基于遥感技术的土地利用动态监测

基于遥感技术的土地利用动态监测

刘　义,于克蛟,于凤荣

(黑龙江省农垦科学院科技情报研究所,哈尔滨150036)

摘要:遥感技术是以航空摄影技术为基础,在20世纪60年代初兴起的一门新兴技术。分析了利用遥感技术进行土地利用动态监测的优势,简述了利用遥感技术进行土地利用动态监测的技术路线以及数据与特点,并阐述了利用遥感技术进行土地利用动态监测的主要方法。

关键词:遥感技术;土地利用;动态监测

1　引言

遥感(Remote Sensing,简称RS)技术在我国农业领域的应用始于20世纪70年代末。根据当时全国农业资源区划工作的要求,在国家原计委、财政部和联合国粮农组织、联合国开发计划署等的支持下,我国农业领域的RS技术应用工作经历了“六五”期间的技术与设备引进和人才培养,“七五”、

“八五”期间的技术攻关、实验研究,到“九五”期间的实用化、运行服务系统的基本建立,已经成为初具规模,能够承担农业资源调查及动态监测、农业灾害监测等多种任务的农业RS应用主力军之一。多年来,RS技术在农业领域的应用越来越广泛,完成了大量的基础性工作,取得了很大的进展。1993～1996年,全国农业资源区划办公室组织相关技术单位,利用美国最新陆地卫星影像连续4年开展了全国耕地变化RS监测工作;“十五”期间农业RS应用领域重点建设主要是农作物RS监测系统、国家农业资源监测系统、数字农业和精确农业示范系统,通过这些系统可以为建立农产品预警系统、农业结构战略性调整、农业资源区域优势分析和优势农产品区域布局规划提供基础性和支持性信息。土地利用动态监测内容主要包括耕地、林地、草地、水面、交通、城市用地等各类生产建设用地面积的变化和各种自然灾害对土地利用所造成的破坏和影响。

2　应用卫星RS技术进行土地利用动态监测的优势

a.卫星的轨道一般在距离地面150～3000km 广阔的空间领域,能在太空俯视地面很大的范围,并将大范围的地面物的形态和特征囊括在一张很小的RS影像上。通过影像可以覆盖400多km长、40多km宽的广袤区域。在影像上可以找到这个地区的详收稿日期:2007208210细地物,方便快捷地观察地物的变化情况。

b.利用卫星RS技术克服了因地形复杂和气候条件极度恶化给人类实地调查监测造成的困难。

c.卫星RS技术采用的是信息自动采集汇总分析系统,大大提高了监测的精度。那是因为其中有大量的数据处理工作在计算机中进行,减少了很多的调查环节,消除了大量的因测量工具和各种人为技术等因素造成的误差。

d.计算机应用技术、解译分析、影像融合和影像增强处理技术的发展利用,使人们可以在很短的时间和较少投入的情况下,得到大量丰富、珍贵的信息资料,配合完成各种动态监测任务。

e.利用卫星RS技术进行土地利用监测既节约了时间,又提高了效率。

3　土地利用动态监测的技术路线

土地利用动态RS监测利用最新时相的卫星RS资料和3S技术对土地变化情况进行动态监督分类。RS技术在土地利用动态监测的应用通过与地理信息系统的有机集成,将推向一个向多时相和多数据源的最佳融合技术、计算机辅助的定量自动制图、分析和计量探索等方面的技术突破。土地利用动态RS监测是以土地变更调查数据、图为本底,利用地理信息系统的空间数据处理和RS影像处理分析等技术,从RS影像上利用处理分析软件提取变化信息。其工作流程是,以RS技术获得的多光谱多时相的RS数据为依据,借助地理信息系统的相关软件(如MA P GIS、SU PERMA P、ENV I、ER2 DAS等)进行影像纠正、配准、镶嵌、多源数据融合、变化信息的取得,与以前的土地变更调查资料进行对比分析,再通过全球定位系统引导外业实地调查,进行样方验证和数据核查,最后完成土地利用的动态监测工作。

