Monitoreo y análisis de cambios espaciales y temporales en el uso del suelo en la ciudad de Longkou basado en tecnología RS y GIS

(1. Universidad de Geología y Recursos Minerales de Shandong, Jinan 250014; 2. Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Shandong Jianzhu, Jinan 250101)

Acerca del autor : Xu Qiuxiao (1979—), mujer, ingeniera asistente, dedicada principalmente a la exploración de teledetección, hidrogeología y geología ambiental.

El desarrollo de la tecnología de teledetección y la tecnología de sistemas de información geográfica proporciona fuentes de información y medios técnicos para estudiar el cambio global y el desarrollo sostenible. Como símbolo paisajístico más destacado del sistema de la superficie terrestre, el cambio de uso de la tierra es un campo importante de investigación del cambio global en los últimos años. Este artículo toma la ciudad de Longkou, provincia de Shandong como área de investigación, aplica el método de clasificación de uso/cobertura terrestre de la ciudad de Longkou basado en el modelo de comprensión integral de imágenes de sensores remotos, establece una base de conocimiento de regularidad geológica y extrae tipos de uso de la tierra en diferentes períodos. Finalmente, se monitorearon y analizaron los cambios espaciales y temporales en el uso del suelo mediante mapas de información geográfica.

Palabras clave: uso de la tierra; imágenes de teledetección; información auxiliar de geociencias; mapas de información

El desarrollo de la tecnología de teledetección y de sistemas de información geográfica proporciona fuentes de información para el estudio del cambio global y desarrollo sostenible y medios técnicos. Como símbolo paisajístico más destacado del sistema de la superficie terrestre, el cambio de uso de la tierra es un campo importante de investigación del cambio global en los últimos años. Sólo monitoreando y analizando los cambios espaciotemporales en el uso de la tierra, entendiendo mejor el proceso y mecanismo de los cambios en el uso de la tierra y ajustando las actividades sociales y económicas humanas podremos hacer que el uso de la tierra sea más razonable, garantizar la pertinencia y eficacia de las decisiones macroestratégicas nacionales, y alcanzar los objetivos de uso de la tierra con fines de uso sostenible. Como ciudad costera anterior de China, los cambios en el uso del suelo de Longkou son representativos.

1 Descripción general del área de estudio

La ciudad de Longkou está ubicada en el noroeste de la península de Jiaodong, limitando con la ciudad de Penglai al este, con las ciudades de Qixia y Zhaoyuan al sur, y con el mar de Bohai. al oeste y al norte. La distancia horizontal máxima de este a oeste es de 46,08 km y la distancia vertical máxima de norte a sur es de 37,43 km. La superficie terrestre total (incluidas la isla San y Yi Dao) es de 893,32 kilómetros cuadrados.

Esta área de estudio se obtiene cortando la imagen de detección remota del límite del área de estudio generada por la vectorización del mapa topográfico As. información de datos de teledetección, el área es ***89217,45 hm2 (excluyendo la isla Mulberry y la isla Yi).

2. Clasificación del uso y cobertura del suelo en la ciudad de Longkou basada en el modelo de comprensión integral de imágenes de detección remota.

La comprensión de imágenes es una disciplina que estudia la interpretación de imágenes a través de sistemas informáticos para lograr una comprensión del mundo exterior similar al sistema visual humano. En el sistema de comprensión de imágenes, hay dos tareas básicas: extraer la estructura de la imagen o las pistas adecuadas para el modelo de la imagen de entrada y luego completar el mapeo correcto entre la estructura de la imagen en la imagen de entrada y el objetivo en el modelo (Zhou Chenghu , 1999). La comprensión de imágenes es diferente del reconocimiento de patrones. El reconocimiento de patrones generalmente simplemente clasifica objetos basándose en un conjunto predefinido de medidas, mientras que la comprensión de imágenes requiere descripción e interpretación de imágenes, lo que requiere interacciones entre entidades en diferentes niveles de procesamiento (Wang Runsheng, 1994).

