耕地變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)綜述寧新國 2011206200003 中國南極測繪研究中心摘要：“民以食為天”，我國人口眾多耕地資源是糧食生產(chǎn)的基本保證，目前我國正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，耕地的占用情況相當(dāng)嚴(yán)重后果，所以要對我國的耕地資源進(jìn)行監(jiān)測，以保證其面積能夠保證糧食的供應(yīng)量確保耕地面積不少于18億畝。基于高分辨率遙感影像的耕地變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)為耕地面積的監(jiān)測提供了一個非常有效的方法。本文討論了GPS、GIS、RS的變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)的概況。關(guān)鍵字：耕地保護(hù) 變化發(fā)現(xiàn)技術(shù) 遙感技術(shù)一、前言耕地是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，耕地資源面積的多少與質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響糧食的總體產(chǎn)能。近年來，由于我國城市化和工業(yè)化的不斷推進(jìn)，建設(shè)用地占用耕地問題日益突出，全國耕地面積出現(xiàn)逐漸較少的趨勢。隨著我國人口高峰的日益迫近和人們生活水平的不斷提升，以耕地資源安全為核心的國家糧食安全問題日益受到各級政府和國內(nèi)外廣大學(xué)者的高度關(guān)注。到各級政府和國內(nèi)外廣大學(xué)者的高度關(guān)注目前我國縣級土地利用年度變更調(diào)查廣泛采用傳統(tǒng)方式，即根據(jù)用地單位上報的數(shù)據(jù)，被動地了解利用的變化，并運用傳統(tǒng)測量方法在野外進(jìn)行變化信息空間的人工測量。這種測量方式效率低下，偏遠(yuǎn)地形復(fù)雜的地方不容易獲取數(shù)據(jù)，而且不能及時準(zhǔn)確地獲取土地利用的變更信息，因而無法實時地獲得土地變化的情況。研究利用遙感、地理信息系統(tǒng)和GPS等科技手段的測量技術(shù)來進(jìn)行耕地面積變化的監(jiān)測能獲得土地利用的動態(tài)變化信息，以便快速準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)地獲取和管理土地利用動態(tài)變化信息，科學(xué)管理土地利用的時空數(shù)據(jù)，為土地管理部門提供先進(jìn)的管理工具，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策支持具有重要意義。隨著遙感技術(shù)的應(yīng)用，以遙感、GPS和GIS為基礎(chǔ)的土地利用研究逐漸升溫，針對土地利用的研究逐漸多起來，國內(nèi)外陸續(xù)開展了部分地區(qū)城市土地利用和動態(tài)擴(kuò)展方面的研究。二、變化方法變化發(fā)現(xiàn)分析就是對兩個時態(tài)數(shù)據(jù)集在t1 和t2 時刻的差別識別和定位的研究。變化發(fā)現(xiàn)包含有對兩個時態(tài)數(shù)據(jù)集的比較分析，它有四部分組成：探測；識別，即對變化的專題分類；確認(rèn)，即對專題變化特性的描述；量化，即對變化的定量。對于兩個時態(tài)數(shù)據(jù)集比較來說，矢量數(shù)據(jù)是對場景的抽象分類描述，而影像信息是對場景的一種未分類的連續(xù)的但又與分辨率相關(guān)的概括描述。同質(zhì)數(shù)據(jù)的變化發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段就可以進(jìn)行，而因為需要在數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)前進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（包括影像分類，數(shù)據(jù)屬性的矢量化等等工作），因此對于異質(zhì)數(shù)據(jù)的變化發(fā)現(xiàn)來說，需要在數(shù)據(jù)分析后才能進(jìn)行。因此，當(dāng)當(dāng)前對象的空間特征和/ 或?qū)傩蕴卣靼l(fā)生變化時，對象就由此產(chǎn)生變化。對象的變化包括兩個方面：一是空間變化，即對象的幾何信息發(fā)生改變和相應(yīng)的新的特征超過了精度限制，產(chǎn)生拓?fù)渥兓?；另一個是屬性變化，即對象的當(dāng)前屬性的專題值產(chǎn)生變化。在基于交互式和半自動變化發(fā)現(xiàn)這種同質(zhì)對象特征提取結(jié)果的基礎(chǔ)上，相關(guān)文獻(xiàn)給出了兩種用于當(dāng)前地圖和衛(wèi)星影像資料的變化發(fā)現(xiàn)方法。目前形成了多種變化發(fā)現(xiàn)方法。其中一種變化發(fā)現(xiàn)方法是分類法，包括后分類比較法、光譜時序聯(lián)合分析法、期望最大化算法（EM）、非監(jiān)督變化發(fā)現(xiàn)法、混合變化發(fā)現(xiàn)法和 ANN方法。