（地图制图学与地理信息工程专业论文）spot5卫星遥感影像土地利用变化监测方法研究.pdf

摘要 摘要 土地资源是人类赖以生存和发展的基础。随着我国经济的发展，城乡建设 用地与耕地变化这一环境问题变得越来越突出，利用遥感技术及时准确监测土 地利用的变化是合理解决这一问题的重要环节。 本文研究以s p o t 5 卫星遥感数据为数据源的土地利用变化遥感监测。通过 开展土地利用变化遥感监测技术和方法研究，对比分析多种遥感处理方法，主 要从遥感影像预处理技术、变化信息发现和变化信息提取这些方面，从而探索 适合s p o t 5 遥感影像土地利用变化监测的方法，完善遥感监测技术流程。 在p c i 软件环境下进行影像几何纠正处理：基于f l a a s h 模块实现s p o t 5 影 像的大气校正；在m a t l a b 、p c i 、e n v i 软件环境下实现影像的代数运算法、交 叉融合法、主成分分析法、分类后比较法及小波变换等多种遥感影像土地利用 变化信息自动发现实验；采用o t s u 法确定最件分割阈值，实现变化信息的自 动提取，以及利用p h o t o s h o p 软件的魔棒、扩大选择、选择相似等工具，人机 交互式地实现彩色图像的分割。对土地利用变化遥感监测过程中的几何纠正方 式与精度、数据融合方法、图像增强方法、变化信息发现和提取方法等方面进 行比较讨论。通过对监测结果的精度分析，评价了选用土地利用变化遥感监测 方法的合理性。 研究结果显示：( 1 ) 利用f l a a s h 模块对遥感影像进行大气校正，可有效地 去除大气影响，从而恢复遥感影像中地物目标的本来面目。( 2 ) 基于线性回归 分析法的相对辐射校正，能够很大程度地保留了与原影像的相关性，从而保证 后续图像变化监测结果精度。( 3 ) 利用严密模型和g p s 实测控制点实现s p o t 5 影像的几何纠正，其结果满足很好的几何精度要求。( 4 ) 通过实验发现直接交 叉融合、差值交叉融合、差比值交叉融合、主成分分析法和小波变换法土地利 用变化监测的准确率较高，且操作简单、兼顾多种变化信息等特点。( 5 ) 基于 阈值的图像分割，算法实现简单，实际应用广泛，用o t s u 法确定最佳阈值， 图像分割结果能达到较高的精度。( 6 ) 利用p h o t o s h o p 软件分割彩色图像，实 现变化信息的彩色提取，有利于后续对变化图斑的归类处理。 关键词：变化监测，交叉融合，主成分分析，图像分割 a b s t r a c t a b s t r a c t l a n dr e s o u r c e sa r eb a s i cf o rh u m a n k i n dt oe x i s ta n dd e v e l o p a l o n gw i t h e c o n o m i cd e v e l o p m e n lm o r ea t t e n t i o ns h o u l db ea t t r a c t e do nt h ee n v i r o n m e n t a l p r o b l e mo fl a n d - u s ec h a n g e ，e s p e c i a l l yc h a n g ei nc o n s t r u c t i v el a n da n dc u l t i v a t e d l a n d m o n i t o r i n go ft h el a n du s ec h a n g ei sa ni m p o r t a n tt a c h et os o l v et h i sp r o b l e m r e a s o n a b l y t h i sp a p e rf o c u s e so ns t u d y i n gt h el a n du s ec h a n g em o n i t o r i n gt e c h n i q u eb y s p o t 5s a t e l l i t e i m a g e s w er e s e a r c h e d o nt h el a n d u s e c h a n g em o n i t o r i n g t e c h n i q u e sa n dm e t h o d s ，a n dc o m p a r e ds e v e r a li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d s ，s u c ha s t h ep r e t r e a t m e n to fr e m o t es e n s i n gi m a g e ，c h a n g ei n f o r m a t i o nf i n d i n ga n de x t r a c t i o n a n ds oo n c o n s e q u e n t l y , d e v e l o p e da na p p r o p r i a t em e t h o do ft h el a n d - u s ec h a n g e m o n i t o r i n g ，a n dr e f i n e dt h et e c h n i c a lr o u t ef o r t h er e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n g u s e dp c is o f t w a r eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t e dt h ei m a g ed a t a ；w ec a r d e do u t a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o no fs o p t 5r e m o t es e n s i n gi m a g e sb a s e do nf l a a s hm o d e l ； o nt h eb a s i so ft h ef o r e g o i n gp r o c e s s ，w ed i dah o s to fe x p e r i m e n t si no r d e rt of i n d t h el a n d - u s ec h a n g ei n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y f o ri n s t a n c e ，a l g e b r ac a l c u l a t i o n ， c r o s s e dd a t af u s i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，p o s t - c l a s s i f i c a t i o nc o m p a r i s o n ， a n dw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nf o rr e m o t es e n s i n gi m a g e a l lt h e s ee x p e r i m e n t sw e r e i m p l e m e n t e dw i t ht h ef o l l o w i n gs o f t w a r e ，s u c ha sm a t l a b ，p c i ，a n de n v i i nt h i s p a p e r w eu t i l i z e do t s ut h r e s h o l d i n ga l g o r i t h m st of i n dt h eo p t i m a lt h r e s h o l d i n g ， e x t r a c t i n gt h ec h a n g ei n f o r m a t i o n ；i nt h es a m et i m e ，c a r r i e do u tc o l o ri m a g e s e g m e n t a t i o nu s i n gt h e s e l e c t i o nt o o l so fp h o t o s h o p a n a l y z e dg e o m e t r i c r e c t i f i c a t i o nm o d e l s ，i t sp r e c i s i o n ，d a t af u s i o nm e t h o d s ，i m a g ee n h a n c e m e n t ，c h a n g e i n f o r m a t i o nf i n d i n ga n de x t r a c t i o n e v e n t u a l l y ，b yt h er e s u l t so ft h ed i f f e r e n tl a n d u s ec h a n g em o n i t o r i n gt e c h n i q u e s ，e v a l u a t e dt h es e l e c t e dm o n i t o r i n gm e t h o d s t h er e s u l to fr e s e a r c hi n d i c a t e st h a t ：( 1 ) a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n ，w h i c hb a s e d o nf l a a s hm o d e l ，c a nr e v i v et h es u r f a c er e f l e c t