宁新国 2011206200003 中国南极测绘研究中心
摘要：“民以食为天”，我国人口众多耕地资源是粮食生产的基本保证，目前我国正在进行大规模的经济建设，耕地的占用情况相当严重后果，所以要对我国的耕地资源进行监测，以保证其面积能够保证粮食的供应量确保耕地面积不少于18亿亩。基于高分辨率遥感影像的耕地变化发现技术为耕地面积的监测提供了一个非常有效的方法。本文讨论了GPS、GIS、RS的变化发现技术的概况。
关键字：耕地保护 变化发现技术 遥感技术
一、前言
耕地是农业发展的重要物质基础，耕地资源面积的多少与质量的优劣直接影响粮食的总体产能。近年来，由于我国城市化和工业化的不断推进，建设用地占用耕地问题日益突出，全国耕地面积出现逐渐较少的趋势。随着我国人口高峰的日益迫近和人们生活水平的不断提升，以耕地资源安全为核心的国家粮食安全问题日益受到各级政府和国内外广大学者的高度关注。
到各级政府和国内外广大学者的高度关注目前我国县级土地利用年度变更调查广泛采用传统方式，即根据用地单位上报的数据，被动地了解利用的变化，并运用传统测量方法在野外进行变化信息空间的人工测量。这种测量方式效率低下，偏远地形复杂的地方不容易获取数据，而且不能及时准确地获取土地利用的变更信息，因而无法实时地获得土地变化的情况。研究利用遥感、地理信息系统和GPS等科技手段的测量技术来进行耕地面积变化的监测能获得土地利用的动态变化信息，以便快速准确经济地获取和管理土地利用动态
变化信息，科学管理土地利用的时空数据，为土地管理部门提供先进的管理工具，为区域可持续发展提供决策支持具有重要意义。随着遥感技术的应用，以遥感、GPS和GIS为基础的土地利用研究逐渐升温，针对土地利用的研究逐渐多起来，国内外陆续开展了部分地区城市土地利用和动态扩展方面的研究。
二、变化方法
变化发现分析就是对两个时态数据集在t1 和t2 时刻的差别识别和定位的研究。变化发现包含有对两个时态数据集的比较分析，它有四部分组成：探测；识别，即对变化的专题分类；确认，即对专题变化特性的描述；量化，即对变化的定量。对于两个时态数据集比较来说，矢量数据是对场景的抽象分类描述，而影像信息是对场景的一种未分类的连续的但又与分辨率相关的概括描述。同质数据的变化发现在数据预处理阶段就可以进行，而因为需要在数据变化发现前进行数据处理（包括影像分类，数据属性的矢量化等等工作），因此对于异质数据的变化发现来说，需要在数据分析后才能进行。因此，当当前对象的空间特征和/ 或属性特征发生变化时，对象就由此产生变化。对象的变化包括两个方面：一是空间变化，即对象的几何信息发生改变和相应的新的特征超过了精度限制，产生拓扑变化；另一个是属性变化，即对象的当前属性的专题值产生变化。在基于交互式和半自动变化发现这种同质对象特征提取结果的基础上，相关文献给出了两种用于当前地图和卫星影像资料的变化发现方法。目前形成了多种变化发现方法。其中一种变化发现方法是分类法，包括后分类比较法、光谱时序联合分析法、期望最大化算法（EM）、非监督变化发现法、混合变化发现法和 ANN方法。通常需要大量的训练样本数据用于影像数据的监督或非监督分类，也通常需要图像变换、植被指数、高精度分类法、模型和各种数据源的融合来提高数据分类的结果。实际上，后分类比较法是常采用的一种方法，但是该方法在对历史影像数据分类的时候，会极大的影响变化发现的结果。
三、3S技术融合的耕地变化发现技术
3.1 遥感变化发现发展状况
根据不同的应用目的和精度要求，研究者们设计了很多变化发现的方法，目前运动较为普遍的主要有如下几种：
3.1.1 图像插值法
图像插值法是用两个时相的图像对应波段逐像素分别相减，若不考虑其它因素（如大气条件、传感器）的影响，即在理想的情况下，对其差值分析确定合适的阈值即可得到反映地表变化的结果。这种方法的主要特点在于简单、直接，能够便于解译结果，其不足之处在于不能提供变化/未变化信息，不能提供由何种类型地物变化成何种地物的信息，另外，这种方法需要选择合适的阈值。
3.1.2 主成分分析
该方法是对多时相数据按一般主成分分析研究或标准主成分分析的方法进行线性变换，得到反映各种变化的分量，这些变化分量互不相关，而且按其强度及影响范围顺序排列。通过对进行主成分变换后的变化分量进行分析就可以总结变化规律，揭示变化原因。用主成分变换作为主分量分析法的数学基础的意义在于不损失原始数据有用信息的条件下，选择部分有效特征，而舍弃多余特征。
