基于3S技术的土地变更调查系统的设计与实现

赵忠君，洪晓峰,2，夏 寅,2，

（1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079；2.武汉大学地理信息系统教育部重点实验室，湖北武汉430079）

基于3S技术的土地变更调查系统的设计与实现

赵忠君1，洪晓峰1,2，夏 寅1,2，

（1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079；2.武汉大学地理信息系统教育部重点实验室，湖北武汉430079）

在分析土地利用变更调查流程基础上，以3S技术为辅助提出土地变更调查系统的设计与实现方案，探讨系统实现的关键技术，利用Vb.Net和ArcGISEngine建立原型系统，对基于3S的土地利用变更调查系统的建立进行有益探索，并分析讨论现存技术问题和未来研究方向。

3S技术；土地变更调查；系统设计；系统实现

由于我国土地详查时间跨度大，加上近几年我国经济建设飞速发展引起土地利用的快速变化、科学管理信息水平的提高，以及目前变更调查手段等问题，土地利用现状图的更新已远远跟不上土地利用状况的变化[1]，土地利用基础图件信息的非现势性已逐渐制约国土资源的信息化和科学化管理，如何集合新技术和新方法实现对已有土地利用现状数据的快速更新，是国土资源管理亟待解决的问题。3S技术在土地利用/覆被变化动态监测中具有各自的优势[2]，而只有将三者有机结合起来才能发挥其最大功效[3]。

1 系统建设方案

针对我国系列土地利用现状基础图件的更新问题，本文采用3S技术为主体技术，同时结合外业调查的方法实现一个原型系统，系统提供了一个基本的框架来存储、管理、分析和处理土地变更调查的各类数据，实现土地利用现状图的快速更新。

系统以遥感影像和已有土地利用现状数据库或土地利用现状图为基础，利用计算机自动发现变化信息和人机交互解译提取土地利用变化信息；外业调查在GPS技术引导和准确定位下，确认变化图斑的类型、面积、范围、权属界限，核实行政境界变化范围，完成对变化的现状地物和零星地物的量测；内业在地面调查的基础上，利用GIS技术，在多源信息的支持下，实现对基础图件的数字化更新。

3S技术支持的土地利用现状图更新技术流程主要包括以下几个步骤：遥感影像数据的导入，坐标系的转换，影像的纠正、匹配，地类代码的转换，土地利用变化信息提取及土地利用变化遥感图生成，GPS引导的外业调查，GIS支持下的土地利用变化图斑更新编绘以及土地利用现状数据库的更新等。

2 系统设计

2.1 总体流程

系统的工作流程如图1所示。整个流程可以分成3个先后有序的阶段，即准备阶段、变化检测阶段和更新输出阶段。

图1 系统的工作流程图

1）准备阶段。主要完成遥感图像的预处理、GIS矢量数据格式转换、地类代码转换、影像之间以及影像与地图的配准、多图层叠加显示以及判读影像区域选择等任务。在此，应该特别强调：图像与地图的配准是遥感图像判读得以在GIS支持下进行工作的基本保证和前提条件，也是本系统与常规图像处理系统的重要不同之处。

2）变化检测阶段。本阶段主要有2个步骤，影像判读解译和外业调查。针对不同的影像数据源（卫星影像和航空相片），采用不同的方法处理。对于航空相片，由于缺乏光谱信息，直接采用人工屏幕交互式解译；对于卫星影像，可根据其光谱信息，先进行自动分类，再采用人工屏幕交互式解译，以减少工作量，提高工作效率。经过影像判读解译，找出可疑图斑，输出给GPS数据采集子系统，以进行高精度的外业调查，完成对可疑变化图斑的地类变更、权属变更、行政辖区变化境界的调查核实，变更线状地物和零星地物的量测，以及遥感未发现的遗漏图斑的补测。

3）更新输出阶段。在确定变更图斑结束后，这个阶段要根据调查结果完成数据的图形与属性的变更。接下来就是数据的输出，数据输出主要分为3个方面：①将数据文件根据需要转为其他格式输出；②按用户要求，将变更结果经过图面整饰输出；③根据用户需要，将更新后的统计报表输出。