a n c eo ft h er e m o t es e n s i n gi m a g e s b yr e m o v i n gt h ea t m o s p h e r i ce f f e c t s ( 2 ) r e l a t i v er a d i o m e t r i cc o r r e c t i o n w h i c h i i a b s t r a c t b a s e so nl i n e a rr e g r e s s i o n ，c a nc o m m e n d a b l yr e s e r v er e l a t i v i t yb e t w e e nt h ec o r r e c t e d a n do r i g i n a li m a g e s ，w h i c hc a ne n s u r e st h ef i n a lr e s u l to ft h el a n du s em o n i t o r i n g ( 3 ) u s i n gr i g o rm o l da n dg p sc o n t r o lp o i n t st op r o c e s ss p o t 5i m a g e sg e o m e t r i c r e c t i f i c a t i o nc a nm e e tg o o dg e o m e t r i c a lp r e c i s i o n ( 4 ) b yt h ee x p e r i m e n t s ，s u c ha s d i r e c tc r o s s e di m a g ef u s i o n ，d i f f e r e n c ec r o s s e di m a g ef u s i o n ，d i f f e r e n c e & r a t i o c r o s s e di m a g ef u s i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，c l a s s i f i c a t i o nc o m p a r i s o n ，a n d w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w ec a nf i n dt h a tt h o s em e t h o d sh a v eh i g h e ra c c u r a c yr a t e ， a n d e a s y t o o p e r a t e ，b r i n g i n gav a r i e t y o fc h a n g e i n f o r m a t i o n ( 5 ) i m a g e s e g m e n t a t i o nb a s e so nt h et h r e s h o l d i n g ，w h i c hh a ss i m p l ea l g o r i t h m ，w i d e a p p l i c a t i o n s ，a n du s i n go t s ua l g o r i t h mt od e t e r m i n et h eo p t i m u mt h r e s h o l d i n g v a l u e ，c a na c h i e v ev e r yg o o da c c u r a c yo ft h el a n d - u s ec h a n g em o n i t o r i n g ( 6 ) u s i n g p h o t o s h o pf o rt h ec o l o ri m a g es e g m e n t a t i o nc a ne x t r a c tt h ec o l o ri n f o r m a t i o no f t h ec h a n g e st h a th a sag r e a th e l p f u lf o rt h ef o l l o w i n gc l a s s i f i c a t i o no ft h ec h a n g e s k e yw o r d s ：c h a n g em o n i t o r i n g ，c r o s s e dd a t af u s i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ， i m a g es e g m e n t a t i o n u i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：痞药 纠年弓月j 了日 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 口1 ， 月弓， 秀 归 杰 厶 名签者 作文 论 位学 第一章引言 第一章引言弟一早，ii 1 1 论文选题的背景和意义 土地是人类社会赖以生存和发展的最基本、最重要的生产资料之一，是一 种不可再生的有限的宝贵资源。