地表覆盖与土地利用变化监测课件

1、 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

2、，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 、

3、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

4、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

5、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

6、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，

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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。分类方法有多种，通常采用监督分类。利用监督分类提取变化信息时，训练样区的选择最为关键。6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测自动分类法:首先要分析变化信息特征增强的图像的特点。如果各类变化信息的影像特征差别明显，则将各类的变化信息都选出一个样区进行分类。但是当图像中不同类型变化信息影像特征差别不明显时，须将变化类型做适当的合并，以保证分类精度

18、。在以后的目视解译或外业调查中，再将合并的类型区分开6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测野外调查:原则要求野外调查全部变化图斑，并通过调查确定变化真伪、变化范围、位置及类型等6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化图斑表示:外业调查前以县级辖区为单位，或监测区面积不大时，也可以以监测区为单位，对变化图斑按照从左到右、从上到下顺序统一编号，图斑编号应具有唯一性。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图斑表示:外业调查前对变化图斑分为肯定与怀疑两种情况并分别用不同的颜色表示： 确认发生变化的图斑，以红色描绘图斑边界； 怀疑发生变化的图斑，以黄色描绘图斑

19、边界。 6.2地表覆盖与土地利用的遥感变化检测变化图斑表示:外业调查后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6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析土地利用/土地覆盖变化研究包含多个方面的问题,而土地利用变化的驱动力及其驱动机制是其中的关键。深入探讨土地利用变化的各种驱动力,是认识土地利用变化规律、预测未来土地利用变化趋势和制定土地可持续利用决策的基础。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析土地利用变化驱动力的内涵:土地利用是指人类为获取一定的经济、环境或政治福利 (利益)而对土地进行保护、改造,并凭借土地的某些属性进行生产性或非生产性活动的方式

20、、过程及结果。土地利用是人与土地相互作用构成的动态系统。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析从本质上讲,土地利用的变化基本上源于3个方面的原因:1.在社会经济发展的不同时期,人们对土地产出(或服务)的种类或数量的需求发生改变,导致土地利用发生变化,可称之为内生性变化或主动性变化；6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析从本质上讲,土地利用的变化基本上源于3个方面的原因:2.由于自然或人为原因导致土地的属性发生变化, 或者社会群体目标发生变化,迫使人们不得不改变土地的利用方式,可称之为外生性变化或被动性变化；6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析从本质上讲,土地利用的变化基本上

21、源于3个方面的原因:3.技术进步导致土地利用方式的改变,可称之为技术性变化。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析驱动力是指导致土地利用方式和目的发生变化的主要生物因素和社会经济因素,是土地利用变化的动力因素。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析在自然系统中,气候、土壤、水文等被认为是主要的驱动力类型。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析在社会系统中,通常将驱动力分为成6类,即人口变化、贫富状况、技术进步、经济增长、政治经济结构以及价值观变化的基本驱动力。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析土地利用变化驱动力的定性分析：经济发展、人口增长、城市化水平、土地利用的比

22、较利益以及土地政策对各地的耕地减少、城市扩张等主要土地利用变化都有一定的驱动作用。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析土地利用变化驱动力的定性分析：动力主体主要有地方政府、居民、企业、农民以及村集体组织。在经济快速发展阶段,农地城市流转的驱动因素主要有制度、经济、社会、自然以及技术等方面。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析耕地利用变化的驱动力：在我国现阶段,耕地是区域土地利用变化的核心类型。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析耕地利用变化的驱动力：自然因素包括水土流失、自然侵蚀、自然灾害等自然力对耕地数量的影响。经济因素包括城市化、工业化等经济发展过程中占用耕地。6.

23、3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析耕地利用变化的驱动力：制度因素包括国家或地方相关法律法规等对耕地数量的影响,如耕地总量动态平衡、土地用途管制等。具体分为:宏观政策因素,经济影响因素,人口城镇化水平,农业结构调整和灾害毁损等因素。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析城市用地扩张的驱动力：在短时间尺度的城市化过程中,人类活动无疑是最主要的驱动因素。人类活动作用的结果往往导致景观组分的原始自然特性不断降低。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析城市用地扩张的驱动力：宏观尺度区域尺度局部尺度6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析资本、土地、劳动力和技术的流动和变化在宏观尺度

24、上驱动着城乡过渡区的土地利用覆盖变化。覆盖变化主要受到由内向外(从城市到乡村)和由外向内(从乡村到城市)2种作用力的共同推动。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析前者主要表现为投资和产业转型驱动下,城市占用城乡过渡区非农用地向外扩展;后者主要表现为居民富裕程度增加后, 消费水平提高,对菜、果、鱼等副食产品和花卉等经济作物的需求上升,从而在市场机制作用下,导致城乡过渡区第一产业内部的结构调整。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析局部尺度上,区位因素即主要用地类型对交通、地形、距中心城市的远近等因素的适宜性水平,制约着土地利用覆盖变化的方向。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力

25、分析经济发展是城市扩张的决定性因素; 人口的增长是城市扩张的直接动力; 外商投资是城市扩张的重要力量; 城市基础设施与公共设施的发展是城市扩张的基础;科学技术进步对城市扩张的促进作用。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析制度驱动：当前中国在土地征用制度、土地规划制度以及土地保护制度上存在缺陷,一定程度上成为激化交错区农地流转的间接动力。区位驱动：区位理论是经济地理学以及区域经济学的核心基础理论之一,是解释人类经济活动的空间分布。6.3 地表覆盖与土地利用时空变化驱动力分析城市化驱动：在世界城市化过程中,有一个很普遍的现象, 即城市用地的扩展速度要快于城市人口的增长速度。中国处于城市化发展的第2阶段,还未向第3阶段过渡,城市化呈现加速发展态势。6