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农业信息学作业

农业信息学结课作业

农业信息学案例分析

学生姓名

李双男

学号

20162012049

专业

农业资源与环境

指导教师

吕新

年级、班级

2016级

所在学院

农学院 

农业信息学案例分析

一、前言

农业信息技术是改变传统农业的重要手段，也是改变传统信息服务方式的重要手段。

当今社会没有先进的技术手段，就不可能有高质量的信息服务。

而我国今天的农村市场信息服务，应该而且已有条件更多更好地发挥农业信息技术的重要作用。

当前推进农业信息化的过程中，在运用农业信息技术的同时，本身也是在利用农业信息技术推进信息服务。

农业信息技术是获取、记录、加工、存储、传播农业信息的技术，具有信息服务性能，可以说，农业信息技术就是提供信息服务的技术。

发挥它们的重要作用，就是在强化我们信息服务的手段和能力，就是在实现传统信息服务方式向现代信息服务方式的转变，变被动为主动、变“自在”为“自为”。

一句话，发挥好农业信息技术的重要作用，是强化农村市场信息服务的一个关键，是传统信息服务方式向现代信息服务方式转变的主要决定因素。

二、国内外研究现状

（一）国内研究现状

我国的遥感调查工作起步较晚，从“六五”才开始采用航空遥感与卫星遥感相结合的方

法进行土地利用资源调查的应用研究[1]。

为配合全球变化的人文领域研究计划（HDP）与国际地圈-生物圈计划（IGBP）的工作，在“九五”期间设立了多项土地利用的研究项目，并将“遥感、地理信息系统及全球定位系统技术”作为国家科技攻关重点项目，应用于资源、环境、

灾害等监测工作中[2]。

1994年原国家土地局组织北京师范大学、中科院遥感所以及北京农业大学采取遥感监测技术对全国19个城市的土地利用状况进行了监测，后又将监测范围扩大至70个城市，取得了遥感技术在土地利用动态监测中产业化的应用。

1999年以来，国土资源部采用TM/ETM+、SPOT、SAR、IRS、航空数据等遥感资料全面开展了土地利用动态遥感监测工作[3]，对全国104个重点城市面积近200万km2的土地利用变化情况进行了监测。

2004年，国土资源部首次开展了对全国189个国家级开发区的遥感监测，对全国50万人口以上城市再次进行了年度变化监测，同时监测了29个城市各季度新增建设用地情况。

2006年3月国土资源部发出通知，利用遥感技术开展土地执法调查，利用2004年10月至2005年10月期间卫星遥感监测图片在北京等几个省（自治区、直辖市）的部分市、区调查城市新增建设用地情况。

 早期的土地调查在技术上受到了遥感数据源和计算机软硬件条件等诸多因素的制约。

随着高分辨卫星陆续遨游在太空中和GIS技术的蓬勃发展，3S技术为土地调查提供了坚实的技术支持[4]。

以前的遥感数据源来自于中低分辨率的航天平台（如LANDSAT TM等），或者是航空飞机。

中低分辨率的卫星由于其识别能力差，制约了土地调查的精度；而航空飞机由于耗费人力财力较大且受天气、军事等因素影响，无法全面及时地完成土地调查任务。

计算机软硬件条件的限制主要指海量数据的管理、存储与分析。

现在，已经有多颗高分辨率民用卫星遨游太空，随着QUICKBIRD、IKONOS的存档数据越来越多，土地调查质量将得到明显提高；而随着存储技术、网络技术和GIS软件技术的逐步深入，计算机软硬件条件的约束也将大大减小。

（二）国外研究现状

早在二十世纪三十年代，国外就开始利用航空摄影测量进行土地资源调查，而利用卫星遥感影像进行土地调查的研究则开始于二十世纪七十年代。

国际上的土地资源利用调查基本是以航空遥感、航天遥感为手段分阶段地进行，如加拿大每五年用卫星遥感资料和航空遥感资料相结合的方法对全国土地资源的利用情况做一次详查；澳大利亚、法国以及日本、西欧等一些经济发达的国家，也定期地利用卫星遥感进行土地资源利用情况的调查。

