基于3S技术的土地利用动态变化的研究

1、1引言土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础。没有了土地，人类将无法生存。然而，随着人口的增长和经济的发展，土地机构发生了明显的变化，相继出现了一些如植被减少、乱占耕地、土地沙漠化、环境质量下降的问题。因此，及时、准确的掌握土地资源的数量、质量、分布以及变化趋势，直接关系到国民经济的持续发展。随着计算机技术的发展，全球定位系统、遥感技术和地理信息系统已是进行资源环境研究的重要技术手段。利用“3S”技术，可以对多时相高分辨率的遥感影像进行土地利用动态信息提取，为土地管理部门提供决策支持和战略决策依据。2.“3S”技术以其应用2.1GPS技术GPS又称为全球定位系统（Global Position

2、ing SystemGPS）是美国从上世纪70年代开始研制历时20年耗资200亿美元于1994年3月完成其整体部署实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力现在GPS于现代通信技术相结合使得测定地球表面三维坐标的方法丛静态发展到动态丛数据后处理发展到实时的定位与导航极大地扩展了它地应用广度和深度。载波相位差分法GPS技术可以极大提高相对定位精度。在小范围内可以达到厘米级精度。此外由于GPS测量技术对测点间地通视和几何图形等方面地要求比常规测量方法灵活、方便已完全可以用来施测各种等级地控制网。GPS全站仪的反展在地形和土地测量以及各种工程、变形、；地表沉陷监测中已经得到广泛应用在精度、效率、成本等方面

3、显示出巨大的优越性。GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。2.2 RS技术RS技术即遥感技术（Remote Sensing，简称RS），遥感技术是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地理的电磁波信息，并通过对这些认息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术，可用于植被资源调查、作物产量估测、病虫害预测等方面。 遥感技术包括传感器技术，信息传

4、输技术，信息处理、提取和应用技术，目标信息特征的分析与测量技术等。 遥感技术依其遥感仪器所选用的波谱性质可分为：电磁波遥感技术，声纳遥感技术，物理场（如重力和磁力场）遥感技术。 电磁波遥感技术是利用各种物体/物质反射或发射出不同特性的电磁波进行遥感的。其可分为可见光、红外、微波等遥感技术。按照感测目标的能源作用可分为：主动式遥感技术和被动式遥感技术。按照记录信息的表现形式可分为：图像方式和非图像方式。按照遥感器使用的平台可分为：航天遥感技术，航空遥感技术、地面遥感技术。按照遥感的应用领域可分为：地球资源遥感技术，环境遥感技术，气象遥感技术，海洋遥感技术等。2.3 GIS技术GIS(Geogra

5、phic Information Systems,地理信息系统)是多种学科交叉的产物，它以地理空间为基础，采用地理模型分析方法，实施提供多种空间和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。其基本功能是将表格型数据（无论它来自数据库,电子表格文件或直接在程序中输入）转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览，操作和分析。其显示范围可以从洲际地图到非常详细的街区地图，现实对象包括人口，销售情况，运输线路以及其他内容。地理信息系统（GIS）技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，在资源与环境应用领域中，它发挥着技术先导的作用。GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资

6、源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。2.4 3S集成技术3S集成技术是指将上述三种对地观测新技术及其它相关技术有机地集成在一起，是目前对地观测系统中空间信息获取、贮存、管理、更新、分析和应用的三大支撑技术。总的来说，RS与GPS为GIS提供高质量的空间数据，而GIS则是综合处理这些数据的平台，并且反过来指导RS与GPS的数

7、据的采集，它们是个有机的整体（1）。3S技术中，RS相当于传感器，进行数据采集；GPS相当于定位器，进行实时定位；GIS相当于神经中枢，进行空间分析和综合处理。三者有机结合，能够准确的把握土地利用资源利用变化区域的特征，实现土地资源的动态监测，有着传统调查方法无法比拟的优越性3基于3S技术的土地利用动态变化的研究 3.1 遥感数据的选择与预处理3.1.1 遥感数据的选择关于遥感数据的选择，可以根据研究对象的空间尺度和指标，采用不同的遥感平台及数据。土地利用变化状况因其时间上和空间上的不确定二呈现出十分复杂的地表形态，卫星数据以其宏观、快速、准确、实时的特点被广泛的应用于土地利用动态监测中。对于

