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東北林業大學土地利用、土地覆蓋、植被覆蓋度與氣象數據技術服務

一.背景介紹

     土地是人類賴以生存和發展的重要自然資源,是人類一切經濟活動的空間場所,是社會發展不可替代的生產資料。土地資源的稀缺性決定了其重要性。不同區域的土地,其自然、經濟和社會條件存在著明顯的差異,同樣,相同的人類活動在不同地區也會產生不同的后果。由此可見,要正確識別土地利用活動所引起的效應,必須注意地區差異性。而土地利用分區恰好解決了此問題。土地利用分區就是依據土地的自然、社會經濟條件的差異性、土地類型與土地利用方向的相對一致性,劃分土地利用的基本單元.地域或用地類型區的過程。分區目的在于合理、科學、導向性開發利用土地。即在查清土地資源、土地利用現狀及社會經濟條件的基礎上,進行土地利用的歸納共性,區別差異,科學地綜合研究,揭示區域性差異的客觀規律;闡明區域的自然條件,社會經濟條件,土地資源優勢,土地利用屬性、結構、現狀、特點、經驗及問題,土地開發利用方向、潛力、途徑和措施。 改革開放以來,全國各地區經濟都有不同程度的發展,區域經濟發展的格局發生了明顯的變化。在經濟飛速發展的同時,由于缺乏統籌協調,包括土地利用方面的統籌協調,使得區域差異拉大、產業結構趨同、重復建設嚴重、資源不合理利用及生態環境惡化等問題日益突出。面對這種情況,十六屆三中全會提出了“堅持以人為本,樹立全面、協調、可持續的發展觀,促進經濟社會和人的全面發展”,按照“統籌城鄉發展、統籌區域發展、統籌經濟社會發展、統籌人與自然和諧發展、統籌國內發展和對外開放”即“五個統籌”指導思想,對于國民經濟的可持續發展具有重要意義。 統籌區域土地利用是貫徹落實國家區域發展政策、統籌區域發展的重要手段,是協調解決區域發展和資源環境方面問題的必然要求。


    土地覆蓋數據是自然營造物和人工建筑物所覆蓋的地表諸要素的綜合體,包括地表植被、土壤、湖泊、沼澤濕地及各種建筑物,具有特定的時間和空間屬性,其形態和狀態可在多種時空尺度上變化。最主要組成部分是植被,但也包括土壤和陸地表面的水體;是陸地生物圈的重要組成部分,也是土地自然屬性的重要反映;土地覆蓋具有顯著的空間特征、時間特征和時空尺度特征。


土地覆蓋數據是全球環境變化、碳氮循環等研究和應用、國家生態文明建設、自然資產價值等準確評估的基礎數據。土地覆蓋有別于土地利用數據,更側重于土地的自然屬性而不是社會屬性。同時,土地覆蓋數據對土地利用現狀調查和制圖、全球變化、環境監測、糧食估產、碳循環計算與評估等及其它具有特定目的、特定尺度的研究活動和具體應用具有重要的指導意義。


土地覆蓋數據是區域規劃、氣候變化、生態系統評估、環境建模等多項研究的基礎數據之一,同時也是全球變化研究的重要組成部分,因此,基于遙感對地觀測技術實施土地覆蓋數據的生產受到越來越多的重視。如今,即時、高效的獲取土地覆蓋數據已成為發展趨勢。


植被覆蓋度(VFC)指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比。容易與植被覆蓋度混淆的概念是植被蓋度,植被蓋度是指植被冠層或葉面在地面的垂直投影面積占植被區總面積的比例。兩個概念主要區別就是分母不一樣。植被覆蓋度常用于植被變化、生態環境研究、水土保持、氣候等方面。


地理國情監測云平臺應東北林業大學要求,對七臺河市201730m柵格土地利用數據;大慶市1980年,1990年,2000年,2010年,201730m柵格土地利用數據:哈爾濱市,七臺河市,大慶市201730m柵格土地覆蓋數據;大慶市1個站點1980年,1990年,2000年,2010年,2017年降水、氣壓、濕度、氣溫、風速年值氣象站點監測數值及大慶市2000年,201030m柵格年值VFC數據提供技術服務,以滿足客戶科研工作的需求。


二.案例詳情

服務單位

東北林業大學

服務時間

2018.09

服務內容

七臺河市201730m柵格土地利用數據;大慶市1980年,1990年,2000年,2010年,201730m柵格土地利用數據:哈爾濱市,七臺河市,大慶市201730m柵格土地覆蓋數據;大慶市1個站點1980年,1990年,2000年,2010年,2017年降水、氣壓、濕度、氣溫、風速年值氣象站點監測數值及大慶市2000年,201030m柵格年值VFC數據技術服務

