遥感技术应用于土地利用变化监测

1、遥感技术应用于土地利用变化监测 研究进展读书报告摘要:应用遥感技术进行土地利用变化监测研究是土地调查研究的重要组成部 分, 在大 量阅读相关前沿研究文献的基础上, 归纳土地利用变化概念、 研究内容, 遥 感动态监测研究方法在国内外土地调查、土地利用 /覆盖变化监测研究工作中的应 用,分析了其研究特点。 关键词 :土地利用变化 遥感动态监测 遥感分类方法“人类活动作为主导因素所导致的土地利用与土地覆盖变化 （LUCC 通过地球生 物物理过程影响全球气候变化的研究, 没有得到应有的重视, 这不利于科学界为制 定全球变化策略提供全面系统的科学支撑。” 2010月 10月 21日,在京召开的国家 “ 973” 计划全球变化研 究重大科学研究计划 “大尺度土地利用变化对全球气候的影 响”项目启动会上, 项目首席科 学家、中国科学院地理资源所研究员刘纪远作上述 表示。目前土地利用变化的研究是土地科学领域的热点,也是重要组成部分。 土地利 用变化研究是伴随全球环境变化研究而逐渐开展起来的, 90年代初,两大国际组织 IGBP和IHDP都把土地利用变化作为全球环境变化的核心内容，制订了 LUCC等 研

2、究计划。 2002年, IGBP （国际地圈与生物圈计划和 IHDP （全球环境变化的人文 因素计划两大国际组织对以往IGBP和IHDP的研究计划进行了总结，将从前的 LUCC （土地利用土地覆盖计划和 GCTE （陆地生态系统全球变化计划进行整合，提 出了今后10年的土地计划，并提出了土地变化科学（Land Change Science概念。1在IGBP和HDP报告中,LUCC作为其核心研究计划，将低空间分辨率与高空间 分辨率的 卫星遥感信息相结合进行全球尺度和区域尺度的研究，在全球范围进行 1km 2km分辨率的土地覆盖变化制图，对区域的精确研究采用陆地卫星数据等高 空间分辨率资料进行。 报告中 将应用低、 高空间分辨率遥感数据进行土地覆盖变 化的速率、目前土地覆盖变化地点及未来 发生地点、空间和环境属性对土地覆盖 变化的影响因素等作为其 3个研究重点之一。1 土地利用变化的概念及研究内容1.1土地利用变化的概念土地利用是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动,如农业用地、 工业 用地、交 通用地、 居住用地等都是土地利用的概念。 土地利用一般是指人类为获 取所需要的产品或服 务

3、所进行的土地资源利用活动, 是人类对土地自然属性的利用 方式和利用状况, 包含着人类 利用土地的目的和意图。 土地利用变化是人类与地球 环境进行物质、能量交互作用的重要表 现。 发生于任何时空尺度, 它不仅影响陆 地生态系统的地理分布格局及其生产力, 客观反映 人类改变地球生物化学循环、 生 态系统的结构和功能及产品和服务的供应,而且还再现了陆 地表面的时空变化过 程。LUCC 由于影响到了人类生存与发展的自然基础,如气候、土壤、植被、水资 源与生物多样性等, 影响到地球生物化学圈层的结构、 功能以及地球系统能量与物 质循环等方面, 与 全球的气候变化、 生物多样性的减少、 生态环境演变以及人类 与环境之间相互作用的可持续 性等密切相关, 是所有与可持续发展相关问题的核心, 可以说是“可持续发展理论”的开拓 计划, 土地利用与土地覆盖变化的作用是全球变 化的关键, 是自然与人文科学领域的 “桥梁 工程”。 21.2 土地利用变化研究内容1.2.1 土地利用数量变化研究区域土地利用变化包括土地利用类型的面积变化、 空间变化和质量变化。 面 积变化首先反映在不同类型的总量变化上, 通过分析

