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遥感与GIS在土地资源利用中的应用研究.doc

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遥感 GIS 土地资源 利用 中的 应用 研究
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遥感与 GIS 在土地资源利用中的应用研究【摘 要】土地资源是人类赖以生存的重要物质基础, 也是不可再生的自然资源之一,它是人类生存、发展必不可少的基本自然资源。研究表明随着人口、环境、经济发展的变化,地球表面只剩有很少的部分处于自然状态, 人们进行土地资源利用对自然环境产生的深刻影响导致了土地资源利用、土地覆盖模式等等方面的不断变化同时由于巨大的农业和人口压力, 土地正变成稀有资源人均占有土地资源也越来越少。面对这些情况,如何全面、高效地 进行土地资源的利用和管理,成为刻不容缓的问题。对此,要求对土地资源进行更加科学的利用和规范的管理。本文以土地资源作为研究对象,运用遥感手段获取我国土地资源地覆盖信息,用于解决我国土地资源分布广、变化周期快、信息量大等问题;同时,运用地理信息系统能够方便快捷地对土地资源信息进行动态管理、查询、分析等,为土地资源地规划提供科学依据,同时也为土地资源的利用和管理走向自动化,可视化奠定基础.【关键字】土地资源;遥感; GIS ;动态监测技术龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 遥感与 GIS 在土地资源利用中的应用研究 专 业: 测绘工程 班 级: 2008 级测绘班 学 号: 2008092547 姓 名: 叶领宾 指导教师: 陈绍杰 职称: 教授 资源工程学院目录1 绪论 ..................................................................................11.1 遥感和 GIS 技术的基本概念以及相关的基本知识 ..........................................11.1.1 关于遥感方面的基本知识 ............................................................11.1.2 关于 GIS 技术方面的基本知识 ........................................................21.1.3 遥感与 GIS 的结合 ..................................................................21.1.4 土地资源利用方面的相关知识 ........................................................42 遥感与 GIS 在土地资源研究中的国内外现状 ...............................................52.1.1 运用遥感和 GIS 技术进行土地资源利用现状调查 ........................................52.1.2 基于遥感和 GIS 的土地资源利用动态监测(动态演变) ..................................52.1.3 基于 GIS 的土地资源数据的获取和管理 ................................................42.2 我国遥感和 GIS 技术在土地资源集成信息系统应用中存在的 问题 ............................42.3 本文的研究内容和总体框架 ............................................................43 土地资源集成信息系统概论 .............................................................63.1 我国土地资源的利用现状 ..............................................................73.2 土地资源集成信息系统的定义及作用 ....................................................74 土地资源集成信息系统的具体应用 .......................................................64.1 