1、耕地變化發現技術綜述寧新國2011206200003中國南極測繪研究中心摘要：“民以食為天”，我國人口眾多耕地資源是糧食生產的基本保證，目前我國正在 進行大規模的經濟建設，耕地的占用情況相當嚴重后果，所以要對我國的耕地資源進行 監測，以保證其面積能夠保證糧食的供應量確保耕地面積不少于18億畝。基于高分辨 率遙感影像的耕地變化發現技術為耕地面積的監測提供了一個非常有效的方法。本文討 論了 GPS、GIS、RS的變化發現技術的概況。關鍵字：耕地保護變化發現技術遙感技術一、前言耕地是農業發展的重要物質基礎，耕地資源面積的多少與質量的優劣直接影 響糧食的總體產能。近年來，由于我國城市化和工業化的不斷推

2、進，建設用地占 用耕地問題日益突出，全國耕地面積出現逐漸較少的趨勢。隨著我國人口高峰的 日益迫近和人們生活水平的不斷提升，以耕地資源安全為核心的國家糧食安全問 題日益受到各級政府和國內外廣大學者的高度關注。到各級政府和國內外廣大學者的高度關注目前我國縣級土地利用年度變更 調查廣泛采用傳統方式，即根據用地單位上報的數據，被動地了解利用的變化， 并運用傳統測量方法在野外進行變化信息空間的人工測量。這種測量方式效率低 下，偏遠地形復雜的地方不容易獲取數據，而且不能及時準確地獲取土地利用的 變更信息，因而無法實時地獲得土地變化的情況。研究利用遙感、地理信息系統 和GPS等科技手段的測量技術來進行耕地面

3、積變化的監測能獲得土地利用的動 態變化信息，以便快速準確經濟地獲取和管理土地利用動態變化信息，科學管理 土地利用的時空數據，為土地管理部門提供先進的管理工具，為區域可持續發展 提供決策支持具有重要意義。隨著遙感技術的應用，以遙感、GPS和GIS為基礎 的土地利用研究逐漸升溫，針對土地利用的研究逐漸多起來，國內外陸續開展了 部分地區城市土地利用和動態擴展方面的研究。二、變化方法變化發現分析就是對兩個時態數據集在t1和t2時刻的差別識別和定位的 研究。變化發現包含有對兩個時態數據集的比較分析，它有四部分組成：探測； 識別，即對變化的專題分類；確認，即對專題變化特性的描述；量化，即對變化 的定量。對

4、于兩個時態數據集比較來說，矢量數據是對場景的抽象分類描述，而 影像信息是對場景的一種未分類的連續的但又與分辨率相關的概括描述。同質數 據的變化發現在數據預處理階段就可以進行，而因為需要在數據變化發現前進行 數據處理（包括影像分類，數據屬性的矢量化等等工作），因此對于異質數據的 變化發現來說，需要在數據分析后才能進行。因此，當當前對象的空間特征和/或 屬性特征發生變化時，對象就由此產生變化。對象的變化包括兩個方面：一是空 間變化，即對象的幾何信息發生改變和相應的新的特征超過了精度限制，產生拓 撲變化；另一個是屬性變化，即對象的當前屬性的專題值產生變化。在基于交互 式和半自動變化發現這種同質對象特

5、征提取結果的基礎上，相關文獻給出了兩種 用于當前地圖和衛星影像資料的變化發現方法。目前形成了多種變化發現方法。 其中一種變化發現方法是分類法，包括后分類比較法、光譜時序聯合分析法、期 望最大化算法（EM）、非監督變化發現法、混合變化發現法和ANN方法。通 常需要大量的訓練樣本數據用于影像數據的監督或非監督分類，也通常需要圖像 變換、植被指數、高精度分類法、模型和各種數據源的融合來提高數據分類的結 果。實際上，后分類比較法是常采用的一種方法，但是該方法在對歷史影像數據 分類的時候，會極大的影響變化發現的結果。三、3S技術融合的耕地變化發現技術3.1遙感變化發現發展狀況根據不同的應用目的和精度要求

6、，研究者們設計了很多變化發現的方法，目 前運動較為普遍的主要有如下幾種：3.1.1圖像插值法圖像插值法是用兩個時相的圖像對應波段逐像素分別相減，若不考慮其它因 素（如大氣條件、傳感器）的影響，即在理想的情況下，對其差值分析確定合適 的閾值即可得到反映地表變化的結果。這種方法的主要特點在于簡單、直接，能 夠便于解譯結果，其不足之處在于不能提供變化/未變化信息，不能提供由何種 類型地物變化成何種地物的信息，另外，這種方法需要選擇合適的閾值。3.1.2主成分分析該方法是對多時相數據按一般主成分分析研究或標準主成分分析的方法進 行線性變換，得到反映各種變化的分量，這些變化分量互不相關，而且按其強度 及

