SPOT5遥感影像和MAPGIS在土地变更调查中的应用

　　摘要：以SPOT5全色和多光谱影像作为主要信息源，通过对图像进行增强、配准、融合、正射纠正等一系列处理，在MAPGIS基础上，得出了基于SPOT5技术进行土地利用现状数据库变更的方法、路线、关键技术以及各环节的具体实现过程。并以实例给予了验证。
　　关键词：SPOT5；土地变更调查
　　
　　1引言
　　常用获得土地利用变更信息的方法是在已有土地利用现状数据的基础上，实行人工野外实地调查与测量，然后上报数据.该方法工作效率低、费时、费力，不能及时准确地获取全局的土地利用动态变化信息。因而无法实时掌握土地利用变化在空间上的分布和分析评价土地利用变化是否合理，此外，传统的方法即根据用地单位的上报数据以了解土地利用的变化状况不仅被动，且中间不可避免地存在误报、漏报的问题，对于地块的空间属性难以做到准确掌握，更不能满足动态变更及时准确的要求。航天遥感高新技术的迅速发展，为快速成图和地形图更新开辟了一条崭新的途径[1-5]。
　　2精度要求和数据源选取
　　根据北京市的实际情况和需要，选用法国地球资源卫星SPOT5作为数据源，利用HRS2.5m分辨率的全色影像和HRS10m分辨率的多光谱影像，影像获取时间为2004年10月21日02点52分45.9秒。SPOT5相比于SPOT1～4卫星，星上主载作了重大改进：包括两个高分辨率几何装置（HRG）、一个高分辨率立体成像装置（HRS）和一台宽视域植被探测仪（VGT）。HRG能获取60×60公里的四种高分辨率影像。高分辨率立体成像装置HRS能获取120×120公里的全色影像。它使用两个相机沿轨道方向（一个向前，一个向后）实时获取立体图像，较之SPOT1～4的旁向立体成像模式（轨道间立体成像）而言，SPOT5几乎能在同一时间和同一辐射条件下获取立体像对[6][7]。SPOT5成像装置的分辨率和视场等参数如下表1所示。
　　根据土地利用现状调查精度要求，选用法国地球资源卫星SPOT5作为数据源,影像获取时间为2005年4月。利用2.5m分辨率的全色影像和10m分辨率的多光谱影像,融合后制作成1：1万正射影像图。利用该图件结合1993年1月土地利用详查资料(1：1万土地利用现状图)、土地利用变更资料，可以较好地满足土地利用现状更新调查要求。
　　
　　
　　
　　
　　　　
　　4图像处理
　　整个影像处理过程采用ERDAS软件进行。主要包括增强处理、配准、融合、正射纠正四个环节。
　　4.1影像增强
　　在获取图像的过程中，由于多种因素的影响，导致图像质量多少会有所退化。图像增强的目的在于：改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度；将图像转换成一种更适合于人或机器进行分析处理的形式。SPOT5全色影像空间分辨率高，具有丰富的纹理信息，为了保持影像中大部分的纹理信息，避免后续影像融合处理时的色调不均，可从空间域和频率域分别增强。增强后灰度值分布于0—255区间，对比度加大，利于判读分析。为了增强影像中的纹理结构，采用6*3或5*5等模板算子进行高通滤波处理，实验证明：采用5*5全方位滤波算子的效果比较显著[7]8]。
　　SPOT5多光谱影像具有丰富的光谱信息，不同的波段影像对不同的地物有较好的反映，因此在影像增强前需要进行最佳波段的选择和彩色合成，以最大程度地利用各波段的信息量，辅助影像的判读与分析。对于屏幕显示和屏幕图像分析，经信息熵计算，选用信息量最为丰富的4、2、1波段组合配以RGB生成假彩色合成图像。这个组合的合成图像不仅类似于自然色，较为符号人们的视觉习惯，而且由于信息量丰富，能充分显示各种地物影像特征的差别。鉴于本影像在融合中的主要贡献是丰富的光谱信息，先利用波段特征差异光谱加权法对图像进行处理，重新生成的一个新分量再进行彩色合成，这样可提高图像信息识别的效果。
　　增强后的影像如图所示：
　　
　　图2增强的SPOT5全色影像图3增强的SPOT5多光谱影像
　　Fig.2enhancedSPOT5panchromaticimageFig.3enhancedSPOT5Multispectralimage
　　4.2影像配准
　　将SPOT5多光谱影像以SPOT5全色影像为配准参考数据，采用完整的研究区为配准区域，几何多项式为配准模型。配准控制点残差控制在1个像元之内，配准影像的采样间隔与其配准参考影像相同。
　　4.3影像融合
