土地利用动态遥感监测中的问题探析

高振宇，吴学瑜，2，范清东，曹子剑，门春春

土地利用动态遥感监测中的问题探析

高振宇1，吴学瑜1，2，范清东1，曹子剑1，门春春1

(1.天津市地籍管理中心，天津 300042;2.天津市土地登记中心，天津 300042)

为解决不同周期土地利用动态遥感监测衔接不紧密的问题，通过对天津市2008年度及监测时段内各季度的土地利用动态遥感监测结果的对比，从时间因素和人为因素两个角度分析了监测结果产生差异的原因，并就如何应对和改进作业方式展开了论述。因受数据源和信息提取手段等的制约，使监测效率不易有大的改变，故仅着重对如何改进和优化季度监测中的变化信息的提取方法进行讨论，并提出了间接法和循环法的改进方法，以促进季度监测与年度监测的有效衔接，使监测工作更为高效，且有针对性地开展。

遥感;土地利用动态监测;监测周期;季度监测

0 引言

随着对地观测技术的飞速发展以及观测基础数据的不断积累，利用遥感技术开展大规模、多尺度、高频率的国土资源调查已经成为可能。土地利用动态遥感监测(以下简称监测)是指应用遥感数据，定期或不定期地监测同一区域土地利用的变化情况，包括变化前后地类、范围、位置及面积等［1］。自1999年起，国土资源部对包括天津市在内的全国50万以上人口的城市每年组织开展一次土地监测。为进一步满足经济建设和土地管理的需要，自2002年开始，天津市每季度自主开展一次土地监测［2］，旨在更加快速地掌握土地利用变化情况，为土地开发、利用、保护和年度变更调查［3］等提供更为现势的基础数据。

在监测区域、时段、方法和数据源都一致的情况下，理论上说，不管是通过一次还是多次监测得到的结果，都应该是一致的。但本文作者在参加天津市2008年度及2007年4季度、2008年1至3季度的监测工作时发现，共同监测区域在同一监测时段内的两类监测结果差异很大，且不存在相互包含的关系。鉴于此，本文从分析监测结果差异产生的原因入手，着重就如何应对展开分析，并对季度监测的合理开展及与年度监测的有效衔接等展开讨论。

1 研究区概况

天津市位于北纬38°34'～40°15'，东经 116°43'～118°04'间，地处华北平原东北部、海河流域下游、环渤海湾的中心，东临渤海，北依燕山，是我国4个直辖市之一。本文研究区域(图1)包括环城4区(东丽区、西青区、津南区、北辰区)及滨海新区(原塘沽区、汉沽区和大港区)，总面积约为416 628.7 hm2。该研究区是天津市市域内发展较快的涉农行政区，土地利用动态变化较为频繁，亦是国土资源部和天津市共同监测的重点区域。

图1 研究区位置示意图Fig.1 The location map of study area

2 监测数据源、方法与结果

2.1 监测数据源

年度监测和季度监测采用的数据源均为SPOT系列卫星遥感数据(见表1)。2007年9月至2008年9月共同监测时段的首末期遥感数据均为SPOT 5卫星2.5 m全色与多光谱融合数据，且数据获取时间基本一致。不同的是:在共同监测时段内，季度监测同时使用了SPOT 4卫星10 m全色与多光谱融合数据和SPOT 5卫星2.5 m全色数据，采用的是多次分段的监测方式。

表1 监测采用的数据源Tab.1 The data sources of two monitoring process

2.2 监测方法

年度监测和季度监测均采用人机交互与计算机自动检测相结合的变化信息提取方式，即通过对比前后时相的数字正射影像图(DOM)，并参考土地利用现状图(库)等基础图件来提取得到监测时段内的土地利用变化信息监测流程(如图2所示)。变化信息提取原则以发现新增建设用地为主，同时兼顾发现农业结构调整等农用地之间的变化。

图2 土地利用变化信息监测流程Fig.2 The flow chart of change monitoring

2.3 监测结果

2007年9月至2008年9月一年内，年度监测发现变化图斑1 130块，对应地面面积6 187.8 hm2。监测时段内，对应2007年4季度及2008年1至3季度共4次季度监测，累计发现变化图斑1 849块，对应地面面积3 051.2 hm2。通过年度监测与季度监测两类监测结果的对比发现:二者数值差异较大，季度监测发现的变化图斑较年度监测的变化图斑多719块，面积少3 136.6 hm2(表2)。

