1应用实例
1.1实验区选取
根据国家“九.五”重点科技攻关项目的部署,专门设立了一个专题来研究“县级资 源与环境动态监测技术示范”,经过区划选取XX市郊区县作为城乡接合部类型的示范,重 点研究RS、GIS和GPS集成技术在土地资源动态监测中的应用。
XX市郊区地处北温带内陆干旱区农牧过渡带,是XX市城区及其周边郊区的总称。 由于城市迅速扩展,郊区的非农业用地增加,地类比较复杂,而且变化较快。如何迅 速地掌握城乡接合部土地利用的变化发展趋势,一直是XX市规划管理土地局着手解决的问 题。选择该地区作为县级资源与环境动态监测技术示范区,一方面顺应了地方需求;另一方 面郊区地势相对平坦,对GPS野外测量有利,与南方相比作物种类相对简单,用遥感手段发 现变化相对容易。此外,郊区县土地详查成果质量较高。
1.2 GIS本底数据层的建立
郊区总面积2205.9 km2,土地详查工作于1992年完成,通过自治区验收评为优秀成果。 全区调查图幅按1∶1万标准分幅为126幅。全部采用扫描输入,经过编辑,建立土地详 查历史数据库。
1.3 变化图斑(地块)的识别
1.3.1 遥感数据处理及其与土地详查数据的配准
选取1996年8月4日XX市地区的TM图象,选择3、5、4三个波段进行影像增强,对照1∶1万 地形图选取21个地物点作为影像几何纠正的控制点,进行几何纠正。采用双线性体内插法对 灰度值重采样,将土地详查数据库中的1∶1万的1992年土地利用数据与遥感影像进行配准叠加。
1.3.2 变化区域的识别
由于传统的土地管理中只能被动地由用地部门上报用地数字,存在误报、漏报的问题 ,而且对于变化地块的空间性质不清楚。采用遥感手段则可以主动发现变化区域,空间位置 一目了然。考虑到目前遥感影像的计算机自动分类的精度不高和充分利用人的经验和知识,采用交互式屏幕数字化提取变化区域的方法。具体做法是:将叠加后的图象显示在屏幕上, 通过人机交互判读发现地块变化,用不同颜色的符号标注出来(包括属性)。判读完成后将 结果回放输出,供GPS野外测量使用。
在郊区县前明乡的试点证明,用TM遥感影像可以很好地发现土地利用的变化。该乡实 际变化地块为106处,通过遥感手段发现98处,其中有10块是人工手段难于发现而借助遥感 手段较易发现。对于面积太小,遥感手段不能发现的地块,以用地部门上报数据为准。
1.4 GPS数据获取
1.4.1 GPS选型
目前市场上的GPS接收机按用途大致可以分为导航型、测地型和授时型等几类。还没 有专门为地籍测量目的生产的GPS接收机,因此我们选用的GPS接收机属于导航型。生产GPS 接收机的厂家有数十家,国内市场上销售的有Trimple、Magellan、Garmin、Novtel等,它们生产的GPS接收机各有特点。考虑到土地动态监测的需要,应该符合以下要求:
① 定位精度较高,差分处理后必须达到米级;
② 接收机内存必须足够大,才能满 足野外动态测量的要求;
③ 操作简便,易于掌握;
④ 差分处理软件功能强,除了能够进行高精度的差分处理外,还要提供和常用GIS软件的数据接口。
根据以上原则,课题组经过认真比较,选取Magellan公司ProMark X-CM型GPS接收 机。该机是目前比较先进的GPS接收机,接收L1载波和C/A码观测量,可通过载波相位和伪距码定位。能够进行载波相位差分测量和伪距码差分测量,提供从厘米级到米级(<2m)的 差分定位精度。该机内存4兆,能连续观测记录数据30小时(伪距码)和8小时(载波相位),对野外连续作业十分有利。
1.4.2 基准站的建立
在XX市郊区前明乡试点中运用3台ProMark X-CM型GPS接收机,其中一台作为基准站 ,另外2台作为移动站进行测量。基准站必须是一已知坐标点,基准站的测量时间段必须包 含移动站的测量时间段,这样才有足够的数据供差分计算时使用。在郊区前明乡试点中,基准站选在地势相对较高,周围没有遮挡的烈士陵园附近的GPS测绘控制点。 如果不能找到合适的已知准确坐标的已知点(如测绘控制点),可以运用GPS接收机进行静态定位作较长时间的观测,求取一已知点,然后以此点作为基准站。
1.4.3 变化地块边界坐标点的获取
