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

Xu Qiuxiao1 Yu Mingyang2

(1. Instituto de Estudios de Ingeniería Geológica y Minerales de Shandong, Jinan 250014; 2. Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Shandong Jianzhu, Jinan 250101)

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

Resumen: 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, los cambios en el uso de la tierra han sido un área importante de investigación sobre el cambio global en los últimos años. Este artículo toma la ciudad de Longkou, provincia de Shandong, como área de investigación, y aplica el método de clasificación de uso/cobertura del suelo de la ciudad de Longkou basado en el modelo de comprensión integral de imágenes de sensores remotos para establecer una base de conocimiento de regularidad geológica y extraer tipos de uso de la tierra en diferentes períodos. Finalmente, se utilizaron mapas de información geocientífica para monitorear y analizar los cambios espaciotemporales en el uso del suelo.

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 información para el estudio del cambio global y sostenible. fuentes de desarrollo y medios técnicos. Como símbolo paisajístico más destacado del sistema de la superficie terrestre, los cambios en el uso de la tierra han sido un área importante de investigación sobre el cambio global en los últimos años. Sólo monitoreando y analizando los cambios espaciales y temporales en el uso de la tierra podremos comprender mejor el proceso y mecanismo de los cambios en el uso de la tierra, y ajustando las actividades sociales y económicas humanas, podremos promover un uso más racional de la tierra y garantizar la pertinencia y eficacia de las políticas nacionales. Sólo así se podrán alcanzar los objetivos de utilización sostenible de los recursos terrestres. La ciudad de Longkou, como una de las primeras ciudades costeras de mi país en abrirse al mundo exterior, tiene cambios representativos en el uso del suelo.

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 es de 46,08 km y la distancia vertical máxima entre el norte y el sur es de 37,43 km, la superficie terrestre total (incluidas la isla Sang y la isla Yi) es 893,32 km2;

El alcance de esta área de estudio se obtiene recortando imágenes de teledetección basadas en los límites del área de investigación generadas por la vectorización de mapas topográficos 1:10000. Como información de datos de teledetección, el área es ***89217.45hm2. (excluyendo la isla Mulberry, 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 teledetección

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

Basado en las características de clasificación del uso/cobertura del suelo, este artículo construye 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 los dos procesos son:

(1) El proceso de comprensión de imágenes de teledetección se completa principalmente. el proceso de comprensión temprana de las imágenes de teledetección, incluidos los siguientes procesos:

1) Preprocesamiento de imágenes de teledetección: incluida la conversión de formato de imagen, la corrección de imagen y la transformación de mejora de imagen, etc. La conversión de formato de imagen completa la conversión de imágenes de teledetección al formato de procesamiento del sistema de software REDAS (﹡.img); la corrección de imagen completa la corrección atmosférica, la corrección geométrica, la mejora de la radiación de imágenes de teledetección y la combinación y mosaico de imágenes de teledetección; Mejora de la información de la imagen y procesamiento de transformación. Puede resaltar información temática relevante. Los principales métodos utilizados esta vez incluyen estiramiento lineal, transformación espacial K-T, mejora de límites, etc.

2) Registro con información auxiliar de geociencias: completa principalmente la conversión del sistema de coordenadas y proyección de imágenes de teledetección e información auxiliar de geociencia (varios datos SIG temáticos son principalmente pendiente y altura), de modo que las imágenes de teledetección sean consistente con la información auxiliar de geociencia utilizada. La información geocientífica auxiliar se incorpora al sistema unificado de coordenadas y proyección.

3) Selección y cálculo del "área de entrenamiento": determine el "área de entrenamiento" de la muestra mediante una comprensión preliminar de las características de la información de las imágenes de detección remota, combinada con información auxiliar de geociencias e investigaciones de campo. El "área de entrenamiento" debe ser típica y separable. Después de determinar el "área de entrenamiento", calcule los datos en el "área de entrenamiento" para determinar la información estadística de la muestra (valores medios, máximos y mínimos, matriz de varianza, matriz de covarianza, etc.).

Los tipos de uso de la tierra extraídos esta vez son seis tipos principales, a saber, tierras de construcción, tierras cultivadas, áreas de agua, tierras de jardín, tierras forestales y tierras no utilizadas. El método de expansión AOI se utiliza para seleccionar el área de entrenamiento y. Se utiliza este método al seleccionar un área de entrenamiento, el umbral de la semilla inicial (píxel de semilla) y la distancia espectral es muy importante. El umbral de la semilla inicial y la distancia espectral de cualquier área de entrenamiento solo se pueden determinar después de múltiples experimentos. Estos dos parámetros son diferentes en diferentes tipos de terreno. Generalmente, después de seleccionar 2 o 3 áreas de entrenamiento, puede observar la situación de la máscara de alarma y modificar y ajustar estos dos parámetros inmediatamente. Al agregar un área de entrenamiento, superponga la máscara de alarma con la máscara de alarma anterior de manera oportuna, juzgue los cambios de calidad de los datos de muestra y realice ajustes hasta que la máscara de alarma sea consistente con el tipo de terreno real, es decir, este tipo de Se considera entrenamiento. Se completa la selección de zona. Después de entrenar un tipo de terreno, se requiere un análisis general del área de entrenamiento final para garantizar la pureza del espectro.

