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遥感技术应用于土地利用变化监测

遥感技术应用于土地利用变化监测研究进展读书报告

摘要:

应用遥感技术进行土地利用变化监测研究是土地调查研究的重要组成部分,在大量阅读相关前沿研究文献的基础上,归纳土地利用变化概念、研究内容,遥感动态监测研究方法在国内外土地调查、土地利用/覆盖变化监测研究工作中的应用,分析了其研究特点。

关键词:

土地利用变化遥感动态监测遥感分类方法

“人类活动作为主导因素所导致的土地利用与土地覆盖变化（LUCC通过地球生物物理过程影响全球气候变化的研究,没有得到应有的重视,这不利于科学界为制定全球变化策略提供全面系统的科学支撑。

”2010月10月21日,在京召开的国家“973”计划全球变化研究重大科学研究计划“大尺度土地利用变化对全球气候的影响”项目启动会上,项目首席科学家、中国科学院地理资源所研究员刘纪远作上述表示。

目前土地利用变化的研究是土地科学领域的热点,也是重要组成部分。

土地利用变化研究是伴随全球环境变化研究而逐渐开展起来的,90年代初,两大国际组织IGBP和IHDP都把土地利用变化作为全球环境变化的核心内容,制订了LUCC等研究计划。

2002年,IGBP（国际地圈与生物圈计划和IHDP（全球环境变化的人文因素计划两大国际组织对以往IGBP和IHDP的研究计划进行了总结,将从前的LUCC（土地利用土地覆盖计划和GCTE（陆地生态系统全球变化计划进行整合,提出了今后10年的土地计划,并提出了土地变化科学（LandChangeScience概念。

[1]

在IGBP和HDP报告中,LUCC作为其核心研究计划,将低空间分辨率与高空间分辨率的卫星遥感信息相结合进行全球尺度和区域尺度的研究,在全球范围进行1km~2km分辨率的土地覆盖变化制图,对区域的精确研究采用陆地卫星数据等高空间分辨率资料进行。

报告中将应用低、高空间分辨率遥感数据进行土地覆盖变化的速率、目前土地覆盖变化地点及未来发生地点、空间和环境属性对土地覆盖变化的影响因素等作为其3个研究重点之一。

1土地利用变化的概念及研究内容

1.1土地利用变化的概念

土地利用是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动,如农业用地、工业用地、交通用地、居住用地等都是土地利用的概念。

土地利用一般是指人类为获取所需要的产品或服务所进行的土地资源利用活动,是人类对土地自然属性的利用方式和利用状况,包含着人类利用土地的目的和意图。

土地利用变化是人类与地球环境进行物质、能量交互作用的重要表现。

发生于任何时空尺度,它不仅影响陆地生态系统的地理分布格局及其生产力,客观反映人类改变地球生物化学循环、生态系统的结构和功能及产品和服务的供应,而且还再现了陆地表面的时空变化过程。

LUCC由于影响到了人类生存与发展的自然基础,如气候、土壤、植被、水资源与生物多样性等,影响到地球生物化学圈层的结构、功能以及地球系统能量与物质循环等方面,与全球的气候变化、生物多样性的减少、生态环境演变以及人类与环境之间相互作用的可持续性等密切相关,是所有与可持续发展相关问题的核心,可以说是“可持续发展理论”的开拓计划,土地利用与土地覆盖变化的作用是全球变化的关键,是自然与人文科学领域的“桥梁工程”。

[2]

1.2土地利用变化研究内容

1.2.1土地利用数量变化研究

区域土地利用变化包括土地利用类型的面积变化、空间变化和质量变化。

面积变化首先反映在不同类型的总量变化上,通过分析土地利用类型的总量变化,可了解土地利用变化总的态势和土地利用结构的变化。

目前土地利用的数量变化的指标有:

土地利用变化的幅度、土地利用变化的速度和土地变化的区域差异。

通过各地类之间的转化,得出土地利用的转化矩阵。

1.2.2驱动力研究

有关土地利用变化驱动力的研究是探索土地利用被变化驱动机制的核心问题,驱动力通常分为生物物理和社会经济两大类。

生物物理驱动力包括自然环境的特征和过程,而社会经济驱动力则包括人口变化、贫富状况、技术进步、经济增长、政治经济结构以及价值观念等。

有的时候驱动力与被观察的土地利用变化在空间或时间上相差甚远,经常涉及到宏观经济政策的转变和变化,很难预测。

在区域LUCC主要驱动力比较方面,目前较为一致的意见是:

自然因素在很大程度上决定了高原、山地等自然条件复杂地区的土地利用状况,而经济发展、人口增长及政策等是影响人类扰动强烈、开发历史悠久而较少受自然条件约束地区的主要因素。

