鬼佬大哥大
  • / 12
  • 下載費用:30 金幣  

一種制備逐年土地利用數據的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510436418.1

申請日:

2015.07.23

公開號:

CN105045884A

公開日:

2015.11.11

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/30申請日:20150723|||公開
IPC分類號: G06F17/30 主分類號: G06F17/30
申請人: 河南大學
發明人: 崔耀平; 秦耀辰; 蔣琳
地址: 475001河南省開封市明倫街85號河南大學科研處
優先權:
專利代理機構: 代理人:
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201510436418.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.02.01|||2016.05.11|||2015.11.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明專利提供一種制備逐年土地利用數據的方法。該方法需兩類數據:一是人工解譯土地利用數據,其空間分辨率和分類精度較高,但時間不連續;一是基于遙感數據產品自動算法得到的逐年高精度土地利用數據,其分類精度不高。本發明利用一種數據融合方法取兩類數據各自的優點,并最終實現逐年土地利用數據的制備。其中的過程和步驟主要包括:兩類土地利用數據的預處理、分析窗口選取、時間變化速率的求算方法、以及變化柵格單元的空間定位方法。本發明提供了土地利用變化研究中所需的逐年高精度土地利用數據,以此可以進行長時間序列的時空變化分析。本方法可操作性較強,同時有精度保障。

權利要求書

1.一種制備逐年土地利用數據的方法,其特征在于:步驟如下:1)數據獲取發明采用的人工解譯土地利用數據(A-LUCC),數據格式為矢量,時間為不連續的年份,時間間隔為5年,分辨率較精細,為30m;采用的逐年土地利用數據(M-LUCC),時間間隔為1年,分辨率較粗,為500m;2)數據預處理首先對多期A-LUCC數據進行幾何精度校正,幾何精度校正是通過圖像上若干已知點,即地面控制點,構造一個圖像坐標與地理坐標之間的關系式,假定圖像坐標為(X,Y),地理坐標為(U,V),則地理坐標與圖像坐標之間存在下列關系:為保證精度和效率,采用9個地面控制點的坐標進行擬合,擬合方程為:然后,對多期A-LUCC數據進行矢量轉柵格,并基于最近鄰算法進行柵格數據重采樣,即將空間分辨率重采樣為500m,以保證和M-LUCC的空間分辨率一致;然后對A-LUCC和M-LUCC的土地利用類型,采用大類的分類標準,分為農田、林地、草地、濕地(含水域)、建設用地和其他未利用地等六大類(簡稱農、林、草、濕、城、荒);3)預設分析窗口本發明通過均勻網格化(Createfishnet)功能來生成分析格網,并以此判定最小的分析窗口;即,把整個研究區分成1×1,4×4,…等亞區作為分析窗口,在亞區內逐一判讀3個研究時段內均有的土地利用轉類,最小的網格亞區即為滿足條件的最優窗口;4)時間變化速率判定對不同土地利用類型的時間變化速率,以A-LUCC的時間段各土地利用類型的變化值為限定值,參考M-LUCC年際變化值,采用對應數據差值的方法來計算,這里稱之為逐年類歸一化線性擬合處理,公式表示如下:A-LUCC數據中某土地利用轉類ij+n年(j=1,2,…;n≥1)變化總量ATRni_sum可用如下公式表示:式中,j+m,j+nj分別為研究時間段的任意年份、末年和首年對應的土地利用類型i變化值,其中1<m<nTRj+m為LUCC數據中某土地利用轉類i的面積;ATR和MTR分別為A-LUCC和M-LUCC中某一轉類i的面積;5)空間變化的定位以A-LUCC數據空間分布為準,把對應的前后兩期數據變化位置圈定不變;這是有兩種情況:一是如果該斑塊的動態分布范圍與在A-LUCC連續兩期研究時段內(tt+1)的同類斑塊(Grid)動態分布范圍一致,則為正確的動態轉類空間定位,即任意柵格位置對應滿足:Gridt-Gridt+1=0;二是如果空間范圍不一致時,則以M-LUCC的同轉類柵格單元分布位置作為參考判定空間轉換位置,通過觀察各個變化單元的中心點所處位置,先填充相同方向上的A-LUCC變化空間,如果該空間填充不完,再向周邊擴展;6)精度檢驗基于以上對時間變化速率判定和空間變化定位判定的處理,融合A-LUCC數據和M-LUCC數據,獲取得到研究區2000-2010年新的500m空間分辨率的逐年土地利用數據;該套數據可用研究時段內覆蓋部分研究區的不連續遙感數據進行驗證;也可選用時間變化速率逐年累加得到的值作為標準的理論值,空間變化定位逐年視域判讀,進行精度自檢驗。2.根據權利要求1所述的一種制備逐年土地利用數據的方法,其特征在于步驟1)所述的數據源均為土地利用現狀圖層。