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

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

2) Generación de datos auxiliares: utilice los datos auxiliares previamente procesados ​​para convertir varios formatos de datos, como rasterización de datos vectoriales, interpolación de datos estadísticos de puntos (IDW/Kriging y otros métodos). Finalmente genere datos planos; unificar 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, con base en varios datos auxiliares generados previamente, se establece una base de datos especial para formar una base de datos de factores auxiliares de geociencia.

(3) Proceso de generación de base de conocimiento, estableciendo una base de conocimiento experto, principalmente base de conocimiento de geociencias, que incluye los siguientes procesos:

1) Adquisición de conocimiento: mediante comparación de imágenes de sensores remotos, investigación de campo : realizar inspecciones in situ del uso de la tierra/estado de la cobertura terrestre, la distribución de la vegetación y las condiciones del entorno ecológico en todas las condiciones del relieve en el área en función de varias características de imágenes representativas para adquirir diversos conocimientos prácticos.

2) Generación de base de conocimientos: organice el conocimiento adquirido, resuma varios tipos de reglas en su conjunto, forme reglas de conocimiento y, finalmente, modifique y depure las reglas de conocimiento mediante la capacitación continua de datos en el "área de capacitación". , formando una base de conocimiento de las leyes geológicas.

El tipo de cobertura y uso del suelo tiene una clara dependencia de la elevación. Un análisis del mapa de uso de suelo existente en el área de estudio muestra que los terrenos de construcción y de jardín se distribuyen principalmente por debajo de los 300 m sobre el nivel del mar; la mayoría de los terrenos cultivados se distribuyen por debajo de los 150 m sobre el nivel del mar; altitudes, y se distribuye por debajo de los 10 m. El terreno forestal es principalmente bosque protector costero y terreno forestal verde para carreteras. En altitudes superiores a los 350 m, sólo hay bosques y ningún otro tipo de terreno.

Los datos de pendiente se pueden utilizar para distinguir ciertos tipos de cobertura y uso del suelo. Según los resultados de la investigación de campo y el análisis de mapas topográficos y mapas de estado de uso de la tierra existentes, las tierras de construcción, las tierras de regadío y las tierras de jardín se distribuyen principalmente en áreas con pendientes inferiores a 20 °, y hay pocas tierras de regadío cuando la pendiente es mayor que 10°.

Por lo tanto, las características espectrales de los datos de teledetección también aparecen como vegetación verde, y cuando es difícil determinar si se trata de tierra de regadío o de bosque, los datos de pendiente son un parámetro valioso. La siguiente es la relación detallada entre varios tipos de terreno y elevación y pendiente.

En esta base de conocimientos de clasificación, las reglas de expertos se expresan en la siguiente forma básica:

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

p>

El rango de valores de credibilidad es [0, 1]. Cuando el valor es 0, la posibilidad de que el píxel actual sea de la categoría dada se elimina por completo cuando el valor es 1, la credibilidad original del; El píxel se mantiene en el grado y significa que la conclusión actual siempre es cierta. La credibilidad se puede determinar en función de la experiencia en geociencias o de la puntuación de expertos.

La representación del conocimiento y la construcción de la base de conocimiento deben combinarse con las características de investigación de los temas de geociencia. Mediante la modificación y depuración continua de la base de conocimientos, los resultados de la interpretación de imágenes pueden lograr básicamente el efecto de la interpretación visual manual. Cuando el valor de la credibilidad es 0, se descarta la posibilidad de que el píxel actual sea la categoría dada por (conclusión) y cuando el valor es 1, el valor de credibilidad existente no debería cambiar; 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 reglas en la base de reglas se dan a continuación:

