【技术实现步骤摘要】
基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法
本专利技术涉及的是一种基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法，属于环境监测与保护
技术介绍
土地利用/土地覆盖变化（LandUse/CoverChange，LUCC）真实地再现了地表景观的时空动态变化过程，是人类社会经济活动与自然环境相互作用最直观的表现形式，其空间格局表征了人-地关系在不同空间和时间尺度上的作用强度与作用模式，反映了生态环境结构、格局和功能的变化，影响着生态环境的阈值和服务功能输出类型。土地利用/覆盖对维持生态系统服务功能起着决定性的作用，它客观地记录了地球表面空间格局特征的变化过程，真实地再现了地球表面景观的时空动态变化，而且时空变化特征与生物圈-大气交互作用、全球气候变化、地球化学循环、生物多样性、生态环境演变以及资源的可持续发展等有着密切的关系。生态环境要素的物理化学性状与物质能量循环通常因受到不同土地利用方式和景观格局的影响而存在着很大的差异性，并最终引起生态环境结构和功能的复杂性和抗干扰能力的演变。因此，土地利用/覆被时空演变研究对于生态环境质量监测有着重要的研究价值和理论意义。土地利用/覆被变化是全球变化、地球系统科学和区域可持续发展中自然与人文过程交叉最为密切的问题，是自然和社会科学综合研究的切入点。国际地圈与生物圈计划（IGBP）、全球变化人文因素计划（IHDP）、全球土地计划（GLP）等均将土地利用/覆被变化作为全球变化研究的前沿问题和热点课题。目前，国际上有多种不同尺度的土地利用/覆被数据集，如美国马里兰大学的全球土地覆盖数据集Umd（空间分辨率为1km、8...
【技术保护点】
1.基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法，其特征在于包括如下步骤：（1）多源土地利用/覆被数据的几何配准；（2）多源土地利用/覆被数据的尺度转换；（3）多源土地利用/覆被数据的数据转换；（4）基于多源土地利用/覆被的先验知识提取；（5）基于先验知识的土地利用/覆被信息提取；（6）长时间序列土地利用/覆被空间监测；（7）土地利用/覆被信息时空模拟与预测。
【技术特征摘要】
1.基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法，其特征在于包括如下步骤：（1