3s技术在土地利用调查信息采集和处理中的应用

3s技术在土地利用调查信息采集和处理中的应用

一、空间信息动态监测与分析技术自sas技术出版以来，通过快速有效的数据采集、强大的空间数据处理分析和直观生动的地图数据表达能力，sas技术在空间信息收集、处理和应用方面的优势迅速体现，促进了相关技术的快速发展，并在土地、水资源保护、交通、农业、林业、军事等领域得到了广泛应用。从20世纪90年代开始,特别是随着国土资源大调查项目的实施,3S技术已全面地应用到土地资源调查评价领域,如利用GPS进行土地资源野外测量,通过遥感进行土地利用动态变化监测,利用GIS建立土地资源空间数据库并进行土地资源变化的空间分析与制图等等,为土地资源现状调查、变化监测、宏观调控等提供了有力的技术支撑。目前,遥感、GIS和GPS技术在空间信息获取与处理、海量信息管理,以及信息集成分析应用中已日益成熟,并达到产业化应用。关于3S技术的集成应用,国内学者也展开了一系列的研究,如中科院遥感所提出了“依靠遥感数据发现靶区、运用差分GPS进行动态测量、利用GIS进行空间数据的组织管理分析”的土地动态监测作业流程;中国土地勘测规划院、中国测绘研究院、东南大学等共同进行了土地变更调查现代化技术方法研究,提出了基于3S技术进行土地变更调查的现代化技术方法体系;北京林业大学利用3S技术进行了森林蓄积量估测的理论研究;王衍臻,石金锋等基于空间信息集成技术进行了数字园林框架体系的设计;陈秀万,杨凯欣等基于3S集成技术进行了城市应急救援联动系统的研究。为了推动3S集成技术在行业的应用,国家“863计划”支持了与空间信息有关的国内部分行业开展技术集成应用科技攻关,促进3S技术整体进步。查宗祥等通过3S集成应用示范,建立了国土资源行业3S应用的实用技术体系和技术流程,并形成了一系列可推广的技术产品。本文将着重阐述土地资源调查评价中3S应用的关键技术。二、3技术的发展趋势3S技术是全球定位系统(GPS)、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)的集成。GPS是利用人造地球卫星进行点位测量导航的技术;RS是指远距离不直接接触物体而取得其信息的现代化探测技术;GIS是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统,是分析和处理海量地理数据的通用技术。而3S技术集成则是指将这三种独立的技术与其他高新技术有机地集成在一起,是高效一体化的组合,而不是简单的叠加,以整体的模式去解决实际的问题。3S技术的发展表现为两个方面:纵向的深入和横向的集成。地理信息系统的发展趋势主要表现为:空间数据库趋向图形、影像和DEM三库一体化和面向对象;空间数据表达趋向多比例尺、多尺度、动态多维和实时3维可视化;通过Web服务器和WAP服务器的互联网和移动GIS将推进联邦数据库和互操作的研究及地学信息服务事业等。总之,GIS的发展总体上呈现网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性的发展趋势。遥感技术的发展主要表现为:航空航天遥感传感器数据获取技术趋向多平台、多传感器、多角度和高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率;航空航天遥感对地定位趋向于不依赖地面控制;遥感数据计算机处理更趋向自动化和智能化;利用多时相影像数据自动发现地表覆盖的变化趋向实时化等。全球定位系统的发展趋势主要表现为:GPS接收机正朝着高度集成、多功能、一体化的方向发展;GPS卫星系统的改善;美国对GPS政策的调整:SA政策提前终止,第三代民用频率已经启动;GPS应用越来越广泛,位置服务成为一个新的产业和发展方向。3S技术在纵向发展的同时,也趋向于内部之间的融合与集成。RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位,GIS进行相应的空间处理分析,以从RS和GPS提供的数据中提取出有用的信息,并进行综合集成。三、利用3gs-gis/pda辅助进行土地资源调查管理土地资源具有明显的区域和时间特点,而且为了适应社会经济发展的需求,人类对于土地资源的需求在不断地增加,因此土地资源还具有很强的动态变化性。为了掌握土地资源的现状及其变化信息,国家每年投入了大量的人力、物力和财力,然而即使是这样也很难适应土地资源调查评价管理的需要。因此,我们迫切需要利用3S集成技术辅助进行土地资源的调查管理工作,主要表现在以下几个方面:1.基于高分辨率遥感影像,直接解译土地资源现状信息,监测土地资源变化情况,并实现土地利用现状数据快速更新。2.利用GPS技术直接在野外完成土地资源的定点测量和修测。3.借助GIS管理海量的土地资源数据,实现多源异构数据的快速查询、实时更新和分析。4.规范三者的接口,确保数据流的无损转换。5.结合PDA、网络通讯等技术,实现GPS/GIS/PDA三者硬件上的集成,实现土地资源调查内外业的一体化。从而,提高土地资源调查和动态监测的效率,提升土地资源调查信息化水平。四、基于gps/gis的土地利用动态变化特征针对土地资源信息数据量大、信息来源多、空间分布和动态变化性强的特点,重点需要解决基于GPS/GIS进行土地利用日常动态变更调查信息的采集和处理、遥感数据大面积快速获取更新土地利用变化信息等关键技术,同时为下一步开发国土资源信息应用系统提供技术保障。