近二十年来，国外遥感技术在土地资源研究中有了长足的进展，尤其是土地利用分类成为遥感专题制图中最热门的课题。

自1990年起，国际社会科学联合会积极筹划全球性综合研究计划，于1995年共同拟定并发表了《土地利用/土地覆盖变化科学研究计划》，并将其列为核心研究计划。

目前更多的国际组织和国家启动了各自的土地利用变化研究项目，取得了一系列成果。

各国从生产经营活动的需要出发，进行了有关土地利用类型以及植被覆盖类型的调查、分类及制图等，对于土地利用/土地覆盖的现状进行了较为全面的认识，其成果是各种各样的土地利用类型图、植被覆盖类型图等，以便及时掌握全国土地利用状况。

国际应用系统研究所于1995年开始的“欧洲和北亚土地利用/土地覆盖变化模拟”的项目用以分析土地利用的空间特征、时间动态和环境效应。

美国的土地利用研究主要集中在对全球与区

域性土地覆盖变化的监测研究，以揭示土地覆盖变化与温室气体释放的关系[5]。

三、案例主要内容及实施方案

（一）农村土地利用与遥感动态监测技术初探[6]

本研究是动态遥感在代数法或图像法的基础上，探讨一种用多维信息表达，以获得农村土地使用变更信息的方法。

1.研究目的

我国各项建设快速发展，土地利用方式也产生了快速变化，如农业用地转变为建设用地（包括房屋，道路，荒地），村镇与城市的盲目建设，以及农业用地的大量减少，造成物力、财力、人力的巨大浪费．以至出现了农业耕地缩减的失控理象。

为此，快速获取这方面的变化信息，及时对农业用地进行严格、精确监测和再规划是一项重要课题。

卫星遥感数据具有可以快速．全面覆盖地球表面及周期性的特点，利用这一方法，不仅能快速获取农业用地变为建设用地的信息，还可应用于土地利用，土地覆盖变化的动态监测等领域。

2.研究内容与方法

通过东华理工大学测量实验室卫星接收机接受遥感卫星信息，选择江西抚州市（东经115.49′-117.l0′，北纬26.30′-28.l4′），具体对市临川区（东经116.04′-1l6.39′，北纬27.3l′-28。

04′），黎川县（东经116.42′-117.10′，北纬26.59′-27.35′），广昌县（东经116.6′-116.34′，北纬26.30′-26.59′）进行监测。

时间为每一年1次周期循环，即2006年l0月为起点，2007年l0月再进行1次，并将信息转入计算机．然后对转入计算机的信息进分析研究，将2次信息进行比较，以获得能快速、准确地反应农村土地利用变化的信息，这种监控方法与以往的比较，具有明显快速、准确的特点。

以往关于动态监测方面的研究所使用的方法主要包括代数法、图像变换法、RS分类法、GIS方法，其中代数法、图像变换法简法快速．但生成的结果是单一图像，需要通过阀值来确定变化与否，变更信息的活期确定比较费时，准确性不高：

RS分类法、GIS方法则较为复杂，费力，耗时难于快速获取变更信息。

本研究方法在代数法、图像变换法的基础上，探讨一种用多维信息表达变更信息。

通计算机自动处理，用彩色图像来表示变更结果，有效地区分变更图班的、能快速获取变更信息的方法。

它包括波段分组、数据差导变更发现技术。

同时进行外业调杳对结果进行实地测量验证。

2.1波段分组的研究

根据绿色植被、建筑物、荒地等地物特点。

对彼段进行分组研究。

方法如下：

从地物光谱角度来看，裸土与建筑物较似，研究一种图像变换方法，使变换后的结果至少有3个矢量，分别代表绿色植被、建筑物、裸土、其它地物。

通过对LamdiatTM波段进行信息相关分析，得出分别表示绿色植被，建筑物的两组数据，再用代数法（类拟NDVI表达式）或Chi2变换计算出第三组，遥感数据并非呈标准的正志分布，有类似于Chi分布的趋势，所以用Chi2变换进行处理可能更为合适，但用Chi2变换处理后生成一单色图像。

