基于“3S”技術(shù)的土地利用分類調(diào)查研究

◇四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 郭豫賓

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如何做好土地管理，成為影響到一個(gè)國(guó)家發(fā)展的重要問(wèn)題。城市市區(qū)范圍，土地屬于國(guó)家所有；而農(nóng)村地區(qū)，土地利用狀況相對(duì)復(fù)雜，直接影響農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，因此土地利用分類調(diào)查是土地管理的重要工作之一。3S技術(shù)集成在國(guó)土資源調(diào)查中為解決土地利用存在的諸多問(wèn)題提供了便利。土地利用分類調(diào)查工作，主要目的是獲取土地及每宗地的面積、位置、權(quán)屬信息和土地利用情況。本文著重介紹3S技術(shù)土地利用分類調(diào)查工作中的集成使用。

1 引言

在我國(guó)，土地的不合理利用引起的環(huán)境退化、人地矛盾等已成為影響廣大區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。土地利用覆被變化研究已成為全球變化研究的重要方面和熱點(diǎn)之一，為緩解土地資源緊張、科學(xué)使用土地資源，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，查清并掌握我國(guó)土地資源數(shù)量與質(zhì)量變化，具有十分重要的意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值[1]。

二十世紀(jì)八九十年代興起的遙感技術(shù)，使得遙感圖像獲取更為便利，同時(shí)影像質(zhì)量大幅提高，圖像具有更高的空間分辨率和光譜分辨率。遙感技術(shù)的發(fā)展，對(duì)土地利用分類中圖斑幾何精度差、破碎圖斑識(shí)別等問(wèn)題的解決，提供了有利的條件[2]。

土地分類是在分析土地特性、特點(diǎn)及土地共性和差異性的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)查的方法對(duì)土地進(jìn)行分類，并建立相應(yīng)分類體系的過(guò)程[3]。本文通過(guò)甘洛縣土地利用分類調(diào)查工作，利用GPS技術(shù)靈活、方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合RS及GIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，分析GPS、RS、GIS測(cè)繪技術(shù)在土地調(diào)查工作中的集成合作應(yīng)用[4]。

2 區(qū)域概況

甘洛縣屬于亞熱帶季風(fēng)氣侯，光熱充足。受青藏高原大氣環(huán)流的影響，夏季多為東南風(fēng)；冬春季節(jié)干燥，降雨少，以西北風(fēng)為主。該縣北部、中部區(qū)域地勢(shì)較低，南、東、西三面地勢(shì)較高。地理位置位于大涼山北部，為四川盆地西緣向青藏高原過(guò)渡的高山峽谷地帶。

縣境河流均屬大渡河水系。大渡河為東北面自然分界線，過(guò)黑馬、烏史兩鄉(xiāng)，流程38 km。尼日河為縣內(nèi)主要河道，其次有甘洛河、田壩河等流域大于l00 km2的7條河流。

縣域內(nèi)年平均氣溫18.5 ℃，最高39.2 ℃，最低零下10.7 ℃。甘洛縣雨熱同季，干濕季節(jié)分明，多年平均降雨量935.2 mm。年平均日照1661.2小時(shí)，全年無(wú)霜期326天。

3 RS在土地利用分類中的應(yīng)用

遙感技術(shù)具有受地面影響小及覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)地表信息的迅速獲取、瞬時(shí)成像、實(shí)時(shí)傳輸、快速處理等優(yōu)點(diǎn)。本文選取IKONO遙感影像作為此次工作的調(diào)查底圖。

3.1 數(shù)據(jù)源

本次工作主要集中于甘洛縣城及周邊區(qū)域，為滿足1:1萬(wàn)土地利用分類遙感解譯的精度要求，綜合運(yùn)用PCI，ArcGIS10.1軟件對(duì)IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由美國(guó)GeoEye公司發(fā)射IKONOS衛(wèi)星是高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，擁有1個(gè)全色波段和4個(gè)多光譜波段，其中多光譜波段分辨率為4米，全色波段空間分辨率為0.82 m。因此，選擇IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為本次1:1萬(wàn)土地利用分類解譯工作的數(shù)據(jù)源。IKONOS衛(wèi)星主要成像參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 IKONOS衛(wèi)星主要成像參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）波段組合。遙感圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量和信息特征是土地分類成功的先決條件。因此，圖像處理的優(yōu)劣是影像解譯成敗的關(guān)鍵，它將直接影響后期解譯工作的質(zhì)量。