土地资源遥感数据源的选择 ............................................................84.2 遥感影像解译及图像处理技术 ..........................................................74.2.1 遥感图像预处理 ....................................................................94.2.2 土地资源利用变化信息的提取 ........................................................84.2.3 图像分类解译处理 ..................................................................94.3 野外土地要素调查 ....................................................................95 土地资源利用集成信息系统的构建 ......................................................105.1 建立土地资源利用集成信息数据库 .....................................................135.2 建立基于 G1S 的土地资源利用管理信息系统 .............................................135.2.1 土地资源利用集成信息系统的其他作用 ...............................................135.2.2 土地资源利用集成信息系统的未来展望 ...............................................136 结束语 ..............................................................................147 致谢词 ...............................................................................15参考文献 ..............................................................................1611 绪论土地资源是人类赖以生存的重要物质基础, 也是不可再生的自然资源之一,它是人类生存、发展必不可少的基本自然资源。同时它又是一切资源和环境要素的载体,其可持续利用对我国的可持续发展战略的实施具有重要的意义。而在我国土地资源的利用和规划思想落后,对土地资源的掠夺式使用已经威胁到人类的生存与发展,迫切要求土地资源合理利用以及可持续利用的研究由理论走向实践。随着计算机技术和空间卫星技术的发展,遥感技术能够快速提取土地资源的覆盖信息,而地理信息系统具有对多源空间数据进行存储、管理和分析等功能,遥感、地理信息系统两者的结合为我国土地资源的合理利用提供了高新技术手段和有力的技术支持。1.1 遥感和 GIS 技术的基本概念以及相关基本知识遥感(RS)和地理信息系统(GIS)是支撑现代地理学的两大空间技术工具,近年来两者的结合引起了人们的普遍关注和研究 【1】 。通过了解遥感和 GIS 的特点及发展趋势,让人们清楚的知道了遥感和 GIS 之间的密切联系和相互支撑的关系并以此来运用到土地资源的合理利用和土地资源管理中,同时解决一些传统方法无法解决的问题。1.1.1 关于遥感方面的基本知识遥感(Remote sensing,简称RS),就是遥远感知事物的意思。遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线结合目标进行探测和识别的技术。现代遥感技术主要包括信息的获取传输、存储和处理等环节。遥感系统核心组成部分是获取信息的遥感器,包括主要有照相相机、电视摄像机多光谱扫描仪、成象光谱仪、微波辐射、合成孔径雷达等等。遥感技术有许多的特点:1)视域宽居高俯视,观测面积广阔,单张陆地卫星图像覆盖地面范围可达到3万多平方千米。2)信息多 包括可见光、红外、微波、多波段遥感,能提供超出人视觉以外的大量信息。3)速度快 以往进行实地测绘地图,要几年、十几年甚至几十年才能重复一次、应用航空摄影测量法以后,数年重复测量一次,而卫星绕地球运转,能迅速获得所经地区的各种自然现象的最新资料。