8、省市或区县级尺度以上的土地利用动态变化研究，陆地资源卫星Landsat遥感数据是十分有效的，Landsat TM/ETM数据的多光谱性、空间分辨率、可获取性、性能价格比等，目前依然是其它遥感数据无法比拟的。在实际的应用研究中，最理想的是选择几何畸变小、影像质量高、无噪声、获取季节相同或接近的多时相遥感图像，这样可以减少因季节差异二产生的伪变化信息，提高土地利用变化监测的精度。3.1.1 遥感数据的预处理3.1.1.1遥感图像的校正与配准由于卫星遥感影像在成像过程中受到很多因素的干扰，是从卫星传感器上获取的影像发生了畸变，主要包括辐射畸变和几何畸变。由传感器的灵敏度特性、太阳高度角及地形以及大气

9、的影响而产生的畸变成为辐射畸变。这种畸变可以用严格的数学公式加以描述来校正，称为几何粗校正。一般从地面卫星站获取的遥感影像都经过了几何粗校正。另一种畸变是由于地球曲率、地形起伏等因素引起的遥感影像上地物的几何位置发生了变化，产生了地物大小与像元大小不对应、行列不均匀、地物不规则变形等畸变，主要表现为位移、旋转、缩放、仿射、弯曲等。为了保证遥感图像的后续处理结果的可靠性和准确性以及具有标准的地理空间坐标以便于进行空间分析，就需要进行几何精校正。几何精校正就是指从具有几何畸变的图像中消除畸变的过程，即定量的确定图像上像元坐标与目标物中的地理坐标的对应关系。几何精校正包括两方面：几何位置变换和图像灰

10、度重采样。几何变换的方法主要有多项式变换、共线变换、随机插值变换。而灰度重采样的方法包括有最邻近发、双向线性内插法、三次卷积内插法。最邻近法简单易用，计算量小，但处理后的图像亮度具有不连续性，影响精确度；双向线性内插法精度明显提高，特别对亮度不连续现象和线状特征的块状画现象有明显的改善，缺点是计算量增加，且对图像起到平滑的作用，是对比度明显分界线变得模糊；三次卷积内插法有更好的图像质量，细节表现更为清楚，但是计算量很大。3.1.1.2 遥感图像增强处理为了使图像上感兴趣的特征得以加强，使图像变得清晰、解译性高，通常要进行遥感图像增强处理，以便于显示、观察、进一步分析与处理。图像增强包括空域增强

11、方法和频域增强方法。空域方法又可分为点运算（线性变换、非线性变换、直方图修正、图像间运算）、邻域增强（图像平滑、图像锐化）、彩色增强（假彩色增强、伪彩色增强、真彩色增强）；频域方法包括低通滤波、高通滤波、同态滤波。3.2 遥感数据融合图像融合是将多种遥感平台，多时相遥感数据之间以及遥感数据与非遥感数据之间的信息组合匹配的技术。 数据融合是通过对某一研究对象的多源遥感图像数据进行综合分析处理，产生比较单一的信息源，从而实现对地物更精确、更可靠的分析和识别。其优点是扩大时空覆盖范围、提高图像的清晰度和空间分辨力，减少模糊度，增强解译精度和动态监测能力，以及有效的提高遥感图像的利用率（2）。不同遥感

12、数据具有不同的空间分辨率、波普分辨率和时间分辨率，如果将他们各自的优势综合起来，可以弥补单一图像上的信息的不足。这样扩大了各自信息的应用范围，而且提高了遥感影像分析的精度。数据融合可分为两种：一是用于变化信息提取的数据融合，将同一时相的全色数据和多光谱数据进行融合，主要是为了增强地类边缘的清晰度，提高目标识别精度；将不同时相的多源影像进行特征变异融合，主要是为了突出变化信息，保证变化数据的统计精度；二是用于背景图制作的数据融合，要求数据融合的结果清晰，色彩鲜艳，有较好的目视效果，以利于非专业人员的应用。3.3 土地变化信息的提取土地利用变化信息是指在特定时间内，土地利用在位置、范围、大小、属性

