基于3S技术的地利用动态变化的研究

基于3S技术的土地利用动态监测摘要：随着科学技术的发展，3S技术已经广泛应用于土地利用动态监测中。GPS具有对地理空间位置的精确定位功能；RS技术能够快速、试试的提供多波段、多时相、不同分辨率的信息；GIS技术具有强大的空间分析、处理功能。结合“3S”技术对土地利用动态变化进行监测，不仅能准确及时的提供土地利用现状信息，还能从宏观和微观两方面观察土地利用的变化。这对如何协调好人类活动与土地资源的关系，促进社会的可持续发展提供了重要的基础。关键词：3S技术；RS；GIS；GPS；土地利用动态监测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。1.“3S”技术以其应用1.1GPS技术GPS全称“GlobalPositioningSystem”。由美国国防部于20世纪70年代开始设计、研制，于1993年全部建成。经过20年，耗资超过300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大的空间计划。其目标为实时地提供三维位置、三维速度和高精度的时间信息，从根本上解决人类在地球上的导航和定位问题，以满足各种不同用户的需要。GPS系统由24颗工作卫星和3颗备用卫星组成。它们分布在6个等间距的轨道平面上，轨道面相对赤道的夹角为55度，每个轨道面上有4颗工作卫星，卫星的轨道接近圆形，轨道高度为2.01836万公里，周期约12小时。GPS能覆盖全球，用户数量不受限制。其所发射的信号编码有精码与粗码。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用。精码给出的定位信息比粗码的精度高。GPS系统能够连续、适时、隐蔽地定位，一次定位时间仅几秒到十几秒，用户不发射任何电磁信号，只要接受卫星导航信号即可定位，所以可全天候昼夜作业，隐蔽性好。在地理学领域中，对遥感图像进行处理、提取空间信息以及进行各种空间分析前必须进行几何校正，进行几何校正时需要地面控制点。如果利用地形图获得控制点对应地面点的位置，由于时空变化较快，有时很难在地形图和遥感影像中找到同名地物点；另外，在某些领域，控制点的选择和精度要求较高，要在土地利用图上找到控制点作为几何纠正的基础就更加困难。这是，GPS的精确定位功能就能够发挥很好的作用。GPS技术广泛应用于完成区域土地资源的外业调绘和数据采集工作中。1.2RS技术遥感，即遥远的感知，是非接触的、远距离的探测技术。一般指运用传感器对物体的电磁波辐射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征、状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。遥感（RemoteSensing）一词在1950年代提出，标志着遥感技术从传统的航空摄影测量将向更新更先进的地球表面信息获取技术的发展。现代的遥感技术是通过多光谱摄影及时获取丰富信息的，主要表现在它的传感器、高分辨率和多时相特征，随着空间技术、电子计算机技术的迅速发展，遥感技术已应用于很多领域如农业、林业、地质水文、海洋学、测绘测图、环境以及城市规划等方面。遥感技术是获取空间信息和时间序列信息的重要技术手段，由于土地利用特征具有明显的空间特点和时间特点，通过遥感获取的信息，看一回复和重现土地利用的空间信息和预测未来发展趋势奠定了坚实的基础，从而为更好的管理和使用土地利用状况时空信息提供有效的工具和手段。1.3GIS技术地理信息系统是有计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，支持空间数据的采集、管理、处理、分析和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。GIS独特的空间查询、空间分析能力以及可视化表达、地理过程的演变模拟和决策支持，使其广泛应用于政府国土、环境、人口等资源的调查、统计、分析、管理及决策，区域规划管理和城市基础设施，行业规划管理，大型工程规划设计、市场分析、商业与服务管理等方面。GIS目前在向集成化、产业化、社会化发展。已经成为一门综合性技术，GIS的相产业化发展势头强劲，GIS的网络化已成为社会热点。随着地理信息系统的不断地发展，在不久的将来，GIS会越来越大众化，日益融入人们的生活。1.43S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。2．基于3S技术的土地利用动态变化的研究2.1土地利用动态监测技术流程图1土地利用动态监测的流程2.2遥感数据的选择与预处理2.2.1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，LandsatTM/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。2.2.2遥感数据的预处理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。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。2.3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。2.4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。2.4.1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。2.4.2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。2.4.3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。2.4.4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。2.5基于GPS技术的外业调查2.5.1制作外业调查资料将发现的有变化的图斑所对应的区域加载地形图，制作外业调查工作底图，并根据需要制作外业调查表。2.5.2实地调查有变化的区域GPS采集变化区域主要分三种：1.点状地物如需测量点状地物，最好采用静态差分的方法记录数据，这样能够达到厘米级的精度。2.线状地物在测量中应将天线放在其中心线或设置一个天线偏移量进行移动测量，并记录下改线状地物的属性信息，并输入GPS接收机。3．面状地物最重要的测量对象，主要需要测量变化边界。从变化边界的起点开始，沿边界移动天线至终点，形成一个封闭的多边形。将采集的数据镜像内业差分处理，根据基准站和移动站得到的观测量，按某种差分算法结算处移动测量坐标值，形成土地利用变化数据层。2.6数据的处理及分析2.6.1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