Coreldraw和Illustrator軟件都可以用一個(gè)文檔繪制、管理多張地圖，有利于編制專題地圖集，但2款軟件的管理方式差別很大。Coreldraw軟件利用“多頁(yè)面”的方式進(jìn)行管理，而Illustrator軟件采用“多畫板”的形式進(jìn)行處理。Coreldraw軟件多頁(yè)面管理方式允許在主頁(yè)面中建立一個(gè)圖層，用于各個(gè)頁(yè)面中，減小了數(shù)據(jù)量，從而減小了文件體積；Illustrator軟件的多畫板管理方式允許在同一個(gè)活動(dòng)窗口中同時(shí)對(duì)多幅圖進(jìn)行操作，節(jié)省了頁(yè)面切換時(shí)間。

波段組合使影像色彩更加豐富，地物類型突出，紋理特征十分明顯，同時(shí)具有可見(jiàn)光波段及紅外波段信息的優(yōu)勢(shì)。為使合成出來(lái)的影像接近地物所呈現(xiàn)的真實(shí)色彩，符合人眼的視覺(jué)習(xí)慣，有利于目視解譯。采用藍(lán)色、綠色、紅色的波段組合的方式對(duì)IKONOS影像來(lái)進(jìn)行彩色合成。

（2）幾何校正。幾何校正是指在成像過(guò)程中由于地面起伏、地表高差較大等多種原因造成影像發(fā)生畸變，通過(guò)校正將圖像數(shù)據(jù)糾正并投影至平面上的過(guò)程。

本文主要在ERDAS軟件中利用已有的研究區(qū)地形圖數(shù)據(jù)，對(duì)IKONOS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正。采用多項(xiàng)式變換模型并定義多項(xiàng)式的次方為二次。在校正好的IKONOS影像上選取若干個(gè)地形變化特征明顯的控制點(diǎn)，同樣以二次多項(xiàng)式模型對(duì)其他年份影像進(jìn)行基于視窗踩點(diǎn)模式的幾何精校正。

（3）正射校正。中心投影的圖像因地面高差較大而產(chǎn)生像點(diǎn)位移，IKONOS衛(wèi)星成像采用的多中心投影的方式，因此，該數(shù)據(jù)像點(diǎn)位移在山區(qū)表現(xiàn)的尤為明顯。甘洛縣恰處于地形起伏明顯的山區(qū)，使用原始遙感影像作為土地利用調(diào)查底圖，就必須對(duì)其進(jìn)行正射精校正，在精校正基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的解譯標(biāo)志。

本次工作獲得的IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為預(yù)正射產(chǎn)品，帶有RPC（Rational Ploynomial Coefficient，有理多項(xiàng)式系數(shù)）參數(shù)。由于獲得的IKONOS數(shù)據(jù)為預(yù)正射產(chǎn)品，采用IKONOS單景影像+RPC+DEM+GCP的模式對(duì)IKONOS原始全色影像進(jìn)行正射校正。

（4）圖像融合。為獲得更高分辨率的圖像，增加室內(nèi)解譯準(zhǔn)確度，一般將不同空間分辨率和光譜分辨率的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合。圖像融合的方法很多，常見(jiàn)的有像元坐標(biāo)融合、HIS彩色空間變換融合和綜合融合等方法。

圖1 IKONOS多光譜融合后圖像對(duì)比圖

（5）圖像增強(qiáng)。圖像增強(qiáng)強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，強(qiáng)調(diào)感興趣特征，抑制不感興趣特征。圖像中地物細(xì)部輪廓更加清晰，擴(kuò)大圖像中不同地物特征之間的差別，從而使圖像層次更為豐富，圖像質(zhì)量進(jìn)一步改善、信息量更加充分，更有利于影像的判讀，地物識(shí)別效果較好。

