王晓栋 崔伟宏

（中国科学院遥感应用研究所 北京 100101）

提　要　准确把握县级土地利用及其变化状况具有重大意义。结合国家“九五”重点课题“包头市郊区县土地利用动态监测技术系统”，介绍了遥感、全球定位系统和地理信息系统在县级土地利用动态监测中的集成理论和方法。研究结果表明，遥感发现了全县土地利用变化靶区的 96.2%；GPS 的数据采集方法、“假 54”解算方法和“2D 异常数据”处理方法提高了数据精度和处理效率；相对于传统的土地变更调查方法，整个系统带来了 20 多倍的质量—经济效益。最后讨论了建立地区 RS 判别模型、多时态地理信息系统等问题。

关键词　3S技术 土地利用 动态监测

分　类　中图法 F301.24

　　随着全球人口的不断增加，土地资源更加紧缺，人类生存环境受到了严重的
威胁^[1]。掌握土地利用现状和变化规律从而制定正确决策是各国政府追求的目标。在我国，县级行政区是土地资源管理的基本行政单元，它的土地利用统计数据意义重大。由于传统土地变更调查方法工期长、误差大、费用高，给我国实现持续发展造成了不利影响。所以，如何综合运用高科技手段，准确把握县级土地利用现状及其变化是一个很有意义的研究课题。

　　航天遥感 (RS：Remote Sensing) 技术以其宏观性、周期性，地理信息系统 (GIS：Geographical Information System) 以其对空间数据管理的有效性已在“小比例尺、低精度、大范围、调查性”的资源动态监测工作中得到了广泛应用^[2～4]，但在以“大比例尺、高精度”为特点的工作中还没有应用的先例。引入全球定位系统 (GPS：Global Positioning System)，建立 3S 技术体系进行县级土地利用动态监测是一个崭新的思路。

　　在国家“九五”科技攻关项目的支持下，我们在包头市郊区县开展了运用 3S(RS、GPS、GIS) 技术进行土地利用动态监测的实验工作，取得的成果得到了国土资源部的重视并拟将该成果作为样本在全国推广。下面介绍基于 3S 技术的“包头市郊区县土地利用动态监测技术系统”（下文简称“3S 监测系统”）的工作方法、系统评价和结论。

1 研究试验区的自然条件、行政概况

　　包头市郊区县地处市区昆都仑、青山、东河、石拐区的幅射带。地理坐标为东经 109°22′30″～110°26′25″，北纬 40°30′00″～40°47′30″。境内东西长 90km，南北宽 35km，总面积 2 250.9km²。郊区地处北温带内陆干旱区。冬季漫长寒冷，夏季短促炎热，雨热同季，年降水量较少，光照充沛。

　　作为包头市所辖 8 个旗县之一，全郊区县有 16 个乡（苏木）、镇，3 个农场。我们的工作区是除了沙河镇（县政府所在地）的所有乡（苏木）和农场。其范围内有铁路、高速公路、黄河、山区、牧区、农业区、城区。工作区的地貌、土地利用、土地覆被和行政区划特点（如城乡互套）使得 3S 监测系统在 RS 图像处理方法、GPS 测量、GIS 内业处理方面具有很强的代表性。

2 利用 3S 监测系统进行土地利用动态监测的基本原理

　　传统资源动态监测方法是基于多期遥感数据进行“逐个像元对比”或者“分类后对比”，但包头市郊区只有一期遥感图像，无法进行多期匹配。用栅格结构的遥感图像和矢量结构的本底数据匹配，根据“同物同谱”思想，充分利用矢量底图明显的相对关系和遥感图像上地块的几何形状，由专家（包括图像处理专家和地方专家）经过人机交互判释能够发现土地利用变化区域靶区。

　　GPS 采用测码伪距动态相对定位法对遥感发现的变化区域靶区进行野外定位，精度可达分米和米级，能够满足我国土地变更调查的精度要求。GPS 数据转换为数据层后可通过 GIS 与本底数据进行叠加处理，产生新的现状图，可以进行图件生产、查询显示、分析等功能。