通常需要大量的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)用于影像數(shù)據(jù)的監(jiān)督或非監(jiān)督分類，也通常需要圖像變換、植被指數(shù)、高精度分類法、模型和各種數(shù)據(jù)源的融合來提高數(shù)據(jù)分類的結(jié)果。實際上，后分類比較法是常采用的一種方法，但是該方法在對歷史影像數(shù)據(jù)分類的時候，會極大的影響變化發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。三、3S技術(shù)融合的耕地變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)3.1 遙感變化發(fā)現(xiàn)發(fā)展?fàn)顩r根據(jù)不同的應(yīng)用目的和精度要求，研究者們設(shè)計了很多變化發(fā)現(xiàn)的方法，目前運動較為普遍的主要有如下幾種：3.1.1 圖像插值法圖像插值法是用兩個時相的圖像對應(yīng)波段逐像素分別相減，若不考慮其它因素（如大氣條件、傳感器）的影響，即在理想的情況下，對其差值分析確定合適的閾值即可得到反映地表變化的結(jié)果。這種方法的主要特點在于簡單、直接，能夠便于解譯結(jié)果，其不足之處在于不能提供變化/未變化信息，不能提供由何種類型地物變化成何種地物的信息，另外，這種方法需要選擇合適的閾值。3.1.2 主成分分析該方法是對多時相數(shù)據(jù)按一般主成分分析研究或標(biāo)準(zhǔn)主成分分析的方法進(jìn)行線性變換，得到反映各種變化的分量，這些變化分量互不相關(guān)，而且按其強(qiáng)度及影響范圍順序排列。通過對進(jìn)行主成分變換后的變化分量進(jìn)行分析就可以總結(jié)變化規(guī)律，揭示變化原因。用主成分變換作為主分量分析法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的意義在于不損失原始數(shù)據(jù)有用信息的條件下，選擇部分有效特征，而舍棄多余特征。這種方法的減少了波段之間的數(shù)據(jù)冗余，強(qiáng)調(diào)了衍生成分的不同信息。但是由于主成分分析是依賴于影像的方法，因此不同日期的變化檢測結(jié)果常難于解譯和標(biāo)識變化的類別。另外，這種方法不能提供一個完全的類別變化信息矩陣而且需要閾值確認(rèn)變化的區(qū)域。3.1.3 圖像的分類比較此方法是首先將不同時相的圖像各自進(jìn)行分類，然后對分類圖像逐像元比較，得到變化結(jié)果。也可將不同時相的圖像所有波段混在一起進(jìn)行分類，分類結(jié)果同時包括常規(guī)地表類型及其變化類型。這是一種最為明顯的變化發(fā)現(xiàn)方法，需要比較獨立生成的分類影像。通過對不同時相的分類結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)編碼，分析人員能夠生成一個變化圖來反映完全的變化矩陣。另外，選擇性的類別集合能夠使分析人員觀察任何感興趣的子集變化。分類后比較方法能夠控制結(jié)果，因為不同時相的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，減少了對兩個時相的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)于大氣和傳感器的輻射歸一化操作。這種方法不可避免對不同時相數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)問題。3.1.4 圖像回歸法在圖像回歸法中，假定時相t1是時相t2的線性函數(shù)，通過最小方差回歸法可以做出之間的回歸方程（x是波段k，i行，j列的像素值）有關(guān)的線性函數(shù)，而那些在兩個日期之間發(fā)生了變化的像素將會與確定函數(shù)的預(yù)測值有顯著的差異。圖像回歸法表明了不同時期像素的均值與方差不同，可減少了由于大氣狀況和太陽高度角的不同帶來的不利影響，但對于特定的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用該方法需要確定合適的波段和閾值。3.1.5 目視解譯這種方法一般是采用將影像1的一個波段作為紅波段，將影像2的對應(yīng)波段作為綠波段，將有的影像3的對應(yīng)波段作為藍(lán)波段，采用彩色合成法對目視識別變化區(qū)域。另一方式是將不同日期的影像在屏幕上疊加實施目視解譯。我們提到了變化信息的提取 ，具體的提取方法我們在前面已經(jīng)提到了 主要有下面幾種：圖像差值法，圖像比值法，主成分變換，植被指數(shù)法，分類后比較法等 但是各個方法都有自己的局限性，例如：圖像差值法雖然理論簡單，易于掌握但目標(biāo)區(qū)的變化性質(zhì)不易確定；圖像比值法雖然能較快辨識變化區(qū)域位于均值兩側(cè)的變化，但是閾值難以確定 ；主成分分析法雖然能突出不同的地物目標(biāo)，而且無須再做輻射歸一化處理，但提取變化信息卻較復(fù)雜 ，主成分?jǐn)?shù)量的確定沒有明確的方法；植被指數(shù)法雖然能較好地檢測地面植被變化信息卻對地面其他變化類型的檢測能力有限；分類后比較法雖說可直接提供變化前后的類別信息和變化信息但卻夸大了變化區(qū)域，對歷史遙感影像的分類存在較大難度因此提出一種綜合光譜直接比較和分類后比較的混合動態(tài)監(jiān)測方法是一種必然趨勢，而且已經(jīng)有了一些成功的案例研究 通過對濕地變化的動態(tài)監(jiān)測研究表明：先利用光譜直接比較探測變化區(qū)，再進(jìn)行圖像分類確定變化類型的混合法是一種非常有效的變化檢測方法基于不同時相遙感正射影像數(shù)據(jù)采用選擇好的變化信息提取方法采用人機(jī)交互的方式逐一對變化圖斑進(jìn)行提取編號獲得所有變化圖斑后利用GIS軟件建立土地利用變化圖斑的拓?fù)潢P(guān)系生成土地利用變化信息屬性表。