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RS和GIS技术在土地例行督察实践中的应用研究
摘要：通过解译不同时相的遥感影像，提取新增建设用地变化图斑，并利用GIS技术对有关数据进行空间分析，将RS和GIS技术无缝地融入到土地例行督察实践当中，有效地提高了督察工作效率。本文以国家土地督察成都局实际开展的土地例行督察工作为例，阐述了从数据资料获取、处理到最终成果应用的一整套技术流程，分析和总结了RS和GlS技术在土地例行督察实践中的应用情况和技术方法，并对今后土地例行督察工作的开展模式进行了探讨。
关键词：土地督察 国土资源建设用地 RS GIS
一、引言
近年来，遥感（Remote Sensing，简称RS）和地理信息系统（Geographic Information System,，简称GIS）技术在国内、外迅速发展。RS可以实现快速、准确地获取大量特定时间和区域内直观的地表影像信息，具有宏观证，特征突出、整体性协调和可比胜强等特点，能为GIS提供可靠、丰富和多维的数据源；GIS可以实现对空间地形数据与信息数据的集成化管理、分析，为RS和各种数据提供高效的集成分析平台。随着RS和GIS技术的日趋成熟，不仅带来了国土资源管理工作的高效率，也使得土地例行督察工作实现信息化、科学化和规范化成为了可能。
本文以笔者亲自参与的土地例行督察实践为例，以遥感影像选取与处理、GIS数据收集与分析等方面的内容为切入点，对RS和GIS技术在土地例行督察实践中的应用情况进行了分析和总结，并对工作中涉及的相关问题进行了有益探讨。
二、遥感影像选取与处理
1.几种主要的高分辨率遥感影像数据源
高分辨率的卫星影像通常是指影像的空间分辨率在10米以内的遥感影像。早期高分辨率传感器的研制与应用主要是在军事领域，主要以大比例尺遥感制图和对地物的分析与人类活动的监测为目的，20世纪90年代以后才逐渐进入商业和民用领域的范围，并迅速发展起来。1993年l月，美国Space Imaging公司首先领到了制造和经营3米分辨率传感器的许可证，随后l米分辨率的许可证陆续发给了洛克希德·马丁（Lockheed Martin）公司、Earth—View公司、Ball公司等。
在土地例行督察实际工作中，利用前后两个时相的卫星遥感影像提取变化图斑是一项非常重要的作，为保证提取变化图斑的精度和准度，遥感影像的空间分辨率起着至关重要的作用。通常情况下，要使提取变化图斑达到3亩的上图要求，一般要求遥感影像空间分辨率在5米以内，这样才能确保数据的质量。目前，商业和民用市场上空间分辨率在5米以内的卫遥感影像数据源主要有法国的SPOT—5卫星、印度的IRS一P5卫星、日本的ALOS卫星、美国的Quick Bird和GeoEye一1卫星、德国的Rapid Eye卫星星座等。
SPOT一5卫星于2002年5月4日成功发射，搭有3种成像装置，能够获取4个波段空间分辨为10米的多光谱影像和空间分辨率为2.5米的色影像，主要景幅宽为60公里×60公里，能够满足例尺为l:25,000的制图要求，并且最快能够在5天重访同一地点。需要说明的是，SPOT一5提供的2.5米空间分辨率是通过Super Mode。成像处理技术、利用两幅5米分辨率的影像处理生成的影像产品，并非真正意义上的2.5米分辨率。
IRS一P5卫星简称PS，又名CartoSat一1，于2005年5月5日成功发射，搭载有两个分辨率为2.5米的全色传感器，连续推扫，可形成同轨立体像对，通常的重访周期为5天，可用于地形图制作、高程建模、地籍制图以及资源调查等领域。P5卫星设计寿命为5年，具备真正2.5米分辨率，应用尺度能够达到1:10,000的制图要求。