說明書

一種制備逐年土地利用數據的方法

技術領域

本發明涉及土地利用變化逐年數據的制備。主要運用非同源土地利用數據的時間和空間值的精度互補的思想制備逐年的較高精度土地利用數據。屬于地球科學領域。

背景技術

土地是人類賴以生存和發展的基礎性自然資源,作為地球陸表系統最重要的組成部分,土地系統是人類—環境關系的紐帶和橋梁。土地利用/覆蓋變化(LandUse/CoverChange,LUCC)可以詮釋某一區域內人類活動對自然環境的影響過程,人類未來自身的生存和發展需求,通過對土地資源的開發和利用,不斷改變著地表的土地利用和土地覆蓋,對區域生態環境和社會經濟都帶來巨大影響。

土地利用變化時空格局變化可延伸為時間變化和空間變化這兩個尺度。時間變化研究主要是關注土地利用類型的面積變化速度、幅度和轉移比例等;空間變化的研究主要是依據土地利用動態信息,劃分土地利用類型的空間分布格局,進而明確土地利用類型隨時間演化的動態轉化過程。

在土地利用數據方面,有利于監督分類、非監督分類、決策樹分類等幾十家自動分類算法反演的土地利用產品,如歐空局全球陸地覆蓋數據(ESAGlobCover)、馬里蘭大學地理系的土地利用分類數據(UMDLandCoverClassification)等,但計算機自動算法精度非常有限,很多時候無法達到區域研究的精度需求;另一種方法是基于較高分辨率遙感的人工判讀,即人機交互解譯出土地利用數據,該方法精度高,但是由于較高分辨率的遙感數據不連續性,加之人為操作復雜,使得數據年限無法保證連續性。

發明內容

本發明旨在提出一種能夠制備逐年土地利用空間數據的方法,以便可以實現逐年土地利用變化分析。該方法融合兩種土地利用數據,結合其各自提供的有效信息,實現逐年土地利用空間數據的制備。該方法是一種新的、簡便易行的、可快速用于實踐的方法。

為實現上述目的,本發明的主要內容為:

1)數據獲取:

兩種不同源數據:一是利用較高分辨率對地觀測衛星影像較高空間分辨率(Landsat,30m),通過人工解譯制備的土地利用變化數據集(A-LUCC);二是粗空間分辨率(MODIS,500m)的的土地覆蓋數據(M-LUCC)。

2)數據預處理:

首先對多期A-LUCC數據進行幾何精度校正,幾何精度校正是通過圖像上若干已知點,即地面控制點,構造一個圖像坐標與地理坐標之間的關系式,假定圖像坐標為(X,Y),地理坐標為(U,V),則地理坐標與圖像坐標之間存在下列關系:

(1)

為保證精度和效率,采用9個地面控制點的坐標進行擬合,擬合方程為:

(2)

然后,對多期A-LUCC數據進行矢量轉柵格,并基于最近鄰算法進行柵格數據重采樣,即將空間分辨率重采樣為500m,以保證和M-LUCC的空間分辨率一致。然后對A-LUCC和M-LUCC的土地利用類型,采用大類的分類標準,分為農田、林地、草地、濕地(含水域)、建設用地和其他未利用地等六大類(簡稱農、林、草、濕、城、荒)。