表2 监测结果对比Tab.2 The monitoring results of the two methods

通过叠加分析得知，两类监测到的变化图斑完全重叠部分的面积为1 299.1 hm2，占年度监测变化图斑面积的21.0%，占季度监测变化图斑面积的46.2%。经分析，年度监测变化图斑中有349块与季度监测变化图斑中的436块全部重合或大部分重合，可认定为互相发现。该部分在年度监测变化图斑中的面积为5 606.4 hm2，占年度监测变化图斑面积的90.6%;在季度监测变化图斑中的面积为1 711.4 hm2，占季度监测变化图斑面积的56.1%。实际上，年度监测未发现而季度监测发现的变化图斑面积为1 339.8 hm2，占季度监测变化图斑面积的43.9%;季度监测未发现而年度监测发现的变化图斑面积为581.4 hm2，占年度监测变化图斑面积的9.4%。监测结果对比情况见图3和图4。

图3 监测变化图斑分布Fig.3 The distribution map of monitoring results

图4 监测结果对比示意图Fig.4 The analysis sketch map of monitoring result

3 原因分析

通过对年度监测与季度监测互不发现变化图斑的内业检核和数据分析发现:出现较大差异主要是由监测周期不同和受季节影响所导致的土地利用类型在土地覆盖表象差异中的时间因素引起。此外还因作业方法、作业人员判读标准、经验和细心程度差异等人为因素所致。

3.1 时间因素

从时间上看，年度监测与季度监测方法的主要差异在于监测的周期不同，又伴随着季节的变化，各监测周期内相应的自然和人类活动也各不相同，致使土地利用发生不同的动态变化。

年度监测采用的前后时相遥感图像基本上是同一个季节获取的，这在很大程度上去除了因季节影响而引起的误判和漏判。然而季度监测却不可避免地因受季节影响而发现大量的土地覆盖变化信息，但这些信息一般不是监测土地利用变化所关心的，却干扰了土地利用变化信息的提取［4］。农业生产由于受季节影响明显，因而土地常常在不同的季节表现出不同的状态。工程建设同样会受季节和时间影响，使得建设施工各阶段的用地现场情况也差异很大，这些差异常常造成遥感图像上的影像特征发生显著变化，但土地利用类型实际上并没有变化。此外，由于年度监测较季度监测的周期长，其监测时段内，土地利用类型变化特征比较明显，因此误判率和漏判率也就相对较低。由此可见，由时间所致的季节因素以及短监测周期内土地利用变化特征不如长监测周期内变化明显，是导致监测结果出现较大差异的一个重要原因。

3.2 人为因素

在目前计算机自动提取信息的精度尚不能完全满足工作需要的情况下，人机交互解译仍是一种非常重要的变化信息提取方法。然而由于目前尚缺少统一的变化图斑认定标准可循，理论上说，任意两个人或甚至同一个人任意两次的变化图斑提取结果在数量、面积及变化范围上都不会完全相同。因此，采用的变化信息提取方法和作业人员的判读标准、经验和细心程度等人为因素则会对监测结果产生较大影响。

对于连续渐进的土地利用变化，在短时间间隔的多次连续监测中，由于各监测时间段内的影像特征变化有时不很明显，因而可能被误判和漏判，但从总的监测时段前后时相的影像特征对比来看，土地利用类型确实发生了明显变化。此外，对于一些临时性的用地变化，其在某一季度确实发生了变化，但在其他季度则有可能又被复原，因此就可能会出现季度监测里的一些明显的土地利用变化情况，在年度监测中则被认为没有发生变化。依赖人工(人工判读或人工设定计算机识别条件)对不确定和模糊的土地利用变化情况进行判读和认定，不同的人通常会有不同的判读结果，故人为因素是导致监测结果不同的又一重要原因。

4 应对策略与方法改进

4.1 应对策略

(1)提高用于土地利用变化监测的遥感影像质量。在条件允许的情况下，应尽可能提高影像的空间分辨率和清晰度，以降低变化图斑认定时，由影像不清所导致的模糊性，进而提高变化图斑提取结果的可靠性，降低误判率和漏判率。

(2)提高作业人员的专业技能。加强解译人员培训，注重解译人员判读经验和对监测区域状况的先验知识的积累。

(3)改进和优化作业方法。通过合理选用已有的遥感数据，并优化其组合方式，在以固定周期定期监测的基础上，定期或不定期地采取跨周期的重复校验，通过交叉检验和查缺补漏来促进不同时期监测结果的有效衔接，以便及时有效地掌握土地利用变化情况。

(4)合理利用已有的基础数据。充分利用土地利用现状、规划以及用地审批等多源基础数据，使得工作的开展更加有的放矢，及时并有针对性地掌控最为关注的土地利用类型变化情况，从而有效地降低了监测成本。