ALOS卫星，又称高级陆地观测卫星（Adcanced Land Obsering Satellite，简称ALOS)，是JERS一l与ADEOS的后继星，于2006年1月24日成功发射，设计寿命3一5年，搭载有3个传感器，能够获取全球高分辨率的对地观测数据，主要应用于测绘、区域环境观测、灾害监测和资源调查等领域。ALOS卫星能够获取4个波段空间分辨率为10米的多光谱影像和真正2.5米空间分辨率的全色影像，每景幅宽为35公里×70公里。
Quick Bird（快鸟）卫星，于2001年10月18日由美国Digital Globe公司成功发射，是目前市场化运作最好的一颗亚米级分辨率卫星，能够获取4个波段空间分辨率为2.5米的多光谱影像和空间分辨率为0.61米的全色影像，每景幅宽为16.5公里×16.5公里，最快重访周期为4天，卫星设计寿命为7年。
GeoEye—l卫星，于2008年9月6日由美国GeoEye公司成功发射，能够获取4个波段空间分辨率为1.65米的多光谱影像和空间分辨率为0.41米的全色影像，每景幅宽为15公里×15公里，最快重访周期为2～3天，并可任意角度成像。卫星设计寿命为7年，燃料充足可达15年。
Rapid Eye卫星星座，由德国Rapid Eye公司于2008年8月29日发射并组网成功，具有覆盖面积大、分辨率高和同一天内重拍同一区域等特点。由5颗相同对地观测卫星组成的Rapid Eye卫星星座，其空间分辨率为5米，每天能够下载超过4百万平方公里的高分辨率、多光谱影像，能够在15天内覆盖整个中国。卫星设计寿命为7年。
如何结合当地实际，选取合适的遥感影像数据，为土地例行督察工作顺利开展提供数据保障，是当前面临的一个具体问题。对于土地例行督察卫作，往往要求前后两个时相的遥感影像间隔在1～2年左右，太长或太短都不行。此外，针对不同的地区和成果要求，在确定遥感影像数据源时也会有所不同。一般情况下，选取遥感影像的流程是：首先广泛查询被督察区域的遥感影像数据源，再结合前后时相、覆盖情况、影像质量和成果要求等方面综合考虑，最后确定要选取的遥感影像数据。具体而言：
（1）在前后时相上，最好是离现在最近的一期影像和跟现在一年左右的影像，或者是跨一个自然年度的两期影像。
（2）在覆盖情况下，最好是能为同一卫星的影像艇盖，尽量避免多源数据的情况；最好是单景覆盖或尽量少的景数覆盖，避免影像拼接等误差的产生。
（3）在影像质量上，最好重点区域都位于卫片的中心区域，以避免产生变形；最好整景影像没有云和雾，以避免遮挡地物和影响影像质量。
（4）在成果要求上，对于地物密集且零星分布的重点地区，可选择分辨率1米以下的卫星数据，以保证数据提取的精度；对于地广物稀且集中分布的地区，选择分辨率2.5～5米的卫星数据即可满足要求。
2．高分辨率遥感影像数据处理的一般方法
在进行数据处理前，有必要根据项目的具体要求，选定相应的技术依据和参考标准。针对土地例行督察工作的实际，可作为数据处理工作依据的技术规范主要有：《土地利用动态遥感监测规程》、《第二次全国土地调查底图生产技术规定》、《土地利用现状分类》和《国土资源大调查土地利用动态遥感监测项目管理制度（试行）》等。为了更好地规范数据成果，便于今后的数据建库和使用，需要在数据处理之前明确各数据成果的格式要求和空间参考标准。在土地例行督察实际工作中，最主要的数据成果是被督察区域的数字正射影像（Digital Orthophoto Map,简称DOM）和新增建设用地变化图斑一般而言，对上述数据成果的栅格数据要求为Geo Tiff格式，矢量数据要求为shp格式，并统一空间参考标准：平面坐标系为“1980西安坐标系”，投影方式为“高斯一克吕格投影”，高程基准为“1985国家高程基准”。