随着社会的发展与进步，土地资源的合理和有 效利用变得越来越重要，直接关系到社会的可持续发展。中国是一个地域广阔、 资源类型多样、土地利用类型和土地利用结构复杂的国家。人口多，耕地少， 耕地后备不足是我国的基本国情。加强十地管理，切实保护耕地是我国的治国 之策。要加强土地管理，就必须首先掌握有关土地利用的各种信息，这就需要 随时保持土地利用数据库处于最新的状态。 土地利用是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动。对土地利用的 定义学术界还没有统一的概念。国际地学与生物圈研究计划( i n t e n a t i o n a l g e o s p h e r ea n db i o s p h e r ep r o g r a m ，i g b p ) 与全球环境变化人文计划( h u m a n d i m e n s i o n so fg o l o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g ep r o g r a m m e ，h d p ) 认为“土地利用 是指人类利用土地的自然属性和社会属性不断满足自身需求的行为过程”；史 培军，宫鹏等认为“人类根据土地的自然特点，按照一定的经济、社会目的， 采取一系列生物、技术手段，对土地进行长期或周期性的经营管理和治理改造 活动”。土地利用状况及其变化，对区域乃至全球的生态环境有重要影响， 影响着社会经济的持续发展。土地利用作为人类生存环境演变和社会经济发展 的重要决定因素，及时准确掌握各种土地利用类型的数量和空间分布，是政府 和各级土地管理部门制定管理政策和落实各项管理措施的重要基础和科学依 据。 在众多的全球变化问题中，土地利用覆盖变化是引起其他全球变化问题的 主要原因，同时又是自然与人文过程交叉最为密切的问题。目前“土地利用 覆盖变化( l a n du s ea n dc o v e rc h a n g e ，简称l u c c ) ”研究己成为i 地科学、地 球系统科学、全球环境变化及可持续发展研究中的核心领域，研究前沿和热点 课题，许多国际组织和国家也纷纷启动了各自的l u c c 。土地利用和土地覆盖 在学术界还没有严格界定，总的来说前者侧重于土地的社会属性，后者侧重于 第一章引言 土地的自然属性。土地利用变化是土地覆盖变化的原因，也是土地覆盖变化的 响应，土地利用和土地覆盖变化之问的相互作用是一个自然学科和社会学科的 交叉研究领域心。3 3 。本文侧重土地利用变化方面的研究。 进入新世纪以来，我国土地资源供需矛盾尖锐，形势严峻。我国土地资源 总量丰富但人均贫乏。根据国土资源部公布的数据，从1 9 9 6 年到2 0 0 4 年，全 国耕地面积由1 9 5 1 亿亩减至1 8 3 7 亿亩，是世界上耕地资源消耗速度最快的国 家之一。而随着人口不断增加，我国人均耕地面积迅速下降。在人口总量持续 增加同时，人们食物消费结构随着生活质量提高也有很大改善，加剧当前并未 得到妥善解决的粮食安全问题。粮食安全压力长期存在并可能加剧，对耕地利 用提出更高要求。工业化迅猛发展导致工业用地规模不断扩张，尤其是“重型工 业”的加快发展进一步增大对土地资源消耗。城市化进程的快速推进继续挑战耕 地资源保护。另外大量人口向城镇转移必将直接带动城镇住宅用地和各类公共 基础设施用地需求迅猛增加，而城镇扩张又在很大程度上通过侵占耕地来实现， 耕地资源保护面临极大挑战。土地资源的合理利用和保护实在是当务之急。 在经济高速增长的中国，土地资源的有限性及利用方式的不可逆转性，在 这种需求的压力下经历着前所未有的利用方式和质量的变化，这些变化将对地 球资源与环境产生深远的影响，迫切需要加强与提高在新空间信息理论和技术 的支持下开展土地资源利用与管理的理论方法研究。为了我国社会与经济的可 持续发展，确保人民的温饱问题和生活质量不受损失，合理的开发和利用土地 资源，确保耕地的数量和质量，国家已经实行严把土地“闸门”、紧缩地根的政 策陪副。因此，及时有效地监测地表变化，更新相关的地理信息系统，为资源管 理与规划和环境保护等职能部门提供科学决策的依据也是十分必要的。 1 2 土地利用变化监测与遥感技术 要开展土地利用变化研究，首先必须及时准确地获得大范围的与土地利用 覆盖状况及其变化有关的各种信息。遥感是人类利用对地观测技术来获取信息 的重要手段，无疑是监测地表变化的最佳技术手段之一。应该说，雷达、卫星、 计算机的发展，产生了人类空间对地观测及其科学信息获取手段的革命。 遥感技术使用空间平台( 卫星、飞机等) 搭载仪器，以电磁波与地球大气、地 表、海洋环境相互作用形成的散射、辐射作为手段进行观测。