基于3S技术在福建省土地利用与土地覆盖的应用第三稿.docx
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基于3S技术在福建省土地利用与土地覆盖的应用第三稿
福建林业职业技术学院森林资源保护专业毕业论文
基于3S技术在福建省土地利用与土地覆盖的应用
学生姓名：
梁晓林
专业班级：
森保0805班
座号：
01号
指导教师：
亓兴兰
完稿日期：
2011年04月11日
基于3S技术在福建省土地利用与土地覆盖的应用
写作提纲
一、绪论
自1995年国际地圈—生物圈计划（IGBP）和国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）联合提出“土地利用和土地覆盖变化”简称（LUCC）研究计划以来，区域土地利用与覆盖变化便成为全球的研究热点之一，而土地利用与土地覆盖数据的获取是研究中极其重要的基础工作。
目前研究的前沿之一便是利用遥感对地观测技术揭示土地利用与覆盖的空间变化规律和分析其驱动力，通过空间建模反映其环境效应。
可见，遥感信息的提取与分析在LUCC研究中占有很重要的位置。
目前，随着遥感平台的多样化和图像分辨率的提高，以及计算机技术的迅速发展，遥感技术已成为LUCC研究的重要手段，因而通过遥感图像处理，解译分类提取土地利用与覆盖变化信息已成为LUCC研究中必不可少的重要一环。
二、本论
（一）研究区概况
（二）基于遥感的福建省土地利用与覆盖动态变化的遥感监测
1.遥感监测方法
2.数据处理
3.图像分类
4.图提取变化信息及动态变化分析
（三）结果与分析
（四）全省土地利用变化的基本趋势
1.面积趋于减少。
2.面积大幅度增加。
3.面积净减。
4.面积变动不大。
5.用地净增。
6.用土地趋于减少。
三、结论
运用以遥感、地理信息系统和全球定位系统为代表的“3S”技术基本能够满足对土地资源进行快速有效动态监测的需求,而不同时相的TM卫星影像的叠加可在大范围内快速发现土地利用变化区域，全球定位系统的实测数据则可用于对GIS数据库的修正与及时更新，基于3S的土地利用动态监测技术可以为本省相关行政管理部门提供一个快速、有效的土地利用动态监测手段和时空数据管理与分析的平台，为区域土地资源的合理利用和社会经济的可持续发展提供决策依据。
基于遥感在福建省土地利用与土地覆盖的应用
梁晓林
摘要：
遥感技术是研究土地利用与土地覆盖变化状况的重要手段之一，目前该技术已有一套较成熟的研究方法，本文从遥感监测方法、图像预处理方法、土地利用与土地覆盖变化动态信息提取等方面对土地利用与土地覆盖变化遥感动态监测技术进行了系统的论述，并且基于3S技术，探测了1996-2001年福建省土地利用与土地覆盖变化情况，指出全省土地利用变化的基本趋势。
关键词：
土地利用与土地覆盖变化；遥感动态监测技术；福建省；基本趋势
自1995年国际地圈—生物圈计划（IGBP）和国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）联合提出“土地利用和土地覆盖变化”简称（LUCC）研究计划以来，区域土地利用与覆盖变化便成为全球的研究热点之一，而土地利用与土地覆盖数据的获取是研究中极其重要的基础工作。
目前研究的前沿之一便是利用遥感对地观测技术揭示土地利用与覆盖的空间变化规律和分析其驱动力，通过空间建模反映其环境效应。
可见，遥感信息的提取与分析在LUCC研究中占有很重要的位置。
目前，随着遥感平台的多样化和图像分辨率的提高，以及计算机技术的迅速发展，遥感技术已成为LUCC研究的重要手段，因而通过遥感图像处理，解译分类提取土地利用与覆盖变化信息已成为LUCC研究中必不可少的重要一环。
1研究区概况
福建省地处我国东南部，东海之滨，气候以亚热带海洋性季风气候为主"地势总体上是西北高“东南低”且地貌类型以山地、丘陵为主，山地丘陵面积占全省土地总面积的80%左右。
福建省的山地主要分布于中部和西部，构成了东北—西南走向的闽中大山带和闽西大山带，丘陵则主要分布于山地外侧及河流西岸，沿海一带也有分布，但高度一般不大。
平原面积很小，仅占全省土地总面积的10%左右，主要分布在闽东南沿海地区，自然条件的这种空间分布格局，决定了土地资源主要利用类型空间分布上的地域差异。
根据福建省的自然条件与社会状况特点，可将福建全省分为两大区域，即闽东南地区与闽西北地区，来探索本省土地利用动态变化区域差异及其原因。
其中，闽东南地区包括福州市、厦门市、莆田市、泉州市和漳州市五个沿海城市；闽西北地区包括龙岩市、三明市、南平市3个内陆城市和宁德市。
