综合利用3S技术辅助开展土地开发整理规划的研究_薛长生.pdf

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1、综合利用35技术辅助开展土地开发整理规划的研究薛长生,盛乐山2(,武汉 大学湖北武汉430079)(2浙江省土地勘测规划院浙江杭州 3 100 03)【摘要研究目的:探索一条快速、准确查明土地后备资源的位置、数量、质量等信息的技术方法。研究方法:R S、GI S与G PS技术相结合,多时相、多源遥感数据相结合,计算机自动处理与人机交互解译相结合以及内业处理与外业核查相结合等方法。研究结果:利用遥感技术(R S)可以有预见性地发现土地后备资源所在区域;利用全球定位系统技术(G玲)可以精确定位土地后备资源所在区域;地理信息系统技术(CI S)作为一个空间数据库平台,管理着大量的土地后备资源信息,并

2、利用其强大的空间分析功能分析和评估土地开发整理潜力。研究结论:实验证明利用35技术辅助开展土地开发整理规划的方法是快捷和高效的。关键词土地规划影像数据库3 s技术样本知识库近1 0年来,通过加强土地管理,浙江省耕地保护工作取得了一定成绩,耕地锐减的势头得到一定程度的控制,但由于浙江省人口基数大,增长压力大,人多地少的矛盾日益加剧,耕地资源严重不足已成为阻碍浙江省社会经济发展的重要因素。据统计:19%年底浙江省人均耕地 只有0.7 2亩,远远低于全国人均耕地1.1 7亩,不及世界人均耕地3.7 5的1/5;更为严重的是浙江省有 4 6个县级单位低于人均占有耕地的最低界限0.8亩,占全省县级单位的

3、5 3.4%。中华人民共和国成立以来,经过长期开发,浙江省土地后备资源相对贫乏,而农田整理、未利用地开发、建设用地复垦是增加耕地面积的有65效手段和根本途径。因此快速、及时、准确地查明浙江省土地后备资源的位置、数量、质量等情况,开展土地开发整理规划已成为当前非常迫切的一项任务。田凤山部长在20 01年全国国土资源信息化工作会议上强调:“要将信息技术有机地融人国土资源调查评价工作的各个环节,以信息化带动调查评价工作流程的重组和传统工作方式的变革。”因此,浙江省土地后备资源调查及土地开发整理规划工作将充分利用遥感技术(R S)、全球定位系统技术(C玲)、地理信息系统技术(GI S)等高新技术,加速

4、形成以数据流为主线的国土资源调查评价和规划工作体系,全面提高浙江省调查评价和规划工作的现代化水平。工作任务本项目利用R S技术(从众多土地利用信息中自动提取土地后备资源信息)、GP S技术(快速获取土地后备资源的位置信息)、GI S技术(建立土地后备资源储备库)以及“3 s”集成技术(如GP S-心I S数据传输技术,基于GI S支持下的遥感数据分析处理技术等),辅以地面调查,查明浙江省土地后备资源,特别是耕地后备资源的位置、数量、质量等,分析土地开发整理潜力(包括农田整理潜力、未利用地开垦潜力、建设用地复垦潜力等)和投人,开展土地开发整理规划设计,确定重点区域、重点工程和项目,提出实施步骤和

5、保障措施,建立省、市、县(市、区)三级不同层次和要求的土地后备资源储备库,对土地开发、整理、复垦项目实行定位、定量、定时管理。研究方法2.1多时相、多源遥感数据相结合由于不同传感器接受的数据地面分辨率与光谱分辨率多有不同,新复合的影像使它们的优点互相补充,取长补短,提高地面分辨率或提高光谱分辨率,产生一幅高质量的影像,用于进一步的计算机定量分析或目视解译分析。本项目选择前后两时相的高几何分辨率66(1 0米)的法国SP口r一4H Rv全色波段数据和高光谱分辨率(3 0米)的美国La nd sa t一71孔1多光谱数据为主要数据源。2.2计算机自动处理与人工目视解译相结合遥感信息是地球表面地物光

6、谱特性的综合反映,由于地球系统的复杂性和开放性,土地覆盖信息是多维的、无限的,而通过信息传输后的遥感数据却是简化的二维信息,因此土地覆盖遥感信息在进行地学空间分析和反演过程中具有模糊性和多解性的特点,尤其广泛存在着同质异谱,同谱异质现象和混和象元等问题。当前的计算机数字遥感影像自动化处理技术也存在一定的局限性,尚不能完全满足自动解译的要求,采用计算机自动化处理与人工目视解译相结合的方法是目前行之有效的方法。2.3内业处理与外业核查相结合对遥感信息进行内业处理后,还必须进行外业核查,对内业提取的土地后备资源图斑实地检核,同时结合当地土地管理专业人员的经验知识,建立遥感影像与土地利用类型的对应关系

