第六章-地表覆盖与土地利用变化监测

+地表覆盖与土地利用地理国情监测专业课+第六章：地表覆盖与土地利用变化监测+教学目的•1.较系统地掌握和理解地表覆盖与土地利用遥感变化检测的方法；•2.全面理解地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析方法。第六章地表覆盖与土地利用变化检测+第六章地表覆盖与土地利用变化检测6.1地表覆盖与土地利用变化检测基本概念6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测6.3地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念研究意义：1.地表覆盖与土地利用变化在全球环境变化和可持续发展中占有重要地位；人类通过对土地有关的自然资源的利用活动，改变地球陆地表面的覆盖状况，其环境影响不仅仅局限于当地，而远至于全球。土地覆盖变化对区域水循环、环境质量、生物多样性以及陆地生态系统的生产力和适应能力的影响更为深刻。+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念研究意义：1.地球系统科学、全球环境变化以及可持续发展涉及到自然和人文多方面的问题。在这方面加强自然和社会科学的综合研究，已成为两大学科领域诸多学者的共识。在全球环境变化问题中，地表覆盖与土地利用变化可以说是自然和人文过程交叉最为密切的问题。+6.1地表覆盖与土地利用变化检测基本概念+6.1地表覆盖与土地利用变化检测基本概念地表覆盖变化概念：地表覆盖：是指自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸多要素的综合体，包括地表植被、土壤、冰川、河流、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物，主要侧重描述地球表面的自然属性，具有特定的时间和空间特性。+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念地表覆盖变化概念：包含两方面的含义，一是转化（Conversion），另一方面是改变（Modification），前者是土地从一种覆盖类型向另一种覆盖类型转化，后者是一种土地覆盖类型内部条件（结构和功能）的变化。当然，转化和改变之间的界限并不总是很明确的，长期的、经常性的改变最终会导致完全的转变。+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念土地利用变化概念：土地利用是人类根据土地的特点，按一定的经济与社会目的，采取一些列生物和技术手段，对土地进行长期或周期性的经营活动。它是有一个把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程。+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念土地利用变化监测概念：土地利用变化包括一种利用方式向另一种利用方式的转变以及利用范围、强度的改变。+6.1地表覆盖与土地利用变化检测基本概念+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念两种变化的关系：单一的土地利用形式往往与某一种土地覆盖类型相对应（放牧-草地）。一种土地覆盖类型支持多种利用方式，如森林可用于木材的开采、采伐或火烧后用于耕种、狩猎和采集、燃料木收集、娱乐活动、野生生物保护，水土保持等。+6.1地表覆盖与土地利用变化检测基本概念两种变化的关系：单一的土地利用系统可能包含不同的土地覆盖类型共同存在，如一个农业系统兼有耕地、林地、已开发的牧场、村落（居民地）。+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念两种变化的关系：土地利用的变化很可能引起土地覆盖变化，但是在土地利用不变的情况下，土地覆盖也可能发生变化。如当木材生产或耕作的常速超过了森林的更新能力时，森林讲不断缩小。+6.1地表覆盖与土地利用变化基本概念两种变化的关系：现在大多数的土地覆盖变化是为人类的土地利用所驱动，土地覆盖的变化时土地利用变化的直接响应。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测全球变化-遥感技术应用多光谱卫星遥感数据对土地覆盖与土地利用进行识别和提取成为遥感研究的重要方面，并形成了一些变化识别和检测的方法。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测遥感变化检测：是从不同时期的遥感数据定量地分析和确定地表变化的特征和过程，涉及到变化的类型和范围，即需要确定变化前后的地面类型、界限及趋势。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测由于遥感数据的获取过程受到各种因素的影响，因此变化检测时必须充分考虑这些因素在不同时间的具体情况，并尽可能消除随机因素的影响，使得检测建立在比较统一的基础上，以获得比较客观的变化检测结果。如：遥感系统因素的影响以及数据源的选择。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测用于变化检测的遥感数据的选择需要遵循以原则：时间：应尽可能选用相同季节、相近时刻的遥感数据，以消除因太阳高度角和植物物候差异引起的发射特性差异；空间：要求保证不同日期遥感图像之间的精确配准；+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测用于变化检测的遥感数据的选择需要遵循以原则：光谱：选择合适的遥感数据类型以及相应的波段；维度：选择相同维度（二维、三维）的遥感数据。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测用于变化检测的遥感数据的选择需要遵循以原则：另还要注意大气状况、土壤湿度状况、物候特性等，以保证数据的可比性和变化检测的可靠性。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化信息：指在确定的时间段内，土地利用发生变化的位置、范围、大小以及变化类型。变化信息提取：通过遥感手段，对统一地区不同时间的两个数据信息进行分析、处理与比较，并结合目视判读解译，以获取该时间段内土地利用的变化信息。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测人工目视解译将两个时相的影像在并行放在同一窗口内，通过肉眼对比观察来发现变化；变化自动发现通过对遥感影像进行各种技术处理，使变化自动显示出来+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化发现后，需要将变化的边界（或范围）提取处理，按照提取方式的不同，可以分为人工提取和自动提取：人工提取：通过手工描绘或者借助于影像数据处理工具如魔棒吸取的方法，确定变化图斑的范围。