1.2.3土地利用/土地覆被变化（LUCC模型研究进展

人类一环境系统是地球表层人类活动与地理环境相互作用形成的开放的复杂巨系统。

LUCC模型就是对这一复杂系统的一种抽象或有意义的比喻。

它将土地变化系统中的现实问题归结为相应的数学问题,并在此基础上利用数学的概念、方法和理论进行深人的分析和研究。

从而从定性或定量的角度来刻画实际问题。

并为解决现实问题提供数据或可靠的指导。

LUCC模型作为一种认知和学习工具,有助于人们了解、认识和解释土地系统的动态变化规律和特征。

目前LUCC模型具有以下特点:

①LUCC模型的功能和作用呈现多样化趋势,是了解、认识和解释土地利用系统的动态变化特征、过程和效应的有效工具,可以服务于土地利用管理和政策的制订。

②模型的核心内容是研究LUCC时空变化格局。

模型发展正经历从单一的非空间模型向非空间模型和空间模型融合的演进过程。

但多数模型只重视空间变化机制研究,而对时间机制考虑不足。

③反馈机制是LUCC系统的一个重要特征,现有模型在反馈机制方面的研究尚十分薄弱。

研究不同时空尺度的反馈机制必将是未来LUCC模型的新焦点。

④LUCC研究本质上是“人类一环境”关系研究。

以往模型多为局部均衡分析模型,未来LUCC模型发展趋向应从系统观和整体观角度来综合考虑“人类一环境”相互作用机制,这也是LUCC模型的最高更次的科学难点问题。

⑤多尺度、多层次的综合研究是LUCC模型的必然要求,模型空间尺度已经从早期的单一空间尺度转变到现今的多空间尺度,但尺度推移仍是模型研究中值得深入探讨的问题。

⑥尽管LUCC模型验证方法趋于多元化,但目前还没有一个模型验证的统一标准和规范。

参考数据的不足也大大限制了模型验证效果。

如何对LUCC模型的可靠性和科学性进行合理验证始终是LUCC模型所面临的关键挑战之一。

[3]

2国内外土地调查中的遥感技术研究现状

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[4]。

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[5]。

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[6]。

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[7],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[8]。

以前的遥感数据源来自于中低分辨率的航天平台（如LANDSATTM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。

3国外土地利用/覆盖变化遥感监测进展

综合进行土地利用/土地覆盖变化研究并在全球区域进行是近10年来随着全球环境演变研究的深入开展起来的。

应用卫星图象进行土地利用/覆盖动态监测目前在两种区域尺度的范围内开展。

一是全球和洲际尺度,二是区域级（亚洲际或更小区域尺度。

二者所选用的信息源不同,近年来的研究在精度上都取得了较大进展。

大量的研究在全球和洲际尺度进行,以使用气象卫星NOAA/AVHRR数据进行监测为主。

应用AVHRR数据进行全球和洲际尺度的植被变化和土地研究始于1981年[9]。

最早应用多时相AVHRR的植被指数（NDVI数据进行洲际尺度的土地覆盖研究是Tucker和Townshend,他们分别进行了非洲（Tucker,1985和南美洲的研究（Townshend,1994。

Cihlar等研究NOAA/AVHRR各多波段组合方案进行加拿大北方地区土地覆盖分类,以AVHRR的1、2和4波

段、它们的主成分波段以及NDVI进行,认为其中最有效的是NDVI,其与TM数据分类的精度比较可达45%~60%,其中主要土地覆盖类型的精度可超过80%（Cihlar,1996。

土地利用/覆盖动态监测在区域级尺度的研究,所选用的遥感信息源以高空间分辨率的卫星数据LANDSAT/MSS和LANDSAT/TM为主。

采用的遥感监测方法包括比较土地覆盖分类结果、多时相数据分类、图象差值/比值、植被指数、主成分分析以及变化向量分析等,其中图象差值、主成分分析法或缨帽变换是最常用的两种方法。

Fung于1990年在加拿大的滑铁卢地区,进行了LANDSAT/TM图象在土地覆盖变化动态监测中的评价研究,选择1985年8月和1986年7月的LANDSAT/TM数据进行,采用的方法是图象差值、主成分分析法和多时相缨帽变换法,对产生的12种变化信息提取图象的精度进行了评价,其中第三主分量在农用地变化为建筑工地的监测精度达95151%,缨帽变换中的亮度变化分量在监测建筑工地变化为居民地的精度为91167%。

Riley等人用MSS图象进行墨西哥的Tuxtlas地区的1986年~1994年土地覆盖变化的研究并表明其精度可以达到81%~87%（Riley,1997。

Adams等人对巴西的Amazon盆地进行的土地覆盖变化研究是采用1988年、1989年、1990年和1991年的TM数据进行的,估计监测精度可以达到90%以上（Adams,1995。

Lenney等人应用1984年和1993年的TM数据采用其NDVI特征进行埃及的农业土地监测,其分类的4种农用地的分类精度可达到95185%（Lenney,1996。

也有研究将NOAA/AVHRR和LANDSAT/TM数据结合进行土地覆盖的试验研究,取得了较好的效果。

4我国土地利用变化遥感监测工作

80年代初,在国家计委国土局、国家自然科学基金委和全国农业区划办公室的资助下,编制了《中国1:

