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武汉大学土地利用、路网、地貌、植被类型数据技术服务

一．背景介绍

       土地是人类赖以生存和发展的最基本的自然资源。而土地利用又是人类根据土地的特点,按一定的经济与社会目的,采取一系列技术手段,对土地进行的长期性或周期性的经营活动。其具体表现是土地类型的面积变化、空间分布变化和土地的质量变化。它是人类活动作用于自然环境的重要途径之一,也是历史时期土地覆被变化的最直接和主要的驱动因子,人类通过土地利用活动改变地球陆地表面的覆被性质,进而对区域环境产生深刻影响。近几年来,对土地利用的研究大多集中于景观尺度上通过土地利用程度指数、土地利用动态度、景观多样性指数、景观总破碎度和景观优势等指标对土地利用时空变化进行研究,而对土地利用类型随地形的分布格局研究较少,地形因子作为土地利用重要的环境因子,直接影响着地表物质的迁移与能量的转换,在一定程度上决定着土地利用的方向与方式,因此进行土地利用类型随地形的分布格局的研究,将有助于区域土地利用的合理规划和农业结构调整。可进一步揭示人、地和环境之间的发展关系及人类活动和社会因素对自然生态环境的影响。


       路网数据，包括高速公路、国道、省道、铁路、地铁、市区主路、其它道路等道路信息。


       地貌（Landforms）即地球表面各种形态的总称，也能称为地形。地表形态是多种多样的，成因也不尽相同，是内、外力地质作用对地壳综合作用的结果。内力地质作用造成了地表的起伏，控制了海陆分布的轮廊及山地、高原、盆地和平原的地域配置，决定了地貌的构造格架。而外营力（流水、风力、太阳辐射能、大气和生物的生长和活动）地质作用，通过多种方式，对地壳表层物质不断进行风化、剥蚀、搬运和堆积，从而形成了现代地面的各种形态。


       植被类型是指植被分类的重要高级单位。由建群种生活型相同或相似，对水热条件生态关系一致的植物群落联合而成。如常绿阔叶林、草甸等。同一植被型具有相似的区系组成、结构、形态外貌、生态特点以及动态演变历史等。 就地带性植被而言，植被型是一定气候区域的产物；就隐域性植被而言，是一定的特殊生境的产物。苏联地植物学界基本上根据群落中的优势种或建群种的生态生物学特征来确定植被型，相当于美国和西欧学者按外貌一生态标准确定的群系。中国共分出29个植被型，如寒温性针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、季雨林、红树林、落叶阔叶灌丛、灌草丛、草原、草甸、沼泽和水生植被。


       中国的土壤调查研究始于30年代初期，当时主要是进行了一些地区的土壤详查、概查和路线约查，并编制了地区性和全国性的土壤图。中华人民共和国成立以后陆续开展了大规模的区域性土壤调查和专门性的综合科学考察。1958～1959年和1979年，先后进行了两次全国性土壤普查和大比例尺土壤制图。进入80年代以来，由于调查过程中较多地应用了航片技术和编制了界级系列成果图件，调查的质量得到提高，为查明土壤资源的数量和质量，以及进行县级农业区划提供了可靠的基础资料。通过各种比例尺的土壤调查和制图，现已确立了若干新的土壤类型，编写和编制了许多调查报告和全国性或区域性的土壤图，填补了若干土壤调查空白区。对于农业生产和土地资源利用管理具有重要的实际意义。


       地理国情监测云平台应（武汉大学）的要求，对武汉市2008/2013/2018年30米土地利用数据，路网数据，湖北省、福建省土壤样方点数据，全国地貌数据，全国植被类型数据进行数据技术服务，以满足客户科研工作需求。


二．案例详情

服务单位

武汉大学

服务时间

2020.07

服务内容

武汉市2008/2013/2018年30米土地利用数据，路网数据，湖北省、福建省土壤样方点数据，全国地貌数据，全国植被类型数据

      土地利用数据 

       本案例中的土地利用数据加工方法大致分为以下几步：


       1.遥感影像的处理

       以2000年遥感影像为例，2000年遥感监测的信息源为美国LANDSAT-TM影像（1999-2000），分辨率为30 m×30m ；20世纪70年代遥感监测的信息源为美国LADSAT-MSS影像（1975-1978），分辨率为80m×80m。为了更好的突出地表植被特征，选择TM4、3、2波段和MSS4、5、7波段进行假彩色合成。


