（地图制图学与地理信息工程专业论文）土地利用调查与动态监测的遥感方法研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 土地利用调查与动态监测的遥感方法研究 摘要 信息丰富的遥感技术为土地利用调查、动态监测以及土地资源规划等 工作展示了广阔的应用前景。如何提高遥感影像的解译精度，促进遥感技 术的实用化，是遥感技术应用中一个比较迫切的问题。本研究采用不同时 相的陆地卫星t m e t m 的秋季遥感数据，利用遥感图像处理e r d a s 、e n v i 软 件和地理信息系统a r c g i s 等软件，以山西省定襄县为研究对象，进行了土 地信息提取与分类及其动态监测的卫星遥感方法研究。 在遥感图像处理中，借助于1 ：5 万的地形图采集地面控制点，对遥感 数据进行几何精校正配准，提取研究区的图像数据，通过试验获得土地利 用遥感处理的最佳波段合成影像为t m453 波段分别赋予红绿蓝颜色。图 像增强处理除采用低通滤波、去相关拉伸等常规增强方法外，还使用色彩 变换和基于亮度与饱和度拉伸的色彩逆变换等方法。 以2 0 0 2 年试行的全国土地分类法为基础，结合山西省定襄县土地利用 现状，归纳出研究区土地利用分类系统，采用目视解译和计算机自动识别 分类两种方法进行遥感土地信息的提取。结果显示：目视解译法充分发挥 和利用了人工智能的经验和知识的灵活性，信息提取精度较高，但工作量 较大，不适用于大面积范围的使用；计算机自动识别分类方法是在非监督 分类基础上执行基于最大似然函数的监督分类的作业方法，最大似然法训 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 练区的选择比较繁琐，需要选出所有可能参加分类地物的训练区，而且因 其仅凭光谱特征分类，导致分类精度差。此外，试验了人工神经网络分类 法并在冲积平原区取得了不错的分类结果。分类后处理合并面积较小的斑 块，并将分类结果矢量化在a r c g i s 进行地理信息分析统计处理。 土地动态遥感监测采用图像差值法、多时相波段复合法和分类后比较 法。图像差值法对河流水面和水浇地的监测效果比较好，但对所有地类监 测结果不令人满意，精度较低；多时相波段复合分类法中，变化土地类型 训练区的确定较困难；分类后比较法是在前面土地信息准确提取的基础上 进行的分析，精度较高，监测结果图也一目了然，是土地利用动态监测的 一种有效方法，但它是在自动识别分类基础上进行的比较，传递了分类产 生的误差。 综上所述，在地形地貌复杂的地区进行遥感土地信息提取及其动态监 测，将研究区分割为不同的地貌类型可以减少“同谱异物”影响；经过光 谱聚类处理的非监督分类属性表，转化成适用于监督分类的分类模板文件， 再执行基于最大似然函数的监督分类的作业方法是较好的分类方法；不同 时相间分类结果图相减运算，可以取得精度较高的监测结果。 关键词：遥感，土地利用，信息提取，自动识别分类，分类后比较法 太原理工大学硕士研究生学位论文 as t u d y0 nl a n du s es i 珏e ya n d d y n a m i cc h a n g e m o n i t o r i n gb yu s i n gr e m o t es e n s i n g r e m o t es e n s i n gi su s e df o rl a n dr e s o u r c es u r v y i n g ，m o n i t o r i n ga n dl a n do f r e s o u r c e sp r o g r a m m i n ge t c i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e r p r e t a t i o np r e c i s i o no f r e m o t es e n s i n gi m a g e s ，t h i sp a p e rs e l e c t sd i n g x i a n gc o u n t yo fs h a n x ip r o v i n c e ， p r o c e s s e st h et m e t mi m a g e so ft h i sa r e ao b t a i n e db ya m e r i c a sl a n d s a t 5 a n d l a n d s a t 一7b yu s i n ge r d a s ，e v n ia n da r c g i s b e f o r et h ei m a g ep r o c e s s i n g ，g e o m e t r i cc o r r e c t i o nh a sd o n ef o rt h er s i m a g e sa n ds c a n n e dr e l i e fm a p ，e c t t h e n ，m a s ki su s e dt oc u tt h ei m a g e si n t o d i f f e r e n ti m a g e sf o rt h ed i n g x i a n ga r e a i no r d e rt oe n h a n c es p e c t r u mc h a r a c t e r s a n d d i f f e r e n c e ，i m a g ei n t e r p r e t e r i sd o n es u c ha s c o n v o l u t i o n ，p r i n c i p a l c o m p o n e n t s ，d e c o r r e l a t i o ns t r e t c h ，r g bt oh i s ，h i st or g b ，e c t t h es t u d ya r e al a n d 。