4)限制少 对于自然条件恶劣、地面工作难以开展地区,遥感不受限制,可以比较容易获取这些地区的信息。 5)用途广遥感技术为地球信息资源、自然资源调查、国土整治、海洋大气监测预报、城市环境监测以及全球性研究提供一种新的探测手段,目前已广泛应用于国民经济生产,并体现出强大生命力。21.1.2 关于 GIS 方面的基本知识点地理信息系统( Geographic Information System, 简称GIS) 是一门介于地球科学与信息科学之间的交叉学科,它将地学空间数据与计算机技术相结合,通过系统建立、操作与模型分析,产生对资源、环境、区域规划、管理决策、灾害防制、环境保护等方面的应用信息。同时它也是一种特定的十分重要的空间信息系统即它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中 的有关地理分布数据行采集储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统 【2】 。地理信息系统的主要发展趋势: 空间数据结构与数据管理,空间数据获取与集成,GIS的智能化,GIS应用模 型开发等等从而推动GIS数据的共享。GIS的基本功能有:1)数据采集与输入2)地图编辑3)空间数据管理4)空间数据分析5)地形分析6)数据显示与输出1.1.3 遥感与 GIS 的结合遥感数据是地理信息系统的重要信息源,遥感技术是获取地面信息的现代新技术手段, 利用航空和航天遥感所获得的大量数据,可以方便地探测人迹难以到达地区的资源,获得常规手段难以搜集的信息。它能快速获取和更新空间数据同时能对大范围进行及时准确综合的动态监测,因此遥感信息就成为地理信息系统十分重要的信息源。遥感信息的综合、多层次、多时相、形象直观的优点,可使GIS的分析、显示和决策应用功能得到更为生动地表达,其成果使不同层次的使用者如身临其境的感觉。由于遥感的数据量较大,要求的精度较高一般传统的方法难以满足其要求。地理信息系统可为遥感数据的有效利用提供一个良好的环境,遥感数据输入地理信息系统,利用地理信息系统处理和分析应用空间数据的能力,可发挥遥感数据的最大作用 【3】 。同时GIS在遥感影像的识别中能够支持其对于精度的改善,提高遥感数据的识别和分类精度要求。总之地理信息系统可用以支持遥感处理系统以及遥感数据的分类精度。1.1.4 土地资源利用方面的相关知识土地资源利用主要包括土地资源调查和土地资源利用的动态监测,它是人类在自身发展过程中为了社会和经济的目的, 对土地进行长期或周期性的生物、技术活动的经营,通过利用、改造,使人类获得更多的实惠和利益。当然土地利用既要受自然条件制约,也受社会、经济、技术条件影响,同时土地的合理利用必须适应一定的社会生产方式。而我国国土幅员广阔土地资源利用的动态性较强,因此如何准确合理的解决土地资源的合理利用以及及时准确的获取土地资源利用的各方面信息成为了当务之急。土地资源利用动态遥感监测是基于同一区域不同年份的同一时相影像间存在着光谱特征差异的原理,来识别土地利用状态或现象变化的工作。其本质就是对影像系列时域效果进行量化。土地资源调查是指以国家《土地利用现状调查技术规程》以航空像片或者影响平面图、地形图为基础资料从而对土地利用型、分布、数量及权属状况进行的系统调查是获取土地资源利用详尽信息的主要途径。32 遥感和 GIS 技术在土地资源系统中应用的国内外研究进展遥感(RS)、地理信息系统(GIS)是当前人类快速获取大区域地球动态和定位信息并提供处理、分析和辅助决策等服务的有效手段。遥感和 GIS 结合,在空间数据获取、分析处理方面具显著地优势,已经广泛运用到土地资源的利用与管理、矿产资源管理、城市规划等领域。早在 20 世纪 60 年代,加拿大 R.F.Tomlinson 等人就提出用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据,并建议加拿大土地调查局建立加拿大的 GIS(CGIS),以实现专题地图的叠加面积的量算等.20 世纪 90 年代以来,国际上的各种联合会联合建立了不同种类的土地资源利用的模型,籍此深入了解土地利用土地覆盖变化成因、过程、预测未来发展变化趋势。我国经过 3 个五年计划的科技攻关,遥感和地理信息系统技术已形成了相当的科学积累,遥感应用取得了重大进展。 “八五”期间,中国科学院和农业部合作,完成了“中国资源环境遥感宏观调查与动态”的研究。 “九五”期间,中国科学院承担并实施完成了全国范围的土地资源及其生态环境背景的遥感调查与监测。我国的土地资源利用正在不断的跟上世界的发展潮流和趋势,我国的学者正不断跟踪这一领域的国际发展步伐。