       在遥感图像的季相确定时，既要注意所在调查区域内遥感信息瞬时覆盖时本身的质量（如含云量度 <10%等技术指标），又必须顾及不同区域的时效性季相差异选择。根据瞬时状态下最大限度使图像上尽可能丰富地反映地表信息的原则，研究区遥感调查主要选择5月下旬至6月中旬或8月下旬至9月中旬的图像，对部分边远地区和数据获取困难地区可适当放宽时段限制。


       2.信息提取

       土地利用数据产品是指基于Landsat遥感影像，我公司地理国情监测云平台专业人员采用全数字化人机交互遥感快速提取方法，同时参考国内外现有的土地利用/土地覆盖分类体系，以及遥感信息源的实际情况，将遥感影像进行解译并在进行实地验证将全国土地利用数据类型划分为6个一级分类，25个二级分类以及部分三级分类的土地利用/土地覆盖数据产品，并结合本项目制定土地利用数据产品分类体系，详见表1。


       遥感信息提取的方法主要为目视解译，由于目视解译更侧重于人的知识的参与，为了减少由于不同人员的主观差异性所造成的误差，提高遥感判读精度，因此建立统一解译标志是十分必要的。在多个专家的参与下，根据影像光谱特征，结合野外实测资料，同时参照有关地理图件，对地物的几何形状，颜色特征、纹理特征和空间分布情况进行分析，并在综合各位专家意见后，最终建立表2所示的判读标志。


       3.数据集成

       空间数据集成是对数据形式特征（如格式、单位、分辨率、精度）等和内部特征（特征、属性、内容等）做出全部或部分的调整、转化、合成、分解等操作，其目的是形成充分兼容的数据库。数据集成是面向应用项目的，数据集成应中包括空间、属性和时间等对对象数据特征的处理，集成成果的表达与具体需求和已形成的数据规范和标准分不开。


       针对研究目的和内容，我们对土地利用/土地覆盖数据在内部属性、空间数据精度、空间分析尺度及数据时间序列等重新进行了调整，使其有效的组织在一起，客观地科学地反映全国土地利用的动态变化过程。


       4.质量控制方法

       （1）遥感影像纠正采用投影变换方法（PROJECT），控制点要选择比较明显的地物，如道路交差点，坝址等，并与地形图相对应，分布要均匀，控制点的个数要大于4个，误差控制在一个像元，TM影像纠正的方根误差（a RES error）小于0.01，MSS影像纠正的方根误差（a RES error）小于0.08


       （2）地形图纠正采用有限元方法（Finite Element）。70年代末地形图纠正误差要求①经纬网偏差不超过一个像素（即8.4米）；②经线方向的方里网误差不超过2个像素(即17m)；③纬线方向的方里网不超过3个像素（即25m）。


       30年代和世纪初地形图进行二次纠正时，选择小村屯作为控制点，误差不能大于500米


       （3）专题信息矢量化采用人机交互判读实现，分为基于遥感影像的专题信息和分为基于地形图的专题信息。遥感影像解译精度保证耕地、城镇图班的属性判对率达到95%和其他地类达到90%。最小图斑大于6*6个像元，图斑最窄距离为4个像元。地形图数字化时漏绘率小于98%，最小绘图单位为4平方毫米。