工作波段从最初 2 第一章引言 可见光摄影，经过红外热辐射探测，发展到2 0 世纪7 0 年代后的微波、毫米波遥 感。遥感数据的获取方式也呈现多传感器、多平台和多角度的特点，遥感数据 也向高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的方向发展。 不断发展的高空间分辨率遥感数据能够提高遥感信息的提取和监测精度， 同时也拓展了遥感数据的应用范围。高空间分辨率的卫星遥感影像通常是指像 素的空间分辨率在1 0 米以内的遥感影像。早期高空间分辨率传感器的研制与应 用主要是在军事领域，以大比例尺遥感制图和对地物的分析和人类活动的监测 为目的。2 0 世纪9 0 年代以后才逐渐进入商业和民用领域的范围，并迅速地发展 起来。目前高空问分辨率的卫星遥感数据主要有法国s p o t 5 全色光谱数据( 分辨 率2 5 m ) ，印度l r s 卫星全色光谱数据( 分辨率为5 8 m ) ，q u i c k b i r d ( 分辨率为 o 6 1 m ) ，o r b v i e w 1 ( 分辨率为1 2 m ) 和i k o n o s 卫星全色光谱数据( 分辨率为l m ) 等 1 。不断增长的数据量和遥感应用的实效性要求遥感信息处理和分析方式不断革 新，急需要发展自动的遥感影像特征分析、提取和变化检测技术。因此，研究 高空问分辨率影像的信息提取和分析技术具有较强的现实意义。同时如何准确 快速地利用遥感数据发现变化、如何自动地从影像中提取变化区域等理论和技 术对于遥感技术今后的发展具有十分重要的意义。其中，针对多时相的遥感影 像的变化信息自动化检测分析无疑是急需解决的关键技术之一。这要求我们必 须发展快速可靠的遥感信息变化监测技术。 变化监测技术主要依赖于辐射亮度值或局部纹理的变化。这些变化可能是 由于地表覆盖的真实变化引起的，或者是由入射角、大气条件、传感器精度、 地面湿度等条件变化引起的。使用遥感数据进行变化监测的基本前提是，由感 兴趣的对象本身变化导致的辐射值或局部纹理的变化，与由不感兴趣的事件( 诸 如大气条件、入射角和视角、土壤湿度、季节、天气、潮汐等) 导致的变化是具 有可区分性的 1 。变化监测是一种基于不确定性推理的高分辨率遥感影像变化监 测研究，其目的就是找出感兴趣的变化信息，而滤除那些作为干扰因素的不相 干的变化信息。 从卫星遥感影像上提取地表变化信息的研究可以追溯到七十年代末，由于 卫星数据可以提供有重复访问的数据，一些研究者尝试利用卫星遥感数据进行 变化监测阳1 。早期的遥感影像变化监测由于受到当时的技术条件的限制，主要是 通过人工目视解译来进行的，但目视解译方法要求解译人员具有丰富的目视判 读经验，难以保证前后一致性，因而在实际应用中具有很大的局限性。目前在 第一章引言 国际上，寻找快速、自动的变化监测方法的研究日益受到重视。但目前大多数 方法对用于变化监测的影像数据要求严格，对不同时期的辐射度差别、噪声等 因素的影响比较敏感，缺乏自动高效的变化信息( 变化区域、变化类型等) 提取和 分析方法。因此有必要在总结归纳前人研究成果的基础上，深入研究变化监测 的相关理论和具有普适性的变化监测方法，努力形成相对完整的变化监测工作 流程和技术体系。在现有的各种成像遥感系统中，以s p o th r v 为代表的高分辨 率星载多光谱遥感探测器的发展历史和运行时间最长，研究应用最为广泛，它 们所获取的数据由于具有合适的空问、光谱和时问分辨率，以及相对低廉的获 取和使用成本，使其使用面较广。本文以s p o t 5 遥感影像作为土地利用变化监测 的研究对象，讨论s p o t 5 遥感影像土地利用变化监测的概念、理论、技术框架以 及方法问题。 1 3 土地利用遥感变化监测国外研究动态 国； i - n 用遥感技术对上地利片j 的研究至少可以追溯至2 0 世纪2 0 年代阳1 。 以美国为例，早在1 9 2 2 年，l e e 的从空中看到的地球表面就表述了利用遥 感手段研究自然景观与人类活动关系的可行性和重要性，但当时航空摄影技术 还仅仅用于拍摄地而军事目标和地形勘测等方面。第二次世界大战后，出现了 更为广泛和系统的利用航空像片进行区域范围土地调查与制图研究。此后，航 空像片被迅速推广到地质勘测部门及区域范围内土地覆盖和土地利用等方面， 这一阶段的研究成果也载入了有关文献( a n d e r s o n ，1 9 6 1 ) 。2 0 世纪5 0 年代以来， 随着空间技术的迅猛发展，出现了从宇宙空间进行侦查或探测的航天遥感技术。 后来由于保密级逐渐放宽，航天遥感在国民经济各部门中得到广泛应用，人们 开始探讨利用遥感资料进行大范围土地利用制图的可行性，包括发展适用于遥 感数据特点的土地分类系统及分类方法( m a r s c h n e r ，1 9 5 9 ；a n d e r s o n ，1 9 7 6 ) 。 2 0 世纪6 0 年代后期，美国密执安环境研究所对土壤、岩石和植被等进行了大 量的波谱测试工作，证明了地球资源卫星在勘测、监视和管理地球资源等方面 效果显著。 