SI VALOR =1 DEM <300 Y PENDIENTE <20 ENTONCES Terreno edificable CF =1

SI VALOR =2 DEM <50 Y PENDIENTE < 10 ENTONCES Tierra de regadío CF ＝1

I VALOR ＝3 ENTONCES Agua CF ＝1

SI VALOR ＝4 DEM ＜300 Y PENDIENTE ＜20 ENTONCES Tierra de secano CF ＝1

SI VALOR ＝5 DEM ＜300 Y PENDIENTE ＜20 ENTONCES Garden CF ＝1

SI VALOR ＞＝300 ENTONCES Woodland CF ＞＝300 O PENDIENTE＞＝20 ENTONCES Woodland CF＝1

OTRO SI 50＝＜DEM<＝250 Y 10＝＜PENDIENTE<20 ENTONCES Garden CF＝0.5

OTRO Woodland CF＝1

La evaluación de la 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, y combina los resultados de la interpretación visual y la verificación in situ para evaluar la precisión de la clasificación resulta en los dos períodos. Los resultados de la clasificación de la teledetección de cada período están directamente referenciados al mapa de estado de uso de la tierra del mismo año para verificar la precisión. Dado que existen ciertas diferencias entre el sistema de clasificación de teledetección y el sistema de clasificación del estado de uso de la tierra, los tipos de uso de la tierra y las clasificaciones de estado de uso de la tierra de las imágenes de clasificación de teledetección deben unificarse adecuadamente antes del muestreo aleatorio. Luego, se seleccionaron 300 puntos de muestra para cada período de resultados de clasificación de teledetección, y se aseguró que cada categoría tuviera más de 10 puntos de muestra. Se utilizó el método de evaluación de precisión basado en la matriz de errores para evaluar los resultados de clasificación de la ciudad de Longkou en 1989. 2003. El cálculo del coeficiente Kappa práctico muestra que la precisión general y la precisión del usuario de los resultados de clasificación de sensores remotos TM de uso de la tierra de la ciudad de Longkou en 1989 y 2003 están por encima de 75, y el coeficiente Kappa también está por encima de 0,8, alcanzando la precisión de discriminación mínima permitida. requisito de 0,7. Estos muestran que los resultados de clasificación de la teledetección del uso de la tierra de las dos fases de las imágenes de 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 del suelo en la ciudad de Longkou

Con el auge y desarrollo de la ciencia de la información terrestre, la gran abundancia de recursos disponibles para las personas y la gran mejora del procesamiento de la información En particular, la tecnología de visualización dinámica ha logrado nuevos avances. En vista de esta demanda y antecedentes técnicos, el Sr. Peng afirmó que abogaba por la discusión y la investigación de mapas de geoinformación basados ​​en mapas geocientíficos tradicionales.

El mapa de información geocientífica es una extensión natural del mapa geocientífico basado en la ciencia de la geoinformación. Es un conjunto de mapas, gráficos, curvas o imágenes digitales organizados de acuerdo con ciertas reglas de gradiente de índice o sistemas de clasificación que pueden reflejar las reglas de información espacial de las geociencias. El mapa de información geocientífica es una combinación de "mapa" y "espectro", que 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 en diferentes unidades de series de tiempo para 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 el estado de transformación mutua entre los tipos de uso de la tierra, sino también. revelar probabilidades de transición entre diferentes tipos de paisaje, para comprender mejor la evolución espaciotemporal del uso del suelo. La matriz de transferencia incluye una matriz de área de transferencia y una matriz de probabilidad.

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

Nota: R es el ratio de transferencia de cada tipo de uso de suelo ().

Como se puede observar en la Tabla 1, de 1989 a 2003, el área de transferencia de uso de suelo para construcción fue de 487,61 hm2, lo que representa 3,62 del área de terreno de construcción inicial, y no había una dirección de flujo obvia. . El área de transferencia de uso de suelo cultivado es de 17632,40 hm2, lo que representa el 49,85% del área de terreno cultivado inicial. La principal dirección del flujo es tierra de huerta, que fluye en 13835,82 hm2, lo que representa el 39,11% del área de terreno cultivado inicial, seguida. por terreno edificable, que fluye en 3508,77hm2, lo que representa 3508,77hm2 de la superficie cultivada inicial. El ratio de superficie es de 9,92. El área de transferencia de uso del agua es de 492,92 hm2, lo que representa el 8,72 del área de agua inicial. La dirección principal del flujo es tierra de jardín y bosque, y la proporción del área de agua inicial es 6,4. El área de transferencia de uso de suelo de jardín es de 1316,62 hm2, lo que representa el 7,89 del área de jardín inicial. La dirección principal del flujo es el terreno de construcción, que fluye en 759,25 hm2, lo que representa el 4,55 del área de jardín 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 transferencia de terreno no utilizada es de 2158,74 hm2, lo que representa el 47,24% de la superficie de terreno no utilizada inicial. La principal dirección del flujo es la tierra de jardín, que es de 1306,85 hm2, lo que representa el 28,60% de la superficie de terreno no utilizada inicial, seguida de la zona boscosa. y terrenos de construcción, la relación entre *** y la superficie de terreno inicial no utilizada es 12,89.