用主成分变换LandiatTM的6个被段变换出3组数据。

用缨帽变换．将LandimTM的6个被段变换到4组数据，再剔除其中一组与绿色植被或建筑物机关性最差的数据，得到三组数据。

2.2数据的差导变更发现技术的研究

对上述四种研究方法得出的3组不同数据，都分别进行代数运算．其运算方法有两种：

相减和相除：

得到相对应的3个单色图。

并将3个单色图分别进行RGB合成，得出一RGB彩色合成图，通过图像分类分析比较，分别找出变更图班。

2.3通过实地调查验证研究结果

通过实地的外业调查，计算比较上述各法的精度．并分别对第一步和第二步进行比较分析得出较优的研究方法。

外业调查内容除了某一段时间内耕地少减面积、新建房屋面积、新增道路面积、废弃的房屋面积等外．还应调查研究与此相关的规律性的东西。

为有关管理部门除了提供数字依据外，还可科学，合理地提出建议。

3结果与分析

3.1监控土地利用变化的较好的方法

通过对结果的比较与分析，我们得出了，在代数法和图像法的基础上多维信息表达新方法（3个矢量）是一种较快速、较高精度的方法。

3.2农村土地利用变更的现状

从通过到抚州市临川区、黎川县、广昌县3处的外业调查我们发现农村土地使用的变更在2006-2007年有三大特点。

第一．大量耕地变为建房屋用地。

尽管用一些耕土地作为公路建设是必要的，尤其是在山区，但是利用公路两旁的良田建房屋正在兴起。

第二．大量交通方便的良田变为荒地，为了钻土地法空隙，大量的良田有意不种作物，使其荒芜，变成荒地．为建房屋申报作准备。

第三，大量旧房荒废。

随着农村迁居新居，老旧房弃之不用，荒废了。

造成原主人不用，他人不能用，也不敢用的状态。

（二）基于RS／GIS的平通河流域土地利用格局变化及其分形分析[7]

流域是一条河流的集水区域，它具有完整的自然生态系统J。

土地利用格局通常是指土地利用类型的景观空间结构特征。

本文以平通河流域为研究尺度，利用该流域1988年和2006年两期TM遥感数据和地形图，经过数字化处理，根据马尔柯夫空间概率模型和分形理论，定量分析平通河流域土地利用格局复杂性、稳定性和动态变化，为流域内合理利用土地及防护林空间配置与结构优化提供依据。

1平通河流域的基本概况

平通河流域位于四川I盆地西北边缘，北川和平武县境内，为涪江流域的一级支流。

该流域范围在东经104.14′-104.43′，北纬31.56′-32.21′。

平通河发源于四川省平武、松潘、北川I3县交界海拔3269m的六角顶东坡，自北川县甘溪乡长滩子海拔575m处流入江油县境，控制面积1050km左右。

流域内多为深切低中山河谷地貌、中山地貌；流域地势由东南向西北逐渐抬升，处于四川盆地向川西高山深谷的过渡地带。

主要出露岩层是志留系页岩、片岩，龙门山褶断带由东北向西南斜穿该流域，流域地层变质严重，片理和岩中节理与裂隙十分发育，透水性强。

该流域属于亚热带湿润季风气候，年均降雨量942.1mm，年平均气温14℃，年均径流深645.8mm。

土壤主要为山地黄壤、黄棕壤。

流域内沿河两岸及豆叩以下区域主要是农耕区，多为夏种冬闲一年一熟的坡面旱地。

从河谷向分水岭、从低山向中山，植被类型依次均为山地次生灌木林，山地常绿阔叶林、山地落叶阔叶林、山地针阔混交林、山地暗针叶林。

2研究方法

2．1数据源

以1988年和2006年LandSatTM卫星影像数据为基础，结合l：

50000的地形图、以及平武县土地利用图，根据本流域土地利用特点，把土地利用类型划分为7类，即耕地、有林地、灌木林地、草地、水域、村镇建设用地、未利用地。

2.2土地利用类型图的制作

首先在ERDAS软件中完成分幅地形图的几何纠正和坐标配准、地形图镶嵌，得到整个研究区的完整地形图，用作地形图矢量化和LandSatTM遥感影像预处的基础底图。

然后在Mapgis软件中完成地形图矢量化，根据矢量化成果，在ARCGIS中生成研究区数字高程模型（DEM）；根据DEM，在ERDAS软件中制作研究区彩色三维地势图（图1）。