u s ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e mi st h o r o u g h l ys u m e du pi nt h i s p a p e r t w om e t h o d sa r ea d o p t e dt oe x t r a c tl a n di n f o r m a t i o n o n ei sv i s u a l i n t e r p r e t a t i o n ，f o rc o m b i n e i n gi n t e r p r e t a t i o ni n d o o ra n di n v e s t i g a t ei nf i e l dt o d i f f e r e n tl a n d u s ei n i m a g e s a n o t h e ri sc o m p u t e ra u t o m a t i cc l a s s i f i c a t i o n ， w h i c hi s p r o d u c e db yi n t e g r a t i n gu n s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o na n ds u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o np r o c e d u r e sb e f o r ei m a g ei n t e r p r e t a t i o n t h e p r e c i s i o no fv i s u a l i n t e r p r e t a t i o ni sh i g h e r h o w e v e r , i tn e e d sm o r em a n u a lw o r ka n dg o o ds p e c i a l t y s k i l lo fi n t e r p r e t e r s i ti sn o ts u i tf o rl a r g ea r e a sa n dc o m p l i c a t e dl a n du s ea r e a s t it 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m p u t e ra u t o m a t i cc l a s s i f i c a t i o n b a s e do nm a x i m u ml i k e l i h o o dn e e d st o c h o o s et r a i n i n ga r e a sa sm a n ya sp o s s i b l ea n dt h ep r e c i s i o ni sl o w e r , b u ti ti s m o r eq u i c k l y p o s tc l a s s i f i c a t i o np r o c e s si sd o n eb yc l u m pa n de l i m i n a t ei n e r d a s a n dt h e n ，t h ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l tc h a n g e di n t ov e c t o rc a r r yo nb y a r c g i sf o rg e o g r a p h yi n f o r m a t i o na n a l y s i sa n ds t a t i s t i c t h r e em e t h o d sa r ec a r r i e do u ti nm o n i t o r i n gl a n du s e ，b a n dd i f f e r e n c i n g ， m u l t i t e m p o r a lc o m p o s i t e ，a n dp o s tc l a s s i f i c a t i o nc o m p a r i s o n b a n dd i f f e r e n c i n g i sf e a s i b l ei nw a t e ra n di r r i g a b l ef i e l d ，b u ti tc o u l d n tm o n i t o rt h ec h a n g e so f w