地表覆盖变化遥感监测技术和方法

地表覆盖变化遥感监测技术和方法摘要：人类活动所引起的土地覆盖变化是全球变化研究中的核心问题。应用遥感技术进行土地覆盖变化监测，主要包括遥感图像处理和变化信息提取两方面。本基于以上两方面，对土地覆盖遥感监测的技术和方法进行了概括，并以东营市为例，应用遥感技术对该市覆盖变化进行监测。关键字：遥感；土地覆盖变化；监测中图分类号：TP79文献标识码:A文章编号:引言土地覆盖指陆地表面的自然状态,是自然过程和人类活动共同作用的结果,具有特定的时间和空间属性,其形态和状态可在多种时空尺度上变化[1]。随着土地利用变化日趋频繁，利用常规的、传统的监测手段难以满足快速、准确监测土地资源变化的要求，基于遥感的土地覆盖动态监测方法得到广泛的运用[2]。利用遥感对地观测具有实时、快速、覆盖范围广、多光谱、周期性等特点，可以快速、准确、动态地监测地表覆盖状况与变化，帮助我们更加地深入地认识地表覆盖变化的时空规律，为制定土地资源利用规划方案、实现土地可资源的可持续利用提供指导[3]。1地表覆盖变化遥感监测技术和方法利用遥感影像监测地表覆盖变化，也就是结合不同时向遥感数据，对比监测地表覆盖的变化。因此，地表覆盖变化遥感监测主要涉及影像处理和地表变化信息提取两个部分，其技术方法也就主要包括遥感预处理方法和地表覆盖变化信息提取方法两个方面。1.1遥感影像处理遥感影像处理过程是分析、判读、理解和识别前的处理过程，主要包括图像校正、图像增强、图像变换、影像融合、影像镶嵌、裁剪等过程[4]。图像处理的目的是为了得到高精度、所需信息突出的影像，以便更好的提取变化信息，处理结果的好坏直接决定了变化监测的精度。1.2地表覆盖变化信息提取应用遥感技术进行地表覆盖变化监测，是指利用同地区不同时相的遥感影像，进行比较处理，发现地表覆盖变化并确定变化类型。地表覆盖变化信息提取方法主要可分为像元间比较变化信息直接提取法和分类后比较法，前者是先发现地表覆盖变化后确认变化类型，后者是先确认地表覆盖类型后发现变化。1.2.1变化信息直接提取法直接提取法是指对经过预处理的不同时相遥感图像进行逐点直接运算，经变化特征的发现、分类处理，获取地表覆盖变化信息[5]。变化信息直接提取法也即像元间比较变化信息提取法，主要方法包括不同时相波段代数运算法、回归法、主成分分析法和变化向量分析法。1）不同时相波段代数运算法，即通过一定的波段运算，将变化信息突出显示，进而提取并确认变化类型。如差值法、比值法、植被指数法等。2）回归法，假设时相1的象元与时相2的象元存在线性关系，以最小二乘法建立回归方程。以阈限方法确定变化区域。3）主成分分析法。是用于减少光谱波段数目的多变量分析技术在变化监测中，将两监测时相的波段数据组成一个波段组。通过主成分分析后，土地覆盖变化信息在较次要的主分量中出现。4）变化向量分析法（CVA）[6]。将两时相多光谱影像(或融合影像)分别作主分量变换，取第一、二主分量的差矢量，会同原始影像的第一主分量，构成HSI空间，并转换成RGB显示。以上几种变化信息直接提取法，需根据数据特点进行选择。其工作模式都是先发现变化信息，后确认。变化信息直接提取法，在变化信息的检测发现中有着运算快速，检测精度高等优点，可较为灵敏地探测出己经变化的像元，但是由于变化发现过程不能同时获得具体的地表覆盖变化类型信息，因此在变化类型的确认上有相当大的工作量。1.2.2分类后比较法首先对整个监测区域的逐个影像系列进行各自分类，然后比较在各影像系列同一位置分类结果，进而确定地表覆盖变化的位置和所属类型等信息。它的优点是能快速准确获取各个像元的土地利用转变类型，不仅能获取变化的数量和特点，还能快速获取变化的类型，并有利于减少不同时相图像的大气和传感器差异产生的误差。分类后比较法可用计算机分类如监督分类、非监督分类，也可人工目视解译分类。对分类后的不同时相影像，进行变化监测，进而提取出详细变化信息。分类后比较法虽然克服了变化信息直接提取法的一些缺点，监测结果有着较高的定量分析与定性分析精度，能获得详细的转移矩阵与变化检测图像，但是对分类结果有着较高的精度要求，因此也有一定的工作量。利用遥感监测地表覆盖变化，无论是变化信息直接提取法还是分类后提取法，都涉及到了分类方法，因此遥感分类方法的改进与提高，是地表覆盖监测遥感技术与方法的一项重要研究内容。2东营市地表覆盖遥感监测的实现本文以东营市为例，采用分类后比较法。基于该市2006年与2010年的ETM影像，进行监督分类，利用ENVI软件进行变化检测，得到地表覆盖变化矩阵以及变化检测图像，取得定性与定量兼备的监测结果。