2福建省土地利用与覆盖动态变化的遥感监测
土地利用与覆盖变化状况的研究是土地利用与覆盖变化研究开展较早的领域，最初的土地利用与覆盖变化研究主要集中于土地利用与覆盖类型的人工调查、分类与制图。
20世纪70年代以前，土地利用与覆盖变化状况研究的数据基本上都是从历史统计资料中获取的，航空遥感资料非常少。
20世纪80年代以来，随着计算机技术的飞速发展，国内外许多学者开始利用遥感和地理信息系统技术研究土地利用与覆盖变化，并取得了一定的成果。
LUCC检测涉及的区域范围、时间跨度较大，单依靠人力是无法完成如此庞大的工程任务。
传统的野外调查和定位观测已跟不上日新月异的福建省国土资源环境变化速度，需要引入新的观念和技术。
随着计算机技术的发展，3s技术在福建土地管理中的应用越来越广泛，大大提高了国土管理的效率。
与传统技术相比，遥感和GIS相结合可以快速、准确、及时地获得大面积的土地利用与覆盖变化乃至生态环境状况等方面的实时信息，及时反映土地利用的最新变化。
2.1遥感监测方法
常用的土地利用遥感监测方法有：
图像差值法、自动分类结果比较法、主成份分析法、光谱特征变异法、变化矢量分析法和目视解译法等。
前五种方法主要是依据对遥感图像的光谱特征进行处理和比较的方法，以计算机自动处理和统计分析为主。
由于遥感影像存在着同物异谱和同谱异物的情况，总的来说，它们的分类精度还不是很高。
近年来，一些学者将人工神经网络和基于专家知识和地学知识的逻辑推理遥感方法以及遥感地学智能图解模型运用于遥感自动分类中，较大地提高分类精度。
而目视解译和人机交互式目视解译是在已经建立判图标志基础上，依靠人所特有的地理知识和辨识功能，因此精度一般情况下相对要高。
尤其是人机交互式目视解译是在前期数字化图基础上进行的，有一定的参考，再加上野外考察和地学背景知识，具有较高准确性。
如刘纪远等于1998年采用人机交互式解译方法解译了覆盖中国的20世纪90年代中期美国陆地卫星landsatTM影像，土地利用制图的类型判别具有92%以上的定性准确率。
为此，福建省土地利用现状遥感调查按照《土地利用动态遥感监测规程》，通过遥感信息室内解译和实地验证及对其它非遥感信息数据的辅助分析，按预先拟定的土地利用分类系统（一级类型8个，二级类型23个），采用人机交互目视解译法，在GIS软件中绘出土地利用现状图。
2.2数据处理
2.2.1遥感图像资料
衡量遥感资料应用效果的主要标志是识别地类能力和地类面积量测精度。
地类判读精度和面积量测精度主要取决于遥感资料的分辨率，同时也与判读地物的光谱特征有关。
遥感摸拟图像或数字图像是由传感器记录各像元素的光谱幅射强度值生成的，从单一传感器到多类型传感器，在不同的遥感平台，获得不同的空问分辨率，时间分辨率和光谱分辨率的遥感数字图像。
现在的遥感影像的空间分辨率己达到米级。
光谱分辨率已达到纳米级，波段数已增加到数十个甚至数百个。
回归周期可达几天甚至十几小时。
一般说来，差异越大，分辨地物越容易，遥感图像的质量就越好。
根据现有实践推论：
若单纯用卫星遥感方法作土地利用和土地覆盖监测，地面分辨率3m的资料可满足土地详查1：
1万成图调查要求，分辨率15m的资料可满足1：
5万成图调查要求，分辨率为30m的资料能满足1：
10万成图调查要求。
在不同区域的土地利用和覆盖监测中，要根据目的选取不同区域的图像。
即使是相同区域，也要根据工程的研究要求，选取不同精度的遥感图像，以便有效减少数据的冗余，提高信息处理的速度，节省人力、物力和财力。
2.2.2遥感图像资料的预处理
2.2.2.1遥感图像的几何纠正
遥感图像在获取的过程中，由于受云层，大气等的影响会产生几何形变。
正是几何形变的存在，图像上会出现各像元的位置与地图坐标系中的目标地物的坐标存在一定的差异，图像行列不均匀，地物形状不规则等现象，从而影响分析的效果。
因此在进行遥感信息的获取之前必须对原始遥感图像进行几何校正，即定量地确定图像上的像元坐标与目标地物的地理坐标的对应关系。
遥感影像的几何校正通常可以在ERDAS软件上完成。
获得了全省1996年7景美国landsat-7TM遥感数据，利用加拿大PCI软件的GCPWords模块对其进行几何精度校正。
以中科院遥感卫星地面站提供的已预校正的全色波段数据进行几何校正，利用1：
5万地形图对TM数据进行几何校正，每景选择25上地物特征点进行校正。
经几何校正的图像采用高斯—克吕格投影，投影参数为：
中央经线117°椭球体krassovsky，东移500km。
面积量算时，将投影方式转换为双标准纬线等面积割圆锥投影，标准纬线为24°30′-27°30′N，中央经线为东180°00′。
