基于GPS和GIS技术的基本农田动态监测研究

王晓辉，吴多朋，王铮

(吉林省基础地理信息中心，吉林长春 130062)

基于GPS和GIS技术的基本农田动态监测研究

王晓辉∗，吴多朋，王铮

(吉林省基础地理信息中心，吉林长春 130062)

基本农田保护对国家的粮食安全和社会稳定具有特殊意义，及时准确地获取基本农田的动态变化信息是基本农田保护的重要一环。本文提出利用动态差分GPS技术和GIS技术对基本农田土地变化进行定量监测。首先通过动态差分GPS技术精确获取基本农田保护区内土地利用现状数据，然后利用GIS空间分析方法对土地利用变化的数量和方向进行分析。实践结果表明利用GPS和GIS集成技术可以高精度、高效率和低成本地对基本农田动态变化信息进行及时监测。

动态差分；基本农田；动态监测；GIS

1 引 言

基本农田是指根据一定时期人口和社会经济发展对农产品的需求以及对建设用地的预测，由土地利用总体规划而确定的长期不得占用的耕地[1]。随着经济社会的飞速发展，城镇化、工业化的加速，导致各种非农业用地需求迅速增长。因此，有的地方政府为了片面地满足经济发展对土地的需求，存在大量违规占用基本农田的情况，致使基本农田的面积减少，国家相关部门对此十分重视。如何准确快速监测土地资源利用变化信息，尤其是在对精度要求高的小尺度基本农田保护区内。本文结合具体研究区，利用动态差分GPS技术快速、准确获取研究区土地利用现状图，利用GIS建立基本农田现状数据库，结合GIS空间分析与数量统计分析研究区内基本农田的数量、分布及特征的变化趋势，以期为基本农田监测提供了技术思路和方法。

2 技术路线与方法

利用动态差分GPS技术对基本农田保护区范围内进行实地测量，获取区域内土地利用现状图，按照《土地利用现状分类》GB/T21010-2007标准为各图斑添加用地类型，然后拓扑构面，在GIS软件支持下建立属性库，并对不同时期基本农田土地利用现状数据进行空间分析，获取不同时期间土地利用变化数量关系，在此基础上运用相关模型对基本农田保护区范围内土地利用流向、土地利用程度和各土地利用类型变化率等进行分析。

2.1 基准转换参数求解

GPS接收机直接接收得到的是WGS84坐标系统，通常实际应用需要的是地方平面直角坐标系，高程为正常高，因此需要我们求解两坐标系间的转换参数，为提高动态差分GPS测量的精度，需要获取适合研究区范围内的基准转换参数，求解的方法是获取一定数量同点在GPS的WGS84坐标系统坐标值和地方坐标系统坐标值，利用专业软件工具或GPS控制器内置的实时处理软件求解参数，为保证精度要使用不同方法求基准转换参数，比较RMSE选择精度较高者使用。

2.2 架设基准站进行数据采集

为保证GPS接收信号的质量，基准应架设在远离各种强电磁干扰源、周围应无明显的大面积的信号反射物和高层建筑物、高山等地区[2]。设置好GPS手簿中基准转换参数、基准站坐标和高程等参数，按照基本农田土地利用调查相关要求对地类图斑、线状地物、零星地物等目标特征点坐标和高程进行采集，并绘制草图，记录图斑的用地类型。

2.3 采集数据内业成图与实地核查

外业实测数据使用数据线导入计算机内，结合草图利用专业测绘成图软件，并依据相应地形图图式规范，制作基本农田土地利用现状图。根据现状图野外实地检查测量成果，发现问题现场进行补测，依据补测数据修正内业制作的土地利用现状图。

2.4 建立土地利用数据建库

删除土地利用现状图中不参与地类图斑构面的零星地物和不必要的线状地物，将土地利用现状图转入地理信息系统软件，建立空间拓扑关系，拓扑检查地物图斑间是否存在重叠和缝隙等拓扑错误，添加必要属性字段(图斑面积、地类代码、坐落权属等)，利用基于ArcEngine开发的程序工具实现属性字段的赋值。

2.5 空间分析与统计计算

利用ArcGIS空间分析的融合工具进行二类图斑融合为一类，并统计面积。将不同时期数据在ArcGIS中进行空间叠加分析追踪不同时期图斑转换情况。统计计算生成两时期土地利用结构变化表，利用相关模型对基本农田土地利用结构动态变化过程进行分析。

3 实例应用

3.1 研究区概况

本文研究区位于吉林省长春市宽城区，试验区面积约为3.4 km2。近年来，由于经济的发展，城乡工业、交通、住宅等各行业和各部门对该区土地占用不断增加，导致该区基本农田状况变化迅速，为保证基本农田的数量，当地相关部门对该区的土地进行了重新开发整理。