h o l el a n du s ea n di t sp r e c i s i o ni st h el o w e s t f o rt h em u f t i t e m p o r a lc o m p o s i t e m e t h o d ，i ti sd i f f i c u l tt oc h o o s et h ee x a c tr e g i o n sf o rc h a n g ed e t e c t i o n b a s e do n t h ep r e v i o u sa c c u r a t ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l t ，t h ep o s tc l a s s i f i c a t i o nc o m p a r i s o n m e t h o dg e t st h eb e s tr e s u l tc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt w om e t h o d s ，b u ta l s ow i t h t h eh a n d - o nm i s t a k e s i nc o n c l u s i o n ，t oc u ti m a g e si n t os e v e r a lp i e c e sb a s e do ng e o m o r p h o l o g i c a l s t r u c t u r e ，u s i n gt h ec o m p u t e ra u t o m a t i cc l a s s i f i c a t i o na n dp o s tc l a s s i f i c a t i o n c o m p a r i s o nm e t h o d sa r em o s te f f e c t i v ei nl a n du s ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i n ga n d d y n a m i cc h a n g em o n i t o r i n g ，e s p e c i a l l yi nt h ea l l u v i a lp l a i nr e g i o n s k e yw o r d s ：r e m o t es e n s i n g ，l a n du s e ，l a n di n f o r m a t i o ne x t r a c t i n g ， c o m p u t e ra u t o m a t i cc a s s i f i c a t i o n ，p o s tc l a s s i f i c a t i o nc o m p a r i s o n l v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：一毒螨立生一 日期：放蛆l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签 名：盔堕蓟 日期：丝2z ：! 垒 导师签名： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 - 1 研究背景与选题意义 第一章绪论 新一轮国土资源大调查的技术包括计算机技术遥感技术、空间定位技术、信息网络 技术、空闻信息系统技术、主题数据库系统技术等。大调查为保证我国经济和社会的可 持续发展，解决目前面l 临的人口、资源、环境和灾害四大问题提供了科学、定量和及时 的基础信息，为合理统筹规划国土资源的开发、整治、保护和利用、改善生态环境服务。 土地利用调查是在全国范围内，为查清土地的利用现状而进行的全面土地资源普 查，也属于基本国情调查。本研究以卫星遥感技术这种原始的、动态的空间信息为基础 数据源进行图像的处理与分类，获取土地利用类型并进行动态监测。 1 1 1 研究背景 土地作为国民经济各部门的重要物质条件，各部门生产活动都是以占有一定土地面 积作为其活动范围。因此，国民经济各部门之间不但存在着经济上的结构和比例关系， 而且其间也具有土地利用结构和比例关系。据估计，在经济、生产的各个领域中，有8 0 的部门与土地有关。土地资源的可持续发展是我国政治、经济、文化可持续发展的基础， 是国泰民安、繁荣昌盛的重要保障。 土地是人类赖以生存的重要资源。它哺育着人类文明的成长与发展。以往，人们常 笼统地讲我国地大物博、资源丰富“1 。其实不然。从人均来讲，特别是近4 0 年来，人口 净增6 亿多，使得我国成为资源短缺，尤其是耕地资源短缺的国家。由于经济建设的发 展和对自然因素的影响，土地利用状况和农作物布局每年都发生变化，耕地减少，农作 物布局调整，建设用地不断增加等。随着人口的猛增和社会经济的高速发展，人多地少 的矛盾愈加严重，土地利用类型的变化无疑是影响中国可持续发展的关键问题。 自2 0 世纪九十年代以来，土地利用土地覆盖变化受到越来越多的关注，成为全球 变化研究的核心领域之一。目前全球变化研究侧重于对地球系统的碳循环和生物多样性 变化的研究，对森林( 特别是热带雨林1 和湿地等类型的土地覆盖变化的研究相对较多。 