De acuerdo con las características de clasificación del uso/cobertura del suelo, se construyó un modelo de comprensión integral de imágenes de teledetección basado en información SIG. El modelo se divide en dos procesos, a saber, el proceso de comprensión de imágenes de teledetección y el proceso de procesamiento del sistema de información geográfica. Los contenidos específicos de estos dos procesos son los siguientes:

(1) Proceso de comprensión de imágenes de teledetección, que completa principalmente el proceso de precomprensión de imágenes de teledetección, incluidos los siguientes procesos:

1) Preprocesamiento de imágenes de teledetección: Incluye conversión de formato de imagen, corrección de imagen y transformación de mejora de imagen. La conversión de formato de imagen completa la conversión de imágenes de teledetección al formato de procesamiento del sistema de software REDAS (-.img) completa la corrección atmosférica, la corrección geométrica, la mejora de la radiación, la coincidencia y el mosaico de imágenes de teledetección, mejora y procesamiento de transformación de la información de imágenes de teledetección; puede resaltar información relevante del tema. Los principales métodos utilizados esta vez son el estiramiento lineal, la transformación espacial K-T y la mejora de límites.

2) Registro con información auxiliar de geociencias: completa principalmente la conversión del sistema de coordenadas y proyección entre imágenes de teledetección e información auxiliar de geociencia (varios datos SIG temáticos son principalmente pendiente y elevación), de modo que las imágenes de teledetección puedan ser La información auxiliar de Geociencias utilizada se incorpora en un sistema unificado de coordenadas y proyección.

3) Selección y cálculo del "área de entrenamiento": Determinar el "área de entrenamiento" de la muestra mediante una comprensión preliminar de las características de la información de las imágenes de teledetección, combinadas con información auxiliar de geociencias y estudios de campo. Las "áreas de entrenamiento" deben ser típicas y separables.

Después de determinar el "área de entrenamiento", calcule los datos del "área de entrenamiento" y determine la información estadística de la muestra (valores medios, máximos y mínimos, matriz de varianza, matriz de covarianza, etc.).

El uso de la tierra extraído esta vez Hay seis tipos, a saber, terrenos de construcción, terrenos cultivados, áreas de agua, terrenos de jardín, terrenos forestales y terrenos no utilizados. El método de expansión AOI se utiliza para seleccionar el área de entrenamiento. Cuando se utiliza este método para seleccionar un área de entrenamiento, el umbral del píxel inicial y la distancia espectral es muy importante. El umbral del píxel inicial y la distancia espectral de cualquier área de entrenamiento debe determinarse después de múltiples experimentos. Estos dos parámetros son diferentes en diferentes tipos de terreno. Generalmente, después de seleccionar 2 o 3 áreas de entrenamiento, observe el blindaje de la alarma e inmediatamente modifique y ajuste estos dos parámetros. Al agregar un área de entrenamiento, superponga la máscara de alarma y la máscara de alarma anterior a tiempo, juzgue el cambio de calidad de los datos de muestra y realice ajustes hasta que la máscara de alarma sea más consistente con el tipo de terreno real, es decir, este tipo de entrenamiento. Se selecciona el área. Una vez completada la formación de primera clase, es necesario analizar el área de formación final en su conjunto para garantizar la pureza del espectro.

(2) El procesamiento del sistema de información geográfica, con el apoyo del sistema SIG, completa el procesamiento de la información auxiliar de las geociencias, que incluye principalmente los siguientes procesos:

1) Introducción y vista previa de procesamiento de información temática: recopile información auxiliar de geociencias (incluida información temática diversa y datos estadísticos, etc.) a través de estudios terrestres o conocimiento y experiencia de expertos, e impórtela al sistema SIG para completar el preprocesamiento de la información auxiliar, incluida la digitalización y edición. de diversos datos vectoriales y el establecimiento de relaciones topológicas, recopilación de datos estadísticos, codificación geocientífica y espacialización de datos estadísticos, etc.

