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论遥感技术在土地利用动态监测中的应用3黄 福 奎(中国土地勘测规划院)摘要 包括机载系统在内的遥感技术是完成我国土地利用动态监测任务的基本手段。基于我国土地利用监测任务 的艰巨性和提交成果的层次性与多样性, 决定了所采用的技术手段应该是包括卫星遥感、航空遥感、地面调查、抽 样调查在内的综合方法。通过整体布局、合理配置形成有机的技术体系, 融合各种手段的优势, 达到综合功能的有 效发挥。随着卫星遥感资料分辨力的提高, 将扩大它在土地利用动态监测中的应用份额。关键词 遥感技术 土地利用动态监测 应用 前景1土地利用动态监测目的和任务认真考虑运用包括遥感技术在内的现代技术手 段开展我国土地利用动态监测, 建立切实可行的监测体系是我国土地管理部门的一项紧迫任务。土地利用动态监测的目的是及时、准确掌握土 地利用状况, 为政府决策、为各级土地管理部门制定 管理政策和落实各项管理措施提供科学依据。土地利用监测的任务是根据我国土地管理的需 要来决定的。我国的土地管理具有三个显著特点: 我国是社会主义土地公有制国家, 国家实行对全国 土地、城乡地政统一管理, 由国家土地管理部门和 省、地、县、乡的土地管理机构组成土地管理系统, 行 使管理全国土地的职责。 国家为了实现土地资源 的合理配置, 一方面要通过编制土地利用规划制定 土地利用计划等项措施, 从宏观上控制各类用地规 模、调整比例结构和空间布局, 以期土地利用实现最 佳经济效益、社会效益和生态效益。另一方面又要通 过建设用地全程管理等手段对单位和个人的土地供 给和使用进行具体管理与监督, 通过用途管制将土 地利用规划落实到乡、村以至每一地块, 从微观上保 证资源合理配置目标的落实。 我国人口多、耕地 少, 耕地保护是关系我国经济和社会可持续发展的 全局性战略问题, 是一项需要长期坚持的基本国策, 也是我国土地管理的中心任务。管理在于决策, 正确政策的制定依靠准确的信息, 也就是对情况及时、准确的了解, 同时信息又是执行政策的反馈, 土地调查和监测就是获取土地信 息和反馈土地政策、检验土地管理措施执行结果的主渠道。土地权属变化是由变更地籍调查来掌握, 土地利用状况则需通过土地利用动态监测工作来实 现。为落实中央决策, 为实现在我国采取世界上最 严格的措施来管理土地和保护耕地的目标, 根据我国国情, 土地利用动态监测应具有下列功能与特点:a监测重点是耕地变化和建设用地扩展。我国 耕地减少的主要去向是非农建设占地和农业内部结构调整, 农业结构调整占用耕地, 有可逆性特点, 耕 地尚能恢复, 而被非农建设占用, 耕地就难恢复, 毁掉了祖先的遗产, 所以监测非农建设用地扩展是重 点。监测成果的多样性。 为适应各级土地管理b机构的需求, 通过土地利用监测定期提供全国和各省、地、县的土地利用现状资料, 包括面积数据和反 映土地利用空间分布的图面资料。同时, 除开展按固 定调查项目连续监测外, 还需作固定项目的专题调 查。 例如, 对建设用地占而未用, 耕地撂荒、开发、复 垦和灾害毁地等专题项目的实时调查。c 监测体系的层次性。 为保证监测任务的完 成, 各级土地管理部门都应有相应的监测机构, 各级 机构互为关联形成体系, 体系设置包括国家、省、地、3 本文于 1998 年 1 月收到。中国土地科学第 12 卷22县若干层次, 各层次组成有机整体, 既要保证监测成果的统一性和可比性, 又能开展本辖区的监测业务, 提供本地区的监测成果。 在体系中拟分两个基本层 次, 一层是国家和省级的, 重点提供全国和全省的土 地利用宏观数字; 另一层是县、乡级的, 提供本辖区的土地利用资料。两个基本层次的监测指标、技术手 段和精度要求上可有区别, 但在监测指标和数据传 输的上下层面上应能接口。