运用RS、GPS和GIS技术进行大比例尺土地利用动态监测的实验研究

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　问题的提出 土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础。我国人多地少，从80年代初以来，随着 经济的快速发展，土地利用结构发生了明显的变化，耕地资源数量减少，非农业用地大量增 加。因此，及时、准确地掌握土地资源的数量、质量、分布及其变化趋势，直接关系到国民 经济的持续发展与规划。国务院从1984年开始组织了全国范围内的、以县为基本单元的土地 利用现状调查，到1996年全部完成。第一次基本摸清了我国土地资源的数量、 质量和利用方式。但各县完成详查工作的时间有早有晚，整个详查工作跨10余年之久，其间 土地利用格局又发生了不小的变化。国家为了及时掌握土地资源的利用现状，各县（市）每 年都要进行土地利用变更登记，向国家土地管理局上报变更后的新数据。因此，对各地方土 地管理局来讲，如何准确快速地发现土地利用的变化并获取变化的数据，进行动态监测与更 新是一个不能回避的问题。　　由于航空摄影测量成本很高，难以运用航片来进行每年的土地变更调查，所以传统的方 法只能是根据用地单位的上报数据，被动地了解变化，并依靠人工野外运用传统测量工具（ 如平板仪）进行变化信息的空间测量。虽说一些研究部门也曾运用遥感手段来进行动态监测 ，但由于采用的数据的分辨率较低等因素，不能满足1∶1万的成图要求，因此未能实用化。 同时，我国绝大多数县（市）的土地管理部门仍是以纸为介质来存贮土地利用信息，存在成 图周期长，不容易修改等不足，因而不能满足以年为周期的土地资源动态监测的需要。　　根据我们的理解，土地利用动态监测应该包括以下内容：　　① 主动地发现土地利用的变化信息；　　② 准确、快速地获取变化信息的数量和特性；　　③ 将变化信息与历史信息进行空间分析，获得新的土地利用现状数据；　　④ 土地数据的计算机管理与可视化；　　⑤ 方便快捷地输出成果图件。　　针对土地利用动态监测的要求，需要运用诸如RS、GIS和GPS等高新技术，建立基于计算机系 统的动态监测新方法。 2　运用RS、GIS和GPS技术进行土地利用动态监测的思路与方法 　　目前我国土地管理部门进行土地资源动态监测和土地利用更新的方法主要有：在大范围 的土地资源动态监测中或初始土地登记中采用航空遥感手段，通过外业调绘和内业处理获得 大比例尺的土地利用详查图和统计数据。这种方法获得的成果精度高，但由于费用很高，作 业时间长，因此只适合中长期的普查工作。在进行短周期（1年或几年）的变更调查工作中 ，一般根据用地部门上报的用地数据，采取人工野外现场测量修改原图，再清绘重新印刷成 图。这种方法的缺点是明显的：① 不能主动监测变化，② 测量方法落后且人为干扰大，③ 变更数据获取速度慢，多次清绘误差累积，④ 一旦发现变化，原来的图件即失去现实性， ⑤ 与城市 图斑不同，农村土地利用图斑多为不规则多边形，运用平板仪等测量工具只能测量拐点，不 能连续测量整个边界，而且难于精确标绘到原详查底图上。近年来遥感、地理信息系统和全 球定位系统技术的发展与应用，给土地管理部门提供了土地动态监测新的思路与方法。2.1　依靠RS数据发现变化“靶区”　　数据快速获取与集成，是地球信息科学研究的关键技术，也是动态监测的关键。遥感技术经 过几十年的发展，已趋成熟。它能快速、动态地提供地球表层的信息。MSS、TM、SPOT是三 种最常用的资源卫星数据，在宏观资源调查中发挥了巨大的作用［2］。我国的科研 人员将卫星遥感数据用于土地资源宏观调查中，快速获取中小比例尺的土地利用变化信息。 但是，由于目前的卫星遥感数据的分辨率还不能满足1∶1万的大比例尺土地利用调查的要求 ，所以县（市）土地部门并不能完全依靠RS手段进行大比例尺土地利用数据的更新，必须综 合运用更精确的数据采集手段。2.2　运用差分GPS技术进行动态测量　　差分GPS技术不仅可以提高单机定位精度，而且可以消除美国的SA政策所带来的误差和部分 系统误差，充分提高GPS的测量精度。GPS差分技术的原理就是设置一个基准站，即在一个已 知大地坐标的点上放置一台GPS接受装置，其测量值与已知值之间的差值作为测站观测量的 改正量。