2) Generación de datos auxiliares: utilice datos auxiliares preprocesados ​​para convertir varios formatos de datos, como la rasterización de datos vectoriales y la interpolación de datos estadísticos puntuales (IDW/Kriging y otros métodos). finalmente, se unifican las coordenadas y el sistema de proyección para lograr el registro con datos de teledetección.

3) Establecer varias bases de datos de factores auxiliares de geociencia: con el apoyo del software SIG, basándose en varios datos auxiliares generados anteriormente, establezca bases de datos temáticas para formar una base de datos de factores auxiliares de geociencia.

(3) El proceso de generación de la base de conocimientos, es decir, el establecimiento de una base de conocimientos expertos, principalmente una base de conocimientos de leyes geológicas, incluye los siguientes procesos:

1 ) Adquisición de conocimientos: mediante la comparación de imágenes de sensores remotos, realizar estudios de campo para investigar el uso/cobertura del suelo, la distribución de la vegetación y las condiciones del entorno ecológico en todas las condiciones de relieve en el área basándose en varias características de imágenes representativas para obtener diversos conocimientos prácticos.

2) Generación de base de conocimiento: organice el conocimiento adquirido, resuma varias leyes y forme reglas de conocimiento. A través de la capacitación, modificación y depuración continua de los datos en el "área de capacitación", finalmente se forman las leyes geológicas. base de conocimientos.

Los tipos de cobertura y uso del suelo tienen una clara dependencia de la altitud. Según el análisis del mapa de uso de la tierra existente en el área de estudio, las tierras de construcción y de jardín se distribuyen principalmente por debajo de los 300 m sobre el nivel del mar; la mayoría de las tierras cultivadas se distribuyen por debajo de los 150 m sobre el nivel del mar, y los bosques están ampliamente distribuidos en diferentes altitudes; Por debajo de los 10 m se encuentran principalmente bosques protectores costeros y bosques verdes para carreteras. Por encima de los 350 m de altitud sólo se distribuyen terrenos forestales y no existen otros tipos de terreno.

Los datos de pendiente se pueden utilizar para distinguir algunos tipos de cobertura y uso del suelo. Según los resultados del estudio de campo, combinados con el análisis de mapas topográficos y mapas de estado de uso de la tierra existentes, las tierras de construcción, tierras de riego y tierras de jardín se distribuyen principalmente en áreas con una pendiente inferior a 20°, y hay menos tierras de riego cuando la pendiente es mayor a 10°. Por lo tanto, las características espectrales de los datos de teledetección también aparecen como vegetación verde, y los datos de pendiente son un parámetro valioso cuando es difícil determinar si se trata de tierra de regadío o tierra forestal. A continuación se muestran las relaciones detalladas de varios tipos de terreno con la elevación y la pendiente.

En esta base de conocimientos de clasificación, las reglas de expertos se expresan en las siguientes formas básicas:

SI (condición) ENTONCES (conclusión), Confianza (credibilidad de la conclusión)

El rango de confiabilidad es [0, 1]. Cuando el valor es 0, la posibilidad de que el píxel actual pertenezca a una categoría determinada se elimina por completo; cuando el valor es 1, se mantiene la credibilidad original del píxel y la actual; la conclusión siempre es cierta. La credibilidad se puede determinar a través de la experiencia en geociencias o las calificaciones de expertos.

La representación del conocimiento y la construcción de una base de conocimiento deben combinarse con las características de investigación de los temas de geociencia. A través de la modificación y depuración continua de la base de conocimientos, los resultados de la interpretación de imágenes logran básicamente el efecto de la interpretación visual manual. Cuando el valor de confiabilidad es 0, se excluye la posibilidad de que el píxel actual pertenezca a la categoría dada por (Conclusión); cuando el valor es 1, el valor de confiabilidad existente no debe cambiarse.

Este método de representación no solo tiene en cuenta las características de la interpretación de imágenes de teledetección, sino que también reduce significativamente la cantidad de reglas en la base de conocimiento. Esto es extremadamente importante para el procesamiento de datos de teledetección de grandes cantidades de datos. Las siguientes son las reglas en la base de reglas:

Si valor = 1dem < 300, pendiente < 20, entonces terreno de construcción CF = 1.

Si valor = 2 DEM < 50, pendiente < 10, entonces tierra de regadío CF = 1.

Si valoro = 3, entonces aguas cf = 1

Si valor = 4, DEM < 300, pendiente < 20, entonces tierra seca CF = 1.

Si valor = 5dem < 300, pendiente < 20, entonces jardín cf = 1.

Si valor = 6, entonces bosque cf = 1

En caso contrario, si DEM >= 300 o pendiente >= 20, entonces bosque cf = 1.

Elseif50 = < DEM < = 250, 10 = < pendiente < 20, luego jardín cf = 0,5.

ELSE woodland cf = 1

La evaluación de precisión de este resultado de clasificación adopta el método de muestreo aleatorio estratificado, que se refiere principalmente al mapa de uso de la tierra actual de la ciudad de Longkou, combinado con interpretación visual y Resultados de la verificación in situ, evalúe la precisión de los resultados de la clasificación de dos etapas. Verifique la exactitud de los resultados de la clasificación de la teledetección de cada período consultando directamente el mapa de estado de uso de la tierra del año en curso. Dado que existen ciertas diferencias entre el sistema de clasificación de teledetección y el sistema de clasificación del estado de uso de la tierra, la clasificación del tipo de uso de la tierra y la clasificación del estado de uso de la tierra de las imágenes de clasificación de teledetección deben unificarse adecuadamente antes del muestreo aleatorio. Luego, se seleccionan 300 puntos de muestra para cada resultado de clasificación de detección remota y se garantiza que cada categoría tendrá más de 10 puntos de muestra. Se utilizó el método de evaluación de la precisión basado en la matriz de errores para evaluar los resultados de clasificación de la ciudad de Longkou en 2003 y 1989. El cálculo real del coeficiente Kappa muestra que la precisión general y la precisión del usuario de los resultados de la clasificación de detección remota TM de uso de la tierra en la ciudad de Longkou en 1989 y 2003 están por encima del 75%, y el coeficiente Kappa está por encima de 0,8, cumpliendo con el requisito mínimo de precisión de discriminación permitido. de 0,7. Estos muestran que los resultados de la clasificación de la teledetección del uso de la tierra en la ciudad de Longkou son relativamente ideales y la precisión de la clasificación de cada categoría también es alta.

3 Análisis de los cambios espaciotemporales en el uso de la tierra en la ciudad de Longkou

Con el auge y el desarrollo de la ciencia de la información terrestre, los recursos disponibles para que los utilicen las personas son extremadamente abundantes y la tecnología de procesamiento de información También se ha mejorado mucho, especialmente la tecnología de visualización dinámica ha logrado nuevos avances. En vista de esta demanda y antecedentes técnicos, el Sr. Chen abogó por la discusión y la investigación de atlas de información geocientífica basados ​​en los atlas geocientíficos tradicionales. El mapa de información geográfica es una extensión natural del mapa de información geográfica. Es un conjunto de mapas, gráficos, curvas o imágenes digitales que pueden reflejar las reglas de la información geoespacial de acuerdo con ciertas reglas de gradiente de índice o sistemas de clasificación. El mapa de información geográfica es una combinación de "mapa" y "espectro" y tiene las características duales de gráficos y genealogía.

El modelo de análisis del mapa de uso del suelo utilizado en este artículo incluye dos partes: ①Matriz de transición, a partir de la cual podemos ver los principales tipos de cambios de uso del suelo en cada unidad de serie temporal y las fuentes de oferta de cada categoría. ② Analizar mapas de uso de la tierra de diferentes unidades de series de tiempo y examinar la combinación espacial y el desplazamiento espaciotemporal de las unidades de mapas.

3.1 Matriz de transferencia

La matriz de transferencia juega un papel importante en el análisis del flujo entre tipos de uso de la tierra. No sólo puede explicar cuantitativamente la transformación mutua entre los tipos de uso de la tierra, sino que también puede revelarla. las diferencias entre tipos de uso de la tierra. Probabilidades de transición entre tipos de paisaje para comprender mejor la evolución espaciotemporal del uso de la tierra. La matriz de transferencia incluye la matriz de área de transferencia y la matriz de probabilidad.

Cuadro 1 Matriz de transferencia de uso de suelo de 1989 a 2003 (unidad: hm2)

Nota: R es la proporción de transferencia (%) de varios tipos de uso de suelo.

Como se puede observar en la Tabla 1, de 1989 a 2003, el área de transferencia de terrenos de construcción fue de 487,61 hm2, lo que representa el 3,62% del área de terrenos de construcción inicial, y no había una dirección de flujo obvia. La superficie de terreno cultivado cedido es de 17632,40hm2, lo que representa el 49,85% de la superficie de terreno cultivado inicial. La principal dirección del flujo son los terrenos de jardín, que representan 13.835,82 hm2, lo que representa el 39,11% de la superficie cultivada inicial, seguido de los terrenos de construcción, que representan 3.508,77 hm2.

El área de flujo de agua es de 492,92 hm2, lo que representa el 8,72% del área de agua inicial. Fluye principalmente a jardines y bosques, y * * * representa el 6,4% del área de agua inicial. La superficie de drenaje del jardín es de 1316,62hm2, representando el 7,89% de la superficie inicial del jardín. El principal sentido del flujo es el suelo edificable, que es de 759,25hm2, lo que supone el 4,55% de la superficie ajardinada inicial. El área de transferencia de uso de suelo forestal es de 1405,45 hm2, lo que representa el 10,45 % del área de terreno forestal inicial. La dirección principal del flujo es el terreno de construcción, que es de 624,64 hm2, lo que representa el 4,66 % del área de terreno forestal inicial. La superficie de terreno no utilizada en transferencia es de 2.158,74 hm2, lo que representa el 47,24% de la superficie de suelo no utilizada inicial. La dirección principal del flujo es la tierra de jardín, que es de 1306,85 hm2, lo que representa el 28,60% de la superficie de tierra inicial no utilizada, seguida de las tierras forestales y las tierras de construcción, con una relación de ** con respecto a la superficie de tierra inicial no utilizada de 65438+.

3.2 Mapa de información de uso de la tierra

En el atlas, * * * hay 36 tipos de unidades de atlas, es decir, tipos de cambio de uso de la tierra, 30 de los cuales muestran que los tipos de uso de la tierra Se han producido cambios, representando el 26,34% de la superficie total del área de estudio. Para leer la dirección principal de la transferencia del tipo de uso de la tierra de manera más simple y clara, y comprender las características principales del cambio de uso de la tierra, las unidades del mapa de los 30 tipos de cambios se ordenaron por tamaño del área y el porcentaje del área de conversión y la conversión acumulada. Se calculó el porcentaje de cada unidad de mapa. Los 10 tipos de unidades de mapa que representan el 92,04% del área de cambio total se utilizaron para obtener la tabla de clasificación de áreas de los principales tipos de unidades de mapa de uso de la tierra de 1989 a 2003 (Tabla

Como puede verse en la Tabla 2, la característica estructural más significativa del cambio de uso de la tierra en la ciudad de Longkou de 1989 a 2003 es la conversión de tierras cultivadas en tierras de jardín. La superficie de tierras cultivadas en esta dirección es de *** 13835,82 hm2, lo que representa el 58,89% del área total modificada. El segundo es la conversión de tierras cultivadas en tierras de construcción, que representan el 14,93. % del área total modificada El tercero es la conversión de terrenos no utilizados en terrenos para jardines, que representan el 5,56 % del área total modificada. Se puede observar que durante el período de estudio, los tipos de uso del suelo en la ciudad de Longkou se dirigieron principalmente a la construcción. tierra y tierra de jardín.

4 Conclusiones

(1) Este estudio utilizó datos Landsat ETM++ para realizar un análisis espacial y temporal del uso de la tierra en la ciudad de Longkou. El monitoreo y el análisis han logrado buenos resultados. Sin embargo, la resolución de las imágenes ETM++ es baja y refleja principalmente información integral sobre el uso de la tierra. Para algunas áreas con mapas de uso de la tierra fragmentados y tipos de uso de la tierra complejos, es difícil extraer información sobre el uso de la tierra. de monitoreo detallado de los cambios en el uso de la tierra, se deben explorar activamente nuevos métodos de monitoreo dinámico basados ​​en imágenes satelitales de alta resolución, y estos datos de detección remota de alta resolución deben utilizarse plenamente para obtener información regional más confiable y precisa. utilizar información de cambio

(2) Cómo aprovechar al máximo los ricos datos auxiliares geográficos proporcionados por la base de datos espacial SIG para descubrir automáticamente conocimientos e integrar datos de detección remota de alta resolución a múltiples escalas y tiempos. y establecer un mecanismo de inferencia flexible y eficiente para completar la extracción automática de información temática a partir de imágenes de detección remota es una dirección de investigación adicional.

(3) El "mapa de información geográfica" es una nueva idea académica, que es. Aún no está muy maduro. Se necesitan más académicos y más trabajos de investigación para mejorar nuestra comprensión. Este artículo cree que el uso de tecnología de detección remota para estudiar el mapa de información sobre la evolución y el desarrollo del uso de la tierra puede revertir los cambios espaciotemporales. y luego comprender el mundo objetivo, revelar y recrear el pasado es un enfoque técnico avanzado y factible

(4) Los resultados de la investigación muestran que durante el período de 1998 a 2003, el patrón de uso de la tierra de Longkou. La ciudad cambia con frecuencia, con gran intensidad y contradicciones destacadas. A medida que las tierras cultivadas siguen disminuyendo, las tierras para jardines y las tierras para construcción siguen aumentando; la dirección principal del flujo es de tierras cultivadas a tierras para jardines y tierras para construcción. la calidad de la tierra cultivada en la ciudad de Longkou y un aumento en la tasa de utilización, lo que ha ejercido una gran presión sobre el departamento de gestión de tierras. Debemos centrarnos en la toma de decisiones macroeconómicas, manejar adecuadamente la relación entre el desarrollo social y económico y los recursos de reserva de tierras. implementar el desarrollo sustentable.

Referencia

Chen. 2001. Exploración de mapas de información geográfica. La prensa comercial

, Peng,,. 2002. Investigación sobre mapas de información sobre la evolución del uso de la tierra, tomando como ejemplo el condado de Shunyi, ciudad de Beijing.

Ciencia de la Información Geográfica, 2: (58 ~ 63).

Qi Qingwen, Chi Tianhe 2001. Teoría y métodos de mapeo de información geográfica. Acta Geographica Sinica, 56 (Suplemento): 8 ~ 18.

Shu, Mao Zanyou. 1997. Investigación sobre el método de clasificación de imágenes de teledetección asistido por SIG basado en conocimientos, tomando como ejemplo la cobertura y los tipos de uso del suelo. Revista de topografía y cartografía, 11(4)

Ye Qinghua. 2001. Estudio sobre el patrón compuesto espaciotemporal de los cambios en el uso y la cobertura del suelo en el delta del río Amarillo. Tesis doctoral del Instituto de Ciencias Geográficas y Recursos Naturales, Academia de Ciencias de China

, Luo, Yang Cunjian y Liu Qingsheng. Comprensión geográfica y análisis de imágenes de teledetección. Prensa científica, 180 ~ 240.

Lucas I F J, Frans J M, Wel V d 1994. Evaluación de la precisión de los datos de cobertura terrestre obtenidos por satélite: una revisión. Ingeniería de fotogrametría y teledetección, 60(4):410~432