　　3S 监测系统的基本原理可概括如下：RS 子系统发现变化靶区，GPS 子系统精确定位靶区，GIS 子系统综合管理数据。3S 监测系统是在 3 个子系统之上的一个面向多源数据（遥感数据、GPS 数据、GIS 数据）、多结构数据（矢量、栅格、GPS 点数据、GIS 多边形弧段数据）、多坐标系统数据（北京 54 系统、WGS－84 系统）的集成系统，各子系统将以系统论“系统总体最优”为原则确定技术路线。

3 包头市郊区县土地资源动态监测技术系统

3.1 遥感技术用于发现变化靶区

3.1.1 遥感图像处理

　　整个 3S 监测系统的本底数据是 1991 年的土地利用现状图图层（ARC/INFO 格式），选用的遥感图像是 1996－08－04 的 TM 图像。采用 DIPNET 软件的线性拉伸，统计量增强中的分块增强算法进行遥感图像增强。将增强后的图像对照
1∶10 000 地形图选择多个地物点作为影像几何纠正的控制点，进行几何纠正。然后进行灰度重采样和彩色合成。

3.1.2 土地利用变化靶区确定

　　将 1991 年土地详查图和 1996 年卫星影像图叠加后显示在屏幕上，采用“矢量底图影像对比判读”方法从地块的形状和相对关系出发，由专家通过人机交互判读发现用地类型的变化靶区。利用 DIPNET 进行屏幕上数字化，获取 1991～1996 年土地利用变化的数据。最后该数据经过回放，得到覆盖有土地利用变化靶区范围的卫星影像图。

3.2 全球定位系统用于实测靶区边界

3.2.1 GPS 工作方式和数据采集

　　GPS 测量的基本原则是测量变化靶区的封闭多边形。将这项原则结合 GIS 的数据编辑功能和土地变化的实际情况，我们在包头市郊区县 GPS 外业测量时采用的方法主要有：1 采集变化区域的边界，直接形成多边形；2 采集规则变化区域边界的拐点，在内业时联成多边形；3 采集一条弧段或者几条弧段和底图上的弧段共同组成多边形；4 使用文字描述在内业形成多边形；5 混合使用以上方式。

3.2.2 GPS 数据处理

　　在 GPS 数据解算时，我们直接用控制点的 54 坐标、控制点的 GPS 数据（WGS－84 坐标数据）、移动站的 GPS 数据（WGS－84 坐标数据）解算出外业测量的各个点的坐标。该方法区别于经典的“真 54”方法，我们称之为“假 54”方法。

　　对于 GPS 采集的数据中出现的 2D 数据段，我们用“去伪存真”法将 2D 数据段对应点的 RANGE DATA 数据段和 MODE 数据段删除，用剩余点的数据进行解算。

3.3 地理信息系统用于数据编辑、系统集成和管理

3.3.1 数据编辑

　　针对 GPS 数据的入库编辑特点（如从本底图层提取弧段的操作比较频繁），用 SML 语言编了一个处理软件：EASYTOOL。全县及各乡、村的新图层、变化图层的生成，是在 ARC/INFO 3.5 的环境中处理的。

3.3.2 系统集成

　　在 ARCVIEW3.1 的环境下，用其 GUI 和 AVENUE 编程工具，实现 RS、GPS、GIS 各子系统的软件集成和用户环境（汉化和功能设定）的开发。

4 包头市郊区县土地资源动态监测技术系统的可行性

4.1 遥感手段发现变化靶区的准确率

　　以包头市新城乡为例（表 1），新城乡变化面积为 1 153hm²，扣除 RS 不可能发现的面积（如权属变更引起的变化、RS 图像生产日期以后的变化），可能发现的面积为 773hm²。其中有 722.3hm² 的区域是在 RS 图像上标出的，占 93.44%。RS 在全郊区发现变化靶区的命中率为 96.2%。

