基于RS的土地变更调查监测研究

摘 要：遥感技术在全国土地变更调查工作中得到广泛应用，主要通过从最新获取的遥感影像中提取所需信息，对比之前的数据库信息进行分析得到一定时间阶段的土地变更情况。基于2012年全国土地变更调查遥感监测项目，以Quick Bird影像数据和前时相基础底图为基础，运用RS对遥感影像进行拼接、融合以及调色等处理过程，并运用GIS对监测图斑进行提取，实现对土地变更的动态监测研究。

关键词：土地变更；遥感；影像处理；Quick Bird影像；监测图斑

中图分类号 F301.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）14-123-04

The Study of RS Technology in Monitoring of Land Use Change Survey

Zhang Tongyan

（Urumqi Land Surveying & Planning Institute，Urumqi 830002，China）

Abstract：The remote sensing technology obtains the widespread application in the national land change investigation work. The certain stage land change situation is mainly obtained through the comparing and analyzing the extracted information from the newest remote sensing images and the database information before. The paper，with Quick Bird image，the previous fundamental base map，implemented the stitching process，image composite and adjusting color of image using RS technology，and extracted the spot using GIS. Finally，this paper implemented the dynamic monitoring of land use change.

Key words：Land use change； Remote sensing； Image processing； Quick Bird image ；Monitoring spot

土地是人类赖以生存和发展的基础，土地资源是一定区域内气候、地貌、岩石、水文、土壤和动植物等自然要素与人类劳动成果相结合的自然生态-经济综合体，具有自然、经济和社会属性[1]。我国土地资源生态环境恶化、水土流失严重、土地沙漠化、土壤次生盐碱化，从而导致土地质量下降，生产力低，不合理建设滥占耕地导致大量农田丧失，最终导致我国耕地资源日益减少[2]。针对土地资源存在的问题，国家定期对土地利用变化状况进行管理，进行土地利用变更调查，目的是及时掌握土地权属与利用的变动状况，保持地籍资料的现时性，完成土地利用现状调查和建立初始地籍后，国家每年对土地权属和用途发生变化的土地进行连续调查、全面更新土地用地资料的过程，本质上是一种动态监测，提高土地信息变更的效率和质量成为土地管理中的关键环节，因此在土地利用变更调查中引入3S技术成为了土地利用变更调查发展方向[3]。笔者基于2012年全国土地变更调查遥感监测项目，对2012年和2011年度遥感影像进行动态监测，进行地类图斑变化信息提取，实现对土地变更的动态监测研究。

1 数据源

项目所采用的数据为2011年原始影像数据，包括Quickbird、WorldView-2、GeoEye数据，使用2012年下发的Quickbird全色和多光谱遥感数据，坐标系统为1980西安坐标系（如图1）。

图1 2012年下发影像数据

2 技术流程

2.1 技术流程 首先是前期数据的准备工作，主要包括原始影像质量检查、落图文件制作、基础底图和前时相处理工作；其次是影像预处理，根据原始数据的具体情况选择对应的处理方法，对单景原始影像进行初步处理，主要包括影像拼接、波段组合、影像数值调整、影像融合、正射校正等步骤，最终制作DOM[4]；最后是地类图斑变化信息提取，根据国家下发的关于影像变化信息提取的技术规范要求进行提取，经过前后时相DOM套合对比，运用多种方法结合发现和提取变化信息，图斑边界勾绘以后时相DOM为准，利用GIS建立监测图斑矢量数据层，建立属性表，最后进行图斑拓扑检查。

2.2 遥感影像处理 遥感影像处理是土地变更调查的基础性工作，根据不同的数据源选择对应的处理方法，主要包括影像拼接、波段组合、影像降位、正射纠正、影像融合、影像镶嵌和裁切等步骤[5]。

2.2.1 影像拼接处理 项目中的QB影像数据，每景影像被分为9小块，将9块影像进行拼接处理，从而形成一景影像，如图2所示。

图2 Quick Bird影像数据

2.2.2 影像数值调整 QB影像数据采用的是16bit数据格式存储，存储和处理时16bit格式表示灰度范围，大大降低了计算机对数据存储与处理的效率，为了降低文件容量，加快处理速度，均要将位数转换成8bit。

2.2.3 正射校正 影像正射纠正应根据不同的数据源的种类及已有数据情况进行选择，主要包括物理传感器模型、有理函数模型、有理多项式模型和几何多项式模型，本项目中根据数据源选择有理函数模型，需要提供影像的RPC/PRB文件和DEM数据，Quickbird数据选择Quickbird RPC模型进行几何精纠正，得到正射影像，其流程如图3所示。