3.2 3S集成的變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)的原理目前我國基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測方面已進(jìn)行了多方面研究，如清華大學(xué)地理空間信息研究所以圖像設(shè)計為理論基礎(chǔ)，對土地 遙 感 動 態(tài)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計研究; 北京師范大學(xué)潘耀鐘教授利用遙感信息融合技術(shù)，對不同時相的多元遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提出一套土地利用動態(tài)變化信息的監(jiān)測方法; 北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所 李天俊通過土地利用動態(tài)監(jiān)測遙感綜合時空信息進(jìn)行土地利用動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)方案; 中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所長張顯峰研究員基于RS，GIS和GPS的集成技術(shù)建立了面向工程目標(biāo)的土地利用動態(tài)監(jiān)測的新方法目前正加緊進(jìn)行的遙感課題的研究，主要有“SAR”數(shù)據(jù)應(yīng)用研究“西部生態(tài)退耕檢測方法試驗”“高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用研究”“遙感監(jiān)測公報制度研究 ”“利用遙感技術(shù)輔助更新調(diào)查基礎(chǔ)土建方法研究”“面向縣級土地利用圖更新的最佳衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)組合研究”“土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測精度評價研究”等。土地利用動態(tài)監(jiān)測是按照國家有關(guān)規(guī)定，監(jiān)控土地利用的變化情況，防止并及時查處違法用地事件，為土地利用管理政策制定提供科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步給國土資源管理帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，一個以“3S”技術(shù)為支撐的土地利用更新調(diào)查技術(shù)路線正逐步形成，該技術(shù)路線可歸納為三點：（1）利用遙感技術(shù)（RS）發(fā)現(xiàn)土地利用變化信息；（2）利用全球定位系統(tǒng)技術(shù)（GPS ）快速 準(zhǔn)確地獲取變化信息的空間坐標(biāo)；（3）利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)（ GIS）進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫更新與管理統(tǒng)計分析等。遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，遙感影像的質(zhì)量也越來越高，這為變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用提供了更加豐富的數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)應(yīng)用主要是利用其專題數(shù)據(jù)庫進(jìn)行遙感影像的分類和制圖。GIS具有強(qiáng)大的空間分析功能，利用各種空間分析技術(shù)，通過對數(shù)據(jù)庫中原始數(shù)據(jù)的處理，用戶可以獲取新的數(shù)據(jù)集，以此作為空間決策的依據(jù)。GIS空間信息分析主要有以下幾個方面: 空間信息量算，空間信息疊加，空間信息統(tǒng)計，緩沖區(qū)分析和網(wǎng)絡(luò)分析等 利用GIS的各種信息分析技術(shù)，可以獲取土地利用在數(shù)量類型結(jié)構(gòu)及空間位置等方面的變化信息。GIS還可以根據(jù)用戶的需要，設(shè)計出具有個性化的電子地圖，然后，進(jìn)行打印輸出或以其他文件方式輸出。