2.1数据选取与处理考虑到地表覆盖变化的区分度需要分别选取2006年与2010年相近日期的Landsat7影像为数据源。影像分别经过大气校正，多波段合成，几何校正，裁剪之后，得到研究区域待分类多波段影像。2.2变化信息提取对处理过的两幅影像使用ENVI软件对影像进行一级监督分类，包含耕地、林地、草地、水体、居民建设用地、未利用地共六种覆盖类型。如得到的2006年分类图像如图1所示。在ENVI中，使用ChangeDetectionStatistics功能对两幅影像进行变化检测与统计。分别得到变化信息统计表与变化检测图。得到的草地转化为建筑地类型的变化检测图如图2所示。通过变化图1东营市2006年遥感影像分类图图2草地转化为建设用地分布图信息统计表可以进一步得到转移矩阵如表1所示。表1土地类型转移矩阵单位：k㎡0610耕地林地草地水体建设用地未利用地总计耕地2613.38757.1122405.75963.3408192.11317.93353279.646林地26.34935.058915.68251.46795.20659.302463.0675草地179.37184.824561.721510.8783151.985756.9745965.7558水体8.0460.259254.2232322.897555.31444.7426485.4825建设用地498.56492.9799140.16623.92651382.538124.06142172.237未利用0.86940.228657.579363.442837.1223505.7568664.9992总计3326.58870.46281235.132425.95381824.28748.77127631.188从空间分布来看，东营市耕地主要在内陆，耕地也是东营市主要用地类型。草地和林地主要分布在沿海附近的盐碱化比较广泛的地区以及黄河入海口附近。建设用地中，渔业、盐业以及石油生产用地占了一定比重，尤其是在沿海地区。对于变化的数量特征，从变化检测得到的转移矩阵以及变化监测图来看，东营市地表覆盖呈现出耕地和草地减少，建设用地与水体增加的总体趋势，其中建设用地增长最快，四年间增加了19%。这与东营市的城市化进程的不断推进相吻合。由于人口增长和城市的扩张，建设用地迅速增加，占用了大片耕地以及林草地，有14%耕地和11%的草地转化成了建设用地。同时由于人口压力，将近30%的林草地转变为耕地以缓解粮食需求压力。草地和林地的退化与演变也表现的比较明显。由于水资源形势的严峻，近年来东营市各地开挖了一些水库用来存蓄淡水资源，因此四年间水体面积增加了14%。总体来说，草地、沿海未利用的滩涂地以及林地等自然景观随着城市经济发展有加速减少的趋势。从变化的空间特征来看，变化最明显的区域主要集中在沿海和中部以及南部平原，沿海地区变化主要是因为一部分滩涂、林地和草地被开发为油田、渔场以及盐田。由于中部和南部为东营市经济最发达的两个区域，人口密集，工业发达，城镇化和基础设施建设占用了很多其他类型土地。3结语土地覆盖变化监测主要是解决是否发生变化和从哪一种类型变化到另一种类型两个目标。利用遥感检测地表覆盖变化有着及时、准确、动态。全面的优势，是地表覆盖监测发展的必然趋势。在利用遥感进行土地覆盖变化监测时，主要采用先分类后比较和先比较后分类两种方法。分类后比较法，可获得每一个像元的土地覆盖转变类型，即能获得变化的数量和地点。但是，这一方法受到分类误差的影响，可能夸大了变化的程度。变化信息直接提取法能够快速检测发现变化位置与数量，也可以获得变化类型信息，但在实际应用中变化类型的确认比较困难。因此，分类是地表覆盖变化遥感监测的最重要环节。今后随着遥感数据源更加丰富，遥感影像分辨率的提高以及分类精度的不断提高，利用遥感监测地表覆盖变化将会有更广阔的发展前景。参考文献[1]史培军,宫鹏,李晓兵,等.土地利用/覆盖变化研究的方法与实践[M].北京:科学出版社,2000.1-2.[2]李轩宇,周卫军,黄利红,郝金菊,邹容.基于RS的土地动态监测方法和应用[J].经济地理,2008,04:671-673.[3]鲍文东.基于GIS的土地利用动态变化研究,[M].2006年7月.[4]吴志杰.基于RS和GIS的土地利用/覆盖变化及其驱动力研究[D].福建师范大学,2006.[5]张银辉,赵庚星.试论土地利用遥感动态监测技术方法[J].国土资源科技管理,2001,03:15-18+14.[6]林宗坚,程烨,张继贤.土地利用动态遥感监测的技术方法及问题评述[J].国土资源信息化,2003,04:3-7.