图3 正射处理流程

以上过程在PCI Geomatica v9.0版本的Ortho-Engine模块中能够自动实现，操作流程分为4个步骤进行：（1）建立校正模型，选择Quickbird RPC模型，设置好正射影像坐标系和控制点坐标系以及正射重采样的像元大小。（2）采集GCP并计算严格的传感器物理模型。（3）载入DEM数据并进行正射纠正，重采样选择双线性插值，多光谱数据采样间隔为2m，全色数据采样间隔为0.5m。（4）采用基础底图为纠正基础，选取待纠正影像和基础底图上均有的同名明显特征地物点为纠正控制点，控制点数量根据数据源、作业区范围和模型来选择，一般每景控制点数量在9～15个，山地应适当增加控制点，相邻景重叠区应选取不少于3个公共点，要求控制点均匀分布，点位具有唯一性且相对固定；控制区域大于片区范围，点位尽量均匀分布于影像。采用输出后的纠正影像和基础底图进行套合并对比检查[6]。

2.2.4 影像融合 影像融合是将各种数据中的优势或互补性有机结合起来，产生新数据的技术过程，目的是改善目视解译的环境，进行遥感图像信息增强，突出融合效果，反映土地利用类型要素信息，提高可判读性，提高监测精度，本项目采用Pan-sharp融合方法。

2.2.5 影像调色 影像由于成像条件、传感器成像特性等原因造成了原始影像与自然地物光谱特性存在一定差异，直接使用不能准确反映土地利用特征。为了使影像清晰，明暗度、对比度适中，色彩及色调均匀，影像无模糊、错位、扭曲、拉花等明显变形现象，保证影像数据的连续、无缝和视觉一致性，根据本次土地利用遥感监测工作中的影像使用特点，需要应用图像处理软件PhotoShop对成图进行处理，使影像纹理清晰，色调均匀，反差适中，彩色影像模拟自然真彩色，光谱信息丰富，能准确反映土地利用特征，以达到数字正射影像的生产要求。

在进行调色之前，首先应对影像特征进行分析，确定影像范围内地物色调是否正常，观察影像整体或个别地类是否存在偏色，影像明暗是否适中，确定影像是否有整体或局部过明过暗，影像整体反差是否到位，地物纹理是否清晰[9]。

具体调色方法如下：（1）色阶处理。色阶是表示图像亮度强弱的指数标准，也就是色彩指数。图像的色彩丰满度和精细度是由色阶决定的。色阶指亮度，和颜色无关，色阶可以对影像的暗部和亮部分别或整体操作，可以通过调整色阶改变影像的反差效果。在进行局部影像色彩调整时候，当图像偏暗或偏亮的时候，可使用色阶命令对其进行调整[2]。通过色阶调整，对低亮度区的截取有利于减少蒙雾，对高亮度区的截取可以消除部分噪声。（2）曲线调整。通过曲线调整可对影像整体RGB或单个波段（R＼G＼B）进行色调及亮度的调整，可以较好地提高亮度，增大反差或减少细节损失。（3）色彩平衡是图像处理软件中一个重要环节。通过对图像的色彩平衡处理，可以校正图像色偏、过饱和或饱和度不足的情况。色彩平衡命令可以用来控制图像的颜色分布，使图像整体达到色彩平衡。该命令在调整图像的颜色时，根据颜色的补色原理，要减少某个颜色，就增加这种颜色的补色。它可以简单快捷地调整图像阴影区、中间色调区和高光区的各色彩成分，并混合各色彩达到平衡。（4）USM锐化，当影像模糊不清的时候用锐化工具，锐化就是使图片的局部清晰一些，但一定要适度，不然很容易使东西不真实。（5）通过调整后，影像的色彩仍然不能达到理想效果，此时可通过调整色相、饱和度和明度来增强色彩，提高对比度等。亮度对比度调整只能分别对影像进行整体亮度或对比度的调整[6]，如图4所示。

调色前 调色后

图4 QB影像调色前后对比

2.2.6 影像镶嵌 遥感影像镶嵌是将2幅或多幅遥感影像（它们有可能是在不同的成像条件下获取的）拼接在一起，构成一幅整体影像的技术过程[8]。在遥感影像处理中，为了获得更大范围的地面影像，通常需要将多幅遥感图像拼成一幅影像图，在这个过程中，影像镶嵌是非常重要的一步。影像镶嵌时除了要满足在拼接线上相邻影像的细节在几何一一对接外，通常还要求相邻影像的色调一致。当镶嵌的影像存在色调差异时，可以进行色调调整和色调匹配，使处理后的图像色调平滑过渡[7]。利用处理好的分景遥感影像数据，在相邻影像重叠有效区域内，选取同名特征点，确定镶嵌线，逐景进行镶嵌，形成一幅完整的遥感影像[9]，如图5所示。