这种方法的减少了波段之间的数据冗余，强调了衍生成分的不同信息。但是由于主成分分析是依赖于影像的方法，因此不同日期的变化检测结果常难于解译和标识变化的类别。另外，这种方法不能提供一个完全的类别变化信息矩阵而且需要阈值确认变化的区域。
3.1.3 图像的分类比较
此方法是首先将不同时相的图像各自进行分类，然后对分类图像逐像元比较，得到变化结果。也可将不同时相的图像所有波段混在一起进行分类，分类结果同时包括常规地表类型及其变化类型。这是一种最为明显的变化发现方法，需要比较独立生成的分类影像。通过对不同时相的分类结果进行适当编码，分析人员能够生成一个变化图来反映完全的变化矩阵。另外，选择性的类别集合能够使分析人员观察任何感兴趣的子集变化。分类后比较方法能够控制结果，因为不同时相的数据分别进行处理，减少了对两个时相的数据进行关于大气和传感器的辐射归一化操作。这种方法不可避免对不同时相数据的精确配准问题。
3.1.4 图像回归法
在图像回归法中，假定时相t1是时相t2的线性函数，通过最小方差回归法可以做出之间的回归方程（x是波段k，i行，j列的像素值）有关的线性函数，而那些在两个日期之间发生了变化的像素将会与确定函数的预测值有显著的差异。图像回归法表明了不同时期像素的均值与方差不同，可减少了由于大气状况和太阳高度角的不同带来的不利影响，但对于特定的卫星数据，采用该方法需要确定合适的波段和阈值。
3.1.5 目视解译
这种方法一般是采用将影像1的一个波段作为红波段，将影像2的对应波段作为绿波段，将有的影像3的对应波段作为蓝波段，采用彩色合成法对目视识别变化区域。另一方式是将不同日期的影像在屏幕上叠加实施目视解译。
我们提到了变化信息的提取 ，具体的提取方法我们在前面已经提到了 主要有下面几
种：图像差值法，图像比值法，主成分变换，植被指数法，分类后比较法等 但是各个方法都有自己的局限性，例如：图像差值法虽然理论简单，易于掌握但目标区的变化性质不易确定；图像比值法虽然能较快辨识变化区域位于均值两侧的变化，但是阈值难以确定 ；主成分分析法虽然能突出不同的地物目标，而且无须再做辐射归一化处理，但提取变化信息却较复杂 ，主成分数量的确定没有明确的方法；植被指数法虽然能较好地检测地面植被变化信息却对地面其他变化类型的检测能力有限；分类后比较法虽说可直接提供变化前后的类别信息和变化信息但却夸大了变化区域，对历史遥感影像的分类存在较大难度因此提出一种综合光谱直接比较和分类后比较的混合动态监测方法是一种必然趋势，而且已经有了一些成功的案例研究 通过对湿地变化的动态监测研究表明：先利用光谱直接比较探测变化区，再进行图像分类确定变化类型的混合法是一种非常有效的变化检测方法基于不同时相遥感正射影像数据采用选择好的变化信息提取方法采用人机交互的方式逐一对变化图斑进行提取编号获得所有变化图斑后利用GIS软件建立土地利用变化图斑的拓扑关系生成土地利用变化信息属性表。
3.2 3S集成的变化发现技术的原理
目前我国基于遥感和地理信息系统技术在土地利用动态监测方面已进行了多方面研究，如清华大学地理空间信息研究所以图像设计为理论基础，对土地 遥 感 动 态监测信息管理系统进行了设计研究; 北京师范大学潘耀钟教授利用遥感信息融合技术，对不同时相的多元遥感数据进行融合，提出一套土地利用动态变化信息的监测方法; 北京大学遥感与地理信息系统研究所 李天俊通过土地利用动态监测遥感综合时空信息进行土地利用动态监测的技术方案; 中国科学院遥感应用研究所长张显峰研究员基于RS，GIS和GPS的集成技术建立了面向工程目标的土地利用动态监测的新方法目前正加紧进行的遥感课题的研究，主要有“SAR”数据应用研究“西部生态退耕检测方法试验”“高分辨率卫星数据应用研究”“遥感监测公报制度研究 ”“利用遥感技术辅助更新调查基础土建方法研究”“面向
县级土地利用图更新的最佳卫星遥感数据组合研究”“土地利用动态遥感监测精度评价研究”等。
土地利用动态监测是按照国家有关规定，监控土地利用的变化情况，防止并及时查处违法用地事件，为土地利用管理政策制定提供科学的数据基础技术的进步给国土资源管理带来了前所未有的发展机遇，一个以“3S”技术为支撑的土地利用更新调查技术路线正逐步形成，该技术路线可归纳为三点：（1）利用遥感技术（RS）发现土地利用变化信息；（2）利用全球定位系统技术（GPS ）快速 准确地获取变化信息的空间坐标；（3）利用地理信息系统技术（ GIS）进行土地利用现状数据库更新与管理统计分析等。