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 而可再生土地资源与人类的生存更加息息相关，土地是人类生存最基本物质。只有用地 结构合理，才能保持土地利用系统的良性循环，才能取得土地利用的最大效率，优化结 构，提高功能，从而可用较少的消耗或投入取得较高的效益。对于一个区域的经济发展， 需要因地制宜，农业、工业和服务业分布适应于当地的土地状况。因此清查土地，合理 利用、分配和保护土地资源对当地国民经济的发展起着至关重要的作用。 1 1 2 选题意义 土地利用( l a n du s e ) 着重从人类开发利用的角度对土地的“人为世界”进行分类， 通常是指耕地、林地、牧场、建设用地、交通用地等的划分。土地利用调查是合理利用 土地资源、制定各项经济建设规划、改善生产布局的一项基础工作，是一项涉及面广， 综合性、区域性和生产性很强的工作。土地利用监测是利用遥感遥测技术，对一个国家 或地区土地利用状况的动态变化进行定期或不定期的监视和测定。其目的在于为国家和 地区有关部门提供准确的土地利用变化情况，便于及时迸行土地利用数据更新与对比分 析，以及编制土地利用变化图件等。它是开展土地利用动态变化预测，农作物产量预测， 自然灾害防治及合理组织土地利用，加强土地管理与保护的一项不可缺少的基础性工 作。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等的分析。 随遥感遥测技术的同益发展，利用航空、航天遥感技术所获得的图像和数据，已成 为开展土地利用监测的一种最为迅速可靠和理想有效的手段，受到世界各国的广泛注意 和重视。 遥感技术起源于航空遥感，最早用于军事，直到1 9 2 0 年以后才开始在地质、土木 工程中的勘察和制图等民用领域中应用。2 0 世纪6 0 年代初，人们开始利用多光谱空中 摄影技术获取多光谱图像。2 0 世纪7 0 年代，开始了卫星遥感技术的广泛应用。美国于 1 9 7 2 年发射了第l 颗地球资源技术卫星e r t s l ( 后改名为l a n d s a t 一1 ) ，到目前该计划共 发射了7 颗卫星，l a n d s a t 的数据主要用于陆地资源调查和环境监测等领域。2 0 世纪8 0 年代后，法国相继发射了s p o t 系列卫星，欧空局相继发射了e r s 系列卫星，加拿大1 9 9 5 年1 1 月发射了r a i d a r s a t 雷达卫星，这些商业遥感卫星的应用使航天遥感技术进入了 全面发展和应用的新阶段。随着地球资源卫星的发射、卫星遥感的应用，土地资源调查 的方法也实现了一次大飞跃。由于陆地卫星的改进，多光谱扫描仪增设了专题制图仪， z 太原理工大学硕士研究生学位论文 其图像地面分辨率提高到了1 5 米或3 0 米；法国s p o t 卫星地面分辨率可达1 0 米甚至5 米。随着现代遥感技术的不断发展，遥感影像的空间分辨率已达到米级，光谱分辨率已 达到纳米级，回归周期可达几天甚至十几小时。与遥感应用紧密相关的遥感信息处理理 论和技术也有了实质性的进展。在遥感信息模型研究方面，已有热扩散系数遥感信息模 型。在遥感数据处理软件方面，国际上相继推出了一批高水平的遥感影像处理商业软件 包，如美国l e i c a 公司推出的e r d a si m a g i n e 、新加坡3 - l i n k 公司研制的e n v i 、加拿 大e r m 公司研制的职m a p p e r 、加拿大p c i 公司研制的p c i 等遥感图像处理系统。所有 这些都为遥感的应用奠定了坚实的基础，这就可以大大节省人力、物力，缩短调查时间 和成图周期，为土地调查提供更快的基础资料。 卫星遥感技术以其快速、准确、准时、周期短等优势为山西省土地利用调查提供了 优越的手段。 山西省地形复杂，山多川少：黄土覆盖广泛，水土流失严重；人均土地资源相对丰 富，但分布不均匀；土地质量较差，盐碱化严重，耕地后备资源不多；土地结构主要由 未利用土地、耕地、林地组成。长期以来山西省尚无一完整而连续的土地利用状况数据， 采用传统土地利用现状调查技术路线所获得的数据是一次性的，难以及时更新以满足土 地监测长期发展的需要。作为合理组织土地利用的一项综合性措施，土地利用规划根据 自然条件、社会经济情况和国民经济发展规划的要求，在充分利用农业区划成果的基础 上编制土地利用方案，因地制宜地确定、调整和合理配置各项生产建设用地。因此，获 取土地利用现状数据是进行区域规划与发展的基础。本研究试验区选择了滹沱河流域的 定襄县。定襄位于山西省北中部忻定盆地东侧，东北南三面环山，中部为冲积洪积平原， 境内土地类型复杂多样，符合试验区选择典型性和代表性的要求。本项研究的目的：首 先为山西省试验区提取土地利用信息，同时说明各种资源类型分布状况、变化大小，其 次实现山西省土地资源的分类，从而为山西省宏观决策提供科学依据，另外为国家和地 方政府编制土地利用规划服务。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对土地利用的调查一般是以地形图为基础，通过野外调查来获取土地利 用图，研究工作主要依赖于各种统计数据。