周金艷(河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)工程學(xué)院,河南 鄭州 450052)

1 引言

遙感(Remote sensing)是以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ),在 20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)[1]。遙感技術(shù)具有客觀、及時(shí)的特點(diǎn),能夠在較短時(shí)間內(nèi)連續(xù)獲取大面積的資源和環(huán)境數(shù)據(jù),用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)遙感監(jiān)測(cè)土地利用變化的一種方法是對(duì)多時(shí)相、多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作糾正配準(zhǔn)融合等預(yù)處理,然后利用處理結(jié)果進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類和人工判讀目視解譯,得到各時(shí)相的土地利用分類結(jié)果,比較分類結(jié)果便可發(fā)現(xiàn)土地利用中的變化情況[2]。本文以邯鄲市為例闡述在Erdas Imagine中建立TM影像土地類型解譯標(biāo)志,進(jìn)而了解該區(qū)土地利用的情況。

2 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)采集

2.1 研究區(qū)域概況

邯鄲位于河北省最南部,太行山南段東麓和華北平原南部,屬典型的中緯度地區(qū)。地勢(shì)總體西高東低,自西向東階梯狀分布著山地、丘陵、盆地、高平原、低平原等類型。全市土地總面積120.7萬(wàn)hm2,其中耕地、園地、林地、牧草地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水域和未利用土地分別占土地總面積的57.8%、1.6%、7.8%、0.06%、9.6%、1.8%、4.6%和16.8%。耕地主要分布在東部平原地區(qū),東部10縣耕地總面積 44.6萬(wàn)hm2,占全市耕地面積的63.8%;林地、未利用土地集中分布在西部山地丘陵區(qū)[3]。

2.2 遙感數(shù)據(jù)的采集

隨著遙感技術(shù)的飛速進(jìn)步,從航空到航天,從可見(jiàn)光到微波,從多波段到高光譜等各種類型、各種分辨率、各種價(jià)格的遙感數(shù)據(jù)可供選擇,這使得遙感資料選擇成為判讀解譯的首要問(wèn)題。這次操作中遙感數(shù)據(jù)的選擇主要考慮了以下幾點(diǎn)。

(1)從遙感資料類型方面看,航天遙感的視野比航空遙感開(kāi)闊,觀察的地點(diǎn)范圍大,可以發(fā)現(xiàn)地表面積內(nèi)宏觀的、總體的特征;在同樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),航天遙感的觀察范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于航空遙感。這次選擇的是陸地資源5號(hào)衛(wèi)星所獲取的TM影像。TM(Thematic Mapper)為專題制圖儀,一種改進(jìn)的多光譜掃描儀。其空間、光譜、輻射性能均比MSS有明顯提高,因而數(shù)據(jù)質(zhì)量提高,數(shù)據(jù)量增加。TM選用可見(jiàn)光-熱紅外(0.45～12.5μm)譜段,共分7個(gè)較窄,更適宜的波段。

(2)波段組合對(duì)目視判讀的效果也是很重要的。第4波段(近紅外波段)集中反映植物的強(qiáng)反射,用于植被類型、生物量和作物長(zhǎng)勢(shì)的調(diào)查,可用來(lái)增強(qiáng)土壤與農(nóng)作物和陸地與水域之間的反差;第3波段(紅波段位于葉綠素地吸收區(qū))能增強(qiáng)植被覆蓋與無(wú)植被覆蓋之間的反差,亦能增強(qiáng)同類植被的反差;第2波段(綠波段),對(duì)水體的穿透能力較強(qiáng),對(duì)植被的反射敏感,位于葉綠素的兩個(gè)吸收帶之間,利用這一波段增強(qiáng)前別植被的能力[4]。在這次操作過(guò)程中,通過(guò)分析該區(qū)域數(shù)據(jù)的光譜信息結(jié)構(gòu),綜合比較各波段信息,計(jì)算各波段信息的相關(guān)性,所采用的波段組合是TM4、3、2標(biāo)準(zhǔn)假彩色組合。

(3)從比例尺與分辨率選擇方面看,高清晰度的圖像可以反映出物體實(shí)際形狀、圖案、紋理等特征,但宏觀大規(guī)模現(xiàn)象不易在大比例尺圖像上讀出。根據(jù)要解譯的遙感圖像內(nèi)容的不同選擇合適的遙感數(shù)據(jù),這次選擇的遙感數(shù)據(jù)是 TM影像,空間分辨率為30m。

2.3 輔助資料的準(zhǔn)備

主要收集到的輔助資料有河北地形圖、邯鄲市土地利用總體規(guī)劃(1997～2010年)、邯鄲市ETM+影像(作為TM影像幾何校正的參考文件)以及邯鄲市歷史資料、人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況等。

