

（4）銳化處理。在不影響圖像專題信息的前提下，增強(qiáng)整個圖像的清晰度。

3.2 地理國情監(jiān)測地表覆蓋成果生產(chǎn)

借助遙感影像作為基礎(chǔ)底圖，將收集到的信息作為重要參考數(shù)據(jù)，按照《地理國情普查內(nèi)容和指標(biāo)》的基本要求對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。首先，根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)進(jìn)行影像判讀訓(xùn)練，制作樣本數(shù)據(jù)；然后，參照樣本數(shù)據(jù)，在遙感影像上進(jìn)行地表覆蓋層數(shù)據(jù)采集,地表覆蓋層數(shù)據(jù)信息的獲取流程（如圖1 所示）：

圖1 地表覆蓋層數(shù)據(jù)信息獲取流程

通過將上一年度的地表覆蓋成果與本年度的遙感影像成果進(jìn)行疊加分析，經(jīng)內(nèi)業(yè)判斷便可發(fā)現(xiàn)地表覆蓋變化區(qū)域。依據(jù)影像對地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，更新地表覆蓋成果，對于內(nèi)業(yè)無法判讀的地物，需要進(jìn)行外業(yè)核查。傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查方法是通過制作紙質(zhì)調(diào)繪地圖由經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)繪人員進(jìn)行調(diào)繪。隨著現(xiàn)在測繪科技的發(fā)展，外業(yè)調(diào)查的方法發(fā)生了很大變化，目前外業(yè)核查主要是使用平板調(diào)繪，直接在平板中對調(diào)繪影像進(jìn)行涂鴉標(biāo)注，同時可以記錄調(diào)繪軌跡，對疑問圖斑進(jìn)行照片拍攝并采集樣本，真正實(shí)現(xiàn)了無紙質(zhì)調(diào)繪，為外業(yè)調(diào)繪提供了極大便利。最后疊加調(diào)繪成果，可以進(jìn)一步對地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯更新，最終形成本年度的地表覆蓋成果。

3.3 變化檢測指標(biāo)設(shè)計

通常變化檢測方法是通過對不同時相的影像進(jìn)行人工比對來識別變化區(qū)域，但是為了提高工作效率，人們對自動解譯的方法進(jìn)行深入研究，那么對地表覆蓋變化發(fā)生區(qū)域范圍與變化檢測指標(biāo)的選擇以及閾值的設(shè)置研究是非常關(guān)鍵的。現(xiàn)有的地表覆蓋變化檢測方法主要使用單一的距離指數(shù)或相似性指數(shù)等指標(biāo)來比較不同時相遙感影像間的特征差異，然后，根據(jù)確定的域值判斷像元對應(yīng)區(qū)域地表覆蓋類型是否發(fā)生變化。常見的指數(shù)有歐氏距離、絕對距離、夾角余弦、相關(guān)系數(shù)等。

4.地理國情普查數(shù)據(jù)的地表覆蓋的時空變化

4.1 地表覆蓋數(shù)量變化特點(diǎn)

地表覆蓋發(fā)生變化，在遙感影像上，表現(xiàn)為影像特征發(fā)生變化，通過對不同時相的遙感影像與本底遙感影像進(jìn)行對比，即可識別變化發(fā)生區(qū)域。然后，將變化區(qū)域矢量化，與本底數(shù)據(jù)中的地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，獲取變化區(qū)域類型信息，得到變化類型分布范圍以及面積等統(tǒng)計指標(biāo)，進(jìn)而可以掌握土地空間利用和開發(fā)狀態(tài)的變化。

從2013 年到2015 年，研究開發(fā)區(qū)地表覆蓋類型包含耕地、園林建設(shè)、人工挖掘用地等，其中，園林用地覆蓋減少最為明顯。地表覆蓋增加的類型主要為房屋和道路。