利用GPS，野外采集LandSatTM遥感影像标志，在ER—DAS软件中进行研究区土地利用计算机监督分类解译；在计算机自动解译基础上，结合当地土地利用类型图人工进行检查和纠错。

最后制作研究区1988年和2006年二期LandSatTM遥感影像土地利用图（图2）。

3平通河流域土地利用格局变化分析

3.1不同时期土地利用的总体特征

根据二期的土地利用属性数据库，统计出不同时期土地利用的斑块与面积情况（表1），在此基础上计算出各土地利用类型的景观特征值（表2）。

再利用Arcview3．2中SpatialAnalysis模块下的Tabu．1ate功能，对1988年和2006年两期土地利用栅格图进行空间叠加运算，求出各时期土地利用类型转移矩阵，借以反映土地利用类型的动态变化（表3）。

从表1和表2可以看出，耕地的斑块数最多，其次是村镇建设用地，最少是水域；最大斑块面积有林地最大；从1988年到2006年，斑块数量增加，但最大斑块面积和斑块平均面积均降低，表明耕地数量虽然增加，但破碎化程度增加，即斑块的破碎度从0.205增加为0.236，优势度从0.066降低到0.058；而有林地斑块数量虽然有所减少，但平均斑块面积却增加，表明有林地集中度提高，破碎度降低，从0.010降低为0.009，优势度增加。

从表3及图2可以看出：

平通河流域从1988年到2006年土地利用发生了普遍变化，主要发生在耕地、有林地、灌木林地、草地、未利用地上。

究其原因，在2O世纪80年代，当地以农耕经济为主，对部分未利用地进行开荒，致使部分未利用地成为耕地；在1999年四川省开始实施退耕还林，一部分坡度较陡的耕地退耕，成为了有林地和灌木林地。

根据当地社会经济调查表明，平通河流域的人口密度从2004年的26．41人/km2上升到2007年的27.70人/km2。

由于人I=l数量增加，以及城镇规模的逐渐扩大，一部分耕地被占，成为了村镇建设用地；也有部分耕地撂荒，逐渐演变成为了灌木林地；同时当地有种植厚朴的习惯，将一部分土层较好坡度不大的灌木林地改种为厚朴，变为有林地；由于部分河道干涸，断流，冲积下来土层较厚，逐渐演变为耕地。

3．2不同土地利用类型的分形维数分析

根据二期的土地利用属性数据库，提取所需的土地利用类型的周长和面积，并取自然对数，通过对面积一周长双对数散点的分布趋势及相关的线性分析，发现各土地利用类型的面积一周长双对数散点在各自相对应的研究区间内存在线性分布的趋势（图3）。

根据公式（4）便可获得土地利用类型的分维数D。

同时，根据公式（5）便可以计算出土地利用类型的稳定性指数（表4）。

从表4和图3可以看出，各土地利用类型对面积、对数周长之间具有相当高的相关性，相关系数都大于0.9。

分形维数变化，反映了不同土地利用类型的复杂性和稳定性，表明土地利用干扰的程度。

分维值的大小反映了一定区域内土地利用类型景观的复杂程度，斑块越不规则，越复杂，其分维值越大。

通过计算，1988年和2006年该流域各土地利用类型总平均分维值为1．444和1．357、平均稳定性指数分别为0.056和0.143；总体呈波动变化趋势。

本文图3平通河流域1988年和2006年斑块面积与周长的双对数图的水域包括河流、水库、湖泊等，其在形态上具有较大差别，将其作为一整体进行分维值计算，所得分维值不是能很好地反映出该区域的水面变化情况。

两个年度中，耕地的分维值分别为1.512、1.427，稳定性指数0.012、0.073，是所有土地利用类型中最不稳定的因素，有很大的潜在运动趋势。

城镇的不断扩张，新的农村居民地的建立，交通用地的占用，退耕还林等，都建立耕地面积不断减少的基础上，使耕地的形态不断遭到破坏。

草地基本都处在海拔1000m以上地区，分维值最小，其形态变化也最小。

4结论

（1）利用马尔柯夫转移矩阵分析得出平通河流域从1988年到2006年土地利用发生了普遍变化，其中耕地、有林地、灌木林地、草地、水域、村镇建设用地、未利用地的占有率从1988年的10.88％、57.62％、26.84％、1.58％、0.26％、1.30％和1.52％变化为9.31％、59.13％、27.47％、1.72％、0.24％、1．38％和0．74％。