3 TM影像的預(yù)處理

3.1 技術(shù)路線

遙感影像的預(yù)處理中數(shù)據(jù)的精度對(duì)于后期進(jìn)行土地類型解譯時(shí)影響是很大的。每一步都有數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn),只有滿足精度要求才能繼續(xù)進(jìn)行,否則會(huì)降低解譯的準(zhǔn)確度,本文操作流程如圖1所示。

圖1 建立土地類型解譯標(biāo)志流程圖

3.2 幾何校正

幾何校正(GeometricCorrection)就是將圖像數(shù)據(jù)投影到平面上,使其符合地圖投影系統(tǒng)的過(guò)程[5],幾何校正包含了地圖坐標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)置,其校正流程如圖2所示。

本次操作中圖像幾何校正計(jì)算模型選擇的是多項(xiàng)式變換(Polynomia1)。多項(xiàng)式變換在衛(wèi)星圖像校正過(guò)程中應(yīng)用較多,原理直觀,計(jì)算簡(jiǎn)單在調(diào)用多項(xiàng)式模型時(shí),需要確定多項(xiàng)式的次方數(shù),通常整景圖像選擇3次方。次方數(shù)與所需要的最少控制點(diǎn)數(shù)是相關(guān)的,最少控制點(diǎn)數(shù)計(jì)算公式為:((t+1)*(t+2))/2,式中t為次方數(shù),對(duì)于相對(duì)平坦的研究區(qū)域,有較高的校正精度[5]。對(duì)邯鄲市兩張TM影像進(jìn)行幾何校正操作時(shí)t=3,采用窗口采點(diǎn)模式進(jìn)行采點(diǎn),均選擇了 27個(gè)控制點(diǎn),且精度分別控制在0.2250和0.2310個(gè)象元,滿足精度控制在0.5個(gè)象元以下的要求。地面控制點(diǎn)(GCP)的選取是幾何校正中最重要的一步,精度控制很重要,會(huì)影響到校正結(jié)果精度。

此時(shí)重新定位后的象元點(diǎn)在原輸入圖像中的行列號(hào)不是或者不全是整數(shù)關(guān)系,導(dǎo)致了分布不均勻,所以需要根據(jù)輸出圖像上的各象元在原始圖像中的位置,按一定規(guī)則對(duì)原輸入圖像重新采樣,進(jìn)行亮度值的插值計(jì)算,從而建立新的圖像矩陣。這就是圖像重采樣的過(guò)程。ERDASIMAGINE提供鄰近點(diǎn)插值法、雙線性插值法、立方卷積插值法3種常用的重采樣方法。這次操作中選擇了雙線性內(nèi)插法。該方法能夠產(chǎn)生平均化的濾波效果,能輸出一個(gè)邊緣比較平滑的連貫圖像。

圖2 幾何校正流程圖

3.3 遙感圖像的不規(guī)則裁剪與鑲嵌

根據(jù)邯鄲市區(qū)域范圍和行政界線在邯鄲市TM影像上建立用戶感興趣區(qū)域(AOI),確定裁剪區(qū)域,在ERDAS圖標(biāo)面板菜單條中單擊Main|Data Preparation|SubsetImage命令,設(shè)置相關(guān)參數(shù),進(jìn)行不規(guī)則裁剪操作。在各個(gè)分幅影像裁剪完成后,需要將分幅影像拼接成一幅完整的邯鄲市TM影像。進(jìn)行鑲嵌操作的兩張邯鄲市TM影像有足夠?qū)挼闹丿B區(qū),相鄰的圖像色調(diào)(對(duì)彩色圖像)一致,而且依據(jù)相同的地圖投影方式進(jìn)行分幅校正,可以直接進(jìn)行圖像拼接操作。

4 建立TM影像土地類型解譯標(biāo)志

遙感影像解譯指從遙感圖像獲取目標(biāo)地物信息的過(guò)程[4]。土地利用類型的解譯需要根據(jù)專業(yè)(部門)的要求,運(yùn)用利于土地類型的解譯標(biāo)志、專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),從TM影像上識(shí)別各種土地利用類型,定性、定量地提取出目標(biāo)的分布、功能、結(jié)構(gòu)等有關(guān)信息,并將其表示在地理底圖上的過(guò)程。

4.1 遙感影像解譯原則

整體性和綜合性原則,要充分利用多種解譯標(biāo)志,綜合分析地物特征,不能片面的強(qiáng)調(diào)個(gè)別“典型標(biāo)志”的作用,將其絕對(duì)化,更不能將某種“典型”色調(diào)或結(jié)構(gòu)特征與某種地物等同起來(lái),否則很容易造成解譯的錯(cuò)誤;兼顧多尺度原則,在研究區(qū)域影像宏觀尺度的輪廓之后進(jìn)行中小尺度的詳細(xì)解譯,多個(gè)層次相互補(bǔ)充;先易后難,循序漸進(jìn)原則[6]。