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测自动提取：通过遥感数据处理技术如分类或取阈值法，自动确定变化图斑的范围。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测自动发现方法：光谱特征变异法；主成分分析法（PCA）；假彩色合成法；图像差值法；分类后比较法；波段替换法；+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测光谱特征变异法：同一地物反应在SPOT影像上的信息与其在TM那个的光谱信息一一对应。因此，将二者融合时，将如实的显示出地物的正确光谱属性。但是如果两者信息表现不一致时（地物发生变化），融合后的影像上就会出现光谱突变（变异），并与周围地物在光谱上失去协调性，从而检测出变化信息。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测缺点：发生光谱特征变异的地物要有足够的几何尺寸才能被人工目视发现，同时该方法的效率还受到监测区地物光谱特征的限制。故丢失图斑尤其是小图斑较多，而且效率低。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测主成份分析（PCA）是基于变量之间的相互关系，在尽量不丢失信息的前提下利用线性变换的方法实现数据压缩。在使用主成份分析法时，一般要求对不同的时相的数据做主分量变换，以压缩数据中的信息，突出主要的信息部分，根据做PCA变换的具体操作的不同，该方法有以下两种方式：多波段主成份变换法；主成份差异法+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测假彩色合成法：将两个甚至三个时相的同一波段分别放入红、绿、蓝影像处理面板中，合成后的图像，可以显示出高亮度的变化。以SPOT为例：首先将两个时相的SPOT全色影像进行匹配并重采样，将前一时相的影像赋予绿、蓝波段，后一个时相的数据赋予红色波段，若地表未被破坏，即影像灰度接近，合成后将是黑色或者白色，而出现红蓝区域，则可能是变化的区域。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测图像差值法：将两个时相的遥感影像按照波段进行逐像素的相减，从而生成一幅新的代表两个时相间光谱变化的差值图像。假设辐射值的显著变化代表了土地覆盖变化，在差值图像中接近于零的像元视为无变化，大于或者小于零的象元表示覆盖状况发生了变化。该方法的关键是阈值的确定，一般可采用均值标准差或经验试验法。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测分类后比较法：是一种较为简单的变化发现方法。首先运用统一的分类体系对每一时相遥感影像进行分类,然后通过分类结果的比较直接发现土地覆盖的变化。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测遥感影像（时相1）分类分类图像（时相1）空间比较分析（逐像元类别比较）变化信息遥感影像（时相2）遥感影像（时相…）遥感影像（时相n）分类分类分类分类图像（时相2）分类图像（时相…）分类图像（时相n）+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测优点：直接获取变化的类型、数量和位置；进行两个时相以上的遥感影像的变化分析。缺点：无法发现同一地类内部的小变化；精度较低，变化提取的精度大致等于各时相影像分类精度的累积。类精度的累积。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测波段替换法：首先融合前一时相的多光谱影像（TM）与全色影像（SPOT），然后将融合影像与后一时相的全色影像作匹配，将融合影像分解为红、绿、蓝三个波段，用新的全色波段代替融合影像的红波段，生成新的影像。在新影像上能够容易地发现红色区域为发生变化的区域。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化信息提取方法：通常要求采用两种以上变化信息发现方法，有效防止变化信息的遗漏。阈值法手工描绘法+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测阈值法:遥感图像中，各类地物都对应特定的灰度域。在变化信息特征增强的图像上，变化区域的灰度值与其它区域的灰度值一般是明显不同的。因此可以根据直方图和影像特征，交互确定变化存在区灰度域的上下限阈值；然后利用阈值将变化发生的区域从图像中提取出来。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测手工描绘法:通过人机交互解译，从变化特征增强的图像中手工描绘出变化范围。在PHOTOSHOP软件下，当变化图斑颜色单一时，可用魔棒直接选择；反之则需进行勾绘，勾绘必须在大于1：1的状态下，沿着融合图像的光谱与纹理变异分界处以两个象素宽度向外勾绘图斑边界线。解译的基本要素包括色调/颜色、大小、形状、纹理、结构、高度、阴影、组合构型和所处的地理位置等。返回+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化类型确定:目视解译自动分类法野外调查+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测目视解译:将勾绘的变化区域分别叠加在两个时相的图像上，交互显示比较目视解译判断变化区域在两个时相上对应的地物类型。当从影像特征难以确定地物类型时，可以参考土地利用图等相关资料。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化信息判读原则：按照区位分布、类型特征、时相差异以及光谱与纹理的一致性与差异性特征，判读变化类型。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化信息判读原则：变化图斑一般分布于人类活动频繁与经济发展快速的地带，例如城乡结合部、村庄周围、开发区附近、公路铁路两侧、工矿与机场等人工建筑物附近。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化信息判读原则：采用特征变异法时，变化信息一般表现为亮绿和灰白，并与周围色调不协调，对于占用有植被的耕地，变化信息一般为亮绿，对于占用无植被的耕地，变化信息将继承原始TM颜色，但亮度会增加。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测目视解译:将勾绘的变化区域分别叠加在两个时相的图像上，交互显示比较目视解译判断变化区域在两个时相上对应的地物类型。当从影像特征难以确定地物类型时，可以参考土地利用图等相关资料。+6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测自动分类法:当单纯用阈值法很难准确地将变化区域从背景影像中分离开来时，可以采用分类法。对变化范围内的影像进行局部分类。分类方法有