高振宇，吳學(xué)瑜，2，范清東，曹子劍，門春春

土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測中的問題探析

高振宇1，吳學(xué)瑜1，2，范清東1，曹子劍1，門春春1

(1.天津市地籍管理中心，天津 300042;2.天津市土地登記中心，天津 300042)

為解決不同周期土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測銜接不緊密的問題，通過對天津市2008年度及監(jiān)測時段內(nèi)各季度的土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測結(jié)果的對比，從時間因素和人為因素兩個角度分析了監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，并就如何應(yīng)對和改進作業(yè)方式展開了論述。因受數(shù)據(jù)源和信息提取手段等的制約，使監(jiān)測效率不易有大的改變，故僅著重對如何改進和優(yōu)化季度監(jiān)測中的變化信息的提取方法進行討論，并提出了間接法和循環(huán)法的改進方法，以促進季度監(jiān)測與年度監(jiān)測的有效銜接，使監(jiān)測工作更為高效，且有針對性地開展。

遙感;土地利用動態(tài)監(jiān)測;監(jiān)測周期;季度監(jiān)測

0 引言

隨著對地觀測技術(shù)的飛速發(fā)展以及觀測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累，利用遙感技術(shù)開展大規(guī)模、多尺度、高頻率的國土資源調(diào)查已經(jīng)成為可能。土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測(以下簡稱監(jiān)測)是指應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)，定期或不定期地監(jiān)測同一區(qū)域土地利用的變化情況，包括變化前后地類、范圍、位置及面積等［1］。自1999年起，國土資源部對包括天津市在內(nèi)的全國50萬以上人口的城市每年組織開展一次土地監(jiān)測。為進一步滿足經(jīng)濟建設(shè)和土地管理的需要，自2002年開始，天津市每季度自主開展一次土地監(jiān)測［2］，旨在更加快速地掌握土地利用變化情況，為土地開發(fā)、利用、保護和年度變更調(diào)查［3］等提供更為現(xiàn)勢的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在監(jiān)測區(qū)域、時段、方法和數(shù)據(jù)源都一致的情況下，理論上說，不管是通過一次還是多次監(jiān)測得到的結(jié)果，都應(yīng)該是一致的。但本文作者在參加天津市2008年度及2007年4季度、2008年1至3季度的監(jiān)測工作時發(fā)現(xiàn)，共同監(jiān)測區(qū)域在同一監(jiān)測時段內(nèi)的兩類監(jiān)測結(jié)果差異很大，且不存在相互包含的關(guān)系。鑒于此，本文從分析監(jiān)測結(jié)果差異產(chǎn)生的原因入手，著重就如何應(yīng)對展開分析，并對季度監(jiān)測的合理開展及與年度監(jiān)測的有效銜接等展開討論。

1 研究區(qū)概況

天津市位于北緯38°34'～40°15'，東經(jīng) 116°43'～118°04'間，地處華北平原東北部、海河流域下游、環(huán)渤海灣的中心，東臨渤海，北依燕山，是我國4個直轄市之一。本文研究區(qū)域(圖1)包括環(huán)城4區(qū)(東麗區(qū)、西青區(qū)、津南區(qū)、北辰區(qū))及濱海新區(qū)(原塘沽區(qū)、漢沽區(qū)和大港區(qū))，總面積約為416 628.7 hm2。該研究區(qū)是天津市市域內(nèi)發(fā)展較快的涉農(nóng)行政區(qū)，土地利用動態(tài)變化較為頻繁，亦是國土資源部和天津市共同監(jiān)測的重點區(qū)域。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 The location map of study area

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)源、方法與結(jié)果

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)源

年度監(jiān)測和季度監(jiān)測采用的數(shù)據(jù)源均為SPOT系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(見表1)。2007年9月至2008年9月共同監(jiān)測時段的首末期遙感數(shù)據(jù)均為SPOT 5衛(wèi)星2.5 m全色與多光譜融合數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)獲取時間基本一致。不同的是:在共同監(jiān)測時段內(nèi)，季度監(jiān)測同時使用了SPOT 4衛(wèi)星10 m全色與多光譜融合數(shù)據(jù)和SPOT 5衛(wèi)星2.5 m全色數(shù)據(jù)，采用的是多次分段的監(jiān)測方式。