100×104土地利用图》[10]。

从“六五”开始,我国就开始进行土地利用遥感调查与应用研究,90年代初,国家土地局组织完成了全国县级土地详查工作,东部采用航空遥感信息完成1:

1×104土地利用调查图,西部以航空遥感和卫星遥感信息相结合完成1:

5×104、1;10×104和1:

20×104土地利用图[11]。

近20a来,随着我国经济全面高速的发展,土地利用/土地覆盖变化较快。

在国家科委和国家科学基金委“九五”到2010年的重点发展领域和基金优先资助领域中,将土地利用变化对陆地生态系统的影响,人类活动对土地利用状况变化的影响作为其研究的重点之一[12]。

为配合IGBP/HDP的工作。

在“九五”期间,我国对全球变化的研究项目中涉及了多项土地利用/土地覆盖变化的研究项目,如:

国家自然科学基金重大项目（九五“中国陆地农业生态系统与全球变化相互作用机理的研究”中的“土地利用与覆盖变化及其对农业生态系统的影响”子专题,“九五”国家重大基础研究预选项目“我国未来生存环境变化趋势预测研究”中的“中国东北陆地生态系统样带（NECT对全球变化响应和反馈的研究———NECT样带的土地利用和土地覆盖的研究”等。

这些项目与IGBP/HDPLUCC的研究自标基本一致。

我国遥感开始于70年代。

“七五”和“八五”期间都进行了一些应用遥感进行自然灾害监测的研究[13]。

在国家“九五”计划中,“遥感、地理信息系统及全球定位系统技术（‘3S’技术综合应用研究”为国家科技攻关重点项目,应用“3S”技术进行资源、环境、灾害等监测,其中也包括对土地利用/土地覆盖变化的监测。

”1996年国家土地局进行土地利用动态监测的工作也开始起步,于1996年和1997年,运用TM和SPOT等卫星遥感资料,分别对19个城市和100个城市的城市扩展与耕地变化进行了动态监测,将土地利用遥感监测纳入土地管理业务化运行体系。

我国应用遥感技术进行土地利用/覆盖动态监测的工作已进行了多年,采用的监测方法多种多样,主要包括:

（1目视判读方法,如:

中科院地理所对浙江省兰溪市上华实验区,用50年代和80年代的1∶1175×104航空相片,并参考1991年和1992年LANDSAT/TM模拟真彩色图象,通过目视判读的方法进行了实验区土地退化研究;武汉测绘科技大学利用1957年、1967年和1980

年的航空影像进行了随州城市变迁的监测研究;江苏省选用1954年、1978年和1988年三期航空相片进行了无锡市土地利用变化的监测研究;山西省于1988年用1958年和1981年两期航空相片对晋西三川河流域进行了土地利用结构的动态分析;中科院遥感所将遥感与非遥感数据相结合,应用GIS技术,以80年代初和90年代的LANDSAT/TM图象,经分层数字化的方法进行全国土地资源动态变化研究;黑龙江省应用1997年大比例尺LANDSAT/TM合成图象进行了对1992年土地详查图的更新,以阿城监测区为例进行动态变化研究。

（2计算机遥感动态信息提取/遥感分类方法,如,中国科学院遥感卫星地面站曾用1986年SPOT/HRV图象和1987年LANDSAT/TM图象进行了河北省南皮县土地利用变化的监测,之后,应用1987年、1989年和1992年LANDSAT/TM图象进行北京地区的土地覆盖变化的遥感实验研究;中科院广州地理所在珠江三角洲的东莞市以1988年和1993年的LANDSAT/TM图象进行城市扩展的监测研究,并采用主成分分析方法改善了监测精度;国家土地局于1997年采用LANDSAT/TM数据对全国100个城市的扩展进行了研究。

（3遥感图象目视判读与计算机图象处理结合方法;例如:

浙江大学曾采用多平台遥感数据复合研究方法,用1978年LANDSAT/MSS图象、1984年航空照片和1987年LANDSAT/TM图象完成了岳阳市1978~1984、1984~1987年间的城市扩展的动态监测,获得了较大成功（监测精度达9117%[14];中科院遥感所对北京市朝阳区进行土地利用动态监测,采用1970年、1980年和1989年3个时段进行土地利用动态监测,1970年和1980年土地利用时间为已解译数据,对1989年数据通过概率松弛法进行分类,在GIS支持下进行动态信息的提取。

我国土地利用覆盖变化的遥感监测研究具有以下特点:

①采用的方法多样,以目视判读、计算机图象处理以及二者结合的方法进行,并且目视判读进行监测研究一直占有重要地位;②监测的空间尺度广泛,从小试验区至城市、流域和全国范围广泛进行;③时间尺度多种,以近10a监测为主,跨越的时间范围从50年代至90年代后期。

与国际土地利用/覆盖遥感监测研究方法相比,我国的工作在遥感图象的计算机信息提取方面尚存在一些差距。

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