耕地减少了14．48％、未利用地减少了51．37％。

（2）平通河流域各土地利用的复杂性总体呈波动变化的趋势。

1988年和2006年二时期的各种土地利用总平均分维值分别为1．444和1．357；总平均稳定性指数分别为0．056和0．143。

这说明，近20年平通河流域的土地利用的稳定性同复杂性变化一样也是波动的。

二期土地利用类型平均稳定性排序为：

草地（0．233）>水域（0．206）>村镇建设用（0．198）>未利用地（0．175）>灌木林地（0．143）>有林地（0．138）>耕地（0．042）。

耕地、有林地、灌木林地稳定性相对较差，草地和水域最为稳定。

（3）分形理论作为一种研究自然界中不规则的、破碎的、复杂事物的演变规律的理论方法，可以用来很好地揭示土地利用动态变化的稳定性和复杂性特征。

通过分形研究，可以更加深入地探究土地利用动态变化过程中边界形态的演变趋势。

（4）RS／GIS提供了一种快速度量土地利用的工具，将马尔柯夫转移矩阵和分形理论结合起来动态分析流域土地利用变化，为流域内合理利用土地及防护林空间配置与结构优化提供依据。

（三）GIS和RS技术在土地利用动态监测中的应用[8]

基于GIS和RS技术的土地利用动态监测是以土地变更调查的数据及图件为基础,将GIS技术与遥感图像处理与识别技术相结合,从遥感图像上提取变化信息,从而达到对耕地及建设用地等土地利用变化情况的定期监测的目的。

特点：

遥感监测具有速度快、精度高、范围广等特点,并且能为土地资源管理工作提供基于事实影像、可精确测量、可作为基础信息的土地利用动态监测结果。

目的:

对耕地和建设用地等土地利用变化情况进行及时、直接、客观的定期监测,检查土地利用总体规划及年度用地计划执行情况。

1.研究区域与方法

1.1研究区域:

以石河子垦区及周边地区（北纬44°7′20″～45°12′3″,东经85°0′10″～86°53′33″）土地利用变化为例展开土地利用遥感动态监测研究,以研究区域耕地和非耕地之间的动态变化为侧重点。

数据以遥感影像图为主要数据源,为提高监测精度,还要结合使用监测区域的其他资料。

1.2研究方法

基于GIS和RS技术的土地利用动态监测以遥感影像为主要数据源,辅以土地利用现状图、地形图等资料,通过遥感影像配准、增强等处理步骤,形成具有高空间分辨率和高光谱分辨率的遥感影像图。

利用计算机自动处理和人工解译相结合的方法,提取两个时相的遥感影像土地利用信息,并进行对比分析获取土地利用变化信息。

通过野外实地调查,核实内业提取的信息,补充、修改内业遗漏图斑。

经过内业后处理,最终获取土地利用信息,更新土地利用现状图。

1.3技术路线

1.4数据资料

以1989年和2000年石河子土地利用TM遥感影像数据为此次研究的主要数据源。

以石河子土地利用现状图为主要参考资料,根据实际需要收集其他相关的土地资源信息如当地的地形图、土地利用现状图、各类界线和监测信息、土地变更调查图等,以获取土地利用类型的数量、质量、空间分布等动态信息。

2.结果与分析

2.1图像增强

为了改善图像的视觉效果,将图像转换成更适合于人眼观察和机器分析识别的形式,以便从图像中获取更有用的信息,应根据需要进行图像增强处理,减弱或丢掉那些不相干的信息特征。

2.2图像配准

通过对不同时相的遥感影像进行分类对比来获取土地利用变化信息,故采用相对配准的方法。

在ENVI4.2工作平台上以1989年的图像为标准,在1989年和2000年的遥感影像上均匀地选择15个控制点,采用二次多项式进行位置纠正,将2000年遥感影像配准到1989年的图像上（图3）。