4、土地利用类型的总量变化, 可 了解土地利用变化总 的态势和土地利用结构的变化。目前土地利用的数量变化的 指标有:土地利用变化的幅度、 土地利用变化的速度和土地变化的区域差异。 通过 各地类之间的转化, 得出土地利用的转化 矩阵。1.2.2 驱动力研究有关土地利用变化驱动力的研究是探索土地利用被变化驱动机制的核心问题, 驱动力通常分为生物物理和社会经济两大类。 生物物理驱动力包括自然环境的特 征和过程, 而社会经 济驱动力则包括人口变化、 贫富状况、 技术进步、 经济增 长、政治经济结构以及价值观念等。 有的时候驱动力与被观察的土地利用变化在 空间或时间上相差甚远,经常涉及到宏观经济政 策的转变和变化,很难预测。在区域 LUCC 主要驱动力比较方面,目前较为一致的意见是:自然因素在很大程度上决定了 高原、山地等自然条件复杂地区的土地利用状况, 而经济发展、 人口增长及政策等 是影响人类扰动强烈、 开发历史悠久而较少受自然条件约束地区的主要因 素。123 土地利用/土地覆被变化（LUCC模型研究进展人类一环境系统是地球表层人类活动与地理环境相互作用形成的开放的复杂巨 系统。LUCC模型就是

5、对这一复杂系统的一种抽象或有意义的比喻。它将土地变 化系统中的现实问题 归结为相应的数学问题, 并在此基础上利用数学的概念、 方法 和理论进行深人的分析和研究。 从而从定性或定量的角度来刻画实际问题。 并为 解决现实问题提供数据或可靠的指导。LUCC模型作为一种认知和学习工具，有助 于人们了解、认识和解释土地系统的动态变化规律和特 征。目前LUCC模型具有以下特点:LUCC模型的功能和作用呈现多样化趋势，是 了解、认识和解释土地利用系统的动态变化特征、过程和效应的有效工具，可以服 务于土地利用管理和政策的制订。模型的核心内容是研究LUCC时空变化格 局。模型发展正经历从单一的非 空间模型向非空间模型和空间模型融合的演进过 程。但多数模型只重视空间变化机制研究，而对时间机制考虑不足。 反馈机制是 LUCC 系统的一个重要特征，现有模型在反馈机制方 面的研究尚十分薄弱。 研究不 同时空尺度的反馈机制必将是未来LUCC模型的新焦点。LUCC研究本质上是 “人类一环境”关系研究。以往模型多为局部均衡分析模型，未来LUCC模型发展趋 向应从系统观和整体观角度来综合考虑“人类一环境”相互作用机制，

6、这也是 LUCC 模型的最高更次的科学难点问题。多尺度、多层次的综合研究是LUCC模型的 必然要求，模型空间尺度已经从早期的单一空间尺度转变到现今的多空间尺度，但尺 度推移仍是模型研究中值得深入探讨的问题。尽管LUCC模型验证方法趋于多 元化，但目前还没有一个模型 验证的统一标准和规范。参考数据的不足也大大限制了模型验证效果。如何对LUCC模型的可靠性和科学性进行合理验证始终是LUCC 模型所面临的关键挑战之一。 32国内外土地调查中的遥感技术研究现状早在二十世纪三十年代,国外就开始利用航空摄影测量进行土地资源调查, 而利 用卫星 遥感影像进行土地调查的研究则开始于二十世纪七十年代。 国际上的土地 资源利用调查基本是以航空遥感、 航天遥感为手段分阶段地进行, 如加拿大每五年 用卫星遥感资料和航空遥感 资料相结合的方法对全国土地资源的利用情况做一次 详查; 澳大利亚、 法国以及日本、 西欧 等一些经济发达的国家,也定期地利用卫星 遥感进行土地资源利用情况的调查。近二十年来,国外遥感技术在土地资源研究中有了长足的进展,尤其是土地利用 分类成为遥感专题制图中最热门的课题。自 1990年起,国

7、际社会科学联合会积极筹 划全球性综合研究计划,于 1995年共同拟定并发表了土地利用 /土地覆盖变化科 学研究计划,并将其列为核心研究计划。 目前更多的国际组织和国家启动了各自 的土地利用变化研究项目,取得了一系列成果。 各国从生产经营活动的需要出发, 进行了有关土地利用类型以及植被覆盖类型的调查、分类及制图等,对于土地利用 /土地覆盖的现状进行了较为全面的认识,其成果是各种各样的土地利用类型图、 植被覆盖类型图等, 以便及时掌握全国土地利用状况。 国际 应用系统研究所于 1995年开始的 “欧洲和北亚土地利用 /土地覆盖变化模拟”的项目用以分析土地利 用的空间特征、 时间动态和环境效应。 美国的土地利用研究主要集中在对全球与 区域性土地覆盖变化的监测研究,以揭示土地覆盖变化与温室气体释放的关系 4。我国的遥感调查工作起步较晚,从 “六五” 才开始采用航空遥感与卫星遥感相结 合的方法进行土地利用资源调查的应用研究 5。为配合全球变化的人文领域研究 计划（HDP与国际地圈-生物圈计划（IGBP的工作，在“九五”期间设立了多项土地 利用的研究项目, 并将 “遥 感、地理信息系统及全球定位系

