基于 Terra SAR-X雷达数据监测土地利用动态的研究

曾 菲,朱晓亮

(广东省国土资源技术中心,广东广州 510075)

基于 Terra SAR-X雷达数据监测土地利用动态的研究

曾 菲,朱晓亮

(广东省国土资源技术中心,广东广州 510075)

在多云、多雨地区,可见光获取遥感影像数据不能满足对土地利用实时监测的需要,而雷达卫星可以不受天气条件影响获取数据。对 TerraSAR-X雷达数据影像进行正射纠正和解译,判断出变化的区域并到实地验证。高分辨雷达卫星数据作为光学数据源的补充用于监测土地利用动态具有重大的现实意义。

耕地;动态监测;TerraSAR-X;正射纠正;解译

一、引 言

从一定意义上来说,耕地是不可再生的资源,一旦转为建设用地就很难恢复成耕地[1]。广东省人均占有耕地面积只有 0.03 hm2,不到全国平均水平的一半,而且有限的土地资源还在不断减少[2]。耕地减少及其变化趋势成为人们最关注的问题之一。遥感技术具有客观性、实时性、有效性、周期短等特点,已成为获取土地动态数据最主要的技术手段[3]。通过对比不同时期的卫星影像,检测出土地利用变化地块,计算耕地面积变化值,获得客观与全面且实时的土地利用信息[4],为合理开发利用土地资源,有效保护耕地,特别是保护基本农田,查处违法用地提供了科学依据。广东省大部分地区为南亚热带和热带季风气候类型,除每年的 11月初至次年的 1月底为大范围晴天外,其他时段的天气以多云、多雨及多雾为主。这种气候条件对基于可见光获取遥感影像数据的正常采集有严重影响,甚至完全获取不到数据,不能满足对土地利用实时监测的需要。而雷达遥感数据有快速获取以及不受天气制约的优越性,能提供不同于可见光和红外遥感提供的某些信息[5],弥补了光学遥感数据的不足。因此,在多云多雨地区研究高分辨雷达卫星数据作为光学数据源的补充,用于监测土地利用动态具有重大的现实意义。

二、研究区域概况及雷达数据简介

1.研究区域概况

研究区域位于广州市番禺区,地处东经 113°15′00″～113°18′45″,北纬 22°55′00″～22°57′30″,地形类别为丘陵地。区域内地物内容比较丰富,水网密集,交通方便。市桥水道和陈村水道贯穿南北,大夫山位于区域的东北部,居民地以碧桂园住宅区为主,水田、旱地分布于碧江、南山等多个自然村之间, G105国道、广珠西线高速、S102省道在区域内穿过。

2.雷达数据简介

文中采用的是一景 TerraSAR-X雷达影像数据。数据的获取时间是 2008年 5月。比对的数据是2007年国土资源部下发用于第二次全国土地调查的SOPT卫星影像。

TerraSAR-X有丰富的产品极化和增强方式,快速的轨道重访周期可以满足各种快速反应需求。还具有采集数据不依赖于气象和日照条件的特性,从而能够在复杂气象条件下,短时间内以高成功率获取大面积区域数据。TerraSAR的 StripMap影像模式有关参数：幅宽为 30 km(单极化)和 15 km(双极化);空间分辨率为 3 m(单极化)和 6 m(双极化);标准长度为 50 km。

三、数据处理

由于 TerraSAR-X产品的默认坐标系与国内制图坐标系不一致,数据处理时需要将 TerraSAR-X数据投影到 1980西安坐标系,再利用已有的DOM和DEM数据,将 TerraSAR-X原始数据纠正为正射影像图。

纠正概略过程为：①读取 TerraSAR-X数据元文件,在上一年光学正射图像中提取 10个明显地物点作为控制点,将其导入 TerraSAR-X图像进行匹配,控制点中误差为 ±2.81 m,小于 ±3 m;②使用DEM和地面控制点正射纠正出雷达影像;③利用前期的DOM,在雷达图像上生成检查点。检查点的中误差为 ±3.18m,小于 ±5m。

四、解译判读及实地验证

雷达遥感是主动发射电磁波能量,数据记录回波的强弱。回波反映地面的粗糙度,其影像只是亮度不同的点的集合。回波受诸多因素的影响,故针对回波信号的应用计算机自动分类存在许多困难。目前一般采用目视的解译方法,主要是根据不同地物在雷达影像的形状、纹理等特点以及地物间相互关系,对经过正射纠正出来的雷达影像进行解译判读。在解译的同时,与上一年的DOM进行对比,对判读不一致的区域绘制出变化图斑,并依据判读知识和经验,分析地类变化。