3)預設分析窗口

分析窗口上限是整個研究區,下限是窗口內兩套數據在2個時間段內均有相同的土地利用轉換類型(轉類),在取值區間內分析窗口越小精度越高。本發明通過均勻網格化(Createfishnet)來判定最小的分析窗口,即把整個研究區分成1×1,4×4,…等亞區作為分析窗口,在亞區內逐一判讀2個研究時段內均有的土地利用轉類,且最精細化的網格亞區即為最優分析窗口。

4)時間變化速率判定

時間變化速率的判定在研究區不同的分析窗口內逐一進行。對不同土地利用類型的時間變化速率,以A-LUCC的時間段變化值為限定值,參考M-LUCC年際變化值,采用對應數據差值的方法來計算,這里稱之為逐年類歸一化線性擬合處理,具體推導過程如下:

A-LUCC數據中某土地利用轉類ij+n年(j=1,2,…;n≥1)變化總量ATRni_sum可用如下公式表示:

(3)

A-LUCC數據中某土地利用轉類i的逐年變化量之和MTRni_sum并非一定等于ATRni_sum,此值的表達式為:

(4)

式中,MTR為M-LUCC對應轉類i的對應年份j+n的變化速率;(MTRj+n-MTRj+n-1)、(MTRj+1-MTRj)、…為逐年際間各土地利用轉類的面積變化差值。則,如果MTRni_sumATRni_sum時,需要采用如下方法處理:

使M-LUCC數據各土地利用類型變化的量等于兩期A-LUCC數據各土地利用類型變化的量,即:

(5)

式中,j+m,j+nj分別為研究時間段的任意年份、末年和首年對應的土地利用類型i變化值,其中1<m<n。則有此式可以推導出逐年LUCC類歸一化的土地利用類型i對應的面積值為:

(6)

式中,TRj+m為LUCC數據中某土地利用轉類i的面積;AT和MTR分別為A-LUCC和M-LUCC中某一轉類i的面積。

5)空間變化定位判定

以A-LUCC數據空間分布為準,同分析窗口下M-LUCC的同轉類柵格單元分布位置作為參考,在變化速率值的限定下,利用條件語句判定空間轉換位置。即:如果該柵格單元的動態分布范圍與連續兩期A-LUCC的研究時段內的同類柵格單元動態分布范圍一致,則為正確的動態轉類空間定位;否則,空間范圍不一致時,則定位該轉類柵格單元到同窗口下A-LUCC數據的最鄰近同轉類柵格單元的所屬空間,超出2期A-LUCC數據對應轉類柵格單元空間的,依照原M-LUCC的分布空間,進行同分析窗口下的隨機分布定位。

本發明方法的優勢和特點:

1)獲取連續時間序列的土地利用數據,將規則網格方法運用到土地利用轉類的判讀中,使分析對象更加地精細化,也使逐年信息的擴展更加地合理和準確,且易于操作實現。

2)可為區域土地利用的過程變化分析及氣候模式的年際下墊面輸入提供有效支持。

附圖說明

圖1是制備逐年土地利用數據的流程圖

圖2是主分析窗口判讀實例(30km×30km)圖

圖3是次分析窗口判讀實例(500m×500m)圖

圖4是制備的土地利用數據結果實例(2001年)圖

具體實施方式

本發明所述的一種制備逐年土地利用數據的方法,下面結合發明內容和附圖1對本發明的原理及具體實施方式作進一步闡述。包括如下步驟:

1.數據獲取

為了清楚地表述本發明的具體實施方式,采用固定的時間段的形式,以中原經濟區為案例區進行說明。

1)A-LUCC數據獲取

本發明采用的A-LUCC土地利用數據數據格式為矢量,時間為2000年、2005年和2010年,間隔期5年。

2)M-LUCC數據獲取

本發明采用的M-LUCC數據產品具有統一的時間分辨率和空間分辨率且以柵格形式進行變量表達,具有良好的一致性和完整性。本發明一共選用8年MODIS數據:從2001到2004年、2006到2009年。