在设定好基准站后即可进行移动站的动态测量,获取变化地块的边界坐标。将GPS天线架设在一轻便的天线支撑竿上,手持GPS接收机沿变化地块边界移动一周即可。可以是步行,也可以以自行车、摩托车或汽车作为载体。
在实际测量中可能因为对现场不熟悉,虽然图上发现了变化但难于在野外找到该变化地块。解决的办法一是请当地熟悉情况的人员做向导;另一种办法是在室内发现变化后在GIS系统中获取变化图斑中心的地理坐标值,在野外如果难于确定变化区域,就起用GPS的导航功能,引导测量人员到达被测地块的大致位置。
在测量中不仅要获取变化地块的空间坐标,而且要记录下变化地块的属性变化。属性 编码可直接输入GPS接收机,最多为72个字符。在测量前应该对所有待测地块进行编号以免 测量中遗漏。此外,移动站测量过程中应该随时保持和基准站的联系,万一基准站出现问题 ,通知移动站暂停工作。
1.4.4 GPS差分后处理
由于GPS单机定位精度不能满足1∶1万制图的要求,所以必须进行差分处理。考虑到县级土 地部门的技术条件和经费能力,采用后处理差分处理技术处理移动站的测量值,以求达到2~5m的精度。后处理差分技术主要依靠软件来进行差分纠正值和观测量的解算,MAGELLAN公司随机提供MSTAR差分处理软件。
1.5 系统的集成与数据的可视化
1.5.1 集成平台的选择
考虑到县(市)级用户的财政能力和易于掌握使用的要求,在软硬件选型过程中,根据以下几个原则:
① 能够满足研究项目的技术要求;
② 系统稳定性能好,用户易于掌握、使用和 维护;
③ 在经费上能够承受,便于推广;
④ 易于集成现有的各种软硬件资源;
⑤ 开发周期不宜太长。
根据上述5点要求,经过大量调查工作,初步确定如下:
软件环境。在WINDOWS95环境下,以ARCVIEW为集成平台,以视化GIS软件、图像处理软件和自行开发的软件为支撑,利用宏语言、VB、VC++等程序设计语言,开发和集成各功能模块,建立动态监测系统的软件环境。
硬件构成。硬件包括GPS接收机,微机(486以上)和各种输入、输出设备(打印机、喷墨 绘图机)。
由于目前国外商用GIS软件的价格比较高,因此课题组正在寻求国产自主版权的GIS软件为支 撑平台。
1.5.2 GPS数据的坐标转换
由于我国的土地、地形测量是以北京54坐标系为参照,而GPS测量数据是以WGS84地心坐标系 作为参照,这两个坐标系所采用的参考椭球体不同,因此必须进行坐标转换。不同的研究目的对坐标转换的精度要求也不一样。由于差分GPS的工作区域相对于GPS控制网来说要小,一 般在50*50平方公里以内。因此采用在二维平面上进行相似变换的方法。
(1) 当工作区内有足够的已知WGS84和北京54坐标的情况时,可计算坐标转换的7参数或3参 数(旋转参数、尺度参数和平移参数)进行坐标转换。
(2) 当工作区内有3个已知WGS84和北京54坐标的控制点时,可根据下式计算WGS84到54坐 标系的转换参数x54=δx+k1x84+k2y84 y54=δy+k1y84+k2x84式中δx、δy、k1和k2为转换参数,多余的1个点用作检验。
(3) 在只有一个已知点的情况下,可用基准站的地心坐标与该点的北京54坐标之差作为平 移常数,但这样转换精度较低。
(4) 当控制点精确的WGS84坐标无法获取时,可以在基站输入该点的北京54坐标进行差分 计算,结果是WGS84与北京54坐标的一个混合体,称为“伪54”坐标,它与真54坐标之间存在一个误差。如果坐标转换精度要求不高而又无法获得控制点的精确地心坐标(WGS84)时 ,这种方法也是可行的。在XX市郊区县GPS野外测量中,我们采用多个公共点计算WGS84地 心坐标到北京54坐标的转换7参数,用基准站WGS84坐标进行差分,然后将差分结果从WGS84 坐标系转换到54坐标系,得到移动站测量结果的真54坐标值,同时运用基准站的54坐标直接进行差分,得到伪54坐标值,二者差值在1米以内。 证明在难于获得足够的公共点时,直接用基准站的54坐标进行差分,其结果能够满足土地利用动态监测的精度要求。