1 9 7 2 年美国发射的第一颗人造陆地卫星( l a n d s a t ) 开创了利用卫星遥感技 术进行大范围土地利用调查的新纪元。此后，各国学者纷纷致力于探讨利用卫 星遥感技术动态监测土地利用变化的方法。 4 第一章引言 国外利用遥感技术进行土地利用研究和应用的典型案例有： ( 1 ) 美国于 1 9 7 仁1 9 7 7 年进行大面积农作物估产计戈i ( l a c i e ) ，对美国本土、加拿大、前 苏联及其它地区小麦种植面积、产量进行估算。1 9 8 0 年至1 9 8 6 年开展了全球 性农业和资源空间遥感调查计划( a g r i s t a r s ) 。9 0 年代中期，利用t m 影像按 州进行土地利用调查。目前，美国正在利用遥感技术进行全国抽样调查。( 2 ) 世 界上应用遥感技术较为发达的国家之一的加拿大，从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，其中以 城市及其边缘区、重要资源区为监测重点，突出对优质耕地变化的监测。到9 0 年代初期加拿大已经建立了全国土地利用遥感监测系统，利用遥感、地理信息 系统技术对全国资源状况进行周期性调查与更新。( 3 ) 澳人利亚目前正在进行士 地评价计g l j ( a u s t r a l i a nc o l l a b o r a t i v el a n de v a l u a t i o np r o g r a m ) ，通过在各社团组 织、私人企业和政府之间，完善对土地资源信息获取和使用的于续过程，鼓励 持续进行土地利用和环境保护。( 4 ) 欧共体自1 9 9 2 年以来开展了利片j 遥感技术 监测欧共体国家耕地、农作物变化的大型计划，即m a r s 计划。该计划规定采 用抽样遥感监测方法每两周向欧共体总部提供监测报告。( 5 ) 日本为了保障土地 利用规划的资料供应成立了全国土地利用情报报务系统，以红外天然彩色航片 为基础，进行土地利用现状图的编制，同时制定了由4 0 万个l k m 2 小格组成的 全国标准网络系统，存储土地利用数据，形成数据库，进行计算机管理。 另外，加拿大、澳大利亚这些疆域辽阔的国家，在经济活动少的荒漠区、 在人口稠密地区使用航空遥感方法；法国将卫星遥感资料作为土地监测的辅助 资料配合航空遥感和地面调查作样点布设；美国及西欧一些国家为泰国、墨西 哥等第三世界国家制作中小比例尺的土地利用图。面积小而经济发达的瑞士为 及时掌握土地利用变化状况，7 0 年代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。当前，国际上大范围内土地利用遥感技术发展的特点 是美国处于领先地位，俄罗斯落后于美国，然后是西欧、加拿大、日本等国， 许多第三世界国家都把遥感技术作为关键技术在土地利用中加以采用。总之， 遥感技术在全球性土地利用中起着越来越重要的作用。 第一章引言 1 4 土地利用遥感变化监测国内研究动态 我国土地利用遥感动态监测研究始于7 0 年代，典型的例子是中科院主持的 “腾冲县大型综合航空遥感实验研究”项目，包括利用航片进行土地资源、土 地类型、农业环境、农业区划制图等研究内容叫。 8 0 年代初期，在国家计委国土局、国家自然科学基金委和全国农业区划办 公室的资助下，由中国科学院地理所主持，历时9 年编制了中国1 ：1 0 0 万土地 利用图，为我国土地利用研究奠定了良好的基础。 1 9 8 4 年我国组织了全国范围内以县为基本单位的土地利用现状详查，到 1 9 9 6 年完成。中东部主要采用航空遥感与地面调查相结合，而西部人口稀少的 地区主要采用卫星遥感的方式。这是我国有史以来第一次开展的全国统一标准 的土地详查，改变了中国土地利用类型面积不清的状况2 叫引。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提供基础资料，为我国开 展全国区域尺度的土地利用动态监测提供完整的、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上地覆盖计算机分类与土地利用的专题研究。此外还应用 t i 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l ：5 0 万) ；黄土高原地区土地利用变化遥感监测射；黄淮海地区水域动态变化的遥感 监测等。“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 至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引，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 6 第一章引言 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。 