表1 監(jiān)測采用的數(shù)據(jù)源Tab.1 The data sources of two monitoring process

2.2 監(jiān)測方法

年度監(jiān)測和季度監(jiān)測均采用人機交互與計算機自動檢測相結(jié)合的變化信息提取方式，即通過對比前后時相的數(shù)字正射影像圖(DOM)，并參考土地利用現(xiàn)狀圖(庫)等基礎(chǔ)圖件來提取得到監(jiān)測時段內(nèi)的土地利用變化信息監(jiān)測流程(如圖2所示)。變化信息提取原則以發(fā)現(xiàn)新增建設(shè)用地為主，同時兼顧發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等農(nóng)用地之間的變化。

圖2 土地利用變化信息監(jiān)測流程Fig.2 The flow chart of change monitoring

2.3 監(jiān)測結(jié)果

2007年9月至2008年9月一年內(nèi)，年度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)變化圖斑1 130塊，對應(yīng)地面面積6 187.8 hm2。監(jiān)測時段內(nèi)，對應(yīng)2007年4季度及2008年1至3季度共4次季度監(jiān)測，累計發(fā)現(xiàn)變化圖斑1 849塊，對應(yīng)地面面積3 051.2 hm2。通過年度監(jiān)測與季度監(jiān)測兩類監(jiān)測結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn):二者數(shù)值差異較大，季度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的變化圖斑較年度監(jiān)測的變化圖斑多719塊，面積少3 136.6 hm2(表2)。

表2 監(jiān)測結(jié)果對比Tab.2 The monitoring results of the two methods

通過疊加分析得知，兩類監(jiān)測到的變化圖斑完全重疊部分的面積為1 299.1 hm2，占年度監(jiān)測變化圖斑面積的21.0%，占季度監(jiān)測變化圖斑面積的46.2%。經(jīng)分析，年度監(jiān)測變化圖斑中有349塊與季度監(jiān)測變化圖斑中的436塊全部重合或大部分重合，可認定為互相發(fā)現(xiàn)。該部分在年度監(jiān)測變化圖斑中的面積為5 606.4 hm2，占年度監(jiān)測變化圖斑面積的90.6%;在季度監(jiān)測變化圖斑中的面積為1 711.4 hm2，占季度監(jiān)測變化圖斑面積的56.1%。實際上，年度監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)而季度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的變化圖斑面積為1 339.8 hm2，占季度監(jiān)測變化圖斑面積的43.9%;季度監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)而年度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的變化圖斑面積為581.4 hm2，占年度監(jiān)測變化圖斑面積的9.4%。監(jiān)測結(jié)果對比情況見圖3和圖4。

圖3 監(jiān)測變化圖斑分布Fig.3 The distribution map of monitoring results

圖4 監(jiān)測結(jié)果對比示意圖Fig.4 The analysis sketch map of monitoring result

3 原因分析

通過對年度監(jiān)測與季度監(jiān)測互不發(fā)現(xiàn)變化圖斑的內(nèi)業(yè)檢核和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):出現(xiàn)較大差異主要是由監(jiān)測周期不同和受季節(jié)影響所導(dǎo)致的土地利用類型在土地覆蓋表象差異中的時間因素引起。此外還因作業(yè)方法、作業(yè)人員判讀標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗和細心程度差異等人為因素所致。

3.1 時間因素

從時間上看，年度監(jiān)測與季度監(jiān)測方法的主要差異在于監(jiān)測的周期不同，又伴隨著季節(jié)的變化，各監(jiān)測周期內(nèi)相應(yīng)的自然和人類活動也各不相同，致使土地利用發(fā)生不同的動態(tài)變化。

年度監(jiān)測采用的前后時相遙感圖像基本上是同一個季節(jié)獲取的，這在很大程度上去除了因季節(jié)影響而引起的誤判和漏判。然而季度監(jiān)測卻不可避免地因受季節(jié)影響而發(fā)現(xiàn)大量的土地覆蓋變化信息，但這些信息一般不是監(jiān)測土地利用變化所關(guān)心的，卻干擾了土地利用變化信息的提?。?］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由于受季節(jié)影響明顯，因而土地常常在不同的季節(jié)表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。工程建設(shè)同樣會受季節(jié)和時間影響，使得建設(shè)施工各階段的用地現(xiàn)場情況也差異很大，這些差異常常造成遙感圖像上的影像特征發(fā)生顯著變化，但土地利用類型實際上并沒有變化。此外，由于年度監(jiān)測較季度監(jiān)測的周期長，其監(jiān)測時段內(nèi)，土地利用類型變化特征比較明顯，因此誤判率和漏判率也就相對較低。由此可見，由時間所致的季節(jié)因素以及短監(jiān)測周期內(nèi)土地利用變化特征不如長監(jiān)測周期內(nèi)變化明顯，是導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)較大差異的一個重要原因。

