基于DSM和地表覆蓋數(shù)據(jù)的土地變化監(jiān)測方法

姚 煒

（上海市測繪院，上海200063）

0 引 言

國家的土地政策和土地措施必須依賴于及時、有效、準確的土地數(shù)據(jù)，這就對土地利用現(xiàn)狀管理提出了動態(tài)變化監(jiān)測的要求。目前，在日常土地管理中，管理部門主要利用下級部門上報、用地單位上報或登記數(shù)據(jù)被動獲悉變化情況，缺乏主動性。同時受限于傳統(tǒng)監(jiān)測方法制約，在監(jiān)測手段上，主要通過人工目視判讀方式，不僅工作量大、效率低，且變化監(jiān)測成果的質(zhì)量受限于判讀人員的技術(shù)水平。故基于上述情況，本文結(jié)合國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)和DSM（Digital Surface Model，DSM）變化圖斑數(shù)據(jù)，通過空間分析工具，快速有效提取變化圖斑，為日常土地管理中如何及時發(fā)現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀變化提供新思路。

傳統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測方法受技術(shù)條件限制，主要利用用地單位上報、登記數(shù)據(jù)，被動了解變化，如在上海市土地績效評估工作中，主要依賴“市局-區(qū)局-產(chǎn)業(yè)區(qū)塊”三級網(wǎng)絡(luò)收集變化信息。另外如上海市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新工作，定期采用集中地毯式更新方式，通過實地測量獲取變化信息[1]。

基于這種模式，使得上層管理部門缺乏監(jiān)督和管理主動性，受制于上報單位和部門。也正是由于缺少主動發(fā)現(xiàn)的能力，導(dǎo)致在土地管理中土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)無法及時得到更新，不利于土地政策的制定和執(zhí)行。因此，主動發(fā)現(xiàn)土地變化在土地管理中的作用愈加重要。

1 方法

1.1 地表覆蓋與國土分類對應(yīng)關(guān)系

1.1.1 地表覆蓋基本情況介紹

地表覆蓋數(shù)據(jù)是反映地表自然營造物和人工建造物的自然屬性或狀況，一般利用基礎(chǔ)地理信息和遙感影像進行生產(chǎn)，分為8個一級類，45個二級類和79個三級類（圖1）。

圖1 地表覆蓋數(shù)據(jù)分類略圖

1.1.2 地表覆蓋與國土分類對應(yīng)關(guān)系

在將地表覆蓋數(shù)據(jù)應(yīng)用在土地利用現(xiàn)狀變化監(jiān)測之前，由于它與國土分類方式不盡相同，所以必須在地表覆蓋與國土分類之間建立對應(yīng)關(guān)系。

而現(xiàn)行的土地分類標準有4個。

（1）《全國土地分類（試行）》[2]:2002年1月1日起試行，分為3個一級類，15個二級類，71個三級類。它是上海最常用的土地分類標準。

（2）《土地利用現(xiàn)狀分類》[3]（GB/T 21010-2007，已廢止）:2007年8月10日實施，分為12個一級類，57個二級類。

（3）《土地利用現(xiàn)狀分類》[4]（GB/T 21010-2017）:2017年11月1日實施，分為12個一級類，73個二級類。

（4）《第三次全國土地調(diào)查工作分類》[5]:12個一級類，53個二級類。目前第三次全國土地調(diào)查采用此標準。

現(xiàn)行的土地分類標準相互之間的對應(yīng)關(guān)系較為明確，本文僅以《第三次全國土地調(diào)查工作分類》中一小部分地類為例，建立與地表覆蓋分類方式之間的對應(yīng)關(guān)系（表1）。

表1 第三次全國土地調(diào)查工作分類與地理國情監(jiān)測（地表覆蓋）部分對應(yīng)關(guān)系表

通過表1可以得到2個結(jié)論。

（1）地表覆蓋數(shù)據(jù)與土地管理中使用的土地分類在數(shù)據(jù)采集的側(cè)重點上不同。地表覆蓋主要側(cè)重土地的自然屬性，反映地表自然營造物和人工建造物的自然屬性或狀況，而土地管理中使用的土地分類更加側(cè)重于土地用途、經(jīng)營特點及管理特性等，是土地的社會屬性。舉例而言，如批而未建的建設(shè)用地，地表覆蓋按照實地自然屬性采集為耕地，而在土地管理中該地為建設(shè)用地。

（2）地類概念和范圍的界定有所不同。這主要體現(xiàn)在兩個方面:① 采集指標，如地表覆蓋要求種植土地的最小采集圖斑面積為400 km2，而土地管理（指二調(diào)成果）中最小采集圖斑面積為600 km2，地表覆蓋采集面積更為精細;② 采集范圍，如居民地的采集，在土地管理（二調(diào)成果）中居民地的范圍參考建設(shè)規(guī)劃情況、邊界線一般多以居民地周邊道路、圍墻等地物的邊界線為主，居民地內(nèi)部的地類不再單獨采集，而地表覆蓋中，居民地內(nèi)部達到指標的地類均需單獨采集。

綜上所述，在不改變地表覆蓋的采集原則和指標前提下，地表覆蓋監(jiān)測數(shù)據(jù)是很難直接被利用到日常土地管理中的。但是，將地表覆蓋數(shù)據(jù)與DSM結(jié)合后，就可較為容易地將地表覆蓋數(shù)據(jù)利用到土地變化的動態(tài)監(jiān)測方面，并在其中發(fā)揮巨大優(yōu)勢。