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 s p ) 和全球环境变化中的人文领域项目( h d p ) 的开展，“九五”期 间，我国在全球变化研究项目中涉及多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州e c y ) 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 9 9 9 年，在国土资源部的统一部署下，开展了国土资源大调查的土地利用 动态遥感监测项目，该项目从1 9 9 9 年开始，每年一次，连续1 2 年利用高分辨 率卫星影像，对全国5 0 万人口以上重点城市、经济快速发展地区和重大工程地 区的土地利用变化进行动态监测，监测重点是各类建设用地占用耕地和非耕地 的情况。此举改变了过去主要依靠人工调查方法，难以直接、快速、全面、准 确地获取土地利用变化数据的落后局面，在全国初步建立了高速、有效的土地 监控体系，进一步深化了遥感等高新技术的产业化，切实加强了土地保护和利 用的规划管理，为保护我国珍贵的土地资源提供了有力保障，为国家宏观控制 和政府决策提供了科学依据u 刚。 “十一五”国家科技支撑计划重点项目“全国主体功能区规划遥感地 理信息支撑系统关键技术研究”中的“主体功能区规划与土地利用规划一致性 评价与规划协调方法”子项。2 0 0 7 年1 月国务院开始肩动“第二次全国土地调 查”工作，2 0 1 0 年以后全国每年进行一次土地变更调查。这些都需要及时的土 地利用现状数据为支撑。综观我国土地利用遥感动态监测，在技术手段上经历 了从航片调查到t m 资料为主，再到利用多源、多分辨率卫星影像与野外核查 相结合的过程；影像信息提取经历了早期人工目视判读、手工编绘及面积量算， 中期( 上世纪8 0 年代中后期到9 0 年代初期) 结合g i s 技术的人工判读、手工编 第一章引言 绘并数字化及计算机量测汇总，再到目前遥感与g i s 一体化的人机交互判读及 计算机量测汇总阶段。 1 5 现有遥感变化检测方法的分类 在遥感影像的变化检测方面已存在许多较为成熟的方法，这些方法归纳起 来主要分为如下几种： l 、基于差异图像( d i f f e r e n c ei m a g e ) 的分析方法 在该类方法中比较典型的方法有差值法、比值法、主成分分析法、变化向 量分析法、特征图像法( 对原始图像提取如亮度、植被指数、纹理等特征，然后 再创建差异图像) 等。这类方法的共同特征是基于一种数学运算求出不同时相影 像的光谱差异，然后对差异图像进行分析提取变化信息，属于像元比较法。 2 、分类后比较法 分类后比较法是对不同时相的影像分别进行分类，提取出感兴趣信息，然 后逐像元进行比较。该方法的难点是对两个时相的影像进行自动而准确的分类。 因为分类误差将累计到变化检测结果中去( p i l o np ge ta l1 9 8 8 ，q u a r m b yn a e t a l1 9 8 9 ) 。近年来出现了一些新的倾向于句法模式的分类方法，如人工神经网络 方法，模糊数学方法，决策数方法，专家系统方法等，使其分类精度有了大幅 的提高( 王一达等，2 0 0 6 ) 。 3 、特征分割法 特征分割法是对图像进行分割，首先分割出各种目标物( 如线状或者面状地 物等) ，然后逐个目标进行比较，该方法广泛应用于基于高空问分辨率影像( 如 q u i c k b i r d 、i k o n o s 或者航空影像) 实现城市变化的检测。 1 6 土地利用遥感变化监测现存问题 总的来说，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， 第一章引言 日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，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，但耗费人量的人力、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。 另外，现有的遥感影像变化检测方法中仍然存在一些困难和问题需要进一 步研究解决： 1 、缺乏完善的理论基础和合适的评价标准。 现有的变化检测方法主要是面向具体的应用提出米的，还没有系统地形成 变化检测理论。许多变化检测方法本身一些步骤、参数的确定依靠经验指导， 如数据选择，数据预处理，变化阈值的选取，变化检测方法的确定等。由于实 际应用时采用的影像空间、光谱、时域以及监测对象不同，使得采用不同方法， 结果差别较大，即使采用同一方法，结果差别也不尽相同。由于变化检测过程 涉及到许多处理步骤，比较复杂，对不同的变化检测以及司一方法在不同情况 下监测的结果缺乏一个有效的评价体系和方法。 2 、检测结果精度的不确定性 现有的变化检测方法处理过程可以分成两大部分：数据顸处理和变化检测。 变化检测处理往往要在预处理基础上进行，也就是说二者是串行处理关系，因 而预处理的结果对变化检测的结果有着非常重要的影响，特别是不同时相数据 都是遥感图像时，这种影响更为显著。