在选定好前后两个时相的卫星遥感影像后，通过实测GPS控制点和l:5万（或更大比例尺）的数字高程模型（Digital Elevation Model,称DEM）进行正射纠正，得到前后两个时相的DOM，从而提取前后两个时相的新增建设用地变化信息，制作相关图件，为土地例行督察工作开展提供数据支撑。遥感影像数据处理的总体流程如图1所示。
从最初的前后两个时相的卫星遥感影像选取，到最终的新增建设用地变化图斑提取，对土地例行督察工作而言，DOM生产制作和新增建设用地变化图斑提取是最为关键的两个环节。
在DOM的生产制作过程中，首先要明确相关的精度要求：
（1）平面精度。DOM地物点相对于实地同名地物点的点位中误差，平地与丘陵地不得大于5米，山地、高山地不得大于7.5米。特殊地区可放宽0.5倍。
（2）镶嵌限差。利用SPOT一5或IRS一P5卫星影像制作的l:10,0000 DOM之间的镶嵌限差，平地、丘陵地为5米，山地、高山地为8米。其他卫星遥感影像DOM制作过程中的镶嵌限差也可参照该精度要求。
（3）接边精度。在几何图形方面，相邻图幅接边地物要素在逻辑上保证无缝接边；在属性方面，相邻图幅接边地物要素属性应保持一致；在拓扑关系方面，相邻图幅接边地物要素拓扑关系应保持一致。
为保证上述精度要求，对DOM制作过程中控制资料的选取也有相关的要求：
（1）平面控制。采用CPS实测控制点进行平面控制，控制点个数要满足选取解算模型的要求，并且均匀分布整景影像。
（2）高程控制。以l:50,000比例尺DEM作为程控制，并参照《基础地理信息数字产品1:10,000、1：50，000高程模型》（CH/T 1008—2001）中相关规定对DEM进行检查，重点检查以下内容：①相图幅的DEM应有重叠区域，且接边后不能出现裂隙象；②重叠区域的高程值保持一致；③1:50,000比尺DEM格网尺寸不低于25米，高程数据取位1米。
利用PCI、GeoImagine、ERDAS、ENVI专业遥软件，以GPS实测控制点作为平面控制，以1:50,000比例尺DEM作为高程控制，利用卫星的星历参数，立起纠正模型，对全色影像和多波谱影像分别正射正，并在此基础上融合全色影像和多波谱影像，生成原始空间分辨率模拟自然真彩色的数字正射影像，然再对正射影像进行镶嵌和色彩匹配，使得影像纹理晰、色调均匀、反差适中，最后生成DOM。这也是DOM制作的首选方法，数字正射影像（DOM）生产流程如2所示。
正射纠正中需要注意的几个问题：
（1）正射纠正模型选取。常用正射纠正模型有物模型、有理函数数学模型及几何多项式模型。一般言，图像处理中采用最多的是物理模型，这是根据卫星历参数建立起来的严密模型，是正射纠正的首选型，适合于能提供严格卫星星历参数并有DEM的影数据。物理模型可以独立对每景遥感影像进行控制，立纠正模型或通过相邻景间的连接点进行多景区域制，为每景影像建立区域性纠正模型。
（2）控制点选取。控制点应在影像放大2～倍的件下选取，均匀分布控制点的个数根据纠正模型、地形情况、侧视角等条件确定。
（3）采样间隔。正射纠正影像采样间隔应与全色影像的原始分辨率一致，全色或融合数据的光谱特征应与未正射纠正前保持一致。
全色与多光谱影像融合中需要注意的几个问题：
（1）融合数据要求。融合中多光谱影像的分辨率要求不低于全色影像分辨率的4倍。但至于是否同步获取、同一时相、同一卫星等不做严格要求，在有条件的情况下，尽量用同步获取的同一时相数据。
（2）融合质量要求。影像数据要求纹理清晰、光谱信息畸变小、色调均匀、反差适中、色彩接近自然真彩色的效果，能明显区分主要土地利用类型。（3）融合方法。影像融合以景为处理单元，具体方法可根据影像的质量、灰度区间、光谱范围、地物特征、地形情况等因素，进行综合判断和选择。可采用的方法主要有HIS变换法、主分量变换法、小波变换法、PAN-SHA RP法等。