4.2 地表覆蓋類型的變化

當(dāng)用遙感影像自動解譯的方法進(jìn)行地表覆蓋類型變化識別時，需根據(jù)變化檢測指標(biāo)設(shè)置閾值，確定像元是否發(fā)生變化，從而檢測出發(fā)生變化的可疑像元。經(jīng)典算法是對變化檢測指標(biāo)值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，利用加權(quán)平均值與標(biāo)準(zhǔn)方差來定義閾值。通過調(diào)整參數(shù)，使確定的閾值適于研究區(qū)域內(nèi)不同地表覆蓋類型變化信息的確定。變化檢測指標(biāo)值大于等于閾值的像元，為發(fā)生變化的可疑像元。雖然目前遙感影像自動解譯方法較多，但在規(guī)模化的生產(chǎn)中還存在不足，而且對作業(yè)員操作水平要求比較高，因此，在實(shí)際中人們利用較多的仍是人工解譯的方法來識別地表覆蓋類型的變化。

通過對變化檢測結(jié)果分析，地表覆蓋類型的變化主要有以下特點(diǎn)：

（1）耕地。從空間分布上來看，在監(jiān)測時，整個地區(qū)的耕地面積呈現(xiàn)出零散的分布狀態(tài)，總體集中在北部和東南地區(qū)。伴隨監(jiān)測工作的深入發(fā)展，耕地的破碎化、分散化分布情況變得明顯。

（2）林地草地。在監(jiān)測過程中，林地、草地的耕地面積都在不同程度上提升。從總體空間分布上來看，林地增加的地塊主要是道路兩邊的林蔭和企業(yè)園區(qū)綠化植被，綠化分布比較零散。和林地增加相比，草地增加區(qū)域比較完整。

4.3 房屋建筑區(qū)域的變化

對比地理國情普查數(shù)據(jù)，整個開發(fā)區(qū)域范圍內(nèi)，建筑區(qū)增加比較明顯，從空間分布上來看，開發(fā)區(qū)域范圍內(nèi)增加的房屋一般集中在中部和北部地區(qū)。其中，中部地區(qū)增加的房屋主要圍繞在松山湖水域周圍，多為一些低矮房屋建筑，這類房屋建筑在屬性上被確定為高檔房屋。從增加的房屋區(qū)塊分布情況來看，高密度多層以上的房屋一般分布在中部地區(qū)，低矮的房屋則是分布在開發(fā)區(qū)的北部。北部地區(qū)房屋的建筑形態(tài)比較規(guī)整，總體上，體現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，符合該地區(qū)土地資源規(guī)劃和利用要求。

4.4 道路區(qū)域的變化

道路區(qū)域的變化一般會隨房屋建筑區(qū)域變化而變化，整個開發(fā)區(qū)建筑區(qū)增加比較明顯。與房屋建筑區(qū)相對應(yīng)，開發(fā)區(qū)道路的變化也主要集中在中北部地區(qū)，圍繞松山湖水區(qū)域周圍，修建了新的道路。從總體上看，道路的新建主要是圍繞房屋建筑區(qū)而建，體現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，符合該地區(qū)土地資源規(guī)劃和利用要求。

5.結(jié)束語

綜上所述，在綜合整理地理國情普查數(shù)據(jù)信息資料的基礎(chǔ)上，采用定量和定性綜合分析的方式就某經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速開發(fā)區(qū)的地表覆蓋變化情況進(jìn)行分析。整個區(qū)域范圍內(nèi)地表覆蓋類型的時空動態(tài)變化體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

（1）監(jiān)測期間，園地、人工堆掘地和耕地減少比較明顯，房屋和林地覆蓋增加。

（2）開發(fā)區(qū)域中、北部地區(qū)的設(shè)施完善。在未來，基于地理國情普查和監(jiān)測工作的重要性需要相關(guān)人員思考如何更好地借助這些資料來優(yōu)化地表覆蓋定量和定性分析，從而更好地規(guī)劃現(xiàn)有的資源。