GNSS技术在土地利用动态监测中的应用

2013-09-28吴祖程

地理空间信息 2013年4期

吴祖程

（1.惠州市惠阳区国土资源测绘队，广东惠州516211）

土地是人类赖以生存和社会赖以发展的重要资源，其动态变化反映了人类利用土地进行生产活动的发展趋势[1]。近年来，随着信息技术，特别是3S技术的飞速发展，可以依靠遥感手段主动发现变化区域，运用差分GPS技术精确获取土地利用变化的数量和性质，采用GIS管理土地利用的图形和属性数据[2]。GNSS技术作为3S技术之一，在土地利用动态监测中提供了快速和精确的空间定位信息服务。随着RTK、VRS等新兴定位方式与技术的发展，伴随着CORS站、信标站等定位服务系统的完善，使得GNSS的空间定位信息服务更加灵活、精确。因而，在土地利用动态监测中，GNSS技术作为主要的空间定位服务技术，与常规土地变更调查相比，可以大大提高调查的精度、效率和实时性。同时，GNSS定位数据本身可以和GIS系统进行很好的转换，结合GIS和RS，可以更好地实现土地利用的动态监测及数据库更新。

1 适宜性分析

1.1 GNSS的发展现状及趋势

GNSS全球卫星导航系统诞生于20世纪80年代初，是一个包含GPS、GLONASS、COMPASS和GALILEO在内的综合卫星星座系统，可在全球范围内为民用用户提供全天候、全天时的实时导航定位和定时服务。随着卫星定位导航技术与现代通信技术相结合，GNSS技术开创了以导航卫星为动态参考点的空基无线电导航定位技术的新时代，将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从后处理扩展到实时定位与导航，绝对和相对精度扩展到m级、cm级乃至亚mm级，从而大大拓宽了应用范围。

1.2 GNSS在土地利用动态监测中的应用

随着GNSS技术的发展，伴随着DGPS技术的进步和局域差分GPS系统的逐步建立，GNSS三维空间定位的高精度、快速度、全天候等作业特点使其成为获取现势空间数据的重要手段，并广泛应用于土地资源调查和空间定位数据的采集。主要表现在以下几个方面：

1）土地利用变更调查。RS作为土地利用变更调查的主要数据来源，可以反映调查区域土地利用的现状情况。然而，对于小面积的或突发的有较大影响的变化，RS技术手段或没有必要，或反映不出来[3]。这时，就可以用GNSS技术方便地获取变化区域的数据，不仅起到对遥感成果野外定位量化的作用，而且是一种独立的数据源[4]。

在利用GPS进行土地利用变更调查中，选择合适的GPS机型和测量模式，其测量精度可满足不同应用层次的精度要求。当采用RTK或网络RTK的数据采集方式时，可方便、灵活地得到高精度的土地利用变更数据，其精度可达cm级。此外，GPS测量数据可直接用于GIS系统，避免了传统方法多次转绘、清绘带来的误差。

2）土地利用执法监察。相对于土地利用变更调查，土地利用执法监察对土地利用动态监测的时效性要求更高。由于我国正处在经济社会转型时期，经济活跃，土地利用变化时刻存在，包括合法的变化也包括非法的变化，土地执法监察人员通过野外巡查发现土地利用变化时，需要及时提供变化图斑的空间位置和范围。

随着GNSS和计算机技术的发展，手持GPS在土地利用野外调查中呈现良好的发展态势。GPS/PDA技术是一项集GPS、GIS和PDA于一体的土地调查新技术,可以实现快速实测更新GIS数据[5]。利用PDA可满足野外土地变更调查数据存贮及连续工作的要求，实现土地利用图件的实时更新。同时，将GPS与DC集成到PDA上，利用GPS实现变更图斑的测量，解决了变更区域大、形状不规则、周边没有明显地物或控制点不足情况下需布设控制点进行补测的问题，精度依要求可达m级或亚m级。利用手持GPS集成的DC对野外实景进行拍摄，可作为土地执法监察的行政执法依据。

1.3 GNSS、RS及摄影测量技术的比较

RS和摄影测量技术构成了土地利用现状信息的主要数据来源，是土地利用动态监测的有力工具。随着传感器空间及时间分辨率的不断提高，基于RS本身宏观和大尺度的特点，其反映地物的能力也越来越强。因而，在土地利用动态监测中，遥感数据的获取、处理，很大程度上是获得土地利用现状信息的主要渠道。结合RS和摄影测量的基本原理，利用所得的相片来研究和确定被摄物体形状、大小、位置、属性等相互关系。通俗来讲，RS和摄影测量就是要解决测量目标在哪里和是什么这2个基本属性[6]。然而，该方法只能确定地类的相关位置，对于地类属性的判别，往往采用人工解译。对于不确定的或变化地类，仍然需要通过实地考查来准确获取地物的地类信息及其范围。另一方面，由于RS和摄影测量技术只能分年度或在相隔较长的一个时间段才能运用，而土地利用变化是时刻存在的，相对于土地利用变化RS和摄影测量技术有长达半年甚至数年的滞后性。