通过常规的地利用调查来获取耕地信息是 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 一项耗时、费力的复杂工作。我国开展的以县级为单位的全国性土地利用现状调查工作， 花了近l o 年的时间，几亿元费用，几千万人的劳动量才得以完成。然而土地利用变化 很快，特别在经济发达地区，城镇扩展、基础设施建设、农业结构调整等使土地利用类 型、面积、分布等发生了相当快的变化。因此，土地利用的常规调查方法已跟不上国民 经济发展的需要。同时，由于数据本身的局限性，只能在行政单元的基础上分析这种变 化，不能有效的进行动态变化的空间分布特征分析；另一方面，由于传统土地利用变更 调查方法是基于历史数据分析和实地建立实测点定时监测，造成工期长、误差大、费用 高。这些都制约着土地调查工作的发展。 但卫星遥感技术的优点随着技术的进步日益发挥出巨大的优势：( 1 ) 卫星是在离地 面7 0 0 - 1 0 0 0 公里以上观察地球表面的物体，其覆盖面大，宏观性强；( 2 ) 卫星遥感通过 扩大波谱视域，多波段来获取地面信息，因此信息丰富，能够获取人眼难以看到的地物 信息，大大增加了识别地物的能力，遥感图像具有丰富的环境资源、生态等信息，有利 于综合分析；( 3 ) 卫星遥感获取地物信息现势性强、速度快，例如陆地卫星1 6 天过境1 次，双星系统的气象卫星1 天2 次等，十分有利于动态监测。卫星遥感的覆盖面积大， 实时性和现势性强，速度快，周期短和准确可靠以及省时、省力、费用低等优点是常规 土地利用调查方法所难以达到的，因此被广泛应用于土地资源和土地利用现状调查、土 地利用变化监测等研究，对其应用方法亦有许多学者进行了很多的探索，所使用的资料 有s p o t 、t m e t m + 和m m s 数据，其中以t m e t m + 资料的使用最为广泛。随着计算机技术 和图像处理技术的发展，采用t m e t m 资料或以t m e t m 资料为主，辅以其他遥感资料及 地面实况信息已成为近几年来的发展趋势，采用的遥感监测方法包括比较土地覆盖分类 结果、多时相数据分类、图像差值比值、植被指数、主成分分析以及变化向量分析等， 其中图像差值、主成分分析法、线性拉伸、植被归一化、缨帽变换是最常用的几种方法。 所使用的方法前期以目视解译为主，近期以自动分类为主，并向智能化的人机交互式方 向发展”。 1 2 1 国外研究进展 2 0 世纪5 0 年代起，一些发达国家就开展了对水、土等自然资源进行连续的定期调 查。许多国家也相继着手建立了相应的土地利用监测体系。 美国1 8 5 0 年建立了全国农业普查制度，1 9 2 0 年以前每1 0 年更新资料一次，1 9 2 0 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 年后每5 年进行更新一次，包括1 4 个方面，按期填报，进行统计。2 0 世纪6 0 年代后， 美国土地利用发生了多方面的变化，随着遥感和制图自动化技术的兴起，1 9 7 1 年起开始 编制全国l ：1 0 万和l ：2 5 万土地利用图。介入全国土地调查的部门很多，各部门根据各 自的需要制定土地分类系统，单独进行土地监测。全国的农业土地利用监测由农业部负 责，采用抽样调查方法完成。法国的土地利用监测采用分级管理，其方法是采用以地理 分层为基础的二阶抽样调查，监测土地类型达1 0 0 多种，反映了土地的开发和利用特性 以及土地的功能特性。加拿大从2 0 世纪6 0 年代开始建立土地利用监测体系，1 9 7 8 年联 邦环境部土地管理局颁发了“土地利用动态监测纲要”，根据土地利用价值，把全国土 地分为城市及其边缘区、重要资源区、一般农林区和荒地区四种类型区。不同区域的监 测周期、方法和精度均不相同。以前两种类型区作为重点，监测目的主要是控制优质耕 地的减少。 一些国土面积小而经济发达的国家，起初以建立地籍档案提取土地利用资料，后来 为及时掌握土地利用变化状况，采用专门的土地利用监测方法。例如瑞士1 9 1 2 年就建 立了地籍档案，从1 9 6 0 年开始，则通过定期测制地图以监测土地利用变化。2 0 世纪7 0 年代又建立了以航空像片对监测区抽样调查为基础的土地利用监测体系。荷兰从2 0 世 纪7 0 年代中期开始建立了全国性的土地利用监测体系，将全国土地分为1 6 万个小方块， 定期逐格进行全国调查。 2 0 世纪8 0 年代大区域土地覆盖变化研究工作主要基于传统的土地利用制图理论方 法，着重于土地类型的分析以及相应的光谱特征的采集。例如，c h i l a r f l e i s c h m a n 等利用n o a a a v h r r 数据以归一化植被指数( n d v i ) 作为土地覆盖特征的主要数据源。遥 感数据解释编制的土地利用土地覆盖图虽然可以满足某些应用目的，但其信息量有限， 且很少涉及土地覆盖与其他自然景观要素的联系。此外土地覆盖和土地利用分类系统因 地因时因人而异，因此很难相互进行比较和转换“”。 1 2 2 国内研究进展 2 0 世纪8 0 年代我国在土地资源开发利用管理方面的基础图件编制和资源环境数据 库建设方面取得了很大成果，如中国资源综合考察委员会编制的1 ：1 0 0 万全国土地利用 图、土地资源图等，为我国土t e n 用土地覆盖研究奠定了良好的基础。