3.2 数据获取及处理

应用GPSRTK测量技术分别实地测定界址点、地形点、地物点的精确坐标，利用绘图软件根据外业资料绘制整理成两时期(2010年、2011年)的土地利用现状图，成图比例尺为1∶2 000，坐标系统为西安1980高斯投影，然后利用ArcGIS软件及基于ArcEngine二次开发的工具进行数据格式转换、拓扑关系检查、属性数据赋值、逻辑错误检查等数据的综合处理，分别建立两个时期的基本农田现状数据库。

4 结果与分析

4.1 土地利用分布及变化

由表1可知研究区基本农田土地整理前后土地利用类型发生了很大的变化，其中水域及水利设施用地、交通运输用地明显减少，耕地、园地明显增加。

基本农田整理前后土地利用统计表 表1

由图1可看出整理前后土地变化主要发生在水域及水利设施用地上。

图1 研究区基本农田整理前后土地利用图

4.2 土地利用类型动态度

土地利用类型动态度是为了反映土地类型用地面积的变化幅度、变化速度以及区域土地利用变化中的类型差异提出的，其可直观地反映类型变化的幅度与速度[3]。土地利用类型动态度数值越高说明该利用类型变化程度越剧烈，计算方法为:

式中K为研究时段研究区域内某一土地利用类型动态度，Ua为研究初期某一土地利用类型面积，Ub为研究末期某一土地利用类型面积，T为研究的时长，根据研究区整理前后的土地利用数据，由式(1)计算研究区研究时间段内土地利用动态度，如表2所示。

从表2可看出特殊用地动态度最大；耕地因为基值比较大，所以动态度相对较小；公共管理与公共服务用地从无到有，本文将其动态度定为100%；总的看来特殊用地是变化最快的用地类型，其次是住宅用地，而交通运输用地变化最慢。

各土地利用类型动态度 表2

4.3 土地利用结构变化与变化方向分析

土地利用结构变化主要是反映同一区域两个时间点土地利用转换的数量信息，其通过转移矩阵来进行定量描述，反映一段时期内土地由一种类型转化为另一种类型的数据量，通过它可以了解一定时期内土地类型的流失取向、来源和构成[4]。

本文基于ArcGIS环境下利用Python开发获取变化的数量关系，首先利用数据融合工具实现同一利用类型不同图斑的融合，然后计算各用地类型的面积，再将两个不同时期的数据进行叠加分析，整理后结果如表3所示。

土地利用结构变化情况表 表3

从表3中可以看出整理后耕地流向了除其他土地的所有用地类型，向耕地转移最多达238.21 km2，园地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地都流向了耕地共达41.51 km2，其中水域及水利设施用地转变为耕地的面积最多为38.04 km2，主要原因是土地整理中对大量的沟渠和面积小的坑塘水面进行填平整理改耕地。

5 结 论

本文利用GPS技术获取研究区范围内土地整理前后的土地利用数据，运用GPS测量技术进行实地数据采集，该技术手段无论在数据的精度上还是作业效率都很高，而且可全天候观测，操作简单易于学习，十分适合小范围土地利用变化数据的快速精确低成本获取。

利用GIS的空间分析和统计方法快速准确得到前后土地利用变化数据，定量直观的获取前后土地利用变化数量关系。通过实践表明，GPS和GIS技术相结合的基本农田动态监测方法方便、高效可行。

[1] 王小燕，任国业.浅谈“3S”技术在基本农田动态监测中的应用研究[J].安徽农业科学，2012，40(28):14116～14118，14127.

[2] 张现峰.差分GPS技术在地籍测量中的应用[J].测绘通报，2000(6):4～6.

[3] 鲁春阳，罗奇，陈照永.土地利用动态变化的模型分析[J].喀什师范学院学报，2006，27(6):25～28.

[4] 刘瑞，朱道林.基于转移矩阵的土地利用变化信息挖掘方法探讨[J].资源科学，2010，32(20):1544～1550.

[5] 刘红兵.GPS-RTK技术支持下的小区域土地利用变化研究[J].山西师范大学学报，2008，4(22):118～122.

[6] 刘锐，陈毓龄.RS和GIS技术在土地利用动态监测中的应用[J].测绘通报，2011(5)，76～79.

The Study of GPS and GIS Technology in the Dynam ic M onitoring of Basic Farm land

Wang Xiaohui，Wu Duopeng，Wang Zheng
(Jilin Provincial Geomatics Center，Changchun 130062，China)

Basic farm land protection of the country's food security and social stability is of special significance. Quickly and accurate access to the dynamic changes of the basic farmland information is an important part of the basic farmland protection，In this paper.the use of GPS-RTK and GIS technology for quantitativemonitoring of basic farmland land changes，First accurately obtain basic farmland protection areas of land use data by dynamic differential GPS technology，and analysis using GIS spatial analysis of land use change in the number and direction.The experiment results show that the use of GPSand GIS integration technology can be high-precision，high-efficiency and low-cost and timely monitoring of basic farmland dynamic changes in information.

GPS-RTK；basic farmland；dynamic monitoring；GIS

1672-8262(2013)05-13-03

P208.2

A

2013—03—01

王晓辉(1975—)，男，高级工程师，主要从事3S方面的应用与开发。

吉林省测绘局创新科技项目(201206)资助