遥感技术应用于土地利用变化监测.docx

1、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 2

2、1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,

3、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 (Land Change Science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

4、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

5、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”。 21.2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

6、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

7、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

8、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: LUCC 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。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。反馈机制是 LUCC 系统的一个重要特征,现

9、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。 LUCC 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。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。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

10、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。 32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

11、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

12、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

13、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

14、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 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

15、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

16、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 AV

17、HRR 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

18、 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 Ama

19、zon 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

20、 1:100104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 1:1104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 1:5104、 1; 10104和 1:20104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/

21、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

22、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

23、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 1175104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

24、,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

25、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 19781984、 19841987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

26、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 :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; 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;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

27、一些差距。参考文献 :1 王静 . 必须要重视土地科学前沿研究 . 中国土地勘测规划院实验室 .2007-112 侯鹏程 . 土地利用变化研究进展 . 国土资源政策法律网 .2009-9-183 唐华俊 , 吴文斌 , 杨鹏 , 陈佑启 ,PeterH . Verburg. 土地利用 /土地覆被变化 (LUCC模型研究 进展 . 地理学报 ,2009,64(4:456-4684 李秀彬 . 全球环境变化的核心领域 -土地利用顺被变化的国际研究动向 J.地理学报, 1996, 51(6:553-5575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:

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