2.2.2.2遥感图像的融合与镶嵌
随着遥感技术的迅猛发展，光学、热红外、微波、多光谱和高光谱等大量功能各异的遥感器不断更新换代，在不同的遥感平台上，它们以不同的空间尺度、不同的时间周期、不同的光谱范围以及不同的扫描方向多方面地反映地物目标的各种特性，构成同一区域的多源数据。
多源数据有着丰富的遥感信息，反映地物多方面的特征。
但与单源数据相比，既具有很重要的互补性，又存在冗余性。
所以通过数据融合，可以大幅度的减少数据的处理量，提高数据处理的效率。
还可以将海量多源数据中的有用信息集中起来，融合在一起，使各种信息特征互补，发挥各自的优势获得更多的有用信息，减少识别目标的模糊性和不确定性，从而为快捷、准确地识别和提取信息奠定基础。
遥感图像的融合一般在图像处理软件系PCI软件中CIMPRO模块中完成，建立一个带有地理坐标的覆盖全省的空图像文件，设置四个端点坐标、投影变换方式。
其次，选择一景色彩较合适的图像，用B、V、S波段进行假彩色合成，直接镶嵌到图像文件，作为全省图像镶嵌的基本色彩。
然后，再依次对周围的各景图像选择合适的区域与之镶嵌，镶嵌区域可以是不规则多边形，也可以从矢量数据文件中调入接边线，如调入省界、县界线作为接边线，并在图像上，选择适当的区域作为样区，进行色彩匹配，使之颜色相近。
另外，每条接边选择10—20个像元进行过渡，使镶嵌边达到平滑的效果。
在镶嵌过程中，采用二阶多项式进行重采样。
2.3图像分类
根据FAO建立土地利用／土地覆盖分类系统的准则心，考虑此次研究采用的遥感影像资料的空间分辨率及研究区域的特征，参考中国土地资源分类系统，确定采用的土地利用／土地覆盖分类系统，用一级分类系统。
由于在遥感图像上，林地、草地界线较难区分，不能保证分类精度，而且不同部门统计口径差异等原因，林地、草地界限模糊，因此将林地、草地归为一类，作为林草地，最终确定本区土地利用／土地覆盖类型为5大类（表1）。
通过反复试验比较，根据图像分辨率和区域状况，最后采用屏幕目视解译方法进行图像分类，得到两期土地利用现状专题图。
并用手持GPS接收机在实地选点69个，在辅助图件上选点45个，评价分类结果精度。
总体解译精度达到80．53％，基本满足研究要求。
表1研究区土地利用／土地覆盖类型描述
土地利用／土
地覆盖类型
类型描述
耕地
人们长期耕种的土地
林草地
主要是针叶林，阔叶林及灌丛草坡等有植被覆盖的土地类型
水域
河流，湖泊及用于养殖的池塘
未利用地
基本无植被覆盖的土地
建设用地
主要是居民地，工矿建设用地
2.4提取变化信息及动态变化分析
用地理信息系统软件supermap5．0，对两期专题图作空间叠置分析，利用地图代数运篦原理，提取变化数据，得到土地利用／土地覆盖变化转移矩阵。
单一土地利用类型动态度表达式为：
k=[（Uk一Un）／Un]÷T*100％
式中：
k为研究时段内某一土地利用类型动态度，Un、Uk分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段。
地类间的转移矩阵分析模型利用转移矩阵刻画区域土地利用变化的结构，特征和各用地类型变化的方向，为国际、国内常用。
表达式为：
Uij=Un0〈Un1〈Un2〈Unm
Uij=U11U21〈U12U22〈……U1nU2n
式中，U代表面积，，n代表土地利用的类型数；i、j分别代表研究期初与期末的土地利用类型。
3结果与分析
表2可见，1996至2001年，耕地总面积减少235570.04hm2；占1996年耕地面积的11.78%，草地略有减少，而未利用地减少120815.96，占1996年未利用地面积的23.55%，园地、林地、水域、城乡居民及工矿交通用地分别增加79413.77hm2、152480.87hm2、4969.70hm2和127033.76hm2。
总之，基本的变化规律是：
耕地减少、园地增加、森林面积扩大，且结构发生变化、城镇扩展迅速、未利用地开发力度较大、水域部分增加草地略有减少。
表3表明，耕地转出面积是转入面积的3倍多，而耕地转变为林地和城镇工矿及交通用地的比例最大，分别是46.62%和25.41%。
在由其他类型转变为城镇工矿及交通用地中，耕地和林地合占84.72%，表明近5年在经济发展过程中，耕地和林地被大量侵占，用于城市及交通建设。
这一变化与许多发达地区的土地利用状况有着类似之处。
表2福建省不同时期土地利用／土地覆盖变化状况
地类
1996年
2001年
2001比1996年增减面积（hm2）
面积（%）
占总面积比重（%）
面积（%）