由于我国1∶10 000的农村地籍图是按3°带高斯-克吕格投影到二维平面直角坐标系下,所以GPS测量数据必须进行投影才能与GIS数据进行匹配。在本项目中我们开发一个功能模块, 其主要功能是读入MSTAR输出的差分数据,完成精确投影转换和数据格式转换,输出Arc/Inf o能够接收的GEN格式。
1.5.3 GPS数据与土地详查历史数据的空间复合分析。
GPS测量数据必须转换成GIS数据格式,比如生成Arc/Info的Coverage才能和土地详查数据进 行空间叠加分析。
野外获取的GPS数据经MSTAR软件差分处理后可输出如下格式的数据:IDNOi, Bi, Li(i=1,2,…,n)式中IDNO为坐标对序号,B、L分别为经度和纬度经过投影坐标转换将WGS84坐标系下的GPS数据转换到北京54坐标系下,再将数据写到Ar c/Info系统可以读取的格式。这样我们就得到了1998年的土地利用变化数据图层。将变化图 层在Arc/Info环境下与1991年的土地详查数据进行空间叠加分析,得到新的土地利用现状图层。该图层的属性表中每个数据项具有时间属性,分别代表1991年和1998年的属性变化 。通过查询工具可以查询每一空间目标(地块)在不同时段的属性,如土地利用类型、权属、图斑编号等。对不同时段的相同属性进行合并就得到新时段的现状图。
土地利用数据的显示、查询与输出ARCVIEW桌面制图系统具有从空间数据(矢量和栅格)显示、查询、统计和制图输出等一系 列功能。由于它是基于WINDOWS环境,所以操作简便,可用资源丰富。经过我们初步开发,通过热键连接方式将多媒体功能加入系统中。前明乡的试点工作已经做到:
① 通过查询工具可以查询某一图斑的面积、图斑号、权属和土地利用类型等信息。例如, 在1991~1998变更图上可以查询任何图斑1998年的面积、图斑号、权属和土地利用类型和199 1年的图斑号、权属和土地利用类型。即知道了该图斑1991年的类型,现在变成了哪一种类型。
② 用热连接键查询某一图斑的声音或图像、文字信息。
③ 对属性数据库的常规管理,如字段增删、记录修改等。
④ 以统计图的方式显示1998年和1991年土地利用面积的变化。
⑤ 制作专题图版,并可以打印输出。
2 基本结论
遥感动态监测不仅是土地管理部门的重要工作内容,而且直接关系到区域国民经济的持续发 展。传统的土地利用更新和管理方法不符合信息时代的要求,探索新的方法具有重要意义。从“六.五”以来遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术得到了长足的发展,全球定位系 统(GPS)从1993年以来在各个领域的应用发展很快。但是如何运用RS、GIS和GPS等高新技 术建立大比例尺土地利用动态监测的实用技术,是一个值得进一步研究的课题。通过在XX市郊区的实验,基本上建立了基于RS、GIS和GPS技术的土地动态监测新方法。该方法与传统方法相比较具有以下优点。
(1) 运用遥感可以主动发现土地利用的变化信息,提取变化地块的大致区域;而传统方法只能被动地由用地单位或个人申报,存在少报和漏报的情况,增加了监测的客观性。此外, 运用TM数据成本低,能够较好地发现变化区域,尤其是非农业用地。在XX乡试点中,全乡 1991年到1998年共有变化地块106块,其中通过遥感手段发现98块,发现率为91%。
(2) 以GPS作为测量工具不仅快速而且精度高,可全天侯作业,测量操作简便。拿在XX乡 试点中采用的ProMark X-CM GPS接收机为例,测量精度在2~5 m以内,这是传统方法无法比拟的。
(3) 与传统成图方式相比,GIS的优势是公认的。最重要的一点是数字地图可以十分方便、 快捷进行空间分析、综合、提取和修改。而且成图周期短、成本低。此外GIS可以在日常地籍管理中发挥重要的作用,摈弃传统卡片的管理方式。
(4) GPS测量数据和遥感数据都是以数字方式存储,可以直接输入GIS系统成图,避免了传统 方法中多次转绘、清绘带来的误差。
(5) 运用3“S”集成技术可以较好地完成县级1∶10000比例尺的土地资源动态监测工作,为土地变更调查和登记提供了一个新的手段。与传统方法相比较,不仅提高了数据获取的精度,而且大大地提高了工作效率。
本文章来源于:中国勘察测绘网