1.基于gps定位和pc机的土地变更转将GPS,GIS技术与PDA技术相结合,建立用于集土地变更野外数据采集、内业处理、存储和数据更新为一体的便携式的且具有推广价值的作业系统。一方面,面向基层日常土地变更调查需要,在不影响作业效率的情况下,降低成本,对GPS定位解算采用事后差分处理方式,解算出满足精度要求的定位结果;另一方面,构建一个基于PC机的GIS平台,能进行土地利用变更调查的事后编辑与修改、成果输出及部颁标准数据库生成的一体化县级土地变更调查内业处理系统。建立基于GPS/GIS/PDA的土地变更调查信息系统需要解决以下关键技术。(1)用户站和gps卫星载波相位差分技术(RealTimeKinematic)的工作原理是由基准站通过数据链实时将其载波相位观测值及基准站坐标信息一起传送给用户站,用户站将接收的GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位组成相位差分观测值,通过实时处理确定用户站的坐标。由于土地利用变更调查对实时性要求不高,建立GPS事后差分解算模型,通过对两测站的载波相位观测值进行差分处理,最终获得的测站3维坐标能够达到厘米级精度,满足了土地利用变更调查对于定位的要求。(2)周跳探测与修复判断由于卫星信号失锁,计数器累计发生中断而产生的周跳并恢复正确的记数是GPS数据处理中的一项关键技术。在对周跳探测与修复的关键技术研究发现,采用高次差或多项式拟合法能够解决对探测大于3周的周跳进行探测和修复。但由于受接收机振荡器的影响,采用历元间高次求差并不能够探测小周跳(周跳小于3周)。因此,对于同一台接收机接收不同的卫星信号,利用其接收机振荡器的影响相同的特点,采用星际差分来探测与修复小周跳,以获得较高精度的观测值。(3)基于pda-gis的土地变更调查基于WindowsCE设计开发基于GPS/PDA/GIS的外业调查系统和内业处理系统。采用C语言进行GIS底层内容的设计,包括定义野外图斑变更点等图形基本元素以及在此基础上的元素管理、更新、编辑、信息查询和存取等。开发的PDA-GIS用于野外土地变更调查各类地物要素点、线、面的数据采集和相应的属性录入。野外采集完成后,利用PC-GIS系统进行数据回放传输,并已集成了基线解算、GPS事后RTK数据处理、基于GIS的土地图斑属性编辑、图斑面积计算等软件,且在自主开发的GIS平台上能轻松进行土地详查外业数据(及属性)的添加、编辑和删除,并能实现图斑面积的自动计算。对于目前主要用于县级土地利用情况调查,对象主要是一些现有农用土地图斑面积的测量及土地使用情况的调查,如地类、权属等,因此,设计开发的GPS/GIS/PDA集成系统具有较强的针对性。2.现状数据库更新的关键技术利用现有土地利用与遥感数据,研究基于多时相遥感数据和单时相遥感数据的土地利用现状数据库更新的关键技术,并建立可推广应用的工艺流程,重点是利用现有土地利用与遥感数据,实现自动化和效率较高的土地利用变化信息自动检测与提取,从而达到快速更新土地利用图的目标。因此,土地利用变化信息的自动检测效果是本研究的关键技术。(1)土地利用变化自动判别利用知识库信息和变化检测中实时计算的各统计量和特征值,构建距离最小规则、贝叶斯法则、多重判据法则、决策树判别模型等多种判别规则,用于对土地利用变化信息进行自动判别。(2)遥感变化类别的确定当具备更新期的遥感影像和已有的土地利用图件时,提出基于土地利用图斑单元的知识库变化信息自动发现方法,其流程如图1所示。具体做法是,将土地利用图件与遥感影像叠加,来判定新期影像上以前期图斑单元为单位未发生变化的完整土地利用区域和具体类别。即以前期图斑单元为单位,在土地利用图斑单元内训练各类别的样本,建立以统计信息为主体的各类型土地利用遥感信息知识库。然后以土地利用图斑单元或以像素为单位,以其所在土地利用类别信息为参考,在影像上计算相应统计特征值,结合层次决策法,与知识库中固有类别的遥感数据类别知识相比较,自动检测出变化与未发生变化的位置和区域,并通过与知识库中各类别知识的匹配确定并标识出具体的变化类别。另外对于跨图斑单元的检测和识别,采用影像分割技术将其分割为均一的两个图斑单元,以分割的图斑单元为单位进行特征计算,按照上述相同方法进行变化检测和类别识别。(3)影像特征信息匹配变化类别的识别在自动检测出变化的同时,利用计算的影像特征值,按照相应的决策规则,在知识库中与各类影像特征信息逐类别匹配自动识别。在类别数目过多时,由于“同谱异物”和“同物异谱”现象的存在,有可能出现类别识别的错误。鉴于此,利用层次决策法(例如首先识别出植被与建设用地,在此基础上进一步细分),多重判据和决策树方法是层次决策方法的有效途径。五、基础数据的增强、应用和完善基于gps-gis-pda将3S技术与网络、大型数据库等技术集成应用已经在土地资源调查中显示出了其优势,为更好地服务于土地资源调查,提高土地资源开发利用的科学性和合理性,需要不断利用遥感、GIS、GPS等技术进步,进一步优化3S技术集成应用的关键技术。1.GPS-GIS-PDA一体化土地利用变更测量与更新技术是未来土地利用基础数据日常更新的主要手段,今后将同时开展关键技术和软件产品的集成与整合,提高