本次技術服務的核心是:基于研究區的Landsat系列遙感影像生產30米土地利用/土地覆蓋數據產品,包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地在內的6個一級類和包括有林地、灌木林、疏林地、其他林地和高、中、低覆蓋度草地等25個二級類型,土地覆蓋數據包括13種土地覆蓋類型(常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林、灌叢、草地、永久性濕地、農田、城鎮和建設用地、冰雪、裸露和建設用地、冰雪、裸露或稀少植被覆蓋、水體)本次土地利用技術服務主要流程如下:


1)數據制作流程

    本次數據產品服務主要分為5個階段,分別是數據準備、分類體系建立、解譯標志建立、分類解譯階段和對解譯結果的精度檢查如圖1所示。


            1. 數據制作流程               

     

2)土地利用/土地覆蓋分類體系

    按照國家土地利用分類方法,結合劉紀遠等在建設“中國20世紀LUCC時空平臺”建立的LUCC分類系統,將土地利用類型歸結為6個一級分類和25個二級分類,具體分類內容和含義如表1所示。


土地利用分類系統

一級類型二級類型

含義

編號

名稱

編號

名稱

1

耕地

指種植農作物的土地,包括熟耕地、新開荒地、休閑地、輪歇地、草田輪作地;以種植農作物為主的農果、農桑、農林用地;耕種三年以上的灘地和灘涂

11

水田

指有水源保證和灌溉設施,在一般年景能正常灌溉,用以種植水稻,蓮藕等水生農作物的耕地,包括實行水稻和旱地作物輪種的耕地

12

旱地

指無灌溉水源及設施,靠天然降水生長作物的耕地;有水源和澆灌設施,在一般年景下能正常灌溉的旱作物耕地;以種菜為主的耕地,正常輪作的休閑地和輪歇地

2

林地

指生長喬木、灌木、竹類、以及沿海紅樹林地等林業用地

21

有林地

指郁閉度>30%的天然木和人工林。包括用材林、經濟林、防護林等成片林地

22

灌木林

指郁閉度>40%、高度在2米以下的矮林地和灌叢林地

23

疏林地

指疏林地(郁閉度為10%~30%

24

其他林地

未成林造林地、跡地、苗圃及各類園地(果園、桑園、茶園、熱作林園地等)

3

草地

指以生長草本植物為主,覆蓋度在5%以上的各類草地,包括以牧為主的灌叢草地和郁閉度在10%以下的疏林草地

31

高覆蓋度草地

指覆蓋度在>50%的天然草地、改良草地和割草地。此類草地一般水分條件較好,草被生長茂密

32

中覆蓋度草地

指覆蓋度在20%~50%的天然草地和改良草地,此類草地一般水分不足,草被較稀疏

33

低覆蓋度草地

指覆蓋度在5%~20%的天然草地。此類草地水分缺乏,草被稀疏,牧業利用條件差

4

水域

指天然陸地水域和水利設施用地

41

河渠

指天然形成或人工開挖的河流及主干渠常年水位以下的土地,人工渠包括堤岸

42

湖泊

指天然形成的積水區常年水位以下的土地

43

水庫坑塘

指人工修建的蓄水區常年水位以下的土地

44

永久性冰川雪地

指常年被冰川和積雪所覆蓋的土地

45

灘涂

指沿海大潮高潮位與低潮位之間的潮侵地帶

46

灘地

指河、湖水域平水期水位與洪水期水位之間的土地

5

城鄉、工礦、居民用地

指城鄉居民點及縣鎮以外的工礦、交通等用地

51

城鎮用地

指大、中、小城市及縣鎮以上建成區用地

52

農村居民點

指農村居民點

53

其他建設用地

指獨立于城鎮以外的廠礦、大型工業區、油田、鹽場、采石場等用地、交通道路、機場及特殊用地

6

未利用土地

目前還未利用的土地、包括難利用的土地

61

沙地

指地表為沙覆蓋,植被覆蓋度在5%以下的土地,包括沙漠,不包括水系中的沙灘

62

戈壁

指地表以碎礫石為主,植被覆蓋度在5%以下的土地

63

鹽堿地

指地表鹽堿聚集,植被稀少,只能生長耐鹽堿植物的土地

64

沼澤地

指地勢平坦低洼,排水不暢,長期潮濕,季節性積水或常積水,表層生長濕生植物的土地

65

裸土地

指地表土質覆蓋,植被覆蓋度在5%以下的土地

66

裸巖石礫地

指地表為巖石或石礫,其覆蓋面積>5%以下的土地

67

其他

指其他未利用土地,包括高寒荒漠,苔原等

按照國家土地覆蓋分類方法,同時參照國內外現有的主要是美國馬里蘭大學土地覆蓋分類體系,以及遙感信息源和我國地表覆蓋的實際情況,將全國土地覆蓋類型劃分為13級分類土地覆蓋數據產品。


2土地覆蓋分類系統

編號

名稱

含義(定義、特征)