根据基准站传向移动站的误差改正量不同，差分GPS（DGPS）又可分为距离差分、 伪距差分、相位平滑伪距差分和载波相位差分。对于局域网差分GPS，基准站与测站之间的 距离在500 km以内是可行的［3，4］。但是，要获得较高差分精度，基准站与测 站之间的距离最好在100 km以内，这样，对流层延迟对基准站和测站的影响可以被认为基 本相同。目前基于伪距的差分技术只能提供米级定位精度，基于载波相位的实时差分技术（RTK）是一个突破，能实时提供厘米级的三维定位精度。　　如果差分GPS的测站是一个移动目标，那么就称为动态差分GPS。根据误差纠正量是实时或非 实时（后处理）地传给测点GPS接收机，又可分为实时动态差分（RTD GPS）和后处理动态差 分。实时差分技术要求基准站与各移动测点之间进行数据通讯，传输数据链，因此要求较高 的技术条件和费用投入。后处理差分则是移动测站测量完成后，用软件对数据进行后处理来 达到差分的目的，因此费用低，但耗时长，一旦数据有误，必须重新测量。鉴于土地利用动 态监测中野外地形条件复杂多样，测量工作量较大，费用有限，因此采取后处理差分的方法 来获取变化地块的空间位置和属性数据。2.3　GIS是空间数据组织、管理、分析与可视化的工具　　地理信息系统（GIS）具有空间数据的输入与编辑，组织与分析，查询与管理以及制图输出 等功能。因此适合用来管理土地利用数据。事实上，GIS一产生，土地部门就是一个重要的 用户。我国各级土地部门正在或即将运用GIS建立各自的土地利用现状数据库，城镇地籍数 据库和土地变更、土地登记管理等内容的应用系统。但是，由于目前的GIS几乎都是静态地 管理几何数据和属性数据，而土地管理工作是一个动态的、日常工程，因此，如何在现有GI S软件中表示土地利用变化的时间属性，或者开发基于时空数据模型的GIS新软件，是GIS发 展面临的一个新问题。目前在现有的GIS中表示时间信息的方法大致有：　　① 在数据库中删除过时信息，用现状信息代替，即快照模型；　　② 重新定义和建立一个新的数据层，来反映变化信息；　　③ 为数据库中每一个元素存贮该元素生成的时刻T0和发生变化的时刻T1，在表中以 时间指针相连结(T0→T1)。　　由于动态监测要求不仅能够表示T0到T1时刻的变化，而且要生成T1时刻的现状图和 报表等信息，因此，我们采用上述的第二种方法，即数据库中既存贮T0时刻的数据，又保 存T0→T1时刻的变化信息，二者经过空间分析即可得到T1时刻的现状数据。2.4　基于RS、GIS、GPS集成技术的动态监测方法 　　从以上的论述中可知，由于分辨率和遥感图像分类准确率等原因，仅仅依靠遥感数据尚 不能准确获取土地利用变化信息，满足不了1∶1万比例尺的动态监测要求。但是利用卫星遥 感数据主动地发现土地利用类型的变化“靶区”，却是十分有用。在传统的土地管理中，仅 靠用地申报数据来确定变化，但不能及时、准确地掌握变化的空间位置、属性和数量，存在 占用土地不报或少报等现象。遥感手段的运用，不仅可主动发现变化，而且排除了人为干扰 。　　但是，目前常用的卫星遥感数据的分辨率尚不能满足1∶1万比例尺的成图要求，必须运 用DGPS精确地获取变化的数量信息。由于遥感数据和GPS数据都是以数字方式存贮，因此可 以十分方便地输入到GIS系统中，并与土地详查本底数据进行空间分析与集成。　　综上所述，我们归纳出基于RS、GIS和GPS集成技术的土地利用动态监测新方法。 　　　　　　　　　　　　　　　 3　应用实例 　3.1　实验区选取　　根据国家“九.五”重点科技攻关项目的部署，专门设立了一个专题来研究“县级资 源与环境动态监测技术示范”，经过区划选取ＸＸ市郊区县作为城乡接合部类型的示范，重 点研究RS、GIS和GPS集成技术在土地资源动态监测中的应用。　　ＸＸ市郊区地处北温带内陆干旱区农牧过渡带，是ＸＸ市城区及其周边郊区的总称。 由于城市迅速扩展，郊区的非农业用地增加，地类比较复杂，而且变化较快。如何迅 速地掌握城乡接合部土地利用的变化发展趋势，一直是ＸＸ市规划管理土地局着手解决的问 题。