一種制備逐年土地利用數(shù)據(jù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及土地利用變化逐年數(shù)據(jù)的制備。主要運(yùn)用非同源土地利用數(shù)據(jù)的時(shí)間 和空間值的精度互補(bǔ)的思想制備逐年的較高精度土地利用數(shù)據(jù)。屬于地球科學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 土地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源，作為地球陸表系統(tǒng)最重要的組成 部分，土地系統(tǒng)是人類一環(huán)境關(guān)系的紐帶和橋梁。土地利用/覆蓋變化（Land Use / Cover Change，LUCC)可以詮釋某一區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響過(guò)程，人類未來(lái)自身的生 存和發(fā)展需求，通過(guò)對(duì)土地資源的開發(fā)和利用，不斷改變著地表的土地利用和土地覆蓋，對(duì) 區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)都帶來(lái)巨大影響。
[0003] 土地利用變化時(shí)空格局變化可延伸為時(shí)間變化和空間變化這兩個(gè)尺度。時(shí)間變化 研究主要是關(guān)注土地利用類型的面積變化速度、幅度和轉(zhuǎn)移比例等；空間變化的研究主要 是依據(jù)土地利用動(dòng)態(tài)信息，劃分土地利用類型的空間分布格局，進(jìn)而明確土地利用類型隨 時(shí)間演化的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程。
[0004] 在土地利用數(shù)據(jù)方面，有利于監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、決策樹分類等幾十家自動(dòng)分 類算法反演的土地利用產(chǎn)品，如歐空局全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)（ESA GlobCover)、馬里蘭大學(xué)地 理系的土地利用分類數(shù)據(jù)（UMD Land Cover Classification)等，但計(jì)算機(jī)自動(dòng)算法精度 非常有限，很多時(shí)候無(wú)法達(dá)到區(qū)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(jī)交互解譯出土地利用數(shù)據(jù)，該方法精度高，但是由于較高分辨率的遙感數(shù) 據(jù)不連續(xù)性，加之人為操作復(fù)雜，使得數(shù)據(jù)年限無(wú)法保證連續(xù)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提出一種能夠制備逐年土地利用空間數(shù)據(jù)的方法，以便可以實(shí)現(xiàn)逐年 土地利用變化分析。該方法融合兩種土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合其各自提供的有效信息，實(shí)現(xiàn)逐年 土地利用空間數(shù)據(jù)的制備。該方法是一種新的、簡(jiǎn)便易行的、可快速用于實(shí)踐的方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主要內(nèi)容為： 1)數(shù)據(jù)獲取： 兩種不同源數(shù)據(jù)：一是利用較高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星影像較高空間分辨率（Landsat， 30 m)，通過(guò)人工解譯制備的土地利用變化數(shù)據(jù)集（A-LUCC);二是粗空間分辨率（M0DIS， 500 m)的的土地覆蓋數(shù)據(jù)（M-LUCC)。
[0007] 2)數(shù)據(jù)預(yù)處理： 首先對(duì)多期A-LUCC數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精度校正，幾何精度校正是通過(guò)圖像上若干已知點(diǎn)， 即地面控制點(diǎn)，構(gòu)造一個(gè)圖像坐標(biāo)與地理坐標(biāo)之間的關(guān)系式，假定圖像坐標(biāo)為（X，Y)，地理 坐標(biāo)為（U，V)，則地理坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)之間存在下列關(guān)系：
為保證精度和效率，采用9個(gè)地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行擬合，擬合方程為：