针对RS和摄影测量在地类判别和实时性上的不足，GNSS凭借其高精准、实时快速定位的特点，越来越多地应用于土地利用动态监测中。同时，伴随着GPS/PDA技术的发展和应用，实时动态地收集和存储地类属性信息已经容易实现。在基于GNSS实时测定变化区域的封闭边界的基础上，采集位置及属性信息实时存入PDA中，进行存储和编辑。因此，从土地利用动态监测的数据源来说，RS和摄影测量是较大范围的数据获取方式。而基于GNSS的GPS定位方法，作为RS技术的辅助定位手段及独立的数据源，很好地解决了小区域变化范围及地类属性数据获取的问题。GNSS与RS的结合，很好地解决了RS在土地利用动态监测中的不足，实现了从宏观到微观尺度对土地利用现状数据的采集和处理。

综上所述，由于GNSS在空间定位和实时性、准确性上的优势，其已经成为土地利用动态监测在基于RS技术和摄影测量技术的土地利用现状信息的主数据源之外的必要补充技术，是提高土地利用动态监测的精度、准确度和实时性的必要技术手段。

2 作业方法

GNSS测量模式可分为静态测量和动态测量。其中动态测量又可分为准动态测量和实时动态测量。在土地利用动态监测中，往往采用实时动态测量模式，即DGPS和RTK模式。

实时动态测量是一种实时得到高精度测量结果的测量模式。其具体方法是：在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链，连续跟踪所有可见卫星，并通过数据链向移动站发送数据。移动站通过数据链接收基准站发射来的数据，并在线进行处理，从而得到实时的高精度位置。

基于3S技术的土地利用动态监测及数据库更新的总体技术路线由3部分组成，分别是遥感变化监测或土地执法监察野外巡查、外业调绘及确界和土地利用数据库更新。虽然遥感数据给我们提供了较为准确和方便的参考基础，但并不能完全如实地反映土地利用现状。通过遥感图像变化检测或者土地执法监察野外巡查发现可疑图斑之后，往往需要借助GNSS来确定变化区域的确切坐标和轮廓，并实地核对地类属性，确定变化区域和图谱信息。其具体技术流程见图1。

图1 外业调绘技术路线图

在土地利用动态监测中，GNSS技术作用环节主要是外业调绘验证，包括基准站的建立、流动站的数据采集、变化图斑边界确认及属性采集、GPS坐标转换及差分处理等。

3 主要成果及技术特点

实践证明，通过3S技术对实验区进行土地利用动态监测，其各项精度和技术要求均满足当地土地利用变更调查的技术规范。主要表现在：

1）基于GNSS技术，能很好地实地判定变化地类，实测变化区域及确定地类属性，GPS测量数据可直接反映在GIS的图形界面上。利用此项技术可以实现基于RS和摄影测量技术的土地利用变更调查数据的精化，一方面提高图斑空间地理位置、边界的精度；另一方面可以提高图斑地类判别的准确性。变化后的图斑结果如图2所示。

图2 GNSS实测的变化区域结果图

2）利用手持GPS(GPSPDA)空间定位、数据存储、便携性的优势，结合互联网技术，建立土地利用执法监察动态巡查系统。以土地利用数据库为平台和管理中心，手持GPS集成3G通信功能，内置SIM卡插槽，直接插入手机卡，就可以实现管理中心与移动手持GPS终端的通讯，实时将手持GPS的地理位置传回管理中心。土地利用执法监察野外巡查人员配备手持GPS，实时定位并通过互联网传回管理中心，可以直观地反映野外巡查的路径、范围，便于土地利用执法监察野外巡查路线的规划和工作监管。野外巡查人员发现土地利用变化或者违法用地行为，可以直接利用手持GPS测定图斑范围并利用DC拍摄标有坐标和时间的照片直接通过3G网络传回管理中心，变化图斑可以实时地显示在土地利用数据平台上，及时判定变化图斑的合法性，合法图斑加入数据库可以作为土地利用动态监测内容，非法图斑可以由土地执法监察部门立案查处，大大提高了土地利用执法监察的效率和准确性。

从空间定位服务的角度，GNSS技术引入土地利用动态监测后，使得传统的手工作业方式产生了质的飞跃，数据采集精度更高、即时性更好，可选用的定位方式灵活多样，保证了数据的客观性和准确性。此外，调查过程中的数字化和信息化，不仅大大简化了数据记录、整理、录入的工作，而且还提高了调查的精度和数据采集的客观性。同时，外业作业方式的改变，加快了土地利用动态监测各个环节的数据流动，保证了土地变更信息的现势性，实现土地利用的动态监测，为城市土地的使用、规划、设计提供客观实时的数据，并可在此基础上开展土地资源的动态监测、土地分等定级、耕地保护、土地利用评价等。