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西北农林科技大学黄土高原地区土地利用数据技术服务

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。


       土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下,被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程。土壤在外营力作用下产生位移的物质量,称土壤侵蚀量。单位面积单位时间内的侵蚀量称为土壤侵蚀速度(或土壤侵蚀速率);土壤侵蚀量中被输移出特定地段的泥沙量,称为土壤流失量。在特定时段内,通过小流域出口某一观测断面的泥沙总量,称为流域产沙量。广泛应用的“水土流失”一词是指在水力作用下,土壤表层及其母质被剥蚀、冲刷搬运而流失的过程。


       地理国情监测云平台应(西北农林科技大学)的要求,对1980年、 1995年、2000年、2008年、2013年、2018年黄土高原(面积约:895999.842平方公里)250m栅格土地利用及2008年局部区域(面积约:575603.753平方公里)110万土壤侵蚀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

西北农林科技大学

服务时间

2020.11

服务内容

1980年、 1995年、2000年、2008年、2013年、2018年黄土高原(面积约:895999.842平方公里)250m栅格土地利用及2008年局部区域(面积约:575603.753平方公里)110万土壤侵蚀数据栅格数据

       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

       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TM432波段和MSS457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0.01MSS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(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


       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。


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。

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-

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。

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-

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。

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-

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。

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-

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。

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52

农村居民点

指独立于城镇以外的农村居民点。

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-

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。

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-

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。

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-

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。

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-

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。

2  遥感影像(标准假彩色合成)解译标志(部分)

        

 

空间分布位置

      

  

  

  

耕地

 

 

 

 

 

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1-6所示:


1.黄土高原地区1980年土地利用现状图



2.黄土高原地区1995年土地利用现状图



3.黄土高原地区2000年土地利用现状图



4.黄土高原地区2008年土地利用现状图



5.黄土高原地区2013年土地利用现状图



6.黄土高原地区2018年土地利用现状图

土壤侵蚀

1.土壤侵蚀快速调查作业流程

采用人机交互的目视判读分析方法,根据Landsat影像、土地利用、DEM模型或地形图,并参考其它相关资料及图件,直接分析土壤侵蚀类型、坡度、植被覆盖度、沟谷面积比例或沟谷密度等状况,并据此判定土壤侵蚀强度后,在ARCGIS软件上进行土壤侵蚀强度勾绘、制图。作业比例尺110万。具体工作流程如图1所示。

2.建立土壤侵蚀分类系统,如表1所示

1.土壤侵蚀分类系统

一级类型

强度等级

1水力侵蚀

11微度12轻度13中度14强度15极强度16剧烈

2风力侵蚀

21微度22轻度23中度24强度25极强度26剧烈

3冻融侵蚀

31微度32轻度33中度34强度


3.遥感信息源处理、资料制备与野外作业

1)遥感信息源及处理

      主要采用夏半年的432543)波段Landsat假彩色合成数字影像,这种影像对地表植被覆盖度和生长状况的反映十分清晰。一些影像反映模糊的地区,可采用其它波段和其它时相的Landsat影像数据。


      图像处理的几何精校正采用最小二乘法计算。校正方程根据控制点选取情况采用2次到3次多项式进行。象元重采样采用最近邻点法或双线性插值法。校正后每个象元的分辨率为30米,其投影方式为等面积割圆锥投影。采用全国统一的中央经线和双标准纬线。中央经线为东经105°,双标准纬线为北纬25°和北纬47°,坐标原点为0。根据地物的影像特征,建立解译标志。如表2所示。

2.遥感解译标志

一级类型

定性标志

二级类型

地貌形态、纹理特征、植被、土被及色调

水力侵蚀

树枝状或网状平面结构,纹理细,色调变化和阴影相结合,形成明显立体感

微度

可分辨一级沟道和10%的沟道面积,线形影纹不明显。植被呈深红色,并面积大于50%,连续分布。植被差的乳白色斑块可辨认。

轻度

可分辨一、二级沟道和1020%的沟道面积,线形纹理不明显。植被呈深红色,并面积小于50%,连续分布,但可从其中辨认出植被差的乳白色斑。

中度

可分辨二级沟道和2030%的沟道面积,有较强的线形影纹。植被呈浅红色,不连续分布。图斑内植被稀疏的覆沙和沙黄土呈乳白色或黄色斑快。

强度

可分辨三级沟道和3040%的沟道面积,线形影纹明显。植被呈浅红色斑块,并面积小于30%

极强度

可分辨三至四级沟道和4050%的沟道面积,线形影纹十分明显。植被呈浅粉色小斑,块状分布,并面积小于20%

剧烈

可分辨四级沟道和50%的沟道面积,线形纹理充满整个图斑。植被呈浅粉色,斑点状分布,并面积小于10%

风力侵蚀

斑块、斑点或条带状结构,隐约可辨出一定的方向性

微度

河漫滩、古河道和甸子地呈带状或串珠状。深红色色斑、色带中很少白色斑点,深红色面积大于70%

轻度

I级地貌形态,但深红色斑或色带中有白色斑点。深红色面积50~70%

中度

固定和半固定沙丘呈条状或斑块状,红白色斑相间。植被呈红色,并占30~50%的面积,白色斑块占50~70%

强度

半固定和半流动沙丘呈花斑状,以浅黄或黄白色为基底色,其中夹有少量红色斑点。

极强度

流动沙丘呈鳞片状,波纹清晰,整体显示为明亮的白色或浅黄色调,很少有红色斑点。

剧烈

大片流动沙丘,整体显示为明亮的白色或浅黄色调,没有红色斑点。

冻融侵蚀

色彩变化简单,红色大斑状与浅黄或暗色宽条带组合,呈现较粗大的树枝状结构。

微度

山脊影纹清晰,阴阳坡色差异较小,阴坡红色调偏暗。红色斑块较大,色调较均匀。

轻度

石海和岩峰多分布于山脊和陡坡,呈黑色、土黄色小斑点或斑块,色调不均匀,阴坡比一般阴影更暗。热融滑塌体影像上难以辨认。热融沉陷形成沟槽和坑塘,难以在影像上分辨,多沿小流域的采伐区道路分布。

中度

 

强度



2)土地利用图

      采用2015年完成的全国110万比例尺土地利用图。


3)地形图的制备

      选择最新版本的110万地形图,供解译判读及流域界线录入用,同时使用由地形图直接获取等高线和高程数据,并建立DEM模型,比例尺越大越好,但不能小于110万。及我国行政界线图,供修订行政界线时参考。


4)其他资料收集

      收集对本区域土壤侵蚀遥感快速调查有重要参考意义的图件和文字资料。为了提高影像的信息可解译性,广泛收集整理现有的基础研究成果及各种比例尺的地质图、地貌图、植被图、土壤图、沙漠化图、土壤侵蚀图、土地利用图、流域界线图和中国水土流失区划图等专业性图件;站点的水文、气象观测资料:包括水文站点的水文泥沙资料,实验站的土壤侵蚀观测资料,淤地坝的泥沙淤积资料;及其他有关研究报告。


5)野外作业

      通过对本工作区域外业补充调查,建立土壤侵蚀类型和强度分级遥感解译标志,同时拍摄大量的野外实况照片,用于土壤侵蚀强度判读分析。


4.成果展示如图7所示:


7.黄土高原局部土壤侵蚀分布图

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