然后，對(duì)多期A-LUCC數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)柵格，并基于最近鄰算法進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)重采樣， 即將空間分辨率重采樣為500 m，以保證和M-LUCC的空間分辨率一致。然后對(duì)A-LUCC和 M-LUCC的土地利用類型，采用大類的分類標(biāo)準(zhǔn)，分為農(nóng)田、林地、草地、濕地(含水域)、建設(shè) 用地和其他未利用地等六大類(簡(jiǎn)稱農(nóng)、林、草、濕、城、荒)。
[0008] 3)預(yù)設(shè)分析窗口 分析窗口上限是整個(gè)研究區(qū)，下限是窗口內(nèi)兩套數(shù)據(jù)在2個(gè)時(shí)間段內(nèi)均有相同的土 地利用轉(zhuǎn)換類型（轉(zhuǎn)類），在取值區(qū)間內(nèi)分析窗口越小精度越高。本發(fā)明通過(guò)均勻網(wǎng)格化 (Create fishnet)來(lái)判定最小的分析窗口，即把整個(gè)研究區(qū)分成1X1，4X4，…等亞區(qū)作 為分析窗口，在亞區(qū)內(nèi)逐一判讀2個(gè)研究時(shí)段內(nèi)均有的土地利用轉(zhuǎn)類，且最精細(xì)化的網(wǎng)格 亞區(qū)即為最優(yōu)分析窗口。
[0009] 4 )時(shí)間變化速率判定 時(shí)間變化速率的判定在研究區(qū)不同的分析窗口內(nèi)逐一進(jìn)行。對(duì)不同土地利用類型的時(shí) 間變化速率，以A-LUCC的時(shí)間段變化值為限定值，參考M-LUCC年際變化值，采用對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù) 差值的方法來(lái)計(jì)算，這里稱之為逐年類歸一化線性擬合處理，具體推導(dǎo)過(guò)程如下： A-LUCC數(shù)據(jù)中某土地利用轉(zhuǎn)類i的J 年（J = 7,之…,· /?夕7)變化總量 _可用如下公式表示：
A-LUCC數(shù)據(jù)中某土地利用轉(zhuǎn)類i的逐年變化量之和#7?,并非一定等于，此 值的表達(dá)式為：
式中，#7?為M-LUCC對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)類i的對(duì)應(yīng)年份J 的變化速率；（#7仏" - (#7^, - #%)、···為逐年際間各土地利用轉(zhuǎn)類的面積變化差值。則，如果#7?, _時(shí)，需要米用如下方法處理： 使M-LUCC數(shù)據(jù)各土地利用類型變化的量等于兩期A-LUCC數(shù)據(jù)各土地利用類型變化的 量，即：
式中，J - λ和J分別為研究時(shí)間段的任意年份、末年和首年對(duì)應(yīng)的土地利用類 型i變化值，其中7 則有此式可以推導(dǎo)出逐年LUCC類歸一化的土地利用類型Y 對(duì)應(yīng)的面積值為：
式中，7無(wú)>為L(zhǎng)UCC數(shù)據(jù)中某土地利用轉(zhuǎn)類i的面積d/^/7#7?分別為A-LUCC和M-LUCC 中某一轉(zhuǎn)類i的面積。
[0010] 5)空間變化定位判定 以A-LUCC數(shù)據(jù)空間分布為準(zhǔn)，同分析窗口下M-LUCC的同轉(zhuǎn)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(yǔ)句判定空間轉(zhuǎn)換位置。即：如果該柵格單元的 動(dòng)態(tài)分布范圍與連續(xù)兩期A-LUCC的研究時(shí)段內(nèi)的同類柵格單元?jiǎng)討B(tài)分布范圍一致，則為 正確的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)類空間定位；否則，空間范圍不一致時(shí)，則定位該轉(zhuǎn)類柵格單元到同窗口下 A-LUCC數(shù)據(jù)的最鄰近同轉(zhuǎn)類柵格單元的所屬空間，超出2期A-LUCC數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)類柵格單元 空間的，依照原M-LUCC的分布空間，進(jìn)行同分析窗口下的隨機(jī)分布定位。
[0011] 本發(fā)明方法的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)： 1)獲取連續(xù)時(shí)間序列的土地利用數(shù)據(jù)，將規(guī)則網(wǎng)格方法運(yùn)用到土地利用轉(zhuǎn)類的判讀 中，使分析對(duì)象更加地精細(xì)化，也使逐年信息的擴(kuò)展更加地合理和準(zhǔn)確，且易于操作實(shí)現(xiàn)。
[0012] 2)可為區(qū)域土地利用的過(guò)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(shuō)明】
[0013] 圖1是制備逐年土地利用數(shù)據(jù)的流程圖 圖2是主分析窗口判讀實(shí)例（30 kmX30 km)圖 圖3是次分析窗口判讀實(shí)例（500 mX500 m)圖 圖4是制備的土地利用數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)例（2001年）圖