在国家土地管 理局成立后，经国务院统一部署，利用航空航天遥感技术，结合地面调查，组织进行了 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 大规模的全国县级土地详查。其中东部与中部地区主要采用航空遥感技术与地面调查， 完成了1 ：l 万、1 ：5 万比例尺土地利用调查图。这一成果为各级政府开展土地管理工作， 制定社会区域经济发展战略规划提供基础资料，同时也为工业、农业、水利、能源、交 通等各专业部门提供土地利用基础信息。该成果己在社会经济建设中发挥着重要的作 用，同时也为我国开展全国区域尺度的土地利用土地覆盖动态监测提供了完整可靠的 本底资料。 “七五”和“八五”期间，国家组织进行了一些应用遥感技术进行生态环境监测与 自然灾害监测方面的专题研究。如“七五”期间，国家攻关课题“长江三峡工程对生态 环境的影响及其对策”研究项目中，开展了采用卫星数据进行三峡地区卫星遥感土地覆 盖计算机分类与土地利用的专题研究。此外还应用t m 影像进行中国资源环境遥感宏观 监测研究( 东部地区l ：2 5 万，西部地区1 ：5 0 万) 、黄土高原地区土地利用变化、黄淮海 地区水域动态变化的遥感监测等“1 。“八五”期间，全国土地资源调查办公室分别颁发了 土地利用现状调查地( 市) 级汇总技术规则和土地利用现状调查省级汇总技术规 则，进一步规范土地利用调查标准。 “九五”期间，我国还采用t m 、s p o t 等多种遥感影像数据，通过目视解译和结合 计算机技术处理，开展多项实用性的遥感监测土地资源工作。如在1 9 9 6 1 9 9 7 年间，针 对改革开放后我国大中城市建设用地扩展过快的状况，原国家土地局组织高等院校、科 研单位对t m 影像进行分析处理，分别对1 9 个大城市和1 0 0 个中等城市扩展与耕地变化 进行监测，将土地利用土地覆盖遥感监测体系纳入国家土地管理运行体系，并于1 9 9 9 年颁发了土地利用动态遥感监测规程，极大地推动了国家土地利用土地覆盖遥感监 测体系构建及向着业务性运行系统建设的进程。1 9 9 6 年5 月举行的“中国全球变化研究 中的土地利用问题”学术研讨会，标志着我国土地利用土地覆盖变化系统性联合性研 究的序幕o ”。 国家科委和国家基金委在“九五”到2 0 1 0 年的重点发展领域和基金优先资助领域 中，将土地利用变化对陆地生态的影响、人类活动对土地利用现状的影响作为其研究的 重点之一。国土资源部于2 0 0 1 年颁发了县( 市) 级土地利用数据库建设标准和全 国土地分类，对相关调查做出指导。为配合国际地圈一生物圈项目( i g b p ) 和全球环境 变化中的人文领域项目( h d p ) 的丌展，“九五”期间，我国在全球变化研究项目中涉及多 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 项土地利用与土地覆盖变化研究。例如“九五”重点项目“中国陆地农业生态系统与全 球变化相互作用机理的研究”，将“土地利用与土地覆盖变化及其对农业生态系统的影 响”列为专题进行研究。“九五”国家重大基础研究预选项目“我国未来生存环境变化 趋势预测研究”，专门列出“中国东北陆地生态系统样带( n e c t ) 土地利用和土地覆盖的 研究”。“遥感、地理信息系统及全球定位系统技术综合应用研究”被列为“九五”计划 中国家科技攻关重点项目，以期应用3 s 技术进行资源、环境、灾害等进行监测，其中 也包括对土地利用土地覆盖及其变化的监测。 1 2 3 山西省内研究发展状况 山西省在土地资源调查工作中也作出了许多有益的探索。山西省有关部门曾利用气 象卫星信息，采用数理统计主因子分析方法，监测1 5 个县、市的土壤水分变化，结果 与地面台站观测数据的拟合度在7 0 以上。遥感影像对土壤盐渍度的反映较灵敏，盐碱 度高的土壤反射率较高，色调浅或呈灰白色。有关部门通过目视解译卫片并结合实地调 查、采样化验与地物光谱测试，对山西天镇、阳高盆地盐渍土调查，绘制出盆地( 0 5 厘米、0 2 0 厘米) 盐渍度图、盆地( 0 5 厘米、0 2 0 厘米) 阴离子、阳离子盐渍类型图、 o 2 0 厘米p h 值分布图、瓮地地下潜水矿化度图等。由国防科工委卫星应用重点技术研 究资助的项目山西省高中低产农田遥感监测研究对山西省农田生产能力的影响因素进 行了十分细致的研究，以航空相片为资料，通过加入水浇地、土壤盐碱化、坡度等专题 因子，准确地估测出农田产量，精度达到9 0 以上，其方法对耕地资源的评价具有十分 重要的指导意义。 1 2 4 存在问题 我国土地利用遥感调查研究有三个主要特点：( 1 ) 采用方法多种多样，以目视解译、 计算机图像处理以及二者相结合的方法进行，并且目视解译方法占有重要地位；( 2 ) 监 测的空间尺度广泛，从小试验区至城市、流域和全国范围广泛进行；( 3 ) 时间尺度多种， 以近十几年监测为主。与国际土地利用遥感监测方法相比，我国在遥感图像计算机信息 自动提取方面尚存在一定差距，目视解译仍然广泛用于对监测精度要求较高的应用中。 随着经济的快速发展，一方面城市的扩张占用了大量的农田耕地；另一方面科学技 术进步，国家政策倾斜，地方政府鼓励植树造林、退耕还林、开发为利用地、种植经济 太原理工大学硕士研究生学位论文 作物等等，近十几年来，土地覆被变化很快。而传统的目视解译方法虽然精度较高，但 耗费大量的人力、物力；而通过计算机进行自动提取土地信息恰恰弥补了这个缺陷，因 此二者结合才能促使遥感图像更加广泛应用于生产中。