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浙江省水利河口研究院土地利用、DEM數據技術服務

一.背景介紹

  土地資源指可供農、林、牧業或其它利用的土地,是人類生存的基本資料和勞動對象,具有質和量兩個內容。在其利用過程中,可能需要采取不同類別和不同程度的改造措施。土地資源具有一定的時空性,即在不同地區和不同歷史時期的技術經濟條件下 ,所包含的內容可能不一致。如大面積沼澤因漬水難以治理,在小農經濟的歷史時期,不適宜農業利用,不能視為農業土地資源。但在已具備治理和開發技術條件的今天,即為農業土地資源。由此,有的學者認為土地資源包括土地的自然屬性和經濟屬性兩個方面。


  土地利用數據重點是反映區域范圍內土地利用系統及土地利用各要素的狀態、特征、動態變化、分布特點、區域土地利用結構等基本屬性,還可以進一步獲取人類對土地的開發利用治理改造、管理保護和土地利用規劃等衍生數據。除此之外還可以以土地利用數據分析及推理得到更多視角、更深層次的信息。最直接的利用方式是制作土地利用類型圖、按照權屬或用地類型統計各類用地的比例以及為土地利用和土地資源評價提供基礎信息等,其結果通常采用地圖、圖表、表格以及文字報告表現單一的數據處理結果。


   DEM,即數字高程模型,是對地貌形態的虛擬表示,可派生出等高線、坡度圖等信息,它在測繪、水文、氣象、地質、土壤、工程建設、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用。如在工程建設上,可用于如土方量計算、通視分析等;在防洪減災方面,DEM是進行水文分析如匯水區分析、水系網絡分析、蓄洪計算、淹沒分析等的基礎。


  地理國情監測云平臺應浙江省水利河口研究院的要求,對浙江省局部區域1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015730m柵格土地利用數據和201715m柵格土地利用數據以及201310m柵格DEM數據提供產品技術服務,以滿足客戶科研工作的需求。


二.案例詳情

服務單位

浙江省水利河口研究院

服務時間

2018.04

服務內容

浙江省局部區域1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015730m柵格土地利用數據和201715m柵格土地利用數據以及201310m柵格DEM數據


    本次土地利用數據技術服務的核心是:基于浙江局部區域1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年及2015年的Landsat-MSS/TM/OLI遙感影像生產30米土地利用數據產品與2017年的Landsat8- OLI遙感影像生產15米土地利用數據包括耕地、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;本項目DEM數據采用資源三號衛星立體像對生成DEM的技術手段來生產所需DEM數據,利用遙感軟件ENVI進行數據處理。本次技術土地利用數據服務主要流程如下:


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/覆蓋分類系統

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

3.提取方法

     土地利用數據是基于Landsat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。土地利用數據抽樣檢查主要是對獲取的土地利用數據產品進行空間抽樣檢查,驗證土地利用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。


6.技術服務成果展示

        本次產品加工技術服務成果如圖2所示:

2. 浙江省局部區域2015年土地利用空間分布圖


本次服務DEM數據制作流程

1.DEM數據服務建立方法

     資源三號測繪衛星,簡稱ZY3,是中國第一顆民用高分辨率光學傳輸型測繪衛星,衛星于201219日發射,它搭載了四臺光學相機,包括一臺地面分辨率2.1m的正視全色TDI CCD相機、兩臺地面分辨率3.6m的前視和后視全色TDI CCD相機、一臺地面分辨率5.8m的正視多光譜相機,數據主要用于地形圖制圖、高程建模以及資源調查等。衛星設置壽命5年,可長期、連續、穩定地獲取立體全色影像、多光譜影像以及輔助數據,可對地球南北緯84度以內的地區實現無縫影像覆蓋。


     ENVI軟件的DEM自動提取模塊能夠簡單、快速地從掃描或者數字航空影像、擺掃式或推掃式衛星傳感器,如ALOS PRISM, ASTER, CARTOSAT-1, FORMOSAT-2, GeoEye-1, IKONOS, KOMPSAT-2, OrbView-3, QuickBird, WorldView-1/2、SPOT1~6,以及國產的資源三號、天繪衛星系列等創建DEM。獨特的向導工具使得DEM提取更加簡便、自動;提取完成后還可以使用DEM編輯工具對DEM進行局部編輯;DEM模塊全面支持RPC模型參數,盡可能用最少的地面控制點達到有效精度;重疊區可以選擇基于灰度或者特征自動尋找匹配點,減少工作量。


具體工作步驟包含以下六步:

1)輸入立體像對:一般左影像加載正視影像(NWD文件夾為正視影像文件夾) ;右影像加載后視影像(BWD影像為后視影像文件夾)或者前視(FWD文件夾為正視影像文件夾)。


2)定義地面控制點:軟件提供三種定義地面控制點方式:不定義、交互式定義和讀取控制點文件。如選擇不定義控制點,提取的是相對對高程。


3)定義連接點:軟件提供三種定義連接點方式:自動尋找、交互式手工定義和外部讀取控制點文件。經測試,利用自動找點的功能可以對資源三號數據全自動的找到連接點。自動找點需要設置連接點個數、搜索窗口、移動窗口、點的相關性閾值等相應參數。自動找點的結果有時候一定誤差,根據誤差由大到小排序對Tie點的逐個檢查刪除或者修改誤差大點,讓Tie在許可范圍內。


4)設定DEM提取參數:ENVI會生成核線圖像,可以用于立體觀測。設置輸出像元大小為10m,并設置背景值、地形精細程度等參數。


5)輸出DEM并檢查結果。


6)編輯DEM并形成最終成果: 生成的DEM有些地方如果有厚云等,對獲得的地形有影響,可以通過手動編輯來更改這些區域的高程數據。


1. 編輯DEM高程值的幾種方法

方法

說明

Replace with value

用指定的值替換感興趣區內的高程值,需要設定一個替代常量。

Replace with mean

用感興趣區內原來的平均高程值替換整個感興趣區內的高程值。

Smooth

對感興趣區內做低通卷積濾波,需要設定一個卷積核,默認為3x3。

Median Filter

對感興趣區內做中值卷積濾波,需要設定一個卷積核,默認為3x3。

Noise Removal

如果感興趣區內原高程值大于其周圍高程值的標準差,則用周圍高程值的中值代替。

Triangulate

用三角內插算法對感興趣區內的高程值重新插值。

Thin Plate Spline

用薄板樣條插值算法對感興趣區內的高程值重新插值。


2.技術服務成果展示如下圖1所示

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