7、,技术人员在外业核查后对所提取的信息再经过一次人机交互式后处理,从而保证遥感内业解译的精度。2.4R S、GI S与GPS技术相结合由于遥感影像在光谱上的变异仅仅反映了土地覆盖的变化,还不能充分反映土地利用变化情况,这就需要运用遥感(R S)与地理信息系统(GI S)的集成处理技术,把单纯基于遥感数据的分析处理发展到基于地理信息系统或空间数据库支持下的遥感数据分析处理系统。遥感手段对区域扩张性或退缩性变化经过一段时间积累后反应比较明显,而对于小面积的或突然发生的显著性变化,卫星影像上反映不出来,这就需要通过GPS技术来完成土地后备资源图斑的定位工作,从而对土地后备资源储备库进行更新。3技术路线

8、本项目确定技术路线是:通过多源数据的融合,提高地物的空间分辨率和光谱识别能力,以数字化的栅格地形图为基础,对影像进行绝对校正与配准,通过多源数据的融合,提高地物的空间分辨率和光谱识别能力,将融合后的遥感影像与土地利用现状图套合分析光谱特征,建立地类光谱样本知识库,利用计算机自动进行土地覆盖分类,对自 动分析中特征不明显的图斑,进行人机交互的目视解译分析,经专业技术人员外业核查,并辅以GPS测量技术和土地变更调查资料等,进行人机交互式后处理,确定土地后备资源的类型、位置、范围等,建立土地后备资源储备库,为下一步土地 开发整理规划服务。技术流程图见图1。3.1影像校正、配准与镶嵌本项目所用到的IM

9、和SP口1,一4卫星原始数据只经过几何和辐射粗校正,各类专题图件在扫描数字化的过程中也会产生畸变,为了进行数据融合、提取信息以及对多源数据进行综合分析,必须对各种图像进行校正配准,建立具有统一地理坐标,互相配准的基础图像库。几何校正中误差控制在1一 1.5个象元,校正后的图面中误差控制在0.5一1毫米之间;影像配准中误差平原地区严格控制在0.5个象元之内,山区放宽到1个象元。当一景影像不能覆盖整个监测区时,尽量选取时相接近的卫星影像根据同名地物点进行镶嵌。因此遥感影像校正、配准和镶嵌是一个既独立又相互联系的统一体,是遥感数据分析应用的基础。3.2多源多时相遥感数据的 融合融合影像的色调特征主要

10、来自IM 多光谱数据,融合影像的纹理特征主要来自高分辨率的全色51心1,数据,SP口r数据的质量对于融合影像的纹理表现至关重要。数据融合目的是集中多光谱数据和全色数据两者优势,提高卫星影像数据的空间分辨率和光谱分辨率,增强影像判读的准确性。,68.恻卿型哑连缨鲁一卿纂图 蓬豆立圣童互噩闷门应瑟国匡瞬卿L胜赢丝皿进卿碴一血l 壁业划鱼通助丛吵丝遏土地后 备资源际准农田图腾力图靓划图,业选茸丛丝 丝蟹咖碰丛圈1遥感影像处理技术流程框圈3.3建立地类光语样本知识库将土地利用现状图形数据与经过后处理的融合影像套合叠加进行光谱分析,以便建立地类光谱样本知识库。(l)土地利用矢量数据与影像匹配。准确地匹配

11、是分析比较发现变化的基础。由于栅格卫星遥感数据与地形图进行了校正,土地利用图与地形图坐标系统一致,因此遥感数据与土地利用图能方便6 9地实现点对点匹配。(2)地类光谱的样本采集。地类光谱样本的采集是指获取多光谱段对不同土地覆盖类型观察的统计量:均值和方差等,这是为土地覆盖分析提供依据。一个分类系统还必须遵循两个准则:类与类之完全排斥,即土地覆盖类型中的任何一类都属于且仅属于一个类别;分类必须完全穷尽,即任何一个分单元都有且 只有一个标志。一般地,样本训练区以所有单一地类的独立地块为样本单元,本项目的重点是建立农用地、未利用地、闲置的建设用地等独立地块光谱样本知识库。原则上要求样本训练区能够基本

12、反映本地区的土地后备资源所涵盖的各种地类,而且每个地类的样本数量足够多。(3)自动的土地覆盖分析。自动分析是用图斑内影像的光谱信息与光谱统计知识库中样本进行 自动对比分类,再将分类结果与土地利用数据库中图斑地类进行对比分析,从而确定是否为所需要的信息。(4)人机交互的目视解译分析。对自动分析中特征不明显的图斑,进行人机交互的 目视解译分析,运用两种以上方法相互检核,以减少图斑的遗漏率,提高解译精度。3.4外业调查利用遥感手段调查土地后备资源有些工作可以在内业完成,如通过计算机自动提取部分图斑边界,自动解译部分图斑的土地利用类型,但还有部分图斑(计算机无法自动识别的图斑以及计算机可以自动识别但需