3.2 人為因素

在目前計算機自動提取信息的精度尚不能完全滿足工作需要的情況下，人機交互解譯仍是一種非常重要的變化信息提取方法。然而由于目前尚缺少統(tǒng)一的變化圖斑認定標(biāo)準(zhǔn)可循，理論上說，任意兩個人或甚至同一個人任意兩次的變化圖斑提取結(jié)果在數(shù)量、面積及變化范圍上都不會完全相同。因此，采用的變化信息提取方法和作業(yè)人員的判讀標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗和細心程度等人為因素則會對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

對于連續(xù)漸進的土地利用變化，在短時間間隔的多次連續(xù)監(jiān)測中，由于各監(jiān)測時間段內(nèi)的影像特征變化有時不很明顯，因而可能被誤判和漏判，但從總的監(jiān)測時段前后時相的影像特征對比來看，土地利用類型確實發(fā)生了明顯變化。此外，對于一些臨時性的用地變化，其在某一季度確實發(fā)生了變化，但在其他季度則有可能又被復(fù)原，因此就可能會出現(xiàn)季度監(jiān)測里的一些明顯的土地利用變化情況，在年度監(jiān)測中則被認為沒有發(fā)生變化。依賴人工(人工判讀或人工設(shè)定計算機識別條件)對不確定和模糊的土地利用變化情況進行判讀和認定，不同的人通常會有不同的判讀結(jié)果，故人為因素是導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不同的又一重要原因。

4 應(yīng)對策略與方法改進

4.1 應(yīng)對策略

(1)提高用于土地利用變化監(jiān)測的遙感影像質(zhì)量。在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能提高影像的空間分辨率和清晰度，以降低變化圖斑認定時，由影像不清所導(dǎo)致的模糊性，進而提高變化圖斑提取結(jié)果的可靠性，降低誤判率和漏判率。

(2)提高作業(yè)人員的專業(yè)技能。加強解譯人員培訓(xùn)，注重解譯人員判讀經(jīng)驗和對監(jiān)測區(qū)域狀況的先驗知識的積累。

(3)改進和優(yōu)化作業(yè)方法。通過合理選用已有的遙感數(shù)據(jù)，并優(yōu)化其組合方式，在以固定周期定期監(jiān)測的基礎(chǔ)上，定期或不定期地采取跨周期的重復(fù)校驗，通過交叉檢驗和查缺補漏來促進不同時期監(jiān)測結(jié)果的有效銜接，以便及時有效地掌握土地利用變化情況。

(4)合理利用已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。充分利用土地利用現(xiàn)狀、規(guī)劃以及用地審批等多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使得工作的開展更加有的放矢，及時并有針對性地掌控最為關(guān)注的土地利用類型變化情況，從而有效地降低了監(jiān)測成本。

(5)采用多種變化信息提取方法相互檢核。充分運用計算機自動信息識別方法，同時將人機交互式提取方法與其結(jié)合，通過優(yōu)勢互補，對監(jiān)測結(jié)果進行多重檢核。

4.2 方法改進

限于目前衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的獲取周期與影像分辨率的現(xiàn)狀，以及受技術(shù)、資金和人員等條件的制約，改進和優(yōu)化作業(yè)方法在上述應(yīng)對策略中最為有效，且簡便易行，現(xiàn)僅就這一問題進行討論?？紤]到土地利用情況是連續(xù)和動態(tài)變化的，而遙感影像反映的僅是某一瞬間的土地覆蓋情況，因此僅依靠兩期影像的比對來發(fā)現(xiàn)土地利用變化顯然是不夠科學(xué)的。經(jīng)研究，現(xiàn)提出以下季度監(jiān)測的改進方法，亦可供年度監(jiān)測參考。