3.2 Mapa de información de uso de la tierra

En el mapa, hay 36 tipos de unidades de mapa, es decir, tipos de cambio de uso de la tierra, de los cuales 30 tipos muestran cambios en los tipos de uso de la tierra y contabilidad. para el 26.34 del área total del área de estudio. Para leer más fácil y claramente las direcciones principales de la transferencia del tipo de uso de la tierra y comprender las características principales de los cambios de uso de la tierra, las unidades del mapa de los 30 tipos de cambios se ordenaron según el tamaño del área y el porcentaje del área de conversión y la conversión acumulada. Se calculó el porcentaje de cada tipo de unidad de mapa, contando los 10 tipos de unidades de mapa que cubren el 92,04% del área total modificada, y se obtuvo la tabla de clasificación de áreas de los principales tipos de unidades de mapa de uso de la tierra de 1989 a 2003 (Tabla 2).

Tabla 2 Tabla de clasificación de áreas de los principales tipos de unidades cartográficas de uso de la tierra de 1989 a 2003

Como se puede ver en la Tabla 2, los cambios más significativos en el uso de la tierra en la ciudad de Longkou entre 1989 y 2003 La característica estructural es la transformación de terrenos cultivados en terrenos de huerta. La superficie de terreno cultivado en esta dirección es de 13.835,82 hm2, lo que representa el 58,89 de toda la superficie modificada. Seguida de la conversión de tierras cultivadas a tierras de construcción, la superficie es de 3.508,77 hm2, lo que representa el 14,93 de toda la superficie modificada. El tercero es la reconversión de terrenos en desuso en terrenos de huerta, con una superficie de 1.306,85 hm2, lo que supone el 5,56 de toda la superficie transformada.

Se puede observar que el tipo de uso del suelo en la ciudad de Longkou durante el período de estudio fue principalmente terrenos de construcción y terrenos para jardines.

4 Conclusiones

(1) Este estudio utilizó datos de Land Satellite ETM+ para realizar un seguimiento y análisis espacio-temporal del uso de la tierra en la ciudad de Longkou y, sin embargo, logró buenos resultados; resolución de ETM+ La tasa es baja. Refleja principalmente información completa sobre el tipo de tierra. Para algunas áreas con patrones de uso de la tierra fragmentados y tipos de uso de la tierra complejos, es difícil extraer características en el monitoreo detallado de los cambios en el uso de la tierra. es algo que falta. En futuras investigaciones, las imágenes satelitales de alta resolución deberían combinarse con la investigación, y deberían explorarse activamente nuevos métodos de monitoreo dinámico para aprovechar al máximo estos datos de detección remota de alta resolución para obtener información regional más confiable y precisa sobre el cambio de uso de la tierra.

(2) Cómo aprovechar al máximo los ricos datos geográficos auxiliares proporcionados por la base de datos espacial del sistema de información geográfica para descubrir automáticamente conocimientos e integrar datos de teledetección de alta resolución multiescala y multitemporal para establecer Un mecanismo de inferencia flexible y eficiente para completar la extracción automática de información temática a partir de imágenes de detección remota requiere una mayor dirección de investigación.

(3) El "mapa de información geocientífica" es una idea académica emergente. Todavía se encuentra en la etapa de reconocimiento y su comprensión aún no está muy madura. Necesita más académicos y más trabajo de investigación para mejorar su conocimiento. de ello. Este artículo utiliza tecnología de detección remota para realizar investigaciones cartográficas de información sobre la evolución y el desarrollo del uso de la tierra para invertir los cambios espaciotemporales, comprendiendo así el mundo objetivo y revelando y reproduciendo el pasado. Este es un enfoque técnico avanzado y factible.

(4) Los resultados de la investigación muestran que en la ciudad de Longkou, entre 1998 y 2003, los patrones de uso de la tierra se convirtieron entre sí con mayor frecuencia, la intensidad del cambio fue alta y las contradicciones fueron muy prominentes. Las principales manifestaciones son la continua disminución de las tierras cultivadas y el continuo aumento de las tierras de jardín y de construcción; la dirección principal del flujo es de las tierras cultivadas a las tierras de jardín y de construcción; Estos cambios han provocado que la calidad de la tierra cultivada en la ciudad de Longkou disminuya y el grado de utilización aumente, ejerciendo una enorme presión sobre la protección de la tierra cultivada. Por lo tanto, los departamentos de gestión de tierras deben prestar atención a la toma de decisiones macroeconómicas y manejar adecuadamente la relación entre el desarrollo social y económico y los recursos de reserva de tierras para implementar el desarrollo sostenible.

Referencias

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