遥感和 GIS 技术在土地资源系统中的应用研究主要集中在以下几个方面:1、运用遥感和 GIS 技术进行土地资源利用现状调查2、基于遥感和 GIS 的土地资源利用的动态监测(动态演变)技术3、基于 GIS 的土地资源数据的获取和管理2.1.1 运用遥感和 GIS 技术进行土地资源利用现状调查传统的土地资源利用现状的调查方法是费时、费力,且很少变动的。这些土地资源数据不 久就会过期 ,尤其对于现在 21 世纪快速变化的环境。事实上,传统的土地资源调查方法进行动态监测变化和进行时间序列分析是相当困难的。近年来,卫星遥感技术的发展为精 确进行土地资源利用现状调查、土地覆盖图和监测相应时段提供了很好的手段。在难以达到的地区,这种技术也许是节省成本和时间、获取需要数据的唯一有效方法。遥感和 GIS 提供或更新区域信息及空间定位,GIS 进行相应的空间分析,提取有用的信息,进行综合集成。因此,遥感和 GIS 技术可以探测土地资源的利用现状、土地覆盖状况变化情况,并且能够预报未来农用土地和建设用地的可能变化趋势,为决策土地资源利用提供科学合理的依据。2.1.2 基于遥感和 GIS 的土地资源利用的动态监测(动态演变)技术过去,我国县级土地利用年度变更调查广泛采用传统方式,即根据用地单位的上报数据,被动地了解土地利用的变化,并依靠传统测量工具在野外进行变化信息空间的人工测量。这种调查方式存在的问题是工作效率低,不能及时准确地获取现势性较强的土地利用变更信息,因而无法实时掌握土地利用变化在空间上的分布,无法分析评价土地利用变化合理与否 【4】 。这给在此基础上开展的其他工作,如区域可持续发展现状评价和规划决策工作造成了很大的困难。因此, 研究利用遥感和 GIS 等高科技手段,建立土地资源利用动态监测系统,以便快速、准确、经济地获取和管理土地利用动态变化信息,科学管理土地利用的时空数据,为土地管理部门提供先进的管理工具,为区域可持续发展提供决策支持具有重要的意义。目前,我国基于遥感和地理信息系统技术在土地资源利用动态监测方面已进行了多方4面的研究,如清华大学地理 空间信息研究所以图像设计为理论基础,对土地遥感动态监测信息管理系统进行了设计研究;北京师范大学潘耀钟教授利用遥感信息融合技术,对不同时相的多元遥感数据进行融合,提出一套土地利用动态变化信息的监测方法,北京大学遥感与地理信息系统研究所李天俊通过土地利用动态监测技术综合时空的应用提出了应用多种遥感综合失控信息进行土地资源利用的动态监测技术方案;中国科学院遥感应用研究所张先锋研究院基于遥感和 GIS 的集成技术建立了面向工程目标的土地资源利用动态监测的新方法。目前正在加紧进行的遥感相关课题的研究,主要有“SAR”数据应用研究、 “西部生态退耕监测方法试验” 、 “高分辨率卫星数据应用研究” 、 “遥感监测公报制度研究” 、 “面向县级土地利用图更新的最佳卫星遥感数据组合研究及土地利用动态遥感监测精度评价研究”等。2.1.3 基于 GIS 的土地资源数据获取和管理土地资源利用数据的获取:利用正射影像图、历年年度变更成果资料、建设用地批文及土地开发整理验收资料结合待调查区域实情,同时在室内对变更地物的数量、分布等进行综合分析研究基础上进行的 【5】 。一般应根据变化地物所处的地理位置,有计划地布设一定数量的 GPS 控制点作为施测变更图斑位置的基准站。在一个县域范围内,可视其行政区域的大小在全县范围内大体均匀地布设若干个 GPS 控制点。基于 GIS 建立土地资源数据库:以 GIS 为基础,建立土地集成信息管理系统“土地地理信息系统”将逐步建立完善,开发土地的专题信息管理系统,如地表形态(平原、丘陵、山地等)、土地上森林资源分布、珍稀动植物分布、自然保护区、防火、森防、灾害分布、人事档案等等,形成一个信息丰富、动态的土地资源集成信息管理系统。2.2 我国遥感和 GIS 技术在土地资源集成信息系统应用中存在的问题遥感和 GIS 技术在土地资源利用的数据采集、分析和效益评价等方面都存在不同的应用,但由于我国的土地资源利用存在着城镇建设占地加剧,土地闲置浪费严重、利用结构不合理,生态环境恶化等一系列问题致使遥感和 GIS 系统应用到我国的土地资源集成信息系统中还有不少的问题。(1)我国遥感和 GIS 技术在土地资源集成信息系统中的应用仍处于方法和技术的初步阶段,缺乏系统全面的分析,未形成完善和成熟的技术流程和规范。(2)土地资源信息的遥感提取较多地使用目视解译的方法,主观性大,完全依靠判读者的经验,解译精度不高以计算机自动提取方法的实际应用较少。(3)不能满足土地资源合理利用系统规划的要求,目前遥感和 GIS 技术主要用于土地利用资源获取,数据管理,难以提供土地资源集成系统规划所需的最优化选择,现实模拟、决策分析等功能一体化等要求。