本文采用直方圖均衡化方法對(duì)研究區(qū)遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，增強(qiáng)后圖像色調(diào)鮮明，地物對(duì)比度有所提高，便于提取相關(guān)信息。經(jīng)過(guò)以上處理得到本研究區(qū)所需遙感影像（圖2）。

圖2 研究區(qū)處理后IKONOS圖像

3.3 遙感圖像信息提取

（1）解譯標(biāo)志建立。解譯標(biāo)志是遙感圖像判讀的重要一環(huán)，解譯標(biāo)志選取的科學(xué)與否直接影響到土地利用分類結(jié)果的精度。地表地物的光譜信息、輻射信息及幾何信息在遙感圖像上表現(xiàn)出不同的亮度、色調(diào)、紋理、形狀、飽和度和結(jié)構(gòu)等特征[7]。通過(guò)野外實(shí)地踏勘，根據(jù)工作區(qū)地物波譜特征和空間特征，結(jié)合區(qū)域已獲取資料和外業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)建立甘洛縣土地利用分類解譯標(biāo)志體系（表2）。參照國(guó)家土地利用分類方法結(jié)合本次工作的實(shí)際要求，甘洛縣1:1萬(wàn)區(qū)域土地利用/覆被分類主要包括以下幾個(gè)類別。

表2 甘洛縣土地利用類型遙感解譯標(biāo)志

（2）遙感圖像解譯。圖像解譯應(yīng)以遙感影像為依據(jù)。圖像解譯時(shí)應(yīng)根據(jù)工作區(qū)實(shí)際情況，按照先易后難、循序漸進(jìn)的工作方式，采用區(qū)域到局部、總體到個(gè)別、由已知到未知，綜合采取目視解譯，人機(jī)交互式解譯等方法進(jìn)行室內(nèi)圖像判讀。將初步解譯與詳細(xì)解譯、室內(nèi)解譯與野外調(diào)查驗(yàn)證有機(jī)結(jié)合，把室內(nèi)解譯分為三個(gè)階段。①初步解譯階段：主要任務(wù)是熟悉調(diào)查區(qū)情況，建立區(qū)內(nèi)土地利用的室內(nèi)初步解譯標(biāo)志。②詳細(xì)解譯階段：主要任務(wù)是在野外踏勘基礎(chǔ)上，完善和修正不同地物目標(biāo)的解譯標(biāo)志。③綜合解譯階段：對(duì)上述解譯標(biāo)志進(jìn)行野外驗(yàn)證，結(jié)合現(xiàn)有資料和已有成果對(duì)調(diào)查底圖進(jìn)行綜合解譯分析，編制解譯成果圖件。

在室內(nèi)解譯的基礎(chǔ)上，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查對(duì)建立的初步解譯標(biāo)志進(jìn)行驗(yàn)證核查，更正不準(zhǔn)確分類標(biāo)志，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充和修正，以此確保遙感解譯成果的質(zhì)量和置信度。

4 GPS及GIS在土地利用分類中的應(yīng)用

GPS定位技術(shù)在土地利用調(diào)查中有著常規(guī)測(cè)量所不具備的優(yōu)勢(shì)。遙感影像判讀過(guò)程中，受圖像陰影等因素影響，會(huì)遇到地物邊界不清、地塊范圍模糊、線狀地物和零星地物位置不準(zhǔn)確等情況，需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量才能準(zhǔn)確表示此類地物。而GPS定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的獲取地物邊界、零星地物的準(zhǔn)確位置，同時(shí)得到這些位置的坐標(biāo)信息。

在遙感圖像解譯和外業(yè)實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上，利用GIS軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行數(shù)字化。建立空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)圖層，將影像圖中不同地物按照地物邊界描繪到不同的圖層中，形成不同的空間數(shù)據(jù)[8]。文中利用ARCGIS軟件統(tǒng)計(jì)功能對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到甘洛縣域土地利用分類圖（圖3）。

圖3 研究區(qū)甘洛縣域土地利用分類圖