表 1　RS 手段在包头郊区县新城乡发现变化靶区的数据统计
Table1 Statistics concerning changed target areas in Xincheng Township, Jiaoqu County ofBaotou found by RS techniques

4.2 GPS 测量和解算方法的精度评估

　　对 GPS 测量的质量，选取比较固定的铁路线和公路作为样本，用“测码伪距动态差分定位法”定位，后处理解算时用“真 54”方法，将解算结果和本底数据匹配，精度达到 1m 以内（国家的规定精度是 5m）。

　　在古城湾乡，我们对同一组数据分别进行了“假 54”和“真 54”的解算。由图 1 可知，在比例尺为 1∶15000 的图上两种源于不同方法的同一多边形的计算结果几乎重合在一起。在 1∶10 的图上两线的距离约为 1cm，相当于实际的 0.1m，完全符合精度要求。“假 54”代替“真 54”不但简化了解算过程，提高了工作效率，而且降低了对当地数据基础的要求。

图 1“真 54”和“假 54”解算结果比较图
Fig.1 Comparison of the resolutions provided by“true 54”and“pseudo 54”

　　3.2.1 节所述的 GPS 数据采集方法不仅可以减少工作量、提高工作效率，而且可以提高数据精度、减少内业工作量。如测量一个矩形厂区的途中遇到障碍，一般会绕过去，如果绕得太远以致超出精度范围，就目测一下距离，用文字加以描述，在内业处理时进行修正。这个过程远没有测量厂区 4 个拐点准确、快速。而内业工作中“以点联线”也比其他操作简单。充分利用底图上的弧段不仅体现了“尊重底图”的原则，而且可以减少内业进行拓扑叠加操作时出现的“小多边形”，因为两次测同一条线不可能测出相同的数据。

　　含有“2D 数据段”的 GPS 文件的解算结果将发生显著畸变（图略）。3.2.2 节所述“去伪存真”处理方法的效果参见图 2。图中格线 A 表示纠正数据的解算结果，粗黑线 B 表示“没有 2D 数据段的”正常数据解算结果，两者在图的下部有大约 5m 的南北向距离，这是由于测 B 时机动车行驶路线比侧 A 时的步行路线偏南所至。该方法的使用可以有效减少外业的数据损失。

图 2 删除“2D 数据段”的 GPS 文件与不含“2D 数据段”的 GPS 文件解算结果是一致的
Fig.2 Calculation results of GPS file without 2D data identical to that of GPS file with 2D data deleted

4.3 GIS 管理空间数据

　　GIS 对空间数据管理的优势已被广泛认同，这里不再论述。

4.4 3S 监测系统的综合效益

　　比较于传统的土地变更调查方法，3S 监测系统在包头市郊区的运用带来 20 多倍的质量—经济效益（表 2）。

表 2　传统土地变更调查方法与 3S 监测系统方法的效益比较
Table2 Benefit contrast between traditional landuse change investigation method and 3S monitoring system

5 结论与问题

　　(1) 准确把握县级土地利用现状及其变化具有重大意义。在这项工作中，综合运用 3S 技术是一个行之有效的解决方案。

　　(2) 遥感手段在包头市郊区发现变化靶区的成功经验是：1 根据遥感图像分辩率、价格选取合适的遥感图像种类；2 依据工作区的物候期、农时和土地用地特点及其光谱特征，分析地区特点，确定合理的 RS 图像时段；3 基于数据基础等因素确定遥感图像的处理、解译方法。以上三点构成了工作区遥感子系统的判别模型。可以肯定，遥感图像处理技术和模式识别技术的进步对于判图的准确程度和减少工作量起着很大作用^[5]。但面对物理波谱的复杂性、用地类型的复杂性和多变性以及遥感手段和模式识别技术目前的水平，在相当长的时间里建立并不断检证、修改各地的 RS 判别模型是同时取得好的效果和效益的最佳途径。