选择该地区作为县级资源与环境动态监测技术示范区，一方面顺应了地方需求；另一方 面郊区地势相对平坦，对GPS野外测量有利，与南方相比作物种类相对简单，用遥感手段发 现变化相对容易。此外，郊区县土地详查成果质量较高。3.2　GIS本底数据层的建立　　郊区总面积2 205.9 km2，土地详查工作于1992年完成，通过自治区验收评为优秀成果。 全区调查图幅按1∶1万标准分幅为126幅。全部采用扫描输入，经过编辑，建立土地详 查历史数据库。3.3　变化图斑（地块）的识别3.3.1　遥感数据处理及其与土地详查数据的配准　　选取1996年8月4日ＸＸ市地区的TM图象，选择3、5、4三个波段进行影像增强，对照1∶1万 地形图选取21个地物点作为影像几何纠正的控制点，进行几何纠正。采用双线性体内插法对 灰度值重采样，将土地详查数据库中的1∶1万的1992年土地利用数据与遥感影像进行配准叠 加。3.3.2　变化区域的识别　　由于传统的土地管理中只能被动地由用地部门上报用地数字，存在误报、漏报的问题 ，而且对于变化地块的空间性质不清楚。采用遥感手段则可以主动发现变化区域，空间位置 一目了然。考虑到目前遥感影像的计算机自动分类的精度不高和充分利用人的经验和知识， 采用交互式屏幕数字化提取变化区域的方法。具体做法是：将叠加后的图象显示在屏幕上， 通过人机交互判读发现地块变化，用不同颜色的符号标注出来（包括属性）。判读完成后将 结果回放输出，供GPS野外测量使用。　　在郊区县前明乡的试点证明，用TM遥感影像可以很好地发现土地利用的变化。该乡实 际变化地块为106处，通过遥感手段发现98处，其中有10块是人工手段难于发现而借助遥感 手段较易发现。对于面积太小，遥感手段不能发现的地块，以用地部门上报数据为准。3.4　GPS数据获取3.4.1　GPS选型　　目前市场上的GPS接收机按用途大致可以分为导航型、测地型和授时型等几类。还没 有专门为地籍测量目的生产的GPS接收机，因此我们选用的GPS接收机属于导航型。生产GPS 接收机的厂家有数十家，国内市场上销售的有Trimple、Magellan、Garmin、Novtel等，它们生产的GPS接收机各有特点。考虑到土地动态监测的需要，应该符合以下要求：① 定位精度较高，差分处理后必须达到米级；② 接收机内存必须足够大，才能满 足野外动态测量的要求；③ 操作简便，易于掌握；④ 差分处理软件功能强，除了 能够进行高精度的差分处理外，还要提供和常用GIS软件的数据接口。　　根据以上原则，课题组经过认真比较，选取Magellan公司的ProMark X-CM型GPS接收 机。该机是目前比较先进的GPS接收机，接收L1载波和C/A码观测量，可通过载波相位和伪距 码定位。能够进行载波相位差分测量和伪距码差分测量，提供从厘米级到米级（＜2 m）的 差分定位精度。该机内存4兆，能连续观测记录数据30小时（伪距码）和8小时（载波相位） ，对野外连续作业十分有利。3.4.2　基准站的建立　　在ＸＸ市郊区前明乡试点中运用3台ProMark X-CM型GPS接收机，其中一台作为基准站 ，另外2台作为移动站进行测量。基准站必须是一已知坐标点，基准站的测量时间段必须包 含移动站的测量时间段，这样才有足够的数据供差分计算时使用。在郊区前明乡试点中，基 准站选在地势相对较高，周围没有遮挡的烈士陵园附近的GPS测绘控制点。 如果不能找到合 适的已知准确坐标的已知点（如测绘控制点），可以运用GPS接收机进行静态定位作较长时 间的观测，求取一已知点，然后以此点作为基准站。3.4.3　变化地块边界坐标点的获取　　在设定好基准站后即可进行移动站的动态测量，获取变化地块的边界坐标。将GPS天 线架设在一轻便的天线支撑竿上，手持GPS接收机沿变化地块边界移动一周即可。可以是步 行，也可以以自行车、摩托车或汽车作为载体。　　在实际测量中可能因为对现场不熟悉，虽然图上发现了变化但难于在野外找到该变化 地块。解决的办法一是请当地熟悉情况的人员做向导；另一种办法是在室内发现变化后在GI S系统中获取变化图斑中心的地理坐标值，在野外如果难于确定变化区域，就起用GPS的导航 功能，引导测量人员到达被测地块的大致位置。　　在测量中不仅要获取变化地块的空间坐标，而且要记录下变化地块的属性变化。属性 编码可直接输入GPS接收机，最多为72个字符。