遙感與地理信息系統(tǒng)是支撐現(xiàn)代地理學(xué)的兩大空間技術(shù)工具，近年來它們的結(jié)合引起人們的普遍關(guān)注和研究隨著遙感的應(yīng)用領(lǐng)域由定性到定量由靜態(tài)到動態(tài)由現(xiàn)狀到預(yù)測報的不斷深入和提高，它們的結(jié)合也由低級向高級發(fā)展遙感技術(shù)在獲得地面信息中具有宏觀性實時性動態(tài)性等特點，是土地利用動態(tài)檢測的有效手段 地理信息系統(tǒng)是以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機(jī)軟硬件的支持下，對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集管理操作分析和模擬顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供各種定向的動態(tài)地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)建立技術(shù)系統(tǒng)GPS、GIS和RS是三個相互獨立發(fā)展起來的工程技術(shù)領(lǐng)域，但它們之間存在著密切關(guān)系：一方面GIS為RS和GPS提供多時相多波段信息源使系統(tǒng)中的信息具有現(xiàn)勢性; 另一方面GIS為RS和GPS提供數(shù)據(jù)管理的地理模型分析功能，為 的信息提取和地學(xué)動態(tài)分析提供工具; 同時GIS中的輔助數(shù)據(jù)提高了遙感信息的分類精度?？傊甊S和GPS是 GIS的主要數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)更新手段，GIS的應(yīng)用和發(fā)展又進(jìn)一步支持遙感的綜合開發(fā)與利用。在辦理的檔案收件，在業(yè)務(wù)辦理過程中也可隨時查閱檔案庫房，方便上級領(lǐng)導(dǎo)或公眾了解監(jiān)督國土部門的各項工作這一切，將對目前的檔案管理產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。3.3 變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展前景近年來，利用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測土地利用變化可快速發(fā)現(xiàn)并能反映研究區(qū)域的變化趨勢 經(jīng)過很多學(xué)者研究表明利用人機(jī)交互式方法解譯遙感圖像，將多時相遙感圖像進(jìn)行疊加，最后利用地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行各種分析和輸出圖件的方法進(jìn)行土地動態(tài)監(jiān)測是一種將遙感與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的行之有效的方法它既發(fā)揮了遙感的準(zhǔn)確度高周期短速度快花費少的優(yōu)勢，同時又具有繼承性數(shù)字化大信息量的特點基于遙感和GIS技術(shù)的土地利用狀況動態(tài)監(jiān)測是一項利用高技術(shù)為國民經(jīng)濟(jì)部門服務(wù)的有益嘗試，RS、GIS、GPS技術(shù)的結(jié)合也為有效進(jìn)行土地利用動態(tài)監(jiān)測和快速決策提供了科學(xué)的依據(jù)因而有著很重要的意義。隨著 世紀(jì)高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 技術(shù)為主體的現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)在土地管理中的廣泛應(yīng)用，為 城 鎮(zhèn) 地籍管理提供了一套操作性強(qiáng)可推廣的技術(shù)流程和方法實際應(yīng)用證明，基于 的城鎮(zhèn)地籍管理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，具備 數(shù) 據(jù) 采 集數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換數(shù)據(jù)錯誤檢查數(shù)據(jù)錯誤處理數(shù)據(jù) 入 庫數(shù)據(jù)實時變更與同一時點變更數(shù)據(jù)輸出等功能，完全滿足城鎮(zhèn)地籍權(quán)屬管理的需要，實現(xiàn)市縣兩級數(shù)據(jù) 交 換，實時變更數(shù)據(jù)的逐級更新，保持市縣兩級數(shù)據(jù)的同步管理，有效地對國土資源現(xiàn)勢基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，掌握隨時變化著的國土資源現(xiàn)狀權(quán)屬、數(shù)量、質(zhì)量分布等，便于城鎮(zhèn)地籍?dāng)?shù)據(jù)的利用管理和共享。四、基于高分辨率遙感影像的變化發(fā)現(xiàn)技術(shù)精度分析影像配準(zhǔn)是多時相遙感變化檢測數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中的一項必要和關(guān)鍵性工作，理論和實際應(yīng)用均表明配準(zhǔn)誤差將導(dǎo)致明顯的虛假變化信息，比如在基于像素的影像處理方法中，一個像素的配準(zhǔn)誤差將導(dǎo)致線狀地物( 如道路) 產(chǎn)生偽變化信息，以致變化檢測結(jié)果中形成一條新的道路 國內(nèi)外研究人員對多時相遙感影像的配準(zhǔn)方法進(jìn)入了深入研究，同時也開