7、影響范圍順序排列。通過對進行主成分變換后的變化分量進行分析就可以總結 變化規律，揭示變化原因。用主成分變換作為主分量分析法的數學基礎的意義在 于不損失原始數據有用信息的條件下，選擇部分有效特征，而舍棄多余特征。這種方法的減少了波段之間的數據冗余，強調了衍生成分的不同信息。但是 由于主成分分析是依賴于影像的方法，因此不同日期的變化檢測結果常難于解譯 和標識變化的類別。另外，這種方法不能提供一個完全的類別變化信息矩陣而且 需要閾值確認變化的區域。3.1.3圖像的分類比較此方法是首先將不同時相的圖像各自進行分類，然后對分類圖像逐像元比 較，得到變化結果。也可將不同時相的圖像所有波段混在一起進行分類，

8、分類結 果同時包括常規地表類型及其變化類型。這是一種最為明顯的變化發現方法，需 要比較獨立生成的分類影像。通過對不同時相的分類結果進行適當編碼，分析人 員能夠生成一個變化圖來反映完全的變化矩陣。另外，選擇性的類別集合能夠使 分析人員觀察任何感興趣的子集變化。分類后比較方法能夠控制結果，因為不同 時相的數據分別進行處理，減少了對兩個時相的數據進行關于大氣和傳感器的輻 射歸一化操作。這種方法不可避免對不同時相數據的精確配準問題。3.1.4圖像回歸法在圖像回歸法中，假定時相t1是時相t2的線性函數，通過最小方差回歸法可 以做出之間的回歸方程（x是波段k，i行，j列的像素值）有關的線性函數，而 那些在

9、兩個日期之間發生了變化的像素將會與確定函數的預測值有顯著的差異。 圖像回歸法表明了不同時期像素的均值與方差不同，可減少了由于大氣狀況和太 陽高度角的不同帶來的不利影響，但對于特定的衛星數據，采用該方法需要確定 合適的波段和閾值。3.1.5目視解譯這種方法一般是采用將影像1的一個波段作為紅波段，將影像2的對應波段 作為綠波段，將有的影像3的對應波段作為藍波段，采用彩色合成法對目視識別 變化區域。另一方式是將不同日期的影像在屏幕上疊加實施目視解譯。我們提到了變化信息的提取，具體的提取方法我們在前面已經提到了主要 有下面幾種：圖像差值法，圖像比值法，主成分變換，植被指數法，分類后比較 法等但是各個方

10、法都有自己的局限性，例如：圖像差值法雖然理論簡單，易于 掌握但目標區的變化性質不易確定；圖像比值法雖然能較快辨識變化區域位于均 值兩側的變化，但是閾值難以確定；主成分分析法雖然能突出不同的地物目標， 而且無須再做輻射歸一化處理，但提取變化信息卻較復雜，主成分數量的確定 沒有明確的方法；植被指數法雖然能較好地檢測地面植被變化信息卻對地面其他 變化類型的檢測能力有限；分類后比較法雖說可直接提供變化前后的類別信息和 變化信息但卻夸大了變化區域，對歷史遙感影像的分類存在較大難度因此提出一 種綜合光譜直接比較和分類后比較的混合動態監測方法是一種必然趨勢，而且已 經有了一些成功的案例研究 通過對濕地變化的

11、動態監測研究表明：先利用光譜 直接比較探測變化區，再進行圖像分類確定變化類型的混合法是一種非常有效的 變化檢測方法基于不同時相遙感正射影像數據采用選擇好的變化信息提取方法 采用人機交互的方式逐一對變化圖斑進行提取編號獲得所有變化圖斑后利用 GIS軟件建立土地利用變化圖斑的拓撲關系生成土地利用變化信息屬性表。3.2 3S集成的變化發現技術的原理目前我國基于遙感和地理信息系統技術在土地利用動態監測方面已進行了 多方面研究，如清華大學地理空間信息研究所以圖像設計為理論基礎，對土地 遙 感動態監測信息管理系統進行了設計研究；北京師范大學潘耀鐘教授利用遙 感信息融合技術，對不同時相的多元遙感數據進行融合

12、，提出一套土地利用動態 變化信息的監測方法；北京大學遙感與地理信息系統研究所李天俊通過土地利 用動態監測遙感綜合時空信息進行土地利用動態監測的技術方案；中國科學院 遙感應用研究所長張顯峰研究員基于RS，GIS和GPS的集成技術建立了面向工 程目標的土地利用動態監測的新方法目前正加緊進行的遙感課題的研究，主要有 “SAR”數據應用研究“西部生態退耕檢測方法試驗”“高分辨率衛星數據應用 研究”“遙感監測公報制度研究”“利用遙感技術輔助更新調查基礎土建方法 研究”“面向縣級土地利用圖更新的最佳衛星遙感數據組合研究”“土地利用動 態遙感監測精度評價研究”等。土地利用動態監測是按照國家有關規定，監控土地