1.2 基于DSM與地表覆蓋的動態(tài)監(jiān)測算法模型

DSM是數(shù)字表面模型，它反映了物體表面的形狀、高度等信息，是一種用數(shù)字集合表現(xiàn)物體表面形態(tài)的一種方式。在實際應(yīng)用中，通過兩個不同時相DSM的差分，獲取DSM變化圖斑，再結(jié)合影像數(shù)據(jù)的解譯，最終實現(xiàn)對特定地物的監(jiān)測:這也是目前土地動態(tài)監(jiān)測中使用比較廣泛的一種新方式。但是，由于DSM缺乏變化圖斑的屬性信息，因此通常無法單獨使用，必須結(jié)合影像數(shù)據(jù)進行再次判讀。本文將DSM與地表覆蓋數(shù)據(jù)共同使用，直接將地表覆蓋數(shù)據(jù)應(yīng)用到DSM生產(chǎn)中去。例如以地類為邊界，考慮不同地表地物的特點進行濾波參數(shù)選擇:

式（1）中，land表示某個區(qū)域（region一般指DSM所分割的最小格網(wǎng)）在某個特定時間點（time）的土地類型（基于地表覆蓋數(shù)據(jù)）。

式（2）中，{DSM}表示特定分辨率（resolution）下的某個區(qū)域（∑region）在某個特定時間點（time）的數(shù)字地表模型。參數(shù)land表示地表覆蓋中的地類。

式（3）中，{△DSM}表示特定分辨率下的某個區(qū)域在某個特定時間段內(nèi)的高度變化。

總之，上述就是利用DSM在高度變化監(jiān)測方面的優(yōu)勢，同時使用地表覆蓋數(shù)據(jù)彌補DSM變化圖斑所缺少的屬性信息，為土地管理中的各類應(yīng)用創(chuàng)造條件的方法。

2 案例分析

2.1 土地復(fù)墾

在這類場景應(yīng)用中，可以提取{△DSM（2017年，2018年）}中高度下降，并且land值在2017年中為建（構(gòu)）筑物的數(shù)據(jù)（圖2—3）。此外，還可以根據(jù)2018年該區(qū)域的地表類型，統(tǒng)計土地復(fù)墾的進度。

圖2 2017年影像圖與變化圖斑的疊加

圖3 2018年影像圖與變化圖斑的疊加

2.2 地塊建設(shè)狀態(tài)

在這類場景應(yīng)用中，可以提取{△DSM（2017年，2018年）}中高度下降與抬升，并且land值在2017年或2018年中為建（構(gòu)）筑物、硬化地表等的數(shù)據(jù)（圖4—5）。圖4與圖5中的紅色與綠色圖框即是根據(jù)上述公式提取出來的變化圖斑，紅色表示下降，綠色表示抬升。此外，還可以通過不同地表類型、不同時間段的組合來判斷工程建設(shè)進度。

圖4 2017年影像圖與變化圖斑的疊加

圖5 2018年影像圖與變化圖斑的疊加

2.3 發(fā)現(xiàn)低效利用的建設(shè)用地

在這類場景應(yīng)用中，可以選取land值在2017年或2018年中均為種植土地、林草覆蓋等類型，同時疊加二調(diào)成果，提取二調(diào)成果中土地分類為建設(shè)用地的區(qū)域，兩者疊加，計算重疊面積占建設(shè)面積的比例，通過設(shè)定低效利用建設(shè)用地的面積比值，提取地塊范圍（圖6）。圖6中紅色圖框即是根據(jù)上述公式提取出來的地塊，紅色部分在二調(diào)成果中均為工業(yè)用地，但實際該地長期閑置。

圖6 2018年影像圖與提取圖斑的疊加

2.4 違建與拆違

要了解拆違情況，可通過提取{△DSM（2017年，2018年）}中高度下降，并且land值在2017年中為建（構(gòu)）筑物、人工堆掘地等的數(shù)據(jù)（圖7—8）。圖7和圖8中的紅色圖框即是根據(jù)上述公式提取出來的變化圖斑。此外，新建的違章建筑也可通過類似公式查詢，而對歷年的那些已有違章建筑則可采用地表覆蓋與二調(diào)成果的疊加分析得到。

在實際應(yīng)用過程中，建（構(gòu)）筑物、耕地及林地這些地物的監(jiān)測效果比較突顯，通過地表覆蓋數(shù)據(jù)和DSM相疊加，可以比較容易地實現(xiàn)地表變化的可持續(xù)性動態(tài)監(jiān)測，一定程度上將土地日常管理從被動轉(zhuǎn)為主動。

圖7 2017年影像圖與變化圖斑的疊加

3 結(jié) 語

（1）本文利用DSM和地表覆蓋數(shù)據(jù)相結(jié)合的優(yōu)勢，提出了一種土地現(xiàn)狀利用變化監(jiān)測的方法，該方法可以讓土地監(jiān)管有一定程度的主動性，并且可以顯著提高監(jiān)管工作效率。在上海市地理國情監(jiān)測“1+X”中的應(yīng)用已證明了該方法的實用性和有效性。

（2）在今后工作中，將繼續(xù)深入了解土地規(guī)劃部門、土地管理部門和土地調(diào)查部門之間對各個地類的界定，探索具有上海特色的地理國情要素采集標準，更好地發(fā)揮國情監(jiān)測成果在土地調(diào)查數(shù)據(jù)更新中的參考價值。