由于雷达影像没有光学影像那么直观,在解译时难度较大。如不规则的农村房屋、有果实的果树、未利用地、裸露地及复垦地等,它们在雷达影像上的成像特点较相似;树木附近新起的独立房屋,影像特点不明显,也很容易漏监测。对于丘陵或山地正射纠正后影像容易产生“拉丝”,甚至只有二三十米的高差也会产生“拉丝”或“扭曲”现象,这种现象可能会遮盖部分变化区域,影响判读而导致遗漏。

对本区域中发现变化的图斑,野外实地调绘了9处进行验证,有 8处地块确实发生了变化,而且是农用地向建设用地的变化。基于 TerraSAR-X生成的变化图斑见下面各示例。

1)示例一：房屋等建筑物,如图 1所示。

图1

图 1中雷达影像上“L”形的白色亮条,及亮斑群提示,此处图像符合居民地建筑的特征。由于建筑物的四个面及顶面总有两面受到雷达波束照射,侧面与地面可能组成多个角反射器,回波较强。平顶建筑物屋顶大多成镜面反射,整个建筑物在图像上显示L形;村庄居民点在雷达图像上表现为聚集的亮斑群,回波强度偏高[5]。对比光学影像可判断图 1中 0号图斑处变化为居民点及独立工矿用地。实地调绘结果该处为碧江工业区内的新建房屋。

2)示例二：植被,如图 2所示。

图2

在图 2雷达影像上,11号图斑除北部与东部纹理不均匀,图像有稍亮的少量无规则亮点外,其余灰度基本一致,并且偏暗没有亮点。根据看不到有田埂反射的“亮线条”推断,该地已经不是田埂明显的规则田块。变化后的地类根据雷达影像纹理特征来判断,一般分布着稀疏植物的地面和农作物的图像纹理比较均匀、细致,而自然植被的图像有更多的斑点[5],因此可以判断此区域植被稀少。但具体的地类较难确定,可能是荒地或未利用土地。该图斑边界较难判定,因而也不能准确的统计变化区域的面积。实地调绘该处为已长杂草的闲置建设用地。

3)示例三：水系与道路,如图 3所示。

在图 3的雷达影像上,9号图斑处有带状无规则亮斑变化,暗示着道路的存在。鱼塘等水面总是造成镜面反射,无回波信号,在图像上为黑色调。图斑中亮点集中的两个地方提示,回波较强,应是水中桥及桥墩形成的多角反射器。初步判断是鱼塘变化为交通运输用地,实地调绘该处为建筑中桥和公路。

五、结束语

TerraSAR-X的 StripMap模式产品作为光学卫星影像的补充在一定程度上可用于土地利用动态监测。对于大于 400m2的变化区域,或者变化明显地物较易解译,能够保证较高的准确率。对河流、水库、鱼塘等水体;公路,铁路和机场等交通用地;住宅区、居民地及建筑区域;田埂较明显的规则田块等农作物种植区;裸露地和有建筑材料堆砌的建筑用地等解译准确度较高。但对于成像特点较相似的不同地物,解译较困难,并且其边界较难准确判定。

在现阶段,由于雷达影像不直观,雷达数据的全面应用会有很大困难。随着计算机技术的发展和多学科的综合运用,以及处理手段的提高和解译经验的积累,雷达数据在多云雨地区监测土地利用动态中将发挥重要的作用。

[1] 《广东国土资源》编辑部.坚守 18亿亩耕地红线[J].广东国土资源,2007(6)：18-20.

[2] 黄华华.努力推动国土资源管理工作上新台阶[J].广东国土资源,2007(7)：4-7.

[3] 任志远,李晶,王晓峰,等.城郊土地利用变化与区域生态安全动态[M].北京：科学出版社,2006：76.

[4] 庄逢甘,陈述彭.卫星遥感与政府决策[M].北京：宇航出版社,1997：16-24.

[5] 舒宁.雷达遥感原理 [M].北京：测绘出版社,1997：3-5;155-164.

Research on the Application of TerraSAR-X Data to Land-use Dynam icMonitor ing

ZENG Fei,ZHU Xiaoliang

0494-0911(2010)12-0047-02

P237

B

2010-11-16

曾 菲(1962—),女,湖南邵阳人,高级工程师,主要从事摄影测量与遥感及质量控制工作。