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明所述的一種制備逐年土地利用數(shù)據(jù)的方法，下面結(jié)合
【發(fā)明內(nèi)容】
和附圖1對(duì) 本發(fā)明的原理及【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步闡述。包括如下步驟： 1.數(shù)據(jù)獲取 為了清楚地表述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，采用固定的時(shí)間段的形式，以中原經(jīng)濟(jì)區(qū)為 案例區(qū)進(jìn)行說(shuō)明。
[0015] DA-LUCC 數(shù)據(jù)獲取 本發(fā)明采用的A-LUCC 土地利用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式為矢量，時(shí)間為2000年、2005年和2010 年，間隔期5年。
[0016] 2) M-LUCC 數(shù)據(jù)獲取 本發(fā)明采用的M-LUCC數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有統(tǒng)一的時(shí)間分辨率和空間分辨率且以柵格形式進(jìn) 行變量表達(dá)，具有良好的一致性和完整性。本發(fā)明一共選用8年MODIS數(shù)據(jù)：從2001到2004 年、2006 到 2009 年。
[0017] 2.數(shù)據(jù)預(yù)處理 DA-LUCC預(yù)處理。參考"中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境分類方法"，具體分類如下：耕地；林地； 草地；水域；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地；未利用土地等六大類（以下簡(jiǎn)稱：農(nóng)、林、草、濕、城、荒)。 首先對(duì)A-LUCC數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量到柵格的轉(zhuǎn)換，柵格分辨率設(shè)為500m，柵格賦值方法建議選用 柵格中心點(diǎn)法。
[0018] 2 )對(duì)M-LUCC 土地覆蓋數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)A-LUCC的解譯分類標(biāo)準(zhǔn)，最終統(tǒng)一將兩套數(shù)據(jù)的 土地利用類型分為農(nóng)、林、草、濕、城、荒六類。A-LUCC的解譯結(jié)果即為農(nóng)、林、草、濕、城、荒六 類，因此不涉及柵格屬性的調(diào)整；而對(duì)M-LUCC，其土地覆蓋類型(表1)需要，根據(jù)表2統(tǒng)一 屬性為：農(nóng)、林、草、濕、城、荒六類。
[0019] 表1五種土地覆蓋分類方案
注：標(biāo)準(zhǔn)I: IGBP，國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃-全球植被分類方案；標(biāo)準(zhǔn)2: UMD，馬里蘭大 學(xué)方案；標(biāo)準(zhǔn)3: LAI/fPAR，基于葉面積指數(shù)/光合有效輻射吸收比例的MODIS方案；標(biāo)準(zhǔn) 4: NPP，基于凈初級(jí)生產(chǎn)量的MODIS方案；標(biāo)準(zhǔn)5: PFT，植物功能類型方案。
[0020] 表2對(duì)LUCC和MODIS進(jìn)行重分類規(guī)則表
至此，兩套土地利用數(shù)據(jù)有了相同的投影坐標(biāo)系統(tǒng)和空間分辨率。
[0021] 3.規(guī)則網(wǎng)格的分析窗口 網(wǎng)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(wǎng)格尺度是既能避免對(duì)象多邊形太破碎，又能保證A-LUCC和M-LUCC在多 個(gè)時(shí)間段均有相同的土地利用轉(zhuǎn)換類型。本發(fā)明通過(guò)每次設(shè)定不同的網(wǎng)格寬度和高度值， 如（1X1)，（4X4)，…等來(lái)把整個(gè)研究區(qū)劃分成iXi，i+IXi+l，…等規(guī)則亞區(qū)，如果第 n+1個(gè)亞區(qū)內(nèi)兩套數(shù)據(jù)在多個(gè)(至少兩個(gè))時(shí)間段有相同的土地利用轉(zhuǎn)類而第η個(gè)亞區(qū)內(nèi)沒 有，那么η+1Χη+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(shí)際工作 量的問(wèn)題，根據(jù)發(fā)明人的經(jīng)驗(yàn)，在區(qū)域尺度上推薦將分析窗口預(yù)設(shè)為500 m原始分辨率的倍 數(shù)，這里有以30 kmX30 km的最為分析窗口實(shí)例。
[0022] 同理，以重采樣后的像元大小為基準(zhǔn)，再中間生成500 m X 500 m的次分析窗口， 那么可以得知一個(gè)大網(wǎng)格內(nèi)包含3600個(gè)小網(wǎng)格，也就是說(shuō)，