图上方框区域为研究区域。

2.3土地利用分类

为便于遥感影像分类处理,在土地利用信息提取前须参考国家土地资源分类系统,结合监测区的实际情况,根据土地资源的属性和利用属性进行土地利用类型划分。

城市核心区用地信息复杂,且城市核心区一般没有耕地,建立掩膜将其隔离在分类区域外。

参考国家土地资源分类系统,结合石河子垦区实际情况,根据土地资源的属性和利用属性将垦区内的土地利用类型划分为:

草（林）地、水域、耕地（农田）、荒漠、盐碱地5类。

2.4土地利用动态变化分析

土地利用变化总趋势为:

耕地（农田）面积增加,水体、林地、盐碱地和荒漠面积减少,其中耕地面积变化是土地利用类型中面积变化最显著的。

其后依次为盐碱地、荒漠、草（林）地、水体。

在土地利用变化方向上,各类用地之间在相互转化,土地利用空间变化比较明显,表1为研究区域1989到2000年土地利用类型面积转移矩阵。

其中变化最大的是草（林）地转换为耕地（农田）,从1989年到2000年间草（林）地大幅度变为耕地（农田）,达到134998.79万m2,占原有草（林）地的63.9%。

同时,耕地（农田）和其他地类也发生部分变化。

耕地（农田）共有9001.43万m2变为非耕地（农田）,同时非耕地（农田）有348586.59万m2变为耕地（农田）;水体有3208.79万m2变为非水体,同时非水体有1451.49万m2变为水体。

3.小结

通过对石河子及周边地区的土地利用分析得出以下结果:

①通过对两时相遥感数据的分析处理,结合非遥感的数据,从遥感影像上直接解译出土地利用分类图斑。

借助于地理信息系统的支持,快速获得了监测区1989年和2000年土地利用变化信息,可以在很短时间内完成一次动态监测,具有快速、实时、可靠的特点。

②研究区域内,土地利用信息变化比较明显。

总体趋势是耕地（农田）面积大幅度增加而其他用地面积减小。

各类用地之间在相互转化,以草（林）地转化为耕地（农田）最为显著,荒漠、盐碱地等未利用土地变化不显著。

四、案例实施预期效益

（一）经济效益 

目前遥感图像分类趋向于把知识理解和统计相结合，今后还将向自动化、智能化方向发展。

神经网络法的发展和广泛应用显示了自动化、智能化是一个很重要的发展趋势，因为它可以模拟人脑，吸取前期分类的经验，对于后期的分类作调整，进一步提高分类精度。

更加自动化和智能化。

目前遥感图像趋向于把知识理解和统计相结合，今后还将向自动化、智能化方向发展[9]。

（二）生态效益

分形理论作为一种研究自然界中不规则的、破碎的、复杂事物的演变规律的理论方法，可以用来很好地揭示土地利用动态变化的稳定性和复杂性特征。

通过分形研究，可以更加深入地探究土地利用动态变化过程中边界形态的演变趋势。

RS／GIS提供了一种快速度量土地利用的工具，将马尔柯夫转移矩阵和分形理论结合起来动态分析流域土地利用变化，为流域内合理利用土地及防护林空间配置与结构优化提供依据。

利用遥感监测和地面调查所形成的工程进展基础数据,应用价值量对三北防护林工程的生态效益进行了计量,并在GIS支持下获得三北防护林工程生态效益评价图,为评价三北防护林工程建设质量和成效提供依据,同时为开展生态补偿提供参考能够尽可能的提高生态价值[10]。

（三）社会效益

土地利用动态遥感监测的成果应用正朝着多元化的方向发展,与社会经济发展相结合、与资源环境相结合、与政府的宏观调控及决策相结合是土地利用发展的一个趋势;土地利用动态遥感监测的成果作为一项重要的科研数据来源、地方基础数据来源发挥着更加重要的作用;成果的基本的应用仍在稳定发展,如土地规划管理、土地开发利用、城市监管、土地勘测定级等均有涉及[11]。

参考文献

[1]葛全胜,赵名茶,郑景云.20世纪中国土地利用变化研究[J].地理学报,2000,55（6）:

698-706 

[2]于兴修,杨桂山.中国土地利用/覆被变化研究的现状与问题[J].地理科学进展,2002,21

（1）:

51-57

[3]冯新伟,吴克宁.利用SPOT5遥感数据更新县级土地利用数据库的方法.国土科技管理[J].2004,03:

69-73