遥感技术的迅猛发展，遥感影像的质量也越来越高，这为变化发现技术的应用提供了更加丰富的数据。地理信息系统应用主要是利用其专题数据库进行遥感影像的分类和制图。GIS具有强大的空间分析功能，利用各种空间分析技术，通过对数据库中原始数据的处理，用户可以获取新的数据集，以此作为空间决策的依据。GIS空间信息分析主要有以下几个方面: 空间信息量算，空间信息叠加，空间信息统计，缓冲区分析和网络分析等 利用GIS的各种信息分析技术，可以获取土地利用在数量类型结构及空间位置等方面的变化信息。GIS还可以根据用户的需要，设计出具有个性化的电子地图，然后，进行打印输出或以其他文件方式输出。
遥感与地理信息系统是支撑现代地理学的两大空间技术工具，近年来它们的结合引起人们的普遍关注和研究随着遥感的应用领域由定性到定量由静态到动态由现状到预测报的不断深入和提高，它们的结合也由低级向高级发展遥感技术在获得地面信息中具有宏观性实时性动态性等特点，是土地利用动态检测的有效手段 地理信息系统是以空间数据为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集管理操作分析和模拟显示，并采用地理模型分析方法，适时提供各种定向的动态地理信息，为地理研究和地理决策服务建
立技术系统GPS、GIS和RS是三个相互独立发展起来的工程技术领域，但它们之间存在着密切关系：一方面GIS为RS和GPS提供多时相多波段信息源使系统中的信息具有现势性; 另一方面GIS为RS和GPS提供数据管理的地理模型分析功能，为 的信息提取和地学动态分析提供工具; 同时GIS中的辅助数据提高了遥感信息的分类精度。总之RS和GPS是 GIS的主要数据源和数据更新手段，GIS的应用和发展又进一步支持遥感的综合开发与利用。在办理的档案收件，在业务办理过程中也可随时查阅档案库房，方便上级领导或公众了解监督国土部门的各项工作这一切，将对目前的档案管理产生深远的影响。
3.3 变化发现技术的发展前景
近年来，利用遥感与地理信息系统技术监测土地利用变化可快速发现并能反映研究区域的变化趋势 经过很多学者研究表明利用人机交互式方法解译遥感图像，将多时相遥感图像进行叠加，最后利用地理信息系统软件进行各种分析和输出图件的方法进行土地动态监测是一种将遥感与地理信息系统相结合的行之有效的方法它既发挥了遥感的准确度高周期短速度快花费少的优势，同时又具有继承性数字化大信息量的特点基于遥感和GIS技术的土地利用状况动态监测是一项利用高技术为国民经济部门服务的有益尝试，RS、GIS、GPS技术的结合也为有效进行土地利用动态监测和快速决策提供了科学的依据因而有着很重要的意义。随着 世纪高新技术的迅猛发展，以 技术为主体的现代先进技术在土地管理中的广泛应用，为 城 镇 地籍管理提供了一套操作性强可推广的技术流程和方法实际应用证明，基于 的城镇地籍管理信息系统具有强大的数据处理能力，具备 数 据 采 集数 据 转 换数据错误检查数据错误处理数据 入 库数据实时变更与同一时点变更数据输出等功能，完全满足城镇地籍权属管理的需要，实现市县两级数据 交 换，实时变更数据的逐级更新，保持市县两级数据的同步管理，有效地对国土资源现势基础地理信息数据进行管理，掌握随时变化着的国土资源现状权属、数量、质量分布等，便于城镇地籍数据的利用管理和共享。
四、基于高分辨率遥感影像的变化发现技术精度分析
影像配准是多时相遥感变化检测数据预处理过程中的一项必要和关键性工作，理论和实际应用均表明配准误差将导致明显的虚假变化信息，比如在基于像素的影像处理方法中，一个像素的配准误差将导致线状地物( 如道路) 产生伪变化信息，以致变化检测结果中形成一条新的道路 国内外研究人员对多时相遥感影像的配准方法进入了深入研究，同时也开展了相对配准误差对变化检测精度影响的研究工作，并且取得了一定的理论意义成果。配准误差与影像分辨率、场景复杂度之间的关系。有学者认为当影像的配准精度达到0.5个像素时则可以忽略相对配准误差对变化检测精度的影响。所以在多时段不同影像比对的时候一般都会受到相对配准误差的影响。
参考文献：
[1] 翁玉坤，刘排英，王鹏生. 遥感技术在土地调查和动态监测中的应用综述 北京测绘，2009 ，3
[2] 屈小川. 后分类法和空间推理：用于更新GIS数据库的新的变化发现方法 测绘科技情报
[3] 杜佳虹，刘新. 遥感和地理信息系统在土地利用动态监测中的应用 测绘空间地理信息，2011，6
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