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西北农林科技大学黄河中游地区土地利用数据技术服务

一、背景介绍
            20世纪以来,由于人口急剧增长,而可利用的土地资源相对越来越少,因此土地利用问题逐渐引起世界各国的重视。城市占地面积的日益扩大,引起城市用地与国民经济其他部门用地,特别是与农业用地的矛盾。此外,由于技术进步,人类改造、利用自然环境的能力日益提高,如稍处理不当,就会出现污染环境和破坏生态平衡的问题,往往首先表现在土地利用上。土地利用是人文地理学,尤其是经济地理学的重要研究内容,对于协调人地关系、发展国民经济有重要的作用。除地理学以外,经济科学、农业科学、城市科学等学科也以不同方式研究土地利用。


      地理国情监测云平台应西北农林科技大学的要求,对黄河中游地区1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年及2018年共七期30m土地利用栅格数据提供技术服务,以满足客户项目及科研工作的需要。


二.案例详情

服务单位

西北农林科技大学

服务时间

2020.07

服务内容

黄河中游地区1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年及2018年共七期30m土地利用栅格数据

      本次技术服务的核心是基于Landsat-TM/OLI遥感影像生产的黄河中游地区土地利用数据产品,包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地在内的6个一级类和包括有林地、灌木林、疏林地、其他林地和高、中、低覆盖度草地等25个二级类型,具体土地利用分类内容及含义如附件中表1所示。本次技术服务主要流程如下:


    1.数据获取与数据准备

      本研究采用的遥感影像数据来自美国马里兰大学和中国科学院国际科学数据服务平台,均采用美国陆地卫星于1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年及2018年所拍摄的Landsat-TM/OLI30m遥感影像,云量均接近0%。本文的遥感影像成像时间不一致,但是季相接近,分别在4568月份获得,因此地物信息较清楚,由此带来的地物反射光谱差异显著,容易识别,影像解译比较容易。


    2.数据预处理

      在对影像数据进行分类解译之前,首先要对数据做预处理工作,主要步骤有:


    1)波段选择及融合

      本文采用最佳指数法(Optimum Index Factor,简称)和特征值法相结合,共同确定了最佳波段组合,也就是Landsat-TM432波段与Landsat-OLI543波段,分别赋予红、绿、蓝色作为标准假彩色合成的RGB波段。这一假彩色影像最关键的是突出了植被特征,并且能提供丰富的信息,能充分显示各种地物特征的差别,便于分类,可以保证分类的准确性。


    2)图像几何校正与配准

      本次技术服务采用的Landsat TMLandsat OLI图像已经在中国遥感卫星地面站进行过辐射校正和几何粗校正,但为了使研究结果更加的科学、可信,则必须的对影像进行几何精校正。几何精校正是利用地面控制点(Ground control PointGPC)对由各种随机因素引起的遥感图像进行几何畸变的校正。本研究以研究区的地形图作为参考图像,必要时辅以实地考察的GPS点,采用多项式几何纠正计算模型,对遥感影像进行几何精校正。


    3)图像增强处理

      传感器获取的遥感图像含有大量地物特征信息,在图像上这些特征信息以灰度形式表现出来,当地物特征间表现的灰度差很小时,目视判读就无法辨认,图像增强处理是的目的在于突出图像中有用的信息,扩大不同图像特征之间的差别,从而提高对图像的解译和分析能力。遥感数字图像增强处理一般可分为两大类:频域法和空间域法。本文主要采用空间域图像增强方法,其遵循视觉效果比较好、计算相对简单、合乎应用要求的原则。另外,在后面遥感图像分类的新波段变量构造部分还应用了NDVI指数以区分植被和非植被以提高分类精度。


    4)影像拼接与裁剪

      本案例中的研究区域为黄河中游地区,则遥感影像数据需要覆盖整个研究区域,因此需要进行影响拼接,进行拼接时首先要参照某一遥感影像,将其它遥感影像进行直方图匹配处理,使得所有用到的遥感影像具有基本一致的色调,然后再将要用到的影像进行无缝的拼接处理,之后经过裁剪得到覆盖整个研究区的遥感影像。