4.2 遙感影像解譯依據(jù)

經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后的邯鄲市TM影像上依據(jù)遙感影像直接解譯標(biāo)志、地物相關(guān)關(guān)系等間接解譯標(biāo)志、邯鄲市區(qū)域特點(diǎn)和全國(guó)土地分類系統(tǒng)。

4.2.1 遙感影像直接解譯標(biāo)志

遙感影像的直接解譯標(biāo)志,它是遙感圖像上能直接反映和判別地物信息的影像特征。包括形狀、大小、陰影、色調(diào)、顏色、紋理、圖案、位置和布局?？梢哉f(shuō)直接解譯標(biāo)志是判讀目標(biāo)自身特點(diǎn)在影像上的直接表現(xiàn)形式,有時(shí)是判讀的充分條件。下面重點(diǎn)介紹這次操作中使用較多的4類遙感影像直接解譯標(biāo)志。

(1)色調(diào)。它是最直接、最重要的解譯標(biāo)志,一般影像判讀前要通過(guò)多種方法提取色調(diào)信息。例如水庫(kù)顏色深藍(lán)色,山脈上因有大量植被覆蓋,在標(biāo)準(zhǔn)假彩色上呈紅色。

(2)形狀。在遙感影像上能觀察到的的是目標(biāo)物的頂部或平面形狀。例如107國(guó)道和309國(guó)道的判別。

(3)紋理。是指與色調(diào)配合看上去平滑或粗糙的紋理的粗細(xì)程度,例如水庫(kù)坑塘在影像上質(zhì)底均勻紋理細(xì)膩,類型邊界非常清晰。

(4)位置。即目標(biāo)物體所在的環(huán)境部位,例如邯鄲市園地,該類用地幾何形狀多數(shù)不規(guī)則,主要在中西部山地丘陵區(qū)擴(kuò)展,紋理不清晰,在邯鄲各縣中均有分布。

4.2.2 遙感影像間接解譯標(biāo)志

遙感技術(shù)中存在著一定的局限性,有些土地利用類型不能直接從影像的直接解譯標(biāo)志中判讀出來(lái),需要從其他相關(guān)事物之間的聯(lián)系,通過(guò)豐富的專業(yè)知識(shí)和嚴(yán)密的邏輯推理間接的解譯出來(lái)。間接解譯標(biāo)志和直接解譯標(biāo)志要相結(jié)合以提高解譯的判正率。

4.2.3 邯鄲市區(qū)域特點(diǎn)與全國(guó)土地利用分類系統(tǒng)

邯鄲市區(qū)域特點(diǎn)包括其地理位置、地形地貌、交通條件、土地資源利用現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)條件等。這次使用的是第2次全國(guó)土地調(diào)查采用的分類系統(tǒng)《土地利用現(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2007)?！锻恋乩矛F(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用一級(jí)、二級(jí)兩個(gè)層次的分類體系。

4.3 實(shí)地檢驗(yàn)并建立最終解譯標(biāo)志

在初步建立邯鄲市TM影像土地類型解譯標(biāo)志后進(jìn)行了實(shí)地檢驗(yàn),修正后的解譯結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 邯鄲市TM影像土地類型解譯標(biāo)志

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)陸地資源衛(wèi)星 TM影像圖對(duì)邯鄲市進(jìn)行土地利用類型調(diào)查,基于遙感技術(shù)的解譯方法進(jìn)行土地利用類型調(diào)查,是一種準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、高效的方法。對(duì)遙感圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像處理,可以提高土地利用類型解譯精度的重要環(huán)節(jié)。在目視判讀過(guò)程中,通過(guò)建立準(zhǔn)確的解譯標(biāo)志,采取適當(dāng)?shù)呐凶x方法和實(shí)地驗(yàn)證可以提高解譯質(zhì)量。完善統(tǒng)一的解譯標(biāo)志是圖像庫(kù)、圖形庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn),也是實(shí)現(xiàn)多期圖形疊加進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)精度的保證。

[1]張永民.遙感技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)信息界,2010(4):23～25.

[2]宋海波.土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)[EB/OL].[2010-11-13].http://jwc.cugb.edu.cn/dizhi/cugb_jpkc/djgl/1-2/jxdg/jxjy03.htm.

[3]邯鄲市國(guó)土資源局.邯鄲市土地利用總體規(guī)劃[R].邯鄲:邯鄲市國(guó)土資源局,2008.

[4]彭望琭.遙感概論[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]黨安榮,王曉棟,陳曉峰.ERDASIMAGINE遙感圖像處理方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[6]田建林,雷 平,石軍南.QuickBird影像目視判讀在土地利用類型調(diào)查中的應(yīng)用研究[J].四川林勘設(shè)計(jì),2006(1):45～48.