8、统技术”作为国家科技攻 关重点项目，应用于资源、环境、 灾害等监测工作中 6。 1994年原国家土地局组 织北京师范大学、中科院遥感所以及北京农业 大学采取遥感监测技术对全国 19个 城市的土地利用状况进行了监测,后又将监测范围扩大至 70个城市,取得了遥感技 术在土地利用动态监测中产业化的应用。 1999年以来,国土资 源部采用 TM/ETM+、 SPOT 、 SAR、 IRS 、航空数据等遥感资料全面开展了土地利用动态 遥感监测工作，对全国104个重点城市面积近200万km2的土地利用变化情况 进行了监测。 2004年,国土资源部首次开展了对全国 189个国家级开发区的遥感监 测，对全国 50万人口以上 城市再次进行了年度变化监测，同时监测了 29个城市各季 度新增建设用地情况。 2006年 3月国土资源部发出通知，利用遥感技术开展土地执 法调查，利用 2004年 10月至 2005年 10月期间卫星遥感监测图片在北京等几个省 （自治区、直辖市的部分市、区调查城市新增建设用地情况。早期的土地调查在技术上受到了遥感数据源和计算机软硬件条件等诸多因素的 制约。随着高分辨卫星陆续遨游在太

9、空中和GIS技术的蓬勃发展,3S技术为土地 调查提供了坚实的 技术支持 8。以前的遥感数据源来自于中低分辨率的航天平台 （如LANDSAT TM等，或者是航空飞机。中低分辨率的卫星由于其识别能力差，制 约了土地调查的精度; 而航空飞机由于耗费人力财力较大且受天气、 军事等因素 影响， 无法全面及时地完成土地调查任务。 计算 机软硬件条件的限制主要指海量数 据的管理、存储与分析。 现在，已经有多颗高分辨率民用卫星遨游太空，随着 QUICKBIRD、IKONOS的存档数据越来越多，土地调查质量将得到明显提高；而 随着存储技术、网络技术和GIS软件技术的逐步深入，计算机软硬件条件的约束也 将 大大减小。3 国外土地利用 /覆盖变化遥感监测进展综合进行土地利用 /土地覆盖变化研究并在全球区域进行是近 10年来随着全球 环境演 变研究的深入开展起来的。应用卫星图象进行土地利用 /覆盖动态监测目前 在两种区域尺度的范围内开展。 一是全球和洲际尺度，二是区域级 （亚洲际或更小 区域 尺度。 二者所选用的 信息源不同，近年来的研究在精度上都取得了较大进展。大量的研究在全球和洲际尺度进行，以使用气象卫星NOAA/AVHRR数据进行 监测为主。应用AVHRR数据进行全球和洲际尺度的植被变化和土地研究始于1981年9。最早应用多时相AVHRR的植被指数(NDVI数据进行洲际尺度的土 地覆盖研究是 Tucker 和 Townshend ,他 们分别进行了非洲 (Tucker, 1985 和南美洲 的研究(Townshend, 1994。 Cihlar等研究NOAA/AVHRR各多波段组合方案进行 加拿大北方地区土地覆盖分类，以AVHRR的1、2和4波段、它们的主成分波段以及NDVI进行,认为其中最有效的是NDVI，其与TM 数据分类的精度比较可达 45%60%,其中主要土地覆盖类型的精度可超过 80%(Cihlar, 1996 。 土地利用 /覆盖动态监测在区域级尺度的研究,所选用的遥感信 息源以高空间分辨率的卫星数据LANDSAT/MSS和LANDSAT/TM为主。采用的 遥感监测方法包括比较土地覆盖分类结果、多时 相数据分

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