(5)采用多种变化信息提取方法相互检核。充分运用计算机自动信息识别方法，同时将人机交互式提取方法与其结合，通过优势互补，对监测结果进行多重检核。

4.2 方法改进

限于目前卫星遥感数据的获取周期与影像分辨率的现状，以及受技术、资金和人员等条件的制约，改进和优化作业方法在上述应对策略中最为有效，且简便易行，现仅就这一问题进行讨论。考虑到土地利用情况是连续和动态变化的，而遥感影像反映的仅是某一瞬间的土地覆盖情况，因此仅依靠两期影像的比对来发现土地利用变化显然是不够科学的。经研究，现提出以下季度监测的改进方法，亦可供年度监测参考。

(1)间接法。间接法是通过多期土地利用变化量的相减来获取变化信息，即通过将各季度末的影像与某一时相影像(如上年年末的影像)进行比对来提取监测时段内的土地利用变化信息，再通过剔除以往季度监测的变化信息来得到本季度的土地利用变化信息。相对于直接法，间接法的优点在于:①利用交叉和重复观测有效地保持了监测的连续性和时空特性，因此能降低季节的影响;②解决了短期内影像特征差异变化不明显以及短期内临时土地利用类型变化等对判别的影响;③可补充以往季度漏判的变化图斑和剔除以往季度提取的伪变化图斑。

(2)循环法。该法是通过循环对比上一年与本年同季度末的影像，并参考年度内各季度的影像特征，进行长时间序列的连续、动态观测，以提取周期年度土地利用变化信息，然后剔除前三季度监测确定的土地利用变化信息，即得到本季度内的土地利用变化情况。该方法的优点在于:①采用长时间序列的动态观测方法，不仅可以保持土地利用变化监测的连续性，而且不会因为年度土地利用变化而产生监测时段的断裂;②通过比对同一季节不同年度的两个时期影像，可有效消除季节因素对土地利用变化信息提取的影响，且更易于利用计算机自动识别方法提取;③更易于进行土地利用变化的跟踪监控及对土地利用类型内部变化的监测;④可不断补充以往季度漏判的变化图斑和剔除以往季度提取的伪变化图斑。

图5给出了3种监测方法的示意图。

图5 监测方法对比示意图Fig.5 The analysis sketch map of three monitoring methods

5 结论

本文通过对年度监测和季度监测结果差异的分析和讨论，指出了时间因素和人为因素是产生差异的重要原因，并提出了一些应对策略。结合实际情况，在不改变数据源和监测技术路线的情况下，改进和优化作业方法可以保持监测的连续性和完整性，并可将年度监测和季度监测有效衔接起来。实践证明，使用间接法和循环法，可以有效解决季度监测与年度监测结果差异较大的问题，并有助于监测效率的提高。

［1］ 中华人民共和国国土资源部.TD/T 1010－1999.土地利用动态遥感监测规程［S］.中华人民共和国土地管理行业标准.

［2］ 天津市规划和国土资源局.利用卫星遥感监测城市土地资源［EB/OL］.http://www.mlr.gov.cn/xxh/jyjl/201003/t20100306_139721.htm.

［3］ 国土资源部地籍管理司.全国土地利用变更调查报告2007［M］.北京:中国大地出版社，2007.

［4］ 徐 美，黄诗峰，黄 绚.遥感用于土地利用变化动态监测中的若干问题探讨［J］.遥感技术与应用，2000，15(4):252 －255.

An Analysis of the Problems Concerning Remote Sensing Dynamic Monitoring of Land Use

GAO Zhen－yu1，WU Xue－yu1，2，FAN Qing－dong1，CAO Zi－jian1，MEN Chun－chun1
(1.Tianjin Cadastral Management Center，Tianjin 300042，China;2.Tianjin Land Registration Center，Tianjin 300042，China)

Based on a comparison of the monitoring results of land use dynamic monitoring in 2008 and in different periods of time in Tianjin，the authors have analyzed the differences between the results of annual monitoring and quarterly monitoring from the angles of time factor and human factor.The approaches to the problems as to how to effectively improve the two kinds of monitoring are discussed.Considering the limitation of the data source and the information extraction methods，this paper focuses on the analysis of the improvement and optimization of the results of quarterly monitoring of land use by using the remote sensing information extraction methods.The indirect and circular methods are used in this paper which can facilitate remote quarterly monitoring in a more efficient and targeted manner.

Remote sensing;Dynamic monitoring of land use;Monitoring frequency;Quarterly monitoring

TP 79:F 301.2，P 272

A

1001－070X(2011)03－0020－05

2010－10－19;

2011－03－25

高振宇(1983－)，男，工程师，主要从事遥感图像处理与应用研究。

(责任编辑:丁 群)