　　(3) 县级土地资源动态监测对 GPS 的基本要求有：1 数据精度达到 5m 以上；2 动态测值；3GPS 数据采用后处理方式。由此得出：GPS 在县级土地利用动态监测工作中将采用“测码伪距动态差分定位法”，其数据处理方式是“后处理方式”。GPS 外业测量合理使用多样的数据采集方法、“假 54”代替“真 54”的解算方法、2D 异常数据处理方法等可以有效地提高内、外业工作效率和数据精度。

　　(4) 土地利用动态监测信息系统应该是一个多时态地理信息系统 (Temporal GIS：TGIS)^[6]，现在，世界上还没有一个真正的平台式 TGIS^[7]，但 TGIS 的技术已经有了 10 年的研究历史，目前可行的技术路线是，针对特定的应用目的在静态 GIS(Static GIS：SGIS) 环境中运用 TGIS 技术实现 TGIS 功能，这是本研究目前正在进行的内容。

　　(5)3S 监测系统的核心是系统集成的理论和方法。它将不同数据源、不同采集方法、不同坐标系统的各种数据集成到一个系统框架中，形成“最优系统”并实现“工程化”。所以，它是对各个子系统进行综合考虑的上级系统。比如：1GPS 的数据采集方法是综合考虑了 GIS 功能总结出来的，体现了 GPS 和 GIS 的结合，该方法有利于 GPS 数据的获取，GPS、GIS 数据处理和提高工作效率与精度；2GPS 子系统的点数据要在 3S 监测系统中转换为 GIS 子系统的弧段数据；3“假 54”和“2D 异常数据”处理方法将导致精度下降，但精度的损失幅度不会导致最后结果超出国家规程要求，可方法的改变可以大大加快工程进度，降低对地方数据基础的要求。所以，3S 监测系统不是 RS、GPS、GIS 的简单组合。3S 集成是当今空间科学领域一个研究前沿，它的发展目标是“在线的连接、实时的处理”。对于县级土地利用动态监测，完成集成所要解决的关键问题是：1 语义和非语义信息的自动提取理论方法；2 数据通迅和交换。目前，我们认为县级土地利用动态监测的 GPS 测量和 GPS、GIS 数据处理没有必要实现“实时处理”。因为“数据链”的价格和技术复杂程度，对一个县级单位是无法接受的，而且 GPS、GIS 数据处理相对于 GPS 测量“半天的滞后”对于 3S 监测系统以天为单位的时间分辩率来讲是没有影响的。

参考文献

1	陈利顶．我国近年来耕地资源动态变化的区域特征及对策分析．自然资源，1997(2)：1～8
2	黎夏．利用遥感与 GIS 对农田损失的监测及定量评价方法——以东莞市为例．地理学报，1997,52(3)：280～287
3	史培军，陈晋．RS 与 GIS 支持下的草地雪灾监测试验研究．地理学报，1996,51(4)：296～304
4	刘纪远．中国资源环境遥感宏观调查与动态研究．北京：中国科学技术出版社，1996,194～204
5	王晓栋，崔伟宏．3S 技术在土地利用与覆被动态监测中的作用．国土与自然资源研究，1998(3)：27～31
6	GAIL LANGRAN. A review of temporal database research and its use in GIS applications. International Journal of Geographical Information Systems, 1989,3(3)：215～232
7	王晓栋．地理信息系统外壳开发的理论和实践．中国图象图形学报，1998,3(1)：44～48

第一作者简介

王晓栋，男，1971 年 6 月生。1995 年获硕士学位，同年继续在中国科学院遥感应用研究所攻读博士学位。研究方向为多时态地理信息系统、3S 综合应用。已在国内外发表论文 10 余篇。

*	国家“九五”重中之重科技攻关项目 (96－B02－01－07)。