鉴于此,本文以我国土地资源利用系统作为研究对象,以合理利用土地资源的理论为依据,结合现代的遥感与地理信息系统技术,对我国土地资源利用的规划体系做了系统的分析。这对实现土地资源的动态监测、管理、规划,以及土地资源利用的持续发展、土地资源利用规划的科学性和可靠性等都具有十分重要的意义,同时也对土地资源利用的管理趋向自动化、可视化、一体化具有特殊意义。2.3 本文的研究内容和总体框架本文从土地资源集成信息系统的基本理论和服务功能着手,以土地资源的合理规划的需求出发,着重研究土地资源的分布现状信息的遥感调查、城市绿地地理信息系统的建立、城市绿地综合效益评价。5本文的总体框架如图 2-1 .概论(二)土地资源集成信息系统概述(三)土地资源集成系统具体研究(一)研究目标的国内外研究状况及发展结论与展望(四)土地资源利用集成信息系统的构建二土地资源集成信息系统概述一研究目标的国内外研究状况及发展图 2-1 论文的总体框架3 土地资源集成信息系统概论3.1 我国土地资源的利用现状长期以来,我国基本上走的是土地粗放型利用模式,既存在土地资源利用率低的问题,又出现土地资源破坏的问题,大量土地资源投入未能产生出应有的效益,影响了社会经济的可持续发展 【1】 。虽然我国实际耕地面积约1.33亿公顷,位居世界第三位,但人均耕地只有0.11公顷,不及世界人均耕地0.25公顷的44%,有666个县低于联合国粮农组织人均耕地0.05公顷的警界线。新中国成立以来,还有4/5的水土流失地区尚未得到治理,在治理地区也往往是一边治理,一边破坏,土地流失面积逐年扩大。土地荒漠化的速度也远远超过治理的速度。全国荒漠化工地面积仍以每年2460平方干米的速度在增长。3.2 土地资源集成信息系统的定义及作用土地资源集成信息系统的建立是基于土地资源利用的动态监测以及土地资源利用的现状分析来实现的。土地资源利用动态遥感监测是基于同一区域不同年份的同一时相影像间存在着光谱特征差异的原理,来识别土地利用状态或现象变化的工作。其本质就是对影像系列时域效果进行量化。土地资源利用遥感监测就是通过量化多时相遥感影像空间域、时间域、光谱域的耦合特征,以获得区域土地利用变化的类型、位置和数量等内容。最常用的土地资源利用遥感监测方法基本上可以分两种:即逐个像元比较法 (pixel to pixel comparison) 和分类后比较法 (post classification comparison)。64 土地资源集成信息系统的具体研究土地资源利用动态监测的传统方法是采用人机交互方式对遥感图像进行解译,将多时相遥感图像进行叠加,应用地理信息系统软件自动计算出某区域各地类变化面积并输出图件。人机交互式遥感解译法是将人和计算机相互配合进行遥感技术分析。它能够发挥人与计算机两者的优势,从而更有效、更准确地对遥感图像进行解译。图 4-1 土地资源利用与土地资源覆盖的分析流程图(据马庆勋)74.1 土地资源调查遥感数据源的选择根据不同的研究目的,充分考虑不同的影像数据信息提取的精度问题以及适应尺度的问题以用来满足不同的作业要求。例如可以在土地资源利用和土地覆盖动态监测中采用不同年份的 LANDSAT TM 图像和不同年份的 CBERS-02 卫星影像。讲两个不同时相的遥感数据进行比较,同时将获取两个时相的遥感数据源 【6】 。以及 1:10 万地形图、1:25 地形图、气象统计数据和社会经济统计数据。结合遥感和 GIS 技术不同省份在不同年间区域土地资源利用的本底数据和动态变化数据,并将两者想结合进行比较以获取所需要的不用数据。图 4-2 三个不同时相 (1989、1996 和 2005 年)北京西北部土地资源利用类型4.2 遥感影像解译及图像处理技术遥感影像处理包括图像融合、图像正射校正、图像增强处理等内容。图像融合是为了充分利用多源数据的互补性,来获取更加丰富、可靠、有用的信息,使遥感技术得到最大可能的发挥。根据所建立的解译标志,在 ArcGIS 地理信息系统软件的环境下,利用其图形编辑子系统,将前期处理好的图像作为背景,按照土地利用现状分类系统,将外业调绘的图斑界线依据屏幕栅格影像的色调、形状、阴影、纹理、位置、大小等特征,以矢量化建立专题图层的方式,进行地类界线的勾绘等工作。同时在解译过程中,应当遵循以下原则:先整体后局部,先大类后小类,先已知后未知,也就是先从整体上把大面积的地类解译勾绘出来,再往下分解小地类,做到先易后难,先简单后复杂从而提高矢量化速度和精度,减少繁缛环节。4.2.1 遥感图像预处理遥感图像预处理是为了更好地提取土地利用变化信息,而处理效果的好坏将会直接决定土地利用动态监测的精度。原始的遥感图像灰度级较低难以满足土地资源利用信息提取的
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