2.數據預處理

1)A-LUCC預處理。參考“中國科學院資源環境分類方法”,具體分類如下:耕地;林地;草地;水域;城鄉、工礦、居民用地;未利用土地等六大類(以下簡稱:農、林、草、濕、城、荒)。首先對A-LUCC數據進行矢量到柵格的轉換,柵格分辨率設為500m,柵格賦值方法建議選用柵格中心點法。

2)對M-LUCC土地覆蓋數據對應A-LUCC的解譯分類標準,最終統一將兩套數據的土地利用類型分為農、林、草、濕、城、荒六類。A-LUCC的解譯結果即為農、林、草、濕、城、荒六類,因此不涉及柵格屬性的調整;而對M-LUCC,其土地覆蓋類型(表1)需要,根據表2統一屬性為:農、林、草、濕、城、荒六類。

表1五種土地覆蓋分類方案

注:標準1:IGBP,國際地圈生物圈計劃-全球植被分類方案;標準2:UMD,馬里蘭大學方案;標準3:LAI/fPAR,基于葉面積指數/光合有效輻射吸收比例的MODIS方案;標準4:NPP,基于凈初級生產量的MODIS方案;標準5:PFT,植物功能類型方案。

表2對LUCC和MODIS進行重分類規則表

新地類MODIS數據對應地類(標準1)1農12農田14農田/自然植被鑲嵌2林1常綠針2常綠闊3落葉針4落葉闊5混交林6郁閉灌叢7稀疏灌叢8多樹草原9稀樹草原3草10草地4濕0水體11永久性濕地15冰雪5城13城鎮建設用地6荒16裸地/低植被覆蓋地

至此,兩套土地利用數據有了相同的投影坐標系統和空間分辨率。

3.規則網格的分析窗口

網格尺度即分析窗口大小的選擇非常重要,它直接影響了分析窗口的大小和信息提取的精度。最佳的網格尺度是既能避免對象多邊形太破碎,又能保證A-LUCC和M-LUCC在多個時間段均有相同的土地利用轉換類型。本發明通過每次設定不同的網格寬度和高度值,如(1×1),(4×4),…等來把整個研究區劃分成i×i,i+1×i+1,…等規則亞區,如果第n+1個亞區內兩套數據在多個(至少兩個)時間段有相同的土地利用轉類而第n個亞區內沒有,那么n+1×n+1就是所需的最小分析窗口(圖1)。在保證精度的情況下考慮到實際工作量的問題,根據發明人的經驗,在區域尺度上推薦將分析窗口預設為500m原始分辨率的倍數,這里有以30km×30km的最為分析窗口實例。

同理,以重采樣后的像元大小為基準,再中間生成500m×500m的次分析窗口,那么可以得知一個大網格內包含3600個小網格,也就是說,一個30km×30km的分析窗口內含有3600個500m×500m的次分析窗口,每一個次分析窗口代表一個像元大小的土地利用類型,單一分析窗口囊括了蓋農田、森林、草地、濕地/水體、建設用地和未利用地等主要數據類型。

4.時間變化速率的判定

時間變化速率的判定在研究區不同的分析窗口內逐一進行。對不同土地利用類型的時間變化速率TRij,以LUCC的時間段變化值為限定值,參考M-LUCC年際變化值,采用對應數據差值的逐年類歸一化線性擬合處理:

A-LUCC數據中某土地利用轉類ij+n年(j=1,2,…;n≥1)變化總量ATRni_sum可用如下公式表示:

(1)

A-LUCC數據中某土地利用轉類i的逐年變化量之和MTRni_sum并非一定等于ATRni_sum,此值的表達式為:

(2)

式中,MTR為M-LUCC對應轉類i的對應年份j+n的變化速率;(MTRj+n-MTRj+n-1)、(MTRj+1-MTRj)、…為逐年際間各土地利用轉類的面積變化差值。則,如果MTRni_sumATRni_sum時,需要采用如下方法處理:

使M-LUCC數據各土地利用類型變化的量等于兩期A-LUCC數據各土地利用類型變化的量,即:

(3)

式中,j+m,j+nj分別為研究時間段的任意年份、末年和首年對應的土地利用類型i變化值,其中1<m<n。則有此式可以推導出逐年LUCC類歸一化的土地利用類型i對應的面積值為:

(4)

式中,TRj+m為LUCC數據中某土地利用轉類i的面積;ATR和MTR分別為A-LUCC和M-LUCC中某一轉類i的面積。

5.空間變化定位判定

本發明擬通過以下方法定位變化柵格類型的空間分布:以A-LUCC數據空間分布為準,同分析窗口下M-LUCC逐年的同轉類柵格分布位置作為參考,在變化速率值的限定下,利用條件語句判定空間轉換位置。即:

如果該柵格單元的動態分布范圍與連續兩期A-LUCC的研究時段內的同類柵格單元動態分布范圍一致,則為正確的動態轉類空間定位;否則,空間范圍不一致時,定位該轉類柵格單元到同窗口下A-LUCC數據的最鄰近同轉類柵格單元的所屬空間,超出A-LUCC數據對應轉類柵格單元空間的,依照原MODIS數據的分布空間,進行同分析窗口下的隨機分布定位。

具體來說,以2005-2010年為例,首先用空間分析(SpatialAnalyst)模塊中柵格計算器(RasterCalculator)的條件語句(con)將發生變化的地類和保持不變的地類區分開來,變化的地類賦值為0,不變的地類保持原值,然后通過屬性提取功能(ExtractByAttributes)篩選出不變的地類,同理可得變化的地類,并將二者轉化為矢量圖層。其中,條件語句用法如下:

CON(<condition>,<true_expression>,...,{false_expression})

將預設分析窗口中得到的30km×30km網格和500m×500m小網格、上述過程中得到的2005-2010年發生變化的地類、以及A-LUCC2010年數據和M-LUCC2006年的矢量圖層進行相交運算并查看屬性表。其中,分析窗口以字段“FID_fishnet_30km”和“FID_fishnet_500m”為準,查看土地利用類型以A-LUCC2005、A-LUCC2010和M-LUCC2006等數據對應屬性表字段中的土地利用類型代碼。

運用此步驟,參考時間變化速率表可以判斷每個分析窗口內各個土地利用類型的時間變化速率大小,參考2005-2010發生變化的地類、A-LUCC2010和M-LUCC2006三個矢量圖層可以判斷2005-2006年和2005-2010年的空間變化是否一致,參考屬性表可以得到每一個500m×500m的像元落在哪一個網格以及它對應的2005年、2010年和2006年的地類。

基于以上數據基礎,在研究區不同的分析窗口內逐一進行空間變化定位的判定,如果2005-2006年轉類和2005-2010年轉類的空間分布一致,即為正確的土地利用類型空間變化定位;如果2005-2006年轉類和2005-2010年轉類的空間分布不一致,那么以對應的LUCC數據為準,修改相應的地類代碼。

最后將得到的矢量圖層轉換(featuretoraster)為柵格圖層并導出即可,2007、2008、2009年土地利用空間變化定位的判定依次類推。2000-2005年的判定過程類似于2005-2010年,不再一一贅述。

6.精度檢驗

基于以上對時間變化速率判定和空間變化定位判定的處理,融合A-LUCC數據和M-LUCC數據,獲取得到研究區2000-2010年新的500m空間分辨率的逐年土地利用數據。

該套數據可用研究時段內覆蓋部分研究區的不連續遙感數據進行驗證;也可選用時間變化速率逐年累加得到的值作為標準的理論值,空間變化定位逐年視域判讀,進行精度自檢驗。

本發明包括權利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式,這在適用的法律中是允許的。此外,上述要素的所有可能的變更的任何組合也被本發明所包含,除非另外指出或在文中明顯不同。

關 鍵 詞:
一種 制備 逐年 土地利用 數據 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:一種制備逐年土地利用數據的方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6401433.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大