1

常綠針葉林

以針葉樹為建群種所組成的各類森林的總稱。

2

常綠闊葉林

亞熱帶濕潤地區由常綠闊葉樹種組成的地帶性森林類型。

3

落葉針葉林

由落葉松柏類為主的針葉樹所構成的森林。

4

落葉闊葉林

由冬季落葉的闊葉喬木組成的森林群落。

5

混交林

寒溫帶針葉林和夏綠闊葉林間的過渡類型。

6

灌叢

一種以灌木占優勢組成的植被類型。 郁閉度>30%,高3m以下,通常叢生、無明顯主干的木本植物,但有時也有明顯主干。

7

草地

以生長草本植物為主并且樹木或灌木覆蓋度<10%。在我國主要包括草原、草叢、草甸和灌叢草地等。

8

永久性濕地

天然或人工形成的沼澤地帶有靜止或流動水體的成片淺水區,還包括在低潮時水深不超過6米的水域。

9

農田

種植農作物的土地,包括熟地,新開發、復墾、整理地,休閑地(含輪歇地、輪作地);以種植農作物(含蔬菜)為主,間有零星果樹、桑樹或其他樹木的土地;平均每年能保證收獲一季的已墾灘地和海涂。

10

城鎮和建設用地

覆蓋的建筑物和其他人造建筑的土地主要包括城鎮用地建設、農村居民地、交通用地及工礦用地。

11

冰雪

常年積雪或冰川覆蓋的土地。

12

裸露或稀少植被覆蓋

地表為土質、植被覆蓋度低、風霜雨雪等可直接作用在裸露地面。

13

水體

地表水圈的重要組成部分,是以相對穩定的陸地為邊界的天然水域,包括江、河、湖、海、水庫、坑塘等。



        3
)提取方法

土地利用/覆蓋數據是基于Landsat8-OLI遙感信息源,結合實地調查和其他輔助數據,采用全數字化人機交互作業方法,主要根據對圖像光譜、紋理、色調等的認識結合地形圖目視解譯而成;在內業建立解譯判讀標志與實現數據獲取的基礎上,結合外業實地考察驗證,提高土地利用/覆蓋分類精度。


4)遙感解譯標志

     由于目視解譯更側重于人的知識的參與,為了減少由于不同人員的主觀差異性所造成的誤差,提高遙感判讀精度,建立統一解譯標志是十分必要的。在多個專家的參與下,根據影像光譜特征,結合野外實測資料,同時參照有關地理圖件,對地物的幾何形狀,顏色特征、紋理特征和空間分布情況進行分析,并在綜合各位專家意見后,最終建立解譯標志庫,以部分解譯標志為例,來說明判讀標準,如表2所示。


2部分土地利用解譯標志

5)質量控制與檢查

     各工序過程質量按要求進行過程檢查 ,需進行100%檢查。土地利用/覆蓋數據抽樣檢查主要是對獲取的土地利用/覆蓋數據產品進行空間抽樣檢查,驗證土地利用/覆蓋數據類型定性是否正確。驗證的方式主要依靠高分影像(要考慮影像的時效性)與野外實地驗證相結合的方式作業,未達到抽樣精度90%的重新修正數據。


2.VFC數據技術服務的核心如下

   VFC數據技術服務的核心是利用植被指數近似估算植被覆蓋度,常用的植被指數為NDVI。下面是在像元二分模型的基礎上研究的模型:

VFC = (NDVI - NDVIsoil)/ ( NDVIveg - NDVIsoil)  1


其中, NDVIsoil 為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值,NDVIveg 則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值,即純植被像元的NDVI值。兩個值的計算公式為:

NDVIsoil=VFCmax*NDVImin- VFCmin*NDVImax/( VFCmax- VFCmin)  2

NDVIveg=(1-VFCmin)*NDVImax- (1-VFCmax)*NDVImin/( VFCmax- VFCmin)  3


利用這個模型計算植被覆蓋度的關鍵是計算NDVIsoilNDVIveg。這里有兩種假設:

1  當區域內可以近似取VFCmax=100%VFCmin=0%


公式(1)可變為:

VFC = (NDVI - NDVImin)/ ( NDVImax - NDVImin)   4

NDVImax NDVImin分別為區域內最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪聲,NDVImax NDVImin一般取一定置信度范圍內的最大值與最小值,置信度的取值主要根據圖像實際情況來定。

2  當區域內不能近似取VFCmax=100%VFCmin=0%

當有實測數據的情況下,取實測數據中的植被覆蓋度的最大值和最小值作為VFCmax VFCmin,這兩個實測數據對應圖像的NDVI作為NDVImax NDVImin

當沒有實測數據的情況下,取一定置信度范圍內的NDVImax NDVIminVFCmax VFCmin根據經驗估算。


6.技術服務成果展示

   本次產品加工技術服務成果如圖2-4所示:

2.大慶市2017年土地利用分布圖




3.大慶市2017年土地覆蓋分布圖




    圖2.大慶市2010VFC分布圖

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