问题, 特别人类生存环境是当今世界关注的一个焦点, 也是卫星遥感技术的的热点, 土地资源和利用状 况的监测是环境监测的组成部分。遥感技术在土地管理业务工作中的应用, 由于 各国各地区的社会制度、自然条件、发展水平和管理体制上的差异, 需求不尽相同。 例如加拿大、澳大利 亚这些疆域辽阔的国家, 在经济活动少的荒漠地区 使用卫星遥感资料监测, 在人口稠密的发达地区则 使用航空遥感方法。如在法国, 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。 再如日本、西欧等一些国土面积小、经济发 达的国家, 土地基础资料完整, 按正常的管理程序 (包括定期航空摄影) 已可掌握满足土地管理对各种 信息的需要, 就无需利用遥感资料。但是很多国家都 在研究卫星遥感技术在土地利用监测中的应用, 并取得很大进展, 这些前瞻性研究将为扩大遥感技术技术要求的区域性。 我国地域广阔, 不同地d区之间的自然条件、经济发展程度和土地利用水平差异悬殊, 故可将全国土地分成若干类型区和重点 监测区, 不同地区的监测周期、方法手段和精度要求 上应有所不同。e技术手段的综合性。根据我国土地利用监测 的任务和要求, 在技术手段上宜采用卫星遥感、航空遥感、抽样调查和地面调查相结合的方法, 发挥各自 优势, 求得总体功能上满足各项需要。的应用提供技术支持。我国从“六五”开始, 就开以全国土地利用现状调查 ( 简称土地详查)展了遥感土地利用调查应用研究。 国家土地管理局成立以后, 在国务院统一布署下, 组织完成了全国县 级土地详查, 东部地区采用航空遥感为基本方法完 成比例尺 1: 1 万土地利用调查制图, 西部地区采用 卫星遥感和航空遥感相结合的方法完成 1: 5 万、1:10 万和 1: 20 万土地利用调查。 这一成果为各级政 府制定经济建设规划、计划, 为农业、工业、水利、能 源、交通等各专业部门制定规划、计划提供了可靠的数据资料、为各项土地管理工作提供准确依据, 已在 经济建设、农业生产和土地管理中发挥了重要作用, 也为我国开展土地利用动态监测提供了完整、可靠的本底资料。同时, 利用了 tm 、spo t 等多种数据,进行目视解译、分析和计算机自动分类制图等多项 试验研究工作, 在1996年至1997年运用 tm 等资料编制了19个城市和100个城市的城市扩展与耕地变化等内容的图面资料。 这些工作为发展遥感技术在 土地监测中的应用, 建立纳入土地管理业务系列的 监测体系提供了技术依据。实践证明, 卫星遥感技术在土地利用监测中的应用深度取决于两个方面: 一 是卫星遥感资料在土地管理部门的应用水平; 二是 遥感信息源对土地利用监测的适应性。3 土地利用监测对遥感资料的要求3. 1遥感资料分辨力 衡量卫星遥感资料在土地利用监测中应用效果f的数据和图件作本底资料。基于上述要求, 完成我国的土地利用监测任务 是一项艰巨复杂的工作, 需制定总体规划, 根据当前 急需和可能制订分期目标和实施计划, 循序渐进抓 落实, 分阶段完成各项任务。2 遥感技术在土地利用监测中的应用土地是存在于地球表面的自然产物, 土地位置 的固定性、面积的有限性、地域的差异性、利用状况的多样性和可变性, 决定了土地利用动态的监测是一项庞大复杂的技术工程。 由于遥感对地观测技术 具有覆盖面广、宏观性强、快速、多时相、丰富的综合 信息等优点, 人们对于卫星遥感在土地调查中的应用, 从卫星遥感发展初期就寄于厚望, 较普遍地应用 于土地调查制图与监测中, 美国、西欧等发达国家还 为泰国、墨西哥、肯尼亚等第三世界国家制作中小比 例尺的土地利用图。 土地是地球系统组成要素和基 本自然资源, 对土地资源及其利用信息的探测和研究, 不仅为国家制定土地利用政策提供依据, 而且还 作为地球系统科学的组成部分, 为研究全球和区域 环境提供基础资料, 加拿大环境部土地局对人为活 动稀少的育空地区和西北地区使用遥感技术作过土 地资源和土地利用调查, 其目的除为土地的利用和开发采集资料外, 还在于参与研究环境变化。