表1  土地利用分类内容及含义

一级类型

二级类型

编号

名称

编号

名称

含义

1

耕地

-

-

指种植农作物的土地，包括熟耕地、新开荒地、休闲地、轮歇地、草田轮作物地；以种植农作物为主的农果、农桑、农林用地；耕种三年以上的滩地和海涂。

-

-

11

水田

指有水源保证和灌溉设施，在一般年景能正常灌溉，用以种植水稻，莲藕等水生农作物的耕地，包括实行水稻和旱地作物轮种的耕地。

-

-

12

旱地

指无灌溉水源及设施，靠天然将水生长作物的耕地；有水源和浇灌设施，在一般年景下能正常灌溉的旱作物耕地；以种菜为主的耕地；正常轮作的休闲地和轮歇地。

2

林地

-

-

指生长乔木、灌木、竹类、以及沿海红树林地等林业用地。

-

-

21

有林地

指郁闭度>30%的天然林和人工林。包括用材林、经济林、防护林等成片林地。

-

-

22

灌木林

指郁闭度>40%、高度在2米以下的矮林地和灌丛林地。

-

-

23

疏林地

指林木郁闭度为10-30%的林地。

-

-

24

其它林地

指未成林造林地、迹地、苗圃及各类园地（果园、桑园、茶园、热作林园等）。

3

草地

-

-

指以生长草本植物为主，覆盖度在5%以上的各类草地，包括以牧为主的灌丛草地和郁闭度在

10%以下的疏林草地。

-

-

31

高覆盖度草地

指覆盖>50%的天然草地、改良草地和割草地。此类草地一般水分条件较好，草被生长茂密。

-

-

32

中覆盖度草地

指覆盖度在>20-50%的天然草地和改良草地，此类草地一般水分不足，草被较稀疏。

-

-

33

低覆盖度草地

指覆盖度在5-20%的天然草地。此类草地水分缺乏，草被稀疏，牧业利用条件差。

4

水域

-

-

指天然陆地水域和水利设施用地。

-

-

41

河渠

指天然形成或人工开挖的河流及主干常年水位以下的土地。人工渠包括堤岸。

-

-

42

湖泊

指天然形成的积水区常年水位以下的土地。

-

-

43

水库坑塘

指人工修建的蓄水区常年水位以下的土地。

-

-

44

永久性冰川雪地

指常年被冰川和积雪所覆盖的土地。

-

-

45

滩涂

指沿海大潮高潮位与低潮位之间的潮浸地带。

-

-

46

滩地

指河、湖水域平水期水位与洪水期水位之间的土地。

5

城乡、工矿、居民用地

-

-

指城乡居民点及其以外的工矿、交通等用地。

-

-

51

城镇用地

指大、中、小城市及县镇以上建成区用地。

-

-

52

农村居民点

指独立于城镇以外的农村居民点。

-

-

53

其它建设用地

指厂矿、大型工业区、油田、盐场、采石场等用地以及交通道路、机场及特殊用地。

6

未利用土地

-

-

目前还未利用的土地，包括难利用的土地。

-

-

61

沙地

指地表为沙覆盖，植被覆盖度在5％以下的土地，包括沙漠，不包括水系中的沙漠。

-

-

62

戈壁

指地表以碎砾石为主，植被覆盖度在5%以下的土地。

-

-

63

盐碱地

指地表盐碱聚集，植被稀少，只能生长强耐盐碱植物的土地。

-

-

64

沼泽地

指地势平坦低洼，排水不畅，长期潮湿，季节性积水或常年积水，表层生长湿生植物的土地。

-

-

65

裸土地

指地表土质覆盖，植被覆盖度在5％以下的土地。

-

-

66

裸岩石质地

指地表为岩石或石砾，其覆盖面积>5％的土地。

-

-

67

其它

指其它未利用土地，包括高寒荒漠，苔原等。

表2  遥感影像（标准假彩色合成）解译标志(部分)

       特 征

类 型

空间分布位置

影  像  特  征

形  态

色  调

纹  理

耕地

 

 

水

田

 

 

 

主要分布在山区沟谷、丘陵河流、陡坡地带、滨海平原等

几何特征较为明显，边界清晰、田块均成条带分布多有渠道灌溉设施， 多呈大面积分布

深绿色、深蓝色、近黑色等

影像纹理较均一

 

 

林地

 

 

有林地

不同地貌区域均有分布以大小兴安岭、长白山等山地为主

受地形控制边界自然圆滑，呈不规则形状

深红色、暗红色，色调均匀

有绒状纹理

灌木林地

主要分布在丘陵及河谷两侧

受地形控制边界自然圆滑，呈不规则形状

浅红色，色调均匀

影像结构较粗糙

 

草地

 

高覆盖度草地

 

主要分布在吉林省及黑龙江省西部低洼地或平地，山地丘陵的阳坡及顶部也有分布

面状条带状块状，边界清晰

红色，黄色，褐色，绿色

影像结构较均一，边界清晰，无纹理

水域

 