匀色镶嵌前 匀色镶嵌后

图5 QB影像匀色前后对比

2.2.7 影像裁切 以县界为单位，套合影像，利用ARCGIS软件按县界外扩1km对影像进行裁切。

2.3 监测图斑的提取

2.3.1 监测图斑提取原则 遥感监测图斑主要以影像为依据提取遥感监测图斑，即前时相未建设，后时相已推填土或已形成建（构）筑物的地块[7]。包括：（1）前时相影像有植被覆盖或明显非建设用地特征，后时相有明显建设痕迹（如地基、建筑物等）；（2）前时相有植被覆盖或明显非建设用地特征，后时相有建设推填土痕迹；（3）前时相有推填土特征，后时相有明显建设痕迹，如图6所示。

前时相 后时相

图6 监测图斑类型

2.3.2 最小上图监测图斑 根据管理需要，结合不同分辨率影像识别能力，综合确定最小监测图斑面积，符合表1规定。

表1 最小监测图斑面积

[原始影像分辨率（m）＼&最小监测图斑面积（m2）＼&≤1＼&200.1＼&1～2.5（含）＼&667.0＼&2.5～5（含）＼&1 334.0＼&5～10（含）＼&3 335.0＼&10～30（含）＼&10 005.0＼&]

2.3.3 监测图斑信息提取

表2 监测图斑属性

[序号＼&字段名称＼&字段

代码＼&字段

类型＼&字段

长度＼&小数

位数＼&备注＼&1＼&县级行政区代码＼&XZQDM＼&Char＼&6＼&＼&＼&2＼&县级行政辖区名称＼&XMC＼&Char＼&30＼&＼&＼&3＼&监测图斑编号＼&JCBH＼&Char＼&10＼&＼&＼&4＼&图斑类型＼&TBLX＼&Char＼&＼&＼&见本表注1＼&5＼&前时相＼&QSX＼&Char＼&8＼&＼&见本表注2＼&6＼&后时相＼&HSX＼&Char＼&8＼&＼&7＼&中心点X坐标＼&XZB＼&Float＼&15＼&1＼&＼&8＼&中心点Y坐标＼&YZB＼&Float＼&15＼&1＼&＼&9＼&监测面积＼&JCMJ＼&Float＼&15＼&1＼&单位：667m2＼&14＼&备注＼&BZ＼&Char＼&100＼&＼&见本表注3＼&]

注：1.前时相影像有植被覆盖或明显非建设用地特征，后时相有明显建设痕迹（如地基、建筑物等）的填写“1”；前时相有植被覆盖或明显非建设用地特征，后时相有建设推填土痕迹的填写“2”；前时相有推填土特征，后时相有明显建设痕迹的填写“3”。2.依据监测图斑所在原始遥感影像拍摄的时相填写，填写至日，如 “20120506”。后时相影像由不同源数据融合而成的，按照“全色_多光谱”方式填写。3.备注填写其他需要说明的特殊情况。

监测图斑信息的提取包括矢量数据的提取和属性数据的提取[10]。对比前后两时相DOM，勾绘变化信息，所有监测图斑均按面状图斑勾绘，包括公路、铁路和管道用地等线状地物。以影像为基础，建立监测图斑矢量数据层，基于GIS软件建立图斑的拓扑关系，生成图斑属性表，属性表结构如表2所示。

2.3.4 监测图斑的拓扑检查 在图斑提取过程中会有相邻地块因类型不同而共边的情况，这个时候图斑提取时要特别注意节点捕捉，如果没有捕捉节点或者捕捉错误就会产生图斑拓扑错误，表现为相邻图斑有重叠，或者有细微缝隙。拓扑错误一般肉眼看不出来，所以要用软件进行检查[8]。

参考文献

[1]刘春晖，张琨.浅谈我国土地资源保护存在的问题及对策[J].黑龙江科技信息，2010（18）：102.

[2]孙华平，王佳益.土地资源的可持续利用研究[J].热点聚焦，2006，201：34-35.

[3]查显节，邢立新.“3s”技术在土地资源管理中的应用综述[J].世界地质，2000，19（4）：402-407.

[4]袁占良.“3S”技术在土地利用动态监测中的应用，桂林航天工业高等专科学校学报，2000，2：22.

[5]马友平，冯仲科，何友均，等.基于erdas imagine软件的快鸟影像融合研究[J]. 北京林业大学学报，2007，8（4）：47-48.

[6]贾秋英，张科学，朱荣.数字正射影像图的调色方法与技巧[J].煤炭技术，2007（11）：95-96.

[7]韩杰.土地资源调查中3S集成应用的关键技术[J].测绘通报，2006（5）：47-49.

[8]王建梅，李德仁.QuickBird全色与多光谱数据融合方法用于土地覆盖分类中的比较研究[J].测绘通报，2005（10）：40-43，46.

[9]殷硕文，黎彬.Quick Bird卫星遥感影像的处理和应用[C].庄逢甘，陈述彭.北京：中国遥感应用协会2003年年会论文集，中国宇航出版社，2003.

[10]黄福奎.论遥感技术在土地利用动态监测中的应用[J].中国土地科学，1998，12（3）： 21-25.

（责编：徐世红）