13、进一步验证的图斑)需要外业调查来确定其边界和土地利用类型。此次外业调查的技术路线是以遥感影像上分类图斑为引导,参考土地利用现状图和土地变更调查资料,实地验证图斑 的地类和范围,我们对部分边界不易判读的图斑采用 手持式GPS接收机,利用差分技术进行了实地测量。使用GPS测量的优点是精度较高(使用差分技术,测量点位精度一般控制在3米以内),操作简单,野外不需要专业的技术人员,尤其对于面积较大、实地调查难以判断的图斑,GPS测量的优势更加明显。703.5建立 土地后备资源储备库依据有关的技术规程,把整理好的测量图形和外业记载表形成数据交换文件,利用“爱地土地利用数据库系统”生成标准的土地后备资源分布

14、图,建立具有数据查询、汇总、输出、变更等功能的土地后备资源储备库管理系统。3.6辅助开展土地开发整理规划根据土地后备资源库中的信息,进行潜力分析,生成潜力图,为土地开发整理规划设计提供决策依据。4试验4.1数据源(1)2 00 1年时相S代y f一4数据(空间分辨率1 0米)2景。(2)200 1年时相IM数据(空间分辨率3 0米)l景。4.2试验区选择浙江省长兴县作为土地后备资源调查试验区。4.3运行环境(l)硬件环境:Pm微机刀璐接收机、喷墨绘图仪等。(2)软件环境:操作系统节几NDOWSZO0 0、影像分析处理软件Phot0MaP碑r、GI S分析处理软件MApGI S和G玲数据处理软件

15、等。4.4成果(1)土地后备资源分布影像图、土地开发整理项 目影像图。(2)土地后备资源分布图(包括空间信息和非空间信息的数据库)。(3)规划图件。包括潜力图、区域分布图、标准农田分布图、规划图(项目分布图),各要素分层存储,这样既可以保证分别输出专项图件,又可以作为一个整体输出综合图件。比例尺1:2.5万一l5万。潜力图:土地整理着淡黄色,开垦着淡绿色、复垦着淡紫红色。区域分布图:整理区着淡黄色,开垦区着淡绿色、复垦着淡紫红色,综合区着淡棕色。标准农田图:耕地及已建成标准农田部分着淡黄色,已建成标“7 1.准农田部分再用红色实线圈出,加注项目名称、项目面积、验收批准文号。规划图:整理项目着淡

16、黄色,开垦项 目着淡绿色、复垦项目着淡紫红色。在着色基础上用同色深色实线圈出土地开发整理区块,引至图廓内缘空白外加注项目名称、面积、实施期限。项目上图标准为:整理项 目)1 0公顷,开垦项目)3公顷,复垦项目)1公顷。(4)土地开发整理复垦潜力分析报告。4.5监测结果精度分析(1)小图斑的遗漏误差主要是由于卫星遥感数据分辨率的制约引起。经过本次试验和野外核查验证,利用SP(y f一4 10米和T M30米数据为主要数据源,对20 00平方米以下的变化图斑遗漏较大,但由小图斑遗漏引起的面积误差不超过总面积和的5%。(2)土地利用类别判读的属性误差主要是受卫星影像具有的“同谱异物,同物异谱”的影响

17、,导致影像上同一类地物具有不相似的色彩和纹理,或不同地物具有相似的色彩和纹理。在本项目中,通过小范围外业逐图斑核查,计算机自动分类图斑正确率为8 8.6 9%,通过人机交互式目视解译方法剔除部分伪变化和噪声,正确率上升到94.2%。(3)地块边界的几何精度主要取决于遥感影像的空间分辨率和GP S测量点位精度。融合后的SPJI,+IM卫星影像空间分辨率为1 0米;采用差分技术,G Ps测量在短时间内点位之间的相对精度可在5米左右,若在每个点上采集1一2分钟,使接收机显示的R MS值较小并且稳定,点位精度可以控制在3米以内。5结论本次研究在影像配准时,对平原和山区采用分区纠正,使不同区域的变形分别

18、得到处理,保证了调查区全局的精度;在信息提取时,采用了计算机自动分类与人机交互式解译分析等两种以上方法,提高了各时相遥感数据的分类精度,所获得的分类结果能满足土地后72备资源调查和土地开发整理规划的精度要求。试验表明,本项目利用“3s 技术基本查明了调查区土地后备资源的位置、数量和质量等情况,为土地 开发整理规划提供了基础数据,具有较高的可信度,该方法是辅助开展土地开发整理规划设计的有效手段之一。作者简介薛长生,男,1 972年1 1月出生。武汉大学测绘与遥感信息工程国家重点实验室博士研究生。从事土地信息系统开发、“3s 应用集成研究。工作单位:浙江省土地勘测规划院,杭州市下城区青云街4 0号4楼,3 10 00 3。本项目为国土资源大调查项目,参加本项目的人员还有张志勋、罗进荣、华元春、王宏伟、黄炎、陈建杰、张友、王建锋等同志。73