占总面积比重（%）
土地面积
12398515.09
100.00
12398515.09
100.00
0.00
耕地
2000197.56
16.13
1764627.52
14.23
-235570.04
园地
330132.24
2.66
1764627.01
3.30
79413.77
林地
8900563.22
71.79
9053044.03
73.02
152480.87
草地
1207.36
0.01
895.26
0.01
-312.10
城乡居民点及工矿交通用地
265833.07
2.14
392866.86
3.17
127033.76
水域
356933.51
2.88
361903.21
2.92
4969.70
未利用地
543648.19
4.38
415632.23
3.35
-128015.96
注：
该表中1996年土地面积是根据福建省土地利用现状图数字化后统计的结果，2001年面积为遥感影像实际解译数据。
表3耕地、城镇工矿及交通用地变化分析
土地利用类型
耕地
城镇工矿及交通用地
变为其他类型
其他类型变为耕地
变为其他类型
其他类型变为耕地
面积（hm2）
占总面积比重（%）
面积（hm2）
占总面积比重（%）
面积（hm2）
占总面积比重%（）
面积（hm2）
占总面积比重（%）
1
-
-
-
-
11863.64
45.21
93255.17
61.69
2
77971.50
21.24
9826.55
8.17
2558.86
9.75
11255.72
7.45
3
171112.47
46.62
81997.07
68.20
8836.56
33.67
34805.87
23.03
4
122.94
0.03
25.24
0.02
0.00
0.00
0.00
0.00
5
93255.17
25.41
11863.64
9.87
-
-
-
-
6
15587.66
4.25
106673.05
8.88
2667.57
10.16
7565.26
5.00
7
8993.33
2.45
5838.21
4.86
316.70
1.21
4274.85
2.83
总计
367043.07
100.00
120223.76
100.00
26243.33
100.00
151156.87
100.00
注：
1-耕地;2-园地；3-林地;4-牧草地;5-城镇工矿及交通用地;6-水域;7-未利用地
4全省土地利用变化的基本趋势
根据上述3S技术在福建省土地利用与土地覆盖的的分析，对本省土地利用变化的基本趋势，概括为一下几个方面：
4.1耕地面积趋于减少
水田面积减少而旱地面积增加，林地与建设用地是本省耕地面积减少的两大去向，但由于耕地与林地之间的转入转出大体相当，所以从净变化看,耕地面积的减少主要仍来自于建设用地对耕地的挤占。
4.2林地面积大幅度增加
全省林地面积的增加量约是其他5个一级土地利用类型面积增加量总和的2倍多，草地的转入成为林地面积增加的最主要来源，林地面积变化的另一个特点是林地类型内部之间的相互转换，这种林地内部结构调整的结果是林地类型的重心向有林地和其他林地倾斜。
值得指出的是，在对1996年和2001年ETM影像进行遥感判读分析和2001年进行的遥感野外实地调查中发现，从总体上看，尽管全省在过去5年中林地面积特别是有林地面积有了较大的增加，但在林地质量方面，特别是在闽东南地区，却呈下降趋势，表现为5森林面积增加与质量下降并存，森林生态功能减弱。
在2001年ETM影像上，福建省的阔叶林呈岛状分布；天然林面积锐减，森林针叶化现象普遍，树种单一；林龄结构不合理，幼龄化现象突出。
4.3草地面积净减
水草地向其他类型转变的面积中，有91%的面积转成为林地，其中有林地占了75%。
4.4水域面积变动不大
4.5建设用地净增
89%的新增城镇面积来自于对耕地的占用，而新增的农村居民点中由耕地转变而来的比例高达97%。
4.6未利用土地趋于减少
5结论
运用以遥感、地理信息系统和全球定位系统为代表的“3S”技术基本能够满足对土地资源进行快速有效动态监测的需求,而不同时相的TM卫星影像的叠加可在大范围内快速发现土地利用变化区域，全球定位系统的实测数据则可用于对GIS数据库的修正与及时更新，基于3S的土地利用动态监测技术可以为本省相关行政管理部门提供一个快速、有效的土地利用动态监测手段和时空数据管理与分析的平台，为区域土地资源的合理利用和社会经济的可持续发展提供决策依据。
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