13、利用的變化情況，防止并 及時查處違法用地事件，為土地利用管理政策制定提供科學的數據基礎技術的進 步給國土資源管理帶來了前所未有的發展機遇，一個以“3S”技術為支撐的土地 利用更新調查技術路線正逐步形成，該技術路線可歸納為三點：（1）利用遙感 技術（RS）發現土地利用變化信息；（2）利用全球定位系統技術（GPS）快速 準確地獲取變化信息的空間坐標；（3）利用地理信息系統技術（GIS）進行土 地利用現狀數據庫更新與管理統計分析等。遙感技術的迅猛發展，遙感影像的質量也越來越高，這為變化發現技術的應 用提供了更加豐富的數據。地理信息系統應用主要是利用其專題數據庫進行遙感 影像的分類和制圖。GIS具有強

14、大的空間分析功能，利用各種空間分析技術，通 過對數據庫中原始數據的處理，用戶可以獲取新的數據集，以此作為空間決策的 依據。GIS空間信息分析主要有以下幾個方面：空間信息量算，空間信息疊加， 空間信息統計，緩沖區分析和網絡分析等利用GIS的各種信息分析技術，可以 獲取土地利用在數量類型結構及空間位置等方面的變化信息。GIS還可以根據用 戶的需要，設計出具有個性化的電子地圖，然后，進行打印輸出或以其他文件方 式輸出。遙感與地理信息系統是支撐現代地理學的兩大空間技術工具，近年來它們的 結合引起人們的普遍關注和研究隨著遙感的應用領域由定性到定量由靜態到動 態由現狀到預測報的不斷深入和提高，它們的結合也

15、由低級向高級發展遙感技術 在獲得地面信息中具有宏觀性實時性動態性等特點，是土地利用動態檢測的有效 手段 地理信息系統是以空間數據為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間相 關數據進行采集管理操作分析和模擬顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供 各種定向的動態地理信息，為地理研究和地理決策服務建立技術系統GPS、GIS 和RS是三個相互獨立發展起來的工程技術領域，但它們之間存在著密切關系： 一方面GIS為RS和GPS提供多時相多波段信息源使系統中的信息具有現勢性； 另一方面GIS為RS和GPS提供數據管理的地理模型分析功能，為的信息提取 和地學動態分析提供工具；同時GIS中的輔助數據提高了遙感信息

16、的分類精度。 總之RS和GPS是GIS的主要數據源和數據更新手段，GIS的應用和發展又進一 步支持遙感的綜合開發與利用。在辦理的檔案收件，在業務辦理過程中也可隨時 查閱檔案庫房，方便上級領導或公眾了解監督國土部門的各項工作這一切，將對 目前的檔案管理產生深遠的影響。3.3變化發現技術的發展前景近年來，利用遙感與地理信息系統技術監測土地利用變化可快速發現并能反 映研究區域的變化趨勢經過很多學者研究表明利用人機交互式方法解譯遙感圖 像，將多時相遙感圖像進行疊加，最后利用地理信息系統軟件進行各種分析和輸 出圖件的方法進行土地動態監測是一種將遙感與地理信息系統相結合的行之有 效的方法它既發揮了遙感的準

17、確度高周期短速度快花費少的優勢，同時又具有繼 承性數字化大信息量的特點基于遙感和GIS技術的土地利用狀況動態監測是一 項利用高技術為國民經濟部門服務的有益嘗試，RS、GIS、GPS技術的結合也為 有效進行土地利用動態監測和快速決策提供了科學的依據因而有著很重要的意 義。隨著 世紀高新技術的迅猛發展，以技術為主體的現代先進技術在土地管理 中的廣泛應用，為城鎮地籍管理提供了一套操作性強可推廣的技術流程和方 法實際應用證明，基于的城鎮地籍管理信息系統具有強大的數據處理能力，具 備數據采集數據轉換數據錯誤檢查數據錯誤處理數據 入庫數據實時變 更與同一時點變更數據輸出等功能，完全滿足城鎮地籍權屬管理的需要，實現市 縣兩級數據交換，實時變更數據的逐級更新，保持市縣兩級數據的同步管理， 有效地對國土資源現勢基礎地理信息數據進行管理，掌握隨時變化著的國土資源 現狀權屬、數量、質量分布等，便于城鎮地籍數據的利用管理和共享。四、基于高分辨率遙感影像的變化發現技術精度分析影像配準是多時相遙感變化檢測數據預處理過程中的一項必要和關鍵性工 作，理論和實際應用均表明配準誤差將導致明顯的虛假變化信息，比如在基于像 素的影像處理方法中，一個像素的配準誤差將導致線狀地物（如道路）產生偽變 化信息，以致變化檢測結果中形成一條新的道路國內外研究人員對多時相遙感 影像的配準方法進入了深