2.2 系统结构与功能模块

本系统作为土地利用现状更新系统，能同时处理矢量数据和栅格数据，把计算机自动分类与人工判读有机的融合在一起，且具有一般GIS功能，能够用来提高图像判读精度、速度和效率，并利用GPS辅以高精度外业调查。系统主要功能结构如图2所示。

图2 基于3S的土地利用更新调查系统总体结构

1）工程管理。系统按照第二次全国土地大调查的建库要求，采用工程的形式组织由基期土地利用现状数据库中导入的空间数据和图形属性数据。本模块提供了工程的新建、编辑，以及数据字典的管理功能，以方便数据的管理和维护。

2）数据预处理。针对系统所支持矢量与栅格影像2种空间数据类型，本模块分别为它们提供了一些预处理操作，以便辅助变化提取和变更。对于影像数据，不仅提供包括亮度和对比度调整、平滑、锐化、滤波、图像增强、图像运算、图像裁剪、图像旋转等信息增强操作，还提供影像与影像、影像与地图之间的配准功能。对于矢量数据，主要提供数据格式转换、地类代码转换、坐标转换、投影转换等操作。

3）变化提取。变化提取模块，提供影像分类、影像求差、影像解译标志管理、人机交互解译以及变化信息交互提取等功能，完成变化区域探测和提取，为下一步GPS/PDA野外测绘指明了的工作范围。变化检测的结果辅助土地利用更新调查可以极大地减少人力、物力和财力，节省时间，提高效益。

4）数据变更。数据变更模块，完成将外业调绘结果更新已有的土地利用现状数据库的工作，主要提供变更项目的新建、删除以及编辑等功能，并将变更过程记录进历史数据库，以便历史回溯。另外为变更后的数据库，提供拓扑检查和平衡检查，以确保变更的正确性。

5）汇总分析。汇总分析模块的功能包括将更新后的土地利用现状数据，重新统计、汇总，形成第二次大调查所要求的各级、各类土地调查面积数据汇总报表。同时辅助进行年度分析和地类变更分析，以便更好地调查区域的土地利用变化。

3 关键技术

土地利用变化信息提取是在已有基期土地利用数据库与相关土地利用图件的基础上，结合最新的影像数据，对遥感影像进行分类，把分类后的影像做代数运算生成土地利用/覆盖变化索引图，然后将矢量库、遥感影像和变化索引图在同一坐标空间进行栅格矢量的混合叠置，人机协同式的逐图斑提取土地利用变化信息。对于基期只有矢量数据库的情况，可采用矢栅转换的方法得到基期的分类影像。

土地利用是人们根据土地的特点，对其进行的长期性或周期性的经营活动。在特定的时间段内，土地利用会在位置、范围、大小或属性方面发生变化，遥感影像通过影像的特征将这种变化集中的反映出来，表现为颜色、形状、大小、纹理等变化。经过上一轮的土地利用详查，全国各地相应的建立了土地利用现状数据库，在新一轮的土地利用变更调查中，将利用最新的遥感影像探测土地利用变化信息，辅助更新土地利用现状库[7]。在已有基期土地利用数据库与相关土地利用图件的基础上，结合最新的影像数据，有以下几种模式来提取变化信息。

模式一：对于基期只有矢量数据库的情况，可采用矢栅转换的方法得到基期的栅格分类图，对最新遥感影像进行分类，再把分类后的影像和基期栅格分类图作代数运算生成土地利用/覆盖变化索引图，最后将矢量库、遥感影像和变化索引图在同一坐标空间配准，人机交互逐图斑提取土地利用变化信息。

模式二：对最新遥感影像进行分类，提取分类后影像的特征信息，得到最新的土地利用/覆盖矢量图，然后把它和基期矢量图作叠置分析，探测发生变化的土地利用图斑和变化的类别。

模式三：如果存在基期和最新的2时相遥感影像，可采用像元光谱比较法，直接对2个时相的遥感影像进行比较，通过设定合理的阈值，探测发生变化的像元，并结合土地利用现状库信息得出变化的类别[8]。