河渠

主要分布在平原及山区沟谷

几何特征明显，自然弯曲或局部明显平直，边界明显

深蓝、蓝、浅蓝色

影像结构均一

湖泊

主要分布平原

几何特征明显，呈现自然形态

深蓝、蓝、浅蓝色

影像结构均一

居民点用地

城镇用地

主要分布于平原、沿海及山间谷地

几何形状特征明显，边界清晰

青灰色，杂有白色或杂色栅格状斑点

影像结构粗糙

其它建设用地

主要分布在城镇及经济发达区周围或交通沿线

边界清晰

灰色或色调不均

影像结构较粗糙

未利用土地

 

沙地

主要分布湖积平原及西部风沙区

逐渐过渡，边界不清晰

浅绿色

影像结构比较均匀

沼泽地

主要分布在河流沿岸及平原上的低洼地及沿海

几何形状明显，边界清楚

红色，紫色，黑色

影像结构细腻

裸岩石质地

主要分布在山顶或山脚

边界清楚

白色或色调不均

比较均一

  5.技术服务成果展示

       本次产品技术服务成果如图1-3所示：


图1.武汉市2008年土地利用现状图


图2.武汉市2013年土地利用现状图


图3.武汉市2018年土地利用现状图

路网数据

       路网数据是通过野外采集，同时参照有关地理图件，对地物的几何形状，颜色特征、纹理特征和空间分布情况进行分析所形成。数据说明如附件中表1所示。

表1 

数据

类型

数据

数据描述 

数据属性

线状

信息

道路

包括高速公路、 国道、省道、其他道路、市区主干道等道路信息、全国主要铁路线路 各个城市地铁线路等

名称、通行方向、收费设置、宽幅、功能等级（1-5级）

数据格式

SHP文件(带有数据属性信息)，可在主流GIS平台（如：ArcGIS、SuperMap）进行展示、处理。

坐标系统

WGS84

比例尺

地市、省会、直辖市建成区比例尺达到1:10000

采集方法

路网数据主要通过野外采集形式获取基础地理信息。

质量要求

1.地物要素须按要求分层提供，且保证属性信息完整、准确；2.矢量路网数据接边其图形平滑自然，属性一致；3.各要素间拓扑关系正确；4.线段相交或相接，无悬挂或过头现象；5..提交的成果数据应为经过全面质量检查的合格成果，包括数据规范性检查、数据属性检查、数据精度检查等。

1.技术服务成果展示

       本次产品加工技术服务成果如图4所示：


图4.武汉市路网分布图

土壤调查数据

  1.数据产品内容

       2008年湖北省、福建省土壤采样调查数据，包括以下2种要素值：粉粒、粘粒，另包含采样点的经纬度坐标值。以上数据均为ARCGIS格式，属性表内容如附表1所示。


        

2.数据产品生产方式

       土壤采样调查数据是在参考研究区地理图件和区域地形地貌以及土壤类型特征的基础上和专业人员的指导下，经过实地调查和采样，对采样点数据进行误差剔除、分析和验证最终得到2402个采样点2种要素值的点状空间分布数据。

       

 3.成果展示

       本次数据成果如图5-6所示


图5.湖北省土壤样方点分布图


图6.福建省土壤样方点分布图

地貌数据

1.地貌数据服务建立方法

       地貌数据产品利用GIS和遥感技术，基于DEM数据，利用ArcGIS软件中的TIN工具，以地貌渲染法为基础，利用色彩和光影有规律的变换和组合表示地面的起伏变化，直观的将全国地貌特征展现出来。

Value

Value

11

极大起伏山地

31

高台地

12

大起伏山地

32

中台地

13

中起伏山地

33

低台地

14

小起伏山地

41

起伏平原

15

喀斯特山地

42

倾斜平原

21

梁峁丘陵

43

平坦平原

22

高丘陵

44

微洼地

23

中丘陵

45

微高地

24

低丘陵

51

雪域高原

25

喀斯特丘陵

52

其他高原

26

沙丘

2.成果展示

       全国地貌分布如图7所示：


图7.全国地貌分布图

植被类型数据 

       本数据集来源于《1:1 000 000 中国植被图集》，图集由著名植被生态学家侯学煜院士主编，由中国科学院有关研究所、有关部委和各省区有关部门、高等院校等53个单位250多位专家共同编制的《1:1 000 000》。


1.技术服务成果展示

       本次产品加工技术服务成果如图8.所示：


图8.全国植被类型分布图

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