在测量前应该对所有待测地块进行编号以免 测量中遗漏。此外，移动站测量过程中应该随时保持和基准站的联系，万一基准站出现问题 ，通知移动站暂停工作。3.4.4　GPS差分后处理　　由于GPS单机定位精度不能满足1∶1万制图的要求，所以必须进行差分处理。考虑到县级土 地部门的技术条件和经费能力，采用后处理差分处理技术处理移动站的测量值，以求达到2～ 5 m的精度。后处理差分技术主要依靠软件来进行差分纠正值和观测量的解算，MAGELLAN公 司随机提供MSTAR差分处理软件。图2所示为某地块边界坐标经差分处理后的结果。 　　　　　　 3.5　系统的集成与数据的可视化3.5.1　集成平台的选择　　考虑到县（市）级用户的财政能力和易于掌握使用的要求，在软硬件选型过程中，根据以下 几个原则：① 能够满足研究项目的技术要求；② 系统稳定性能好，用户易于掌握、使用和 维护；③ 在经费上能够承受，便于推广；④ 易于集成现有的各种软硬件资源；⑤ 开发周期不宜太长。　　根据上述5点要求，经过大量调查工作，初步确定如下：　　软件环境。在WINDOWS95环境下，以ARCVIEW为集成平台，以视化GIS软件、图像处理软件和自 行开发的软件为支撑，利用宏语言、VB、VC++等程序设计语言，开发和集成各功能模块，建 立动态监测系统的软件环境。　　硬件构成。硬件包括GPS接收机，微机（486以上）和各种输入、输出设备（打印机、喷墨 绘图机）。　　由于目前国外商用GIS软件的价格比较高，因此课题组正在寻求国产自主版权的GIS软件为支 撑平台。3.5.2　GPS数据的坐标转换　　由于我国的土地、地形测量是以北京54坐标系为参照，而GPS测量数据是以WGS84地心坐标系 作为参照，这两个坐标系所采用的参考椭球体不同，因此必须进行坐标转换。不同的研究目 的对坐标转换的精度要求也不一样。由于差分GPS的工作区域相对于GPS控制网来说要小，一 般在50*50平方公里以内。因此采用在二维平面上进行相似变换的方法。　　(1) 当工作区内有足够的已知WGS84和北京54坐标的情况时，可计算坐标转换的7参数或3参 数（旋转参数、尺度参数和平移参数）进行坐标转换。　　（2） 当工作区内有3个已知WGS84和北京54坐标的控制点时，可根据下式计算WGS84到54坐 标系的转换参数 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　x54=δx+k1x84+k2y84　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　y54=δy+k1y84+k2x84式中　δx、δy、k1和k2为转换参数，多余的1个点用作检验。 图3　土地利用动态监测系统集成示意图 　　（3） 在只有一个已知点的情况下，可用基准站的地心坐标与该点的北京54坐标之差作为平 移常数，但这样转换精度较低。　　（4） 当控制点精确的WGS84坐标无法获取时，可以在基站输入该点的北京54坐标进行差分 计算，结果是WGS84与北京54坐标的一个混合体，称为“伪54”坐标，它与真54坐标之间存 在一个误差。如果坐标转换精度要求不高而又无法获得控制点的精确地心坐标（WGS84）时 ，这种方法也是可行的。在ＸＸ市郊区县GPS野外测量中，我们采用多个公共点计算WGS84地 心坐标到北京54坐标的转换7参数，用基准站WGS84坐标进行差分，然后将差分结果从WGS84 坐标系转换到54坐标系，得到移动站测量结果的真54坐标值，同时运用基准站的54坐标直接 进行差分，得到伪54坐标值，二者差值在1米以内。 证明在难于获得足够的公共点时，直接 用基准站的54坐标进行差分，其结果能够满足土地利用动态监测的精度要求。　　由于我国1∶10 000的农村地籍图是按3°带高斯-克吕格投影到二维平面直角坐标系下，所 以GPS测量数据必须进行投影才能与GIS数据进行匹配。在本项目中我们开发一个功能模块， 其主要功能是读入MSTAR输出的差分数据，完成精确投影转换和数据格式转换，输出Arc/Inf o能够接收的GEN格式。3.5.3　GPS数据与土地详查历史数据的空间复合分析　　GPS测量数据必须转换成GIS数据格式，比如生成Arc/Info的Coverage才能和土地详查数据进 行空间叠加分析。　　