模式四：矢栅一体化的变化检测，将基期矢量图与当前影像进行匹配后叠加，然后基于矢量图斑进行遥感影像的区域变化检测[9]。

前面已经提到，变化检测方法的选择依赖于数据源和待检测目标的类型。系统主要考虑在已有基期土地利用数据库与相关土地利用图件的基础上，结合最新的影像数据，对遥感影像进行分类，把分类后的影像做代数运算生成土地利用/覆盖变化索引图，然后将矢量库、遥感影像和变化索引图在同一坐标空间进行栅格矢量的混合叠置，人机协同式的逐图斑提取土地利用变化信息。对于基期只有矢量数据库的情况，可采用矢栅转换的方法得到基期的分类影像。

以上变化信息的提取方法基于矢栅位置配准和矢量栅格化技术，处理新时相的遥感影像时采用计算机和人机协同的分类技术。根据2时相分类影像求差得到土地利用/覆盖变化索引图后，逐图斑判断提取变化信息，对变化图斑进行分裂、合并与更新。

4 系统开发与应用

在保证开发效率的前提下，系统采用的方式是基于ArcEngine的GIS二次开发，系统界面见图3。通过引入ArcGIS Engine Runtime中所包括了的ArcObjects的核心组件,根据土地利用变更流程定制GIS功能，其中土地利用综合变更模块见图4。同时，系统选用.NET框架作为开发平台，.NET平台跨语言、跨平台的特性增加了系统的可移植性。采用基于COM的组件开发方式开发系统功能模块，从而提高了系统的扩展性和可维护性。

5 结论与展望

将3S技术与网络、大型数据库等技术集成应用已经在土地资源调查中显示出了其优势[10]，基于3S的土地利用变更调查与更新技术是未来土地利用基础数据日常更新的主要手段，今后将同时开展关键技术和软件产品的集成与整合，提高目前技术产品的易用性和稳定性，开发可满足大范围推广应用的技术流程和实用化软件产品。

图3 基于3S的土地利用更新调查系统界面

图4 土地利用综合变更模块

[1] 国务院第二次全国土地调查领导小组办公室.第二次全国土地调查培训教材[M].北京：中国农业出版社，2007

[2] 付丽莉，李钢.土地利用变更调查中的3S及其集成技术[J].测绘工程，2008，17（1）：55-59

[3] 江标初，陈映鹰.3S在土地利用/覆盖变化监测的利用研究[J].青岛理工大学学报，2006，27(1)：42-45

[4] 王建芳，包世泰.面向对象解译方法在遥感影像地物分类中的应用[J].热带地理，2006，26(3):40-41，43-44，48

[5] 李百寿.遥感图像线性影纹理解专家系统研究[D].吉林：吉林大学，2006

[6] 李春华，沙晋明.基于知识的遥感影像的BAYES分类方法研究--以福州市琅歧岛土地覆盖/土地利用类型为例[J].水土保持研究.2006，13(6):130-132，136

[7] 孙永华，李小娟，尹连旺.土地利用基础图件数据库建库与更新技术研究[J].首都示范大学学报，2007，28(3)：105-107

[8] 张晓东.基于遥感影像与GIS数据的变化检测理论和方法研究[D].武汉：武汉大学，2005

[9] 李向军，牛铮.基于遥感分类的博鳌地区生态变化评价[J].遥感技术与应用，2006，21（3）：192-198

[10]韩杰.土地资源调查中3S集成应用的关键技术[J].测绘通报，2006，5：47-49

Design and Implementation of 3S-based Land-use Change Survey Information System

by ZHAO Zhongjun

Based on analysis of procedure of land use change survey, this paper proposed the design and realization scheme of land use change survey system with 3S technology.The key issues of implementation were discussed,and the prototype systemwasbuilt with Vb. Net and ArcGIS Engine.It was the beneficial exploration of building land use change survey system based on 3S technology.The existing problems and the future research trends were also mentioned in this paper.

3S technology，investigation of land-use change，system design，system implementation

2010-11-19

项目来源：国家自然科学基金资助项目（40871210）；武汉大学2008年博士研究生自主科研项目。

P208

B

1672-4623(2011)03-0058-03

赵忠君，博士，从事土地资源管理方面研究。