4　土地利用动态监测的数据和特点

航空RS资料主要应用于大比例尺土地利用调查分析。航天RS资料主要包括美国的TM影像、法国的SPO T影像等。高分辨率卫星RS数据主要有印度的IRS卫星PANN全色光谱数据、韩国的KOM PSA T21卫星EOC全色光谱数据和IKONOS 卫星全色光谱数据等,它们基本上能满足乡镇、城市土地利用变化调查的要求,可以识别地物道路、居民点等。但由于高分辨率卫星RS影像的数据量非常大,要实现对它的快速处理有一定的难度。不同分辨率的RS影像可满足不同土地动态监测精度的要求。在主要农业区进行耕地动态监测时,需要精度较高,最好使用SPO T RS影像。而对于有特殊要求的、重要的经济地区,也可以根据具体情况,采用TM多光谱数据与全色小比例尺航空RS影像相融合的方式,这样做就可以取得比较理想的效果。在进行具体的土地利用动态监测工作时,要根据所在地区和RS数据的特点,选择合适的数据和相应的方法。

5　土地利用动态监测的方法

5.1　建立解译标志

应用RS技术进行土地利用动态监测的关键,在于找出RS影像中的土地利用发生变化的位置。我们常采用的土地利用RS动态监测方法有影像2影像对比判读、影像2矢量底图对比判读、影像叠加分析等。在实际工作中需根据各地具体特点进行选择利用,有时需要几种方法一起使用,才能发现变化区域,达到动态监测的目的。在土地利用监测的过程中,不但要目视解译,还要结合实际的样方验证。通过实际调查和布设样方,最后利用ERDAS等地理信息系统软件在计算机里进行套合,结合影像中的相应位置的颜色、纹理,建立各种土地利用类型的解译标志。

5.2　利用RS影像进行解译

在利用RS影像进行解译前要选择波段组合。在土地利用监测中利用RS影像不同波段组合,会产生不同的效果。例如,用4、5、3波段组合对土地利用动态监测很有帮助。这个被研究的RS信息源是中国科学院卫星RS地面接收站于1995年10月接收美国MSS卫星RSTM波段4(红)、波段5 (绿)、波段3(蓝)CC T磁带数据制作的1∶10万和1∶5万假彩色合成卫星影像图。图上山地、丘陵、平原台地等喀斯特地貌景观及各类用地影像特征分异清晰。成像时期晚稻接近收获,且稻田中已经没有积水,因此耕地类型中的水田色调呈粉红色;旱田由于作物大多已经收获,而且土壤水分少,因此呈灰白色;菜地则由于蔬菜长势比较好,色调鲜亮并且呈猩红色。园地色调呈浅褐色,且地块规则整齐、轮廓清晰。林地中乔木林色调呈深褐色,而分布于喀斯特山地丘陵等地区的灌木丛则呈黄色或黄褐色。牧草地大多呈黄绿色调。建设用地中的城镇呈蓝色;公路呈线状,色调灰白;铁路则会呈线条状,色调为浅蓝;机场跑道为蓝色直线,背景草地呈蓝绿色;水库和河流则都呈深蓝色调。TM影像的光波信息具有3～4维结构,其物理含义相当于亮度、绿度、热度和湿度。在TM7个波段光谱影像中,一般第5个波段包含的地物信息最丰富。3个可见光波段(第1、2、3波段)之间、2个中红外波段(第4、7波段)之间相关性很高,表明这些波段的信息中有相当大的重复性。第4、6波段较特殊,尤其是第4波段与其它波段的相关性很低,表明这个波段信息有很大的独立性。由1个可见光波段、1个中红外波段及第4波段组合而成的彩色合成影像一般具有最丰富的地物信息,其中又常以4、5、3或4、5、1波段的组合为佳。最佳波段组合选出后,要想得到最佳彩色合成影像,还要考虑到赋色问题。人类眼睛最敏感的颜色是绿色,其次是红色和蓝色。因此,应将绿色赋给方差最大的波段。按照这样的原则,采取4、5、3波段分别赋红、绿、蓝色合成的影像,色彩反差比较明显,层次也很丰富,而且这样组合各类地物的色彩显示规律与常规合成片相似,符合过去常规片的目视判读习惯。

目视解译中运用解译者平时实践积累的综合知识,对RS对象进行综合分析、比较识别。目视解译是RS应用项目的先头工作,同时RS目视解译也为研究RS信息的电脑自动理解提供了基础。人机交互式的RS解译法是使人和计算机相互配合同时进行RS分析的方法,它同时考虑了人与电脑两者的优势,能够更有效、更准确地对RS图像进行解译。实现人机交互式土地利用RS解译,需一定的电脑软、硬件的支持。利用RS影像信息融合技术有利于对RS影像的解译,多种RS数据源信息融合是指利用多种对地观测技术所获取的关于同一地物的不同RS数据,通过一定的数据处理技术提取各RS数据源的有用信息,最后将其汇集到统一的坐标系中进行综合判读分析或进行相应的解析处理,通过多