对环境第 3 期黄福奎: 论遥感技术在土地利用动态监测中的应用23的主要标志是识别地类能力和地类面积量测精度。地类判读精度和面积量测精度主要取决于遥感资料 的分辨力, 同时也与判读地物的光谱特征有关。遥感摸拟图像或数字图像是由传感器记录各像 元素的光谱幅射强度值生成的, 各像元素的光谱幅射强度与相应的地物光谱亮度有关, 遥感图像上的 地物影像光谱特征是识别地物和属性分类的依据。 地物光谱亮度可用地 物光谱亮度系数来表示, 其数 值等于太阳辐射总通量照明在一个水平面法线方向 的单色光亮度和一个正交各向异性的全反射水平面法线方向单色光亮度之比。对正交各向异性表面, 亮 度系数等于反射率。在土地利用的判读目标中, 大都 属正交各向异性表面地物, 如林木、作物、草地、翻耕 地等。 对光滑表面具有镜面反射特性的地物 ( 如水 体、裸露的灌水田、光滑路面和墙面) 具有朝镜面反射方向拉长的亮度指示量。 不同地物的光谱亮度差 异在遥感器成像中形成了影像色调差异, 差异越大, 分辨地物越容易。两种地物的光谱亮度差异, 可用反 差振幅系数来表示。为了分析土地利用判读地面目标的反差振幅系数, 依据在华南地区测定的红壤、水体、岩体和多种 树、草等地物的地面光谱数据, 求得各种地物在 tm 图像 3、4 波段的反射率, 再按土地类型结构和植物 群落分布特征组分成19对地物, 顾及遥感器太空成 像的入射光线还受大气蒙雾散射光的影响, 在作大 气烟雾系数改正后, 计算出各对地物在 tm 图像 3、4 波段波长处的反差振幅系数。然后, 将各对地物分 成植被2植被、植被2裸地、岩体2水体三组, 求出各组 的反差振幅系数平均值。其数值: 植被2植被组在 3、4 波段处分别为0. 118和0. 126; 植被2裸土组分别为0. 501和0. 128; 岩体2水体组分别为0. 743和0. 964。 由上述数值可见, 植被2植被组系数值最小, 岩 体2水体组最大, 植被2裸地组居中。 就是说, 岩体与 水体分辨最容易, 而两种植被的分辨则较困难。在土 地利用监测的判读地物中, 既有植被覆盖的耕地、园地、林地、草地, 也有裸地 (包括土路)、水面和建设用 地。新扩展的建设用地上大多覆盖水泥结构的墙体、根据现有实践推论: 若单纯用卫星遥感方法作土地利用监测, 地面分辨力 3m的资料可满足土地详查 1: 1 万成图调查要求; 分辨力15m 的资料可满足1: 5万成图调查要求; 分辨力30m 资料能满足 1: 10万成图调查要求。 利用遥感信息作为土地监测的辅 助资料则不在此列, 需作专题试验。3. 2 遥感资料的覆盖面利用卫星遥感资料进行全国或全省土地利用监 测, 需要定期提供其辖区境界线内全面覆盖并具有 特定时效性的遥感资料, 这是开展土地利用监测工作的前提。目前看来解决这个问题并不容易, 就世界范围 看, 从现在到下世纪初将有大量的遥感卫星要发射, 据各国计划从1994年到2004年的10年中, 将要发射70多颗对地观测卫星, 但这些国外卫星仍难以满足定期覆盖我国全境的要求。 其原因一是当今世界卫 星遥感技术的热点是研究全球环境变化, 在研究全 球环境的发展计划中, 最代表性的可算是由美、加、英、日、澳、欧空局等参加的“对地观测系统”(eo s)计划, 这项经过10多年准备, 耗资100多亿美元的计 划集中了当今遥感技术之大成, 将要发射多颗卫星来研究全球性陆地和海洋气候过程、全球地表能量和水分平衡、温室气体和有害气体监测等。还有一系 列的国际性计划 (如 igb p 等) 都是为此目标而推行 的。 这些从全球性的角度来研究地球环境的卫星遥 感系统未必能提供适合我国土地利用监测所需的信 息; 二是象美国这样一些国家政府支持的公益性遥 感计划在不断收缩, 取代的是航天遥感商业化。