    3.分类方法

      本次服务是基于TMOLI等遥感信息基础上,在多位专家的参与下,采用全数字人机交互作业方法,同时参照有关地理图件和统计资料,结合外业实地考察验证,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,建立遥感影像解译标志。在内业建立解译标志与实现数据获取的基础上,不断的对解译模板进行修改,直到修改的模板经过评价以后比较满意为止,以提高土地利用/覆盖类型精度。动态图斑数据主要采用“动态分割图斑法”。参照国内外现有土地利用/土地覆盖 的分类体系,结合本项目的开展的目的和要求以及遥感信息源的情况,制定了有6个一级分类,25个二级分类的土地利用/土地覆盖分类体系。


    在分类过程中,由于遥感图像自身的空间分辨率,同物异谱以及异物同谱现象广泛存在,所以错分和误分的情况很常见,因此对分类结果要做进一步的处理工作,也就是去除小图斑的工作,我们常称之为分类后处理。常用的分类后处理方法有:聚类统计(Clump)、过滤分析(Sieve)、去除分析(Eliminate)和分类重编码(Recode)等。


    4.质量控制与检查

      各工序过程质量按要求进行过程检查 ,100%检查。


    1)土地利用/覆盖数据抽样检查

      对获取的土地利用/覆盖数据产品进行空间抽样检查,验证土地利用/覆盖数据类型定性是否正确。验证的方式主要依靠高分影像(要考虑影像的时效性)与野外实地验证相结合的方式作业,未达到抽样精度90%的重新修正数据。


    2)数据图形处理

      栅格数据

      栅格数据统一采用arc/infogrid格式。处理后的分县grid,要严格按照县界确定界线。所有的空间数据均要统一到系统的投影坐标系统下。所有的处理过程都不能增加数据的误差,无论是空间误差还是属性数据误差。


      精度控制参数

      差值(fuzzy)10米;

      线段最小值(weed):100米;

      悬结点限值(danglc):10米;

      结点归并空间距离限值(nodesnap):10米;

      结点与弧段最短距离(snapping):10米。 


    5.细小地物的处理技术与方法

      研究区地域广阔、资源丰富、类型多样、土地利用类型和土地利用结构复杂,特别是近十年土地资源的利用类型变化巨大,要得到准确的土地利用面积,必须采用相应的采样技术,获取有关信息,从而保证资源类型尤其是耕地资源面积的准确性。因此,综合考虑,并考虑到耕地内部细节一般相对不变。将细小地物抽样分三类扣除:第一类是从TM影像中抽取小于6×6个象元的面状细小地物;第二类是从TM影像中扣除重要线状地物;第三类是结合分辨率更高的航片抽取更加细小的地物。这三种抽样方法都各自形成一个细小地物抽样成数数据库用于细小地物的面积扣除。


6.技术服务成果展示如下图1-7所示


1.黄河中游地区1990土地利用空间分布图


2.黄河中游地区1995土地利用空间分布图


3.黄河中游地区2000土地利用空间分布图


4.黄河中游地区2005土地利用空间分布图


5.黄河中游地区2010土地利用空间分布图



6.黄河中游地区2015土地利用空间分布图



7.黄河中游地区2018土地利用空间分布图

 附件:

      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

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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。

-

-

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。

-

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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。

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23

疏林地

指林木郁闭度为10-30%的林地。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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42

湖泊

指天然形成的积水区常年水位以下的土地。

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43

水库坑塘

指人工修建的蓄水区常年水位以下的土地。

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44

永久性冰川雪地

指常年被冰川和积雪所覆盖的土地。

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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

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指城乡居民点及其以外的工矿、交通等用地。

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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

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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。

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62

戈壁

指地表以碎砾石为主,植被覆盖度在5%以下的土地。

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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。

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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。

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67

其它

指其它未利用土地,包括高寒荒漠,苔原等。

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