本研究结合目视解译和计算机自 动提取两个方面进行遥感土地利用信息的提取。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 目视解译能发挥人的主观经验，但速度慢，可重复性差，而计算机自动分类速度快， 可重复性好。因此，本论文旨在通过运用卫星遥感技术进行土地资源调查与监测中，探 讨土地利用信息提取及其评价的方法，力求将计算机自动分类和目视解译结合起来，充 分发挥二者的优势，以提高信息提取及其监测精度。 目前，大量的土地遥感动态监测研究主要是针对大城市建设用地扩张占用耕地方 面，而对以农业为主的小型县市土地资源遥感监测方法的研究不多，缺少对各种监测方 法的系统比较5 1 。实际上，由于土地类型各地类光谱信息混淆，土地信息提取及其变化 监测方法比大城市城建用地扩展监测具有更大的难度。因此，本研究以定襄县土地资源 为主要研究、监测对象，通过遥感数据提取出土地信息，结合影响土地变化的主要因子 如坡度、水利条件、盐碱地，解译出土地利用类型，通过各种土地类型面积的变化，及 遥感影像解译出的土地生产力不同，进行评价分析，同时对农用土地区土地资源的变化 进行系统分析，以期探索快速、准确、具有可操作性的土地资源卫星遥感信息提取及其 评价的技术方法。 本研究主要利用遥感软件对遥感影像进行配准和图像增强处理，根据不同土地类型 的光谱信息特征进行计算机自动识别分类，利用定时更新的遥感数据的对比获得土地利 用动念变化趋势，并生成各种遥感专题图；利用g i s 软件将各种数据源融合在一起，通 过遥感等数据解译后的矢量数据进行管理和统计分析，实现空间数据和属性数据的互相 查询功能，以图形数据与属性数据的形式直观的预测出未来几年内土地利用变化情况。 根据定襄县e t m 影像，经过人机交互目视解泽，将全县土地资源划分出地块，以获 得了全县全部土地利用现状数据。然后将该矢量数据转换到a r c i n f o ，建立拓扑关系， 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 实现空间数据与属性数据联接。根据9 0 年代初山西省测绘局生产的全省地理数据基础 数据库1 ：5 万地形图、定襄县1 9 9 4 年土地利用现状图、定襄县地貌图、居民点分布图、 坡度图、盐土分布图等在a r c g i s 中图层叠加，通过宏语言编程，派生出评价单元的坡 度图。属性数据库主要根据土地资源评价系统来获得。 遥感自动识别分类是本研究的重点，在以上工作的基础上，首先进行训练区的选择， 从待处理数据中抽取具有普遍性、代表性的数据作为训练样本。训练区选择的准确与否， 训练样本数是否足够，关系到分类精度的高低。在监督分类中，训练区选择的最好的办 法是选择一、两个典型区域，各种土地利用类型全有，进行实地调查或者参考已有的各 种图形资料、地学知识嘲。将训练区纯化，进行计算机自动识别分类。 分类之后进行精度与可靠性评价。遥感信息由于受传感器空间分辨率和光谱分辨率 的限制，常常得到混合的信息，此外地物本身也存在混合现象，如植被覆盖下的土壤。 因此不存在理想的分类器，加上“同物异谱”、“异物同谱”现象的存在，错分的情况普 遍存在，所以，分类后都必须进行检验，错分像元所占的比例越小，则分类结果越佳。 将分类后的图像加入图廓，地理坐标格网等生成土地利用遥感分类图。 土地利用动态监测采用地理信息系统的空间查询功能。空间分析是利用计算机对数 字地图进行分析，从而达到获以和传输空间信息的技术，它是g i s 的核心功能，也是g i s 与其他软件系统的根本区别。通过叠加分析将两年的专题信息层进行叠合，实现土地信 息及其属性数据之间的相互比较，获得动态信息的技术。本研究主要利用g i s 软件的基 于栅格数据和图形数据的拓扑叠加分析功能实现基于不同时间的同一土地利用类型的 位置、面积等进行动态变化监测，并将绘制多种专题图件。因此，g i s 的空间分析和定 量分析功能可以更好的实现遥感数据的动态变化分析和定量分析，提高土地利用动态监 测与评价的准确性，有利于以后不断增加的空问数据的管理与分析。 总之，通过遥感、g i s 、常规监测数据的有机结合，是实现土地利用的定量调查与 动态变化分析、土地资源的整治和可持续发展的技术基础。 1 3 2 技术路线 为了加深对研究区的了解，对定襄县进行了调研，搜集整理了相关的地理基础地图 和资料文献。在对研究区全面了解的基础上，将2 0 0 1 年和1 9 9 3 年定襄县t m e t m + 遥感 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 影像和收集到的土地利用图、地貌图、坡度图、土壤侵蚀图等图件根据地形图进行校正 并提取出研究区的地理行政边界。然后对影像进行图像增强处理，通过目视解译和计算 机自动分类法提取土地利用信息。比较图像波段差值比值运算法、分类后差值比较法 探讨遥感动态监测方法，并由土地类型面积的变化，确定动态监测数据模型，通过线性 回归方程预测土地的变化情况及土地分类等级的变化，为国民经济的发展规划提供依 据。本研究技术路线如图卜1 。 