按照 商业运营, 耗资几十亿美元的陆地卫星系统不可能 从各国用户对数据需求中得到补偿, 在政府减少拨 款的情况下只能中止和改变陆地卫星计划, 原计划 以1994 年发射的 l an d sa t26 为其关门星, 由于 6 号 卫星的失败而替代的 7 号卫星, 计划1998年发射, 能 否发射还要看发展。 目前世界上应用的主要遥感资 料仍来自1984年发射至今超期服役的 5 号卫星, 性 能的不断衰退为世人担扰。 遥感商业化的一种倾向 是追逐高分辨率和超高分辨率, 以美国拟议中的 e yeg lsaa 卫星为例, 地面分辨力为 1m , 尽管它采用 了先进探测器, 也只能获得15m 的地面覆盖宽度, 它的重覆周期要200 天, 再如今后几年将要发射的 美、俄、日本、以色列、印度等国的高分辨率卫星都是道路, 反射特征近于岩体。 以 tm图像 3、4 波段为例, 由于区分植被与裸地、水体、岩体比区分植被类型容易, 所以使用遥感资料作土地利用调查要比判 读植被类型的林业调查、农业作物调查会容易些。中国土地科学第 12 卷24类似。随地卫星重覆周期16天, 在我国南方地区云层笼罩, 一年也难接收一、二帧数据, 高分辨力小卫星 寿命不长, 要以此来定期收集全国、全省覆盖的信息 并非易事。商业化引起昂贵的价格, 也将会制约资料 的大量使用。 信息源的保证是必须考虑的一个重要问题。4 发展我国的土地遥感技术4. 1 发展我国自己的卫星遥感系统如前所述, 在没有解决适合于我国条件的遥感 卫星之前, 遥感信息源难以得到保证。在没有摆脱信息源受制于人的条件下, 不仅在土地管理日常业务 中不大可能获得应用, 即使作较大面积覆盖的应用 试验也很困难。4. 2做好遥感应用技术的基础工作 遥感技术在土地利用监测上要做出出色的成果, 必须做好定向基础研究和地面基础资料的积累。 既需研究遥感资料的合适光谱段、光谱分辨率、几何 分辨率、适时性等, 还需研究信息应用技术, 通过资 料收集和实地调查全面系统地掌握全国各地区的农 事历和物侯历、地形特点和覆盖特征, 各种土壤、各类植被和地表覆盖物在不同湿度、时相、季相下的波 谱反射特性, 以及它们在卫星影像上的颜色、形状、 纹理、阴影、相互关系和结构特征, 对卫星影像上反 映不出来的零碎地块需要通过实地作比例调查, 建 立遥感信息与各类地物和地类的对应关系, 为目视解译或计算机自动分类提供依据。 一项技术的实用化, 业务化研究比单纯的理论研究、方法研究更需加倍的投入。对于遥感技术在土 地利用监测中的应用并非是简单的引进, 技术引进 只是入门的向导, 土地要素的判读自有复杂规律、土地管理有自身的特殊要求, 只有既懂得遥感技术, 又 熟悉土地管理, 通过消化吸收达到自主创新, 才能从 遥感资料的浩瀚信息中提取能服务于土地管理工作 的有用信息。 土地遥感工作者的责任是促使遥感技 术对土地管理业务的介入和土地管理对遥感技术的吸纳, 这既要有宏大气魄和胆略, 也需要有认真的态 度和扎实的作风。遥感技术是一门现代科学, 科学是 探求未知领域真理的工作, 诚实是接近真理的先导, 扎实工作是取得成绩的基点, 只有打好工作基础, 循 序渐进抓落实, 遥感技术在土地管理中才会有所作为。发挥航空遥感技术的优势航空遥感具有分辨率高、荷载量大、机动灵活的 特点, 鉴于人们对高分辨率信息的需求, 航空遥感始 终是处于难以替代的地位。 即使在卫星遥感发达的 美国, 对经济建设、裁军计划和重要设施裁减计划的 监测, 也要依赖先进的航空遥感技术。美国在80年代 中后期曾执行了一项高空航摄计划, 利用超高空遥 感飞机获得覆盖全国的高分辨率航空遥感信息。 进 入90年代, 航空遥感更进一步受到国际遥感界的广 泛关注, 1994年和1996年先后召开第一届和第二届 国际航空遥感大会, 这两次大会无论在规模还是讨 论问题的涉及面在国际遥感会议系列中均属前列, 这也反映了航空遥感仍呈蓬勃发展的态势。