(1)間接法。間接法是通過多期土地利用變化量的相減來獲取變化信息，即通過將各季度末的影像與某一時相影像(如上年年末的影像)進行比對來提取監(jiān)測時段內(nèi)的土地利用變化信息，再通過剔除以往季度監(jiān)測的變化信息來得到本季度的土地利用變化信息。相對于直接法，間接法的優(yōu)點在于:①利用交叉和重復(fù)觀測有效地保持了監(jiān)測的連續(xù)性和時空特性，因此能降低季節(jié)的影響;②解決了短期內(nèi)影像特征差異變化不明顯以及短期內(nèi)臨時土地利用類型變化等對判別的影響;③可補充以往季度漏判的變化圖斑和剔除以往季度提取的偽變化圖斑。

(2)循環(huán)法。該法是通過循環(huán)對比上一年與本年同季度末的影像，并參考年度內(nèi)各季度的影像特征，進行長時間序列的連續(xù)、動態(tài)觀測，以提取周期年度土地利用變化信息，然后剔除前三季度監(jiān)測確定的土地利用變化信息，即得到本季度內(nèi)的土地利用變化情況。該方法的優(yōu)點在于:①采用長時間序列的動態(tài)觀測方法，不僅可以保持土地利用變化監(jiān)測的連續(xù)性，而且不會因為年度土地利用變化而產(chǎn)生監(jiān)測時段的斷裂;②通過比對同一季節(jié)不同年度的兩個時期影像，可有效消除季節(jié)因素對土地利用變化信息提取的影響，且更易于利用計算機自動識別方法提取;③更易于進行土地利用變化的跟蹤監(jiān)控及對土地利用類型內(nèi)部變化的監(jiān)測;④可不斷補充以往季度漏判的變化圖斑和剔除以往季度提取的偽變化圖斑。

圖5給出了3種監(jiān)測方法的示意圖。

圖5 監(jiān)測方法對比示意圖Fig.5 The analysis sketch map of three monitoring methods

5 結(jié)論

本文通過對年度監(jiān)測和季度監(jiān)測結(jié)果差異的分析和討論，指出了時間因素和人為因素是產(chǎn)生差異的重要原因，并提出了一些應(yīng)對策略。結(jié)合實際情況，在不改變數(shù)據(jù)源和監(jiān)測技術(shù)路線的情況下，改進和優(yōu)化作業(yè)方法可以保持監(jiān)測的連續(xù)性和完整性，并可將年度監(jiān)測和季度監(jiān)測有效銜接起來。實踐證明，使用間接法和循環(huán)法，可以有效解決季度監(jiān)測與年度監(jiān)測結(jié)果差異較大的問題，并有助于監(jiān)測效率的提高。

［1］ 中華人民共和國國土資源部.TD/T 1010－1999.土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測規(guī)程［S］.中華人民共和國土地管理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

［2］ 天津市規(guī)劃和國土資源局.利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測城市土地資源［EB/OL］.http://www.mlr.gov.cn/xxh/jyjl/201003/t20100306_139721.htm.

［3］ 國土資源部地籍管理司.全國土地利用變更調(diào)查報告2007［M］.北京:中國大地出版社，2007.

［4］ 徐 美，黃詩峰，黃 絢.遙感用于土地利用變化動態(tài)監(jiān)測中的若干問題探討［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2000，15(4):252 －255.

An Analysis of the Problems Concerning Remote Sensing Dynamic Monitoring of Land Use

GAO Zhen－yu1，WU Xue－yu1，2，F(xiàn)AN Qing－dong1，CAO Zi－jian1，MEN Chun－chun1
(1.Tianjin Cadastral Management Center，Tianjin 300042，China;2.Tianjin Land Registration Center，Tianjin 300042，China)

Based on a comparison of the monitoring results of land use dynamic monitoring in 2008 and in different periods of time in Tianjin，the authors have analyzed the differences between the results of annual monitoring and quarterly monitoring from the angles of time factor and human factor.The approaches to the problems as to how to effectively improve the two kinds of monitoring are discussed.Considering the limitation of the data source and the information extraction methods，this paper focuses on the analysis of the improvement and optimization of the results of quarterly monitoring of land use by using the remote sensing information extraction methods.The indirect and circular methods are used in this paper which can facilitate remote quarterly monitoring in a more efficient and targeted manner.

Remote sensing;Dynamic monitoring of land use;Monitoring frequency;Quarterly monitoring

TP 79:F 301.2，P 272

A

1001－070X(2011)03－0020－05

2010－10－19;

2011－03－25

高振宇(1983－)，男，工程師，主要從事遙感圖像處理與應(yīng)用研究。

(責(zé)任編輯:丁 群)