（4）融合前影像处理。对全色影像，可使用各种滤波、边缘增强算子和灰度线性拉伸等方法，以提高影像的亮度，增强地物之间的反差，突出纹理细节，同时要尽量避免产生噪声；对多光谱影像，可采用线性拉伸、波段组合和调整亮度（对比度、色彩平衡、色度、饱和度）等方法，进行色彩增强处理，拉大不同地类之间的色彩反差，突出其多光谱彩色信息。
（5）融合后影像处理。融合后，由于影像亮度偏低、灰阶较窄，可采用线性拉伸和调整亮度（对比度、色彩平衡、色度、饱和度）等方法进行色调调整，尽量保留融合数据的光谱信息和空间信息。全色和多光谱影像数据融合效果如图3所示。
在制作完成DOM后，最重要的工作就是提取新增建设用地变化图斑，对两个时相的DOM，利用图像差值和光谱特征变异等计算机自动化处理方法突出发生变化的部分，指导人机交互提取各类建设用地变化图斑，以达到互相检核和减少信息漏判、误判等情况。新增建设用地变化图斑提取流程如图4所示。
3．土地例行督察的遥感影像数据成果形式
对于一般的DOM产品而言，只需要按照标准分幅进行整饰和建库，但土地例行督察＿［作一般是针对某个特定的行政区域开展工作，因此其数据形式有特殊的要求。
（1）DOM影像文件。要求完全覆盖被督察区域，叠加新增建设用地图斑，并按乡镇行政区划分别制作影像文件，存储为Geo Tiff格式。
（2）DOM整饰文件。要求包括图廓整饰、注记、乡级以上行政境界，存储为Photoshop的psd格式。
（3）DOM元文件。用于记录D()M制作的相关信息，如数据源、数据质量、数据结构、定位参考系、产品归属等方面的信息，存储为txt文本格式。
（4）矢量文件。对提取的新增建设用地图斑，利用ArcGIS或MapGIS的专业GIS软件建立起与变化图斑相关的字段属性（图斑编号、面积、周长、前期地类、后期地类、所在乡镇、前期影像、后期影像、所在图幅、中心点坐标、备注等），以方便数据统计和后续数据建库。
三、GIS数据收集与分析
1．土地例行督察专题数据收集
根据土地例行督察L作的需要，一般会提前1个月左右完成对被督察区域的遥感监测变化图斑提取工作，这是全部数据资料的基础，也是开展土地例行督察工作的基本资料，但为了更加有效地利用这此数据成果，确保督察工作更有针对性，还需辅以被督察区域的相关专题数据。具体数据包括：
（1）土地利用现状数据。要求被督察区域参照《土地利JIJ数据库标准》（TD/T 1016—2007）提供历年土地利用年度变更调查数据。
（2）土地利用总体规划数据。要求被督察区域参照性《县（市）级土地利用规划数据库标准》（金土工程试行）提供县、乡（镇）两级土地利用总体规划数据，以及规划调整方案、文档和规划调整前后的数据。
（3）基本农田数据。要求包括省级下达的基本农田保有量、耕地保有量、建设用地指标等数据。
（4）勘测定界数据要求被督察区域提供与变化图斑涉及宗地相对应的审批资料和勘测定界数据，以及地方国土资源行政主管部门对变化图斑的自查自纠台账和相关资料。
（5）工业园区四至范围数据。
（6）耕地补充、基本农田补划和土地整理复垦开发等数据。
在收集到上述数据资料后，首先要做的工作就是数据顶处理，主要包括：数字化各种数据的纸质图件，统一各种数据的空间参考基准，录入种数据的相关属性信息等。
2.地例行督察中的GIS空间分析
（1）变化图斑和勘测定界数据叠加分析
利用ArcGIS等专业的GIS软件，将处理好的DOM作为底图，并在此基础上叠加新增建设用地变化图斑和与图斑涉及宗地相对应的勘测定界数据，可以已日见的判断新增建设用地变化图斑涉及宗地是否按规定办理了农用地转用与土地征收审批手续，是否存未批先用、少批多占、批甲占乙等违法违规用地行乡变化图斑和勘测定界数据叠加效果如图5所示。
从图5中可以看到44、45、51、55、56号等新增设用地变化图斑所涉及的宗地没有按规定办理相应征转审批手续，初步可以确定其涉嫌未批先用。因此，在土地例行督察工作中，应对上述图斑进行重点核查在实际工作中，通过对相关卷宗资料仔细审查，结合外业现场的实地核查，确认44、45、51号图斑均属违法违规用地，而55、56号图斑经补充提供相关材料后认其符合相关法律规定。