13、等方面的变化以及变化的类型。通过遥感影像的光谱特征和结构特征将这种变化集中的反映出来，具体表现为色调、颜色、纹理、形状、大小等变化，为人们快速准确的确定变化信息提供了数据支持。土地利用变化信息提取是土地利用动态变化研究中的一个重要步骤。主要是通过计算机与人工识别相结合，提取出土地利用变化在多时相遥感影像上的表现信息，并进行处理和数理统计，从而输出变化信息成果的过程。3.3.1 土地利用变化信息的发现变化信息的发现是变化信息提取中最关键的一步。变化信息发现的方式有三种：人工发现、自动发现、自动与人工相结合的方法。其中自动发现方法主要有光谱特征变异法、假彩色合成法、主成分分析法、分类后比较法等。3

14、.3.2 土地利用变化区域的提取由于遥感影像处理的复杂性，在处理不同影像时单一的变化信息提取的方法得到的模板不能反映全部地类变化信息，所以要求对变化信息的提取进行集中方法的综合应用。常用的方法有手工数字化法、区域生长法、图像分类法、阈值法和组合法等。3.3.3 变化类型的确定变化类型的确定方法是将变化模板叠加在两个时相的影像上，通过对比分析判断变化区域在；两个时相上对应的地物关系。当只凭影像特征难以确定地物类型是，可以参考相关资料或进行外业调查。3.3.4 变化信息的表示一调查区为单位，对图斑编号。图斑的顺序安装从左到右、从上到下的统一编号，编号不重复，且编号与图斑之间保证一一对应的关系。3.

15、4 数据的处理及分析3.4.1空间数据的更新1.图斑的变更：主要有图斑的增加、消失、分割、合并等几种类型。对于图斑的增加、分割、合并应以遥感影像或GPS数据为准，通过人机交互更新图斑边界赋给相应的属性。对于消失的图斑，则可直接删除改图斑并填充相应的图斑和属性。2.线状地物的变更：主要有线状地物的增加、消失、合并、分解、属性变更、线拓宽成面等类型。3.零星地物变更：包括零星地物的增加、消失和属性变化三种方式。由于零星地物在影像上难以判读出来，因此零星地类的增加一般要通过实地的调查和测量获取其权属、地类和面积。在增加零星地类处，可以在该处标记一种特殊符号，然后输入该零星地类的相应属性。零星地类的消

16、失，选择要进行变更的零星地类对象，系统从零星地类的图层中删除该零星地类，其面积增加到该零星地类的图斑中。3.4.2属性数据的更新根据外业调查记录与矢量图形连接，对相应的属性进行更新。地物的更新分为新增地物和消失地物，消失地物分为直接消失地物和由于图斑变更引起的消失，对于新增的地物采集后输入属性信息形成新增地物，记录新增地物的属性数据；直接消失的地物直接将其在矢量图层中删除，属性数据也随之删除；由于图斑变更引起消失的地物的属性特征则通过属性数据库进行修改。在更新土地线状利用图中，除了更新每幅图变化图斑和相应的属性以外，还应该重新建立拓扑关系，并将结果入库，更新数据库有关内容。3.4.3 对更新的数据库进行分析1.叠加分析：将统一区域范围内两个不同图层的数据叠加在一起，形成一个新的图层，通过叠加分析，可以产生土地利用变化图，在该图上标明了土地利用变化范围和分布区域。2.统计分析：对土地利用线状图和土地利用变化图上不同类型的图斑进行统计分析，求出各种类型变化的面积。将不同土地利用类型的面积绘制图表，比较土地利用类型在数量上的变化。通过GIS强大的查询、显示、分析等功能