发达国家土地管理部门所进行的土地利用调查 监测, 目前都是以航空遥感为基本手段。即使在幅员 广阔、人口密度稀少、土地利用管理要求并不严格的 加拿大, 对在土地利用强度高的全国27个主要城市 周围180km 范围的中心城市区和经济价值高的重 要资源区所进行周期为 5 年成图比例尺为 1: 2. 5万 的土地利用动态监测, 都是通过定期航空摄影方法 来完成的。我国是土地公有制国家, 土地要求统一管 理, 对土地利用调查的要求高, 加上我国在长期的小 农经济分散经营的耕作方式下形成地块面积小、形 状不规划、分布犬牙交错的特点, 致使土地调查难度 大, 所以不仅在我国的东部和中部地区, 目前仍需要 航空遥感手段来满足 1: 1 万成图要求, 而且用航空 遥感作点状或带状的抽样调查或典型调查, 也是补 充和检测卫星遥感调查的必要手段。目前, 航空遥感技术也在迅速发展, 从信息收 集、处理到应用都在经历一场重大的变革, 我国也正 在探索发展航空遥感的新途径, 被列为863计划308 主题中的三维信息获取与实时处理系统课题的 “八五”原理样机研制已通过国家鉴定。 该系统由扫 描仪、激光测距仪、动态差分 gp s 及姿态测量装置 的集成技术组成, 通过信息处理可以快速获得准确 位置的地学编码图像, 生成数字高程模型和正射像 片。 土地管理部门需密切注视和参与新技术的开发 研究与应用试验, 通过研究和引进可行的先进技术, 促使土地利用监测水平的提高。4. 4综合应用技术手段, 发挥整体效能 我国社会主义初级阶段的经济所有制结构决定4. 3第 3 期黄福奎: 论遥感技术在土地利用动态监测中的应用25了土地利用具有多元和分散的特点。 由于市场经济条件下利益主体的多边性, 对各级调查数字的准确 性监督和调查方法的选择提出了更高的要求, 为了 适应我国土地利用监测任务的艰巨性和提交成果的 多样性, 我国土地利用监测指标不能是单一的而应 有层次性要求, 所采用的技术手段应包括卫星遥感、 航空遥感、地面调查、抽样调查、重点调查等方法在 内的多种方法, 通过整体布局、合理配置形成有机的 技术体系。 发挥体系整体效能的关键在于各种方法 的融合, 取长补短, 发挥各自优势, 这里既需要理论 方法研究、也需实际试验。卫星遥感资料除可用作我国西部小比例尺调查 地区监测, 以及发挥它的实时信息优点, 配合其他方 法作土地管理中出现的某些“热点”、“难点”和“疑 点”的专题调查外, 重点应发挥它在国家和省级宏观 监测中的作用。 在通过卫星遥感资料获取宏观信息 的基础上, 布设随机样点和重点区与典型区的调查, 来补充和完善卫星遥感资料的解译成果。 为适应国 家和省级宏观调控的要求, 建议在全国和省级监测 中指标从简, 在保证监测重点是保护耕地和控制非 农建设用地前提下, 监测主项分农地、非农建设用地 和未利用土地三大块, 在农地中再分耕地非耕地(包 括园地、林地、草地)。指标从简就容易达到监测功能 快速、时效、灵活的目标。 对地、县、乡级监测也需要 根据新形势下土地管理的实际需要和可能条件, 审 视监测指标和要求。同时, 应该充分发挥卫星遥感资 料宏观性强的优势, 有效利用信息判读功能, 把卫星 数据和 gp s 相结合, 作为融合其他监测手段获取的 信息的媒介, 促进定位高速自动化和多维分析技术的实用化, 为 g is 提供现势信息源, 以求 g is 高动态分析决策能力的实现。4. 5结言 能否拓展遥感技术在土地利用动态监测和土地管理事业上的应用, 决定于三个条件: 一是土地管理的需求, 二是应用技术水平, 三是遥感技术本身的适 应性。对第一点已无可置疑, 我国在社会主义市场经 济条件下的土地管理事业尚属新的工作, 迫切需要 运用现代技术构建富有效能的决策支持体系。现在, 加强土地利用动态监测的工作不仅中央很重视, 而 且各级土地管理部门也都很重视,