野外获取的GPS数据经MSTAR软件差分处理后可输出如下格式的数据：　　　　　　　　　　　　　　　　　　IDNOi, Bi, Li　　(i=1，2，…，n)式中　IDNO为坐标对序号，B、L分别为经度和纬度　　经过投影坐标转换将WGS84坐标系下的GPS数据转换到北京54坐标系下，再将数据写到Ar c/Info系统可以读取的格式。这样我们就得到了1998年的土地利用变化数据图层。将变化图 层在Arc/Info环境下与1991年的土地详查数据进行空间叠加分析，得到新的土地利用现状图 层。该图层的属性表中每个数据项具有时间属性，分别代表1991年和1998年的属性变化 （表4）。通过查询工具可以查询每一空间目标（地块）在不同时段的属性，如土地利用类 型、权属、图斑编号等。对不同时段的相同属性进行合并就得到新时段的现状图。3.5.3　土地利用数据的显示、查询与输出　　ARCVIEW桌面制图系统具有从空间数据（矢量和栅格）显示、查询、统计和制图输出等一系 列功能。由于它是基于WINDOWS环境，所以操作简便，可用资源丰富。经过我们初步开发， 通过热键连接方式将多媒体功能加入系统中。前明乡的试点工作已经做到：　　① 通过查询工具可以查询某一图斑的面积、图斑号、权属和土地利用类型等信息。例如， 在1991～1998变更图上可以查询任何图斑1998年的面积、图斑号、权属和土地利用类型和199 1年的图斑号、权属和土地利用类型。即知道了该图斑1991年的类型，现在变成了哪一种类 型(图4)。 　　　　　　　　　　　　　　　　图4　查询土地利用的动态变化信息　　　　　　　　　　　　Fig.4　Visulization and query of land use dynamic information　　② 用热连接键查询某一图斑的声音或图像、文字信息。　　③ 对属性数据库的常规管理，如字段增删、记录修改等。　　④ 以统计图的方式显示1998年和1991年土地利用面积的变化。　　⑤ 制作专题图版，并可以打印输出。 4　基本结论 　　遥感动态监测不仅是土地管理部门的重要工作内容，而且直接关系到区域国民经济的持续发 展。传统的土地利用更新和管理方法不符合信息时代的要求，探索新的方法具有重要意义。从“六.五”以来遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术得到了长足的发展，全球定位系 统（GPS）从1993年以来在各个领域的应用发展很快。但是如何运用RS、GIS和GPS等高新技 术建立大比例尺土地利用动态监测的实用技术，是一个值得进一步研究的课题。通过在ＸＸ市郊区的实验，基本上建立了基于RS、GIS和GPS技术的土地动态监测新方法。该方法与传统 方法相比较具有以下优点。　　（1） 运用遥感可以主动发现土地利用的变化信息，提取变化地块的大致区域；而传统方法 只能被动地由用地单位或个人申报，存在少报和漏报的情况，增加了监测的客观性。此外， 运用TM数据成本低，能够较好地发现变化区域，尤其是非农业用地。在ＸＸ乡试点中，全乡 1991年到1998年共有变化地块106块，其中通过遥感手段发现98块，发现率为91%。　　(2) 以GPS作为测量工具不仅快速而且精度高，可全天侯作业，测量操作简便。拿在ＸＸ乡 试点中采用的ProMark X-CM GPS接收机为例，测量精度在2～5 m以内，这是传统方法无法比 拟的。表1是工作效率的比较。 　　　　　　　　　　　　　　表1　传统方法与“3S”方法的比较（以前明乡为例） 　　(3) 与传统成图方式相比，GIS的优势是公认的。最重要的一点是数字地图可以十分方便、 快捷进行空间分析、综合、提取和修改。而且成图周期短、成本低。此外GIS可以在日常地 籍管理中发挥重要的作用，摈弃传统卡片的管理方式。　　(4) GPS测量数据和遥感数据都是以数字方式存储，可以直接输入GIS系统成图，避免了传统 方法中多次转绘、清绘带来的误差。　　(5) 运用3“S”集成技术可以较好地完成县级1∶10 000比例尺的土地资源动态监测工作， 为土地变更调查和登记提供了一个新的手段。与传统方法相比较，不仅提高了数据获取的精 度，而且大大地提高了工作效率。