例如，对于不同时相数据的遥感数据的 变化监测，图像辐射校正和几何配准精度对变化检测结果的精度有着十分明显 的影响，当采用分类后比较分类方法时，检测精度是不同时相遥感图像各自分 类结果精度的乘积( s t o w e ta l1 9 8 0 ) 。另外图像预处理带有许多不确定因素，高精 度的预处理结果在实际应用中往往难以获得，结果精度难以控制。预处理结果 精度与后续的变化监测精度之间的关系很难定量地描述，所有这些使得变化检 测结果在一定程度上具有不确定性。 3 、监测方法普适性差 现有变化检测方法大都是针对某些特定的应用条件而提出来的，从数据源、 监测对象、地面环境及精度要求都有特定要求，当这些条件发生变化时其效果 就会存在差异，有的甚至无法实施。 4 、变化检测方法仍多基于像素级数据 9 第一章引言 现有的变化检测方法主要还是停留在像素级的数据引导上。目前变化检测 方法模型主要是对不同时相的遥感影像进行处理，其前提条件是地物的时相变 化能够引起图像上像素值的明显变化。这类变化检测方法仅仅利用了图像灰度 信息，没有利用监测对象几何信息。由于图像灰度对地物的表达有一定的不确 定性，因而使得变化检测的结果出现伪变化。 1 7 本文主要研究内容 1 7 1 课题来源 为便于为广东省经济建设和土地管理工作提供准确的土地资源家底，科学 地制订规划，合理开发利用土地资源，有效地保护耕地，保障省国民经济和社 会的可持续发展，省国土资源厅向省政府申请了“广东省土地利用信息动态监 测系统建设”项目的立项，得到了批准。土地利用信息动态监测系统是省国土 资源信息化建设的一个蕈要组成部分，又是省国土资源管理工作中一项基础性 工作，也是省国土资源厅的一项很紧急、很迫切的任务。省国土资源厅正在实 施的基础测绘项目“数字广东地理空间信息基础框架”是骨架，“土地利用信息 动态监测系统”是血肉，它们一起构筑“数字广东”的基础，不仅将为国土资源 管理提供现代化服务，还将为我省国民经济建设其它领域提供服务。 “广东省土地利用信息动态监测系统建设”项目的目标是：在广东省国土 资源信息化工作总体框架下，采用航空、航天遥感技术对土地利用变化情况进 行监测，实现土地利用现状数据更新和数据共享两个机制，基本建成广东省土 地利用信息动态监测系统，满足土地管理和国土资源信息化应用的需要，达到 国内先进水平。改项目的建成对我省的违法用地执法、基本农田保护区的规划、 保护、指导市县土地利用变更调查起重要推动作用。 根据大范围的土地利用变化动态监测的要求，通常监测周期为一年，主要 的数据源为高分辨率卫星影像，而受获取数据的影响，用于变化监测的影像可 能为多源影像，也可能同源不同季相的影像，特别对于同源不同季相的影像将 会产生同物异谱、异物同谱的现象，这就不利于影像的自动变化检测。为尝试 同源不同季相的影像的自动变化检测，消除同源异谱、异物同谱的影响，寻求 一种合适的自动变化检测方法，本文以此为研究目的，结合广东省土地利用动 l o 第一章引言 态遥感监测实践，研究基于s p o t 5 卫星遥感数据不同时相、不同季相数据的土 地利用变化监测方法，以期实现提高变化监检测的自动化程度与变化监测的精 度的目的。 1 7 2 本论文结构 第l 章引言，介绍了本文研究的背景及意义，国内外土地利用变化监测的研 究现状及现有变化监测方法的分类和不足；然后对本文研究的课题来源、研究 目标以及主要研究内容进行了介绍。 第2 章首先简要介绍了基于遥感影像土地利用变化监测的一般流程，然后重 点介绍了s p o t 5 遥感影像的辐射校正，以期通过影像的辐射校正消减不同时相 “同物异谱、异物同谱”现象对变化监测精度的影响。 第3 章对当前国内外土地利用变化信息自动发现方法进行了归类，并有针对 性的对部分方法进行了实验。重点介绍了利用数据融合自动发现土地利用变化 信息方面做出探索，提出不同时相遥感影像问的交义融合、影像的差值与比值 融合，及在运用小波变换进行土地利用变化监测方面做出一些探索。 第4 章是在对第三章研究基础上，利用粤西地区一景不同时相、季相的两期 s p o t 5 影像，分别采用本文提出的直接交叉融合、差值交叉融合、差比值交叉融 合和两次主成分法进行土地利用变化信息自动监测试验，并对其各自的结果进 行评价分析。 第5 章是在自动发现土地利用变化信息的基础上，研究将土地利用发生变化 的区域以区域( 二值图像) 或边界的方式自动分割出来。本文着重研究基于阈值分 割和基于p h o t o s h o p 彩色图像分割的分割方法进行变化图斑的自动提取，并对 其各自分割得到的二值图像进行比较分析。 第6 章结论部分是对本文研究的总结和对未来的展望提出有待进一步深入 研究的问题。 第二章遥感图像变化监测的技术路线 第二章遥感图像变化监测的技术路线 遥感影像的变化监测就是从不同时间获取的遥感数据中，定量的分析和确 定地表变化的特征和过程的技术。目前随着全球环境变化研究的兴起，应用遥 感影像对各种地表变化进行识别和提取己经成为遥感技术发展的重要方向和热