确定研究目标 搜集基础底图数据 搜集遥感影像 ( n i 、e t m 等) 搜集资料，文献 学习利用基础 底图数据 影像预处理 ( 校正并投影) 阅读并整 理分析 结合以下图件进行遥感目视解译 已 有 图 件 地 形 图 遥 感 影 像 图 盐 碱 分 布 图洲憎 土 地 分 类 体 训 练 区 纯 化 引 入 专 题 图 计算机自动识别分类 精度与可靠性评价 七地利用动态监测 图1 - 1 基本工作流程图 f i g 1 - 1d i a g r a mo f w o r kh o w 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 研究区概况 第二章研究区概况与遥惑图像处理 定襄县位于山西省北中部忻定盆地东侧，属黄土高原。地理位置在东经1 1 2 。3 9 1 5 ”1 1 2 。1 6 5 0 ”与北纬3 8 。1 9 7 2 2 ”3 8 。4 0 1 5 ”之间，东北南三面环山，中 西部是河谷平川。全县东西长4 8 公里，南北宽3 6 公里，平川占4 5 5 6 ，半坡山地占 1 2 1 ，丘陵占4 2 3 ，现辖3 镇6 乡，1 5 5 个行政村( 见图2 1 ) ，总人口2 1 1 l 万( 2 0 0 4 年统计) ，面积8 6 4 平方千米。 2 1 1 自然概况 、，。_ ，一 。 一嘭 图2 1 定襄县政区图 f i g 2 1t h er e g i o n a l i s mi nd i n g x i a n gc o u n t y 定襄县( 乡镇图见图2 2 ) 境域东连五台，南毗盂县、阳曲，西邻忻州，北接原平， 境内北、东、南群山绕，地势由东向西呈簸箕形，北有将军山、平顶山、猫寨山、龙头 太原理1 大学硕士研究生学位论文 山、凤凰山、老汉山、虎山、龙山、漆朗山、马鞍山等，为五台山余脉；东、南有纹山、 七节寨，八节寨、菜嘴山、南梁山、杨五寨、居士山、丛蒙山、红泉山等，统称系舟山， 属太行山支脉；山地面积占境域总面积的3 1 3 。山麓延伸之外，高低起伏，属半坡丘 陵，其面积占境域面积的2 1 。中西部为平川，占境域总面积的4 7 7 。境内最高处为 丛蒙山柳林尖，海拔2 1 0 1 9 米；最低处为河边镇南庄滹沱河谷地，海拔5 7 0 米；平川 海拔7 4 2 - - 8 3 0 米。滹沱河是流经本县的最大河流，其次是牧马河、云中河、同河，均 为季节性河流，属海河水系。吕布池、砂村泉、白村泉等为县内主要泉池。定襄气候属 大陆性气候。春季暖和，干燥多风；夏季炎热，雨水集中；秋季短暂，天高气爽；冬季 寒冷，风多雪少。1 月份最冷，平均气温一9 2 度，极端最低气温一2 7 2 度；7 月份最热， 平均气温2 3 5 度，极端最高气温3 7 8 度；年平均气温8 7 度，无霜期1 5 0 多天。年太 阳辐射总量1 3 5 9 千卡平方厘米，年日照时数2 7 4 9 8 小时，占可照时数的6 2 。年平 均降水量4 1 3 毫米，年平均蒸发量1 4 4 8 7 毫米。常发生的自然灾害有干旱、冰雹和霜 冻。地下水年可开发8 7 0 0 万立方米，己开采量为8 4 万立方米，占可开发量的9 6 。 一扎， 、一 图2 - 2 定襄县乡镇位置图 f i g 2 2t h el o c a t i o no fv i l l a g e sa n dt o w n si nd i n g x i a n gc o u n t y 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 地貌概况 定襄县境南、东、北三面环山，海拔高度在l1 0 0 2 1 0 0 米之间，地表特征沟壑纵 横，峰峦叠嶂，坡度大于4 5 度。山体分两部分：由县西南入境，绵亘于南部和东部的 属系舟山脉( 为太行山支脉) ；由县东北入境，沿县北界向西北界延伸的属五台山脉。县 境内中西部地区的滹沱河水系冲积扇上为平川，海拔高度7 4 0 8 3 0 米，地势平坦，由 西向东倾斜，包括杨芳、晋昌、神山等3 个乡镇，以及蒋村、河边、宏道、季庄、受禄 等乡镇的大部分村庄。此区从最低处的神山乡( 海拔7 4 0 米) 到河边镇南王一带( 海拔7 6 0 米) 的广大地区，属冲积平原( 一级阶地) 区，相对高差2 0 米，坡度比降5 0 0 米；而受禄 季庄宏道一线，则属二级阶地及倾斜平原，海拔在7 6 0 8 3 0 米之间，因盆地 北部残存山麓与下部丘陵高差不大，坡度平缓；此外，县东部和南部的河边、蒋村、南 王等的二级阶地地区，其上部山地和丘陵坡度大，自然植被稀疏，致使该区内形成一狭 长带状的起伏不平的洪积倾斜平原。由山地向平川过渡的边坡丘陵区( 包括黄土低山) ， 海拔高度在8 3 0 1 1 0 0 米之问，相对高差1 0 0 米以内，地势自然倾斜，坡度大于2 5 度， 比降约在2 5 米( 低山周围) 至4 5 米( 丘陵缓坡) 之间，坡脚不明显，没有显露的走向。包 括南王、蒋村、河边、宏道、季庄、受禄等部分乡镇。在本区内，北部的受禄、季庄2 乡的丘陵地区，海拔高度8 3 0 1 0 0 0 米，与其上部低山的相对高差小，坡度平缓，约每 4 0 米增高1 米；而东部与南部的蒋村、南王、河边镇的李家庄一带的丘陵区，与其上部 的山地相对高差在2 0 0 米以上，丘陵纵坡比降在2 0 米以上，因此，雨季形成较大地表 径流，把丘陵切割成数块，导致许多沟壑( 据统计，全县丘陵区共有沟壑2 2 3 条，