　　将不同空间分辨率遥感图像的融合处理，使处理后的遥感图像既具有较好的空间分辨率，又具有多光谱特征，从而达到图像增强的目的。图像融合的方法有许多种，如：PCA变换、IHS变换、乘积变换、比值变换融合等。经过实验对它们进行比较分析，采用了PCA主成分变换法。变换的关键是建立影像统计特征基础上的多维线性变换，具有方差信息浓缩，数据量压缩的作用，可以更准确地揭示多波段数据结构内部的地物信息，常常是以高分辨率数据替代多波段数据变换以后的第一主成分来达到融合的目的。具体过程是：首先对输入的多波段遥感数据进行主成分变换，然后以高空间分辨率遥感数据替代变换以后的第一主成分，最后进行主成分逆变换，生成具有高空间分辨率的多波段融合图像。
　　
　　图4SPOT5全色和多光谱融合影像图5融合并纠正后的影像(DOM)
　　Fig.4mergedSPOT5imageFig.5mergedandorth-rectificationimage
　　4.4融合后影像的正射纠正
　　对SPOT5卫星影像的纠正是以整景数据为纠正单元，1：10000的DRG（数字栅格地图）为参考、二次多项式为纠正模型，采用3度分带高斯克吕格投影和克拉索夫斯基椭球，立方卷积重采样方法来完成的[6]。因地势起伏较大，在纠正的过程中加入了DEM进行正射纠正，共选择了20个分布均匀的GCP（控制点），并尽可能选在了固定的地物交叉点（如铁路与河岸交点、人工水渠交叉点、公路交叉点等）上，在山区与丘陵无精确定位的标志情况下利用了半固定的地形地物交叉点（如山顶、河流交叉点、水库坝址等）。
　　5地形图更新
　　5.1遥感影像地物判读
　　1：1万矢量地形数据更新主要是对水系、居民地、交通等要素进行更新，技术难度较大，目前尚没有成熟的遥感影像自动提取、更新要素的软件可以使用。在实际生产中，1∶1万矢量地形数据更新主要采用目视判读的方法。为使室内影像判读达到1∶1万矢量地形数据更新的要求，要充分使用辅助更新资料源，如地形图和最新出版的分省交通图册、铁路线路图册、勘界成果等[7][8]。
　　5.2更新流程
　　将土地利用现状图与遥感影像进行叠加，鉴于MAPGIS具有较强的矢量化功能，为避免数据导入会产生误差，整个矢量化过程在MAPGIS中进行。在矢量化的过程中同时完成属性建库工作。逐层更新指的是对矢量化的每一层进行空间数据和属性数据的同步更新，将矢量化的每一要素层分别与卫星影像叠合显示，并参考数字栅格地图DRG，清晰可见两幅图的地貌景观细节，而正射影像客观反映了地面的近期真实景观，便于阅读和使用，可增加信息量，同时栅格图像与矢量图形可相互补充，仔细寻找变化，发现新增与消失等信息，通过对卫星影像的解译来完成逐层更新[9]。另外，县界和乡镇界等行政界线需按照土地详查资料和民政厅的有关资料进行调整，地理名称等属性数据按有关部门、地方提供的资料进行更新。至此逐层更新工作结束，同时也完成了1：10000地形图基础地理信息库和由老地形图生成的电子地图的更新工作。
　　
　　图6叠置更新分析
　　Fig.6Overlayanalysisoftheupdate
　　6外业调查验证
　　外业调查是地形图更新中的一个非常重要和不可或缺的环节。首先，可以配合动态GPS测量采集遥感影像中解译不出的更新数据，还可对境内的高速公路、国道、省道及重点养护路段进行实测，以检核成图精度；其次，它可以对内业工作进行全面验证，对影像解译中的不确定图斑进行逐一核实，提高判读的准确率，并注意相关文字资料的收集。外业调查的关键是踏勘全面，记录规范、详实，以便于接下来的后处理工作。
　　7结论
　　研究证明，应用高分辨率SPOT5影像作为土地利用变更调查的数据源,通过目视解译，综合利用不同融合方法的遥感影像进行1∶1万土地利用变更调查是可行的，且具有客观、准确、快速和费用相对较低等特点。其一级地类土地利用变更调查面积精度可达96%左右，二级可达95%左右，这在我国土地利用变更调查中有着广阔的应用前景。
　　
　　参考文献：
　　[1]张炳智，张继贤，张丽．土地利用动态遥感监测中多源遥感影像融合方法比较研究[J]测绘科学，2000，25(3)：46—50．
　　[2]孙家柄．遥感原理与应用[M]．武汉：武汉大学出版社，2004．
　　[3]徐克科．基于SPOT5影像的地形图更新黑龙江工程学院学报．2006.2；27-30
　　[4]翁永玲，田庆久．遥感数据融合方法分析与评价综述[J]遥感信息，2003.3；49-54．
　　[5]宏军．地形图更新方法初探[J]．测绘通报，2004(7)；32-37．
　　[6]张保钢．城市大比例尺地形图数据库中地物变化的自动发现[J]．武汉大学学报；信息科学版，2005(7)；14-25．
　　[7]王祖伟，秦其明．多源遥感数据融合及在城市研究中的应用[J]．测绘通报，2002(3)；65-69．
　　[8]闫利会，周忠发，张勇荣．SPOT5遥感数据在县域土地利用现状调查中的应用探讨．贵州师范大学学报(自然科学版)．