（5）变化图斑和土地利用总体规划数据叠加分扫
在土地例行督察工作中，审核被督察区域土地用总体规划的执行情况，是一项重要的工作内容。利ArcGIS等专业的（;IS软件，将被督察区域的土地利总体规划图作为数据底图，并在此基础上叠加新增设用地变化图斑，可以清楚地判断新增建设用地变图斑涉及宗地是否符合土地利用总体规划。同时可检验被督察省级人民政府农用地转用和土地征收审事项是否符合土地利用总体规划，进而研判该土地批的合法合规性，全面了解其建设用地审批的真实健合法性，评估其依法履职状况。变化图斑和土地利用体规划数据叠加效果如图6所示。
（6）变化图斑和土地利用现状数据叠加分析
在土地例行督察工作中，审核被督察区域政府地保护目标责任制的落实情况，是一项重要的E作容。特别是针对新颁布的巧号令中涉及的违法占用地面积占新增建设用地占用耕地总面积的比例计算题，是一项极其重要又非常费时的工作在实际工中，可以利用ArcGIS等专业GIS软件，将被督察区域的土地利用现状数据作为底图，并在此基础上叠加新增建设用地变化图斑，通过以5的空间分析功能，可以准确、高效地统计每个新增建设用地变化图斑占用地类的情况，首先可以研判被督查区域省级人民政府建设用地审批的地类与现实地类的真实性，掌握其是否依法批地的状况；其次是可以了解被督察地区的违法违规用地占用耕地的具体数值，为依法按监察部巧号令对其政府问责提供依据。
具体而言：首先是对RS处理后得到的新增建设用地变化图斑与被督察区域的土地利用现状数据进行数据处理，其重点就是配准空间参考基准和规范土地利用现状数据的属性（参照《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2007）进行），这些工作都可以通过ArcGIS等专业GIS软件完成；然后是根据新增建设用地变化图斑和土地利用现状数据的拓扑关系，进行空间分析运算，从中可以得到每个变化图斑范围内共涉及占用哪几种不同的地类（根据土地利用现状数据的属性信息来判断，如01代表耕地、02代表园地等），并可以计算出占用每种地类的具体面积；最后根据《土地利用现状分类》与《中华人民共和国土地管理法》“三大类”对照表，按地类代码对应地将其归为农用地（耕地）、建设用地和未利用地等几大类，并分别统计汇总出各类面积即可。
变化图斑和土地利用现状数据叠加效果如图7所示。变化图斑占用地类汇总结果如表1所示。
此外，还可以将耕地补充、基本农田补划、土地整理复垦和开发（工业园）区四至范围等数据进行叠加分析，审核被督察区域耕地补充和基本农田补划的落实情况，以及是否存在违规扩区等情况。
四、分析和小结
通过前面的论述我们可以看到，当前可选择的遥感影像数据源还是很多，而且今后还将不断有新的卫星遥感影像面世，在实际工作中我们应根据具体工作需要有针对性地进行选择。对于高分辨率遥感影像的数据处理，在大多数情况下都能参照前面论述的方法进行，对于一些新发射的卫星或者一些不太常用的卫星影像数据，其基本的处理流程和技术方一法都是相同的，只是在具体处理时需要对一些参数进行特别设置。利用GIS空间分析的确可以大大提高督察工作效率，但前期的土地例行督察专题数据收集工作至关重要。
综上所述，RS和GIS技术给土地督察工作提供了很好的科学平台和技术手段，深入研究和应用这些技术对我们今后的土地督察工作十分必要这里，笔者简要介绍了RS和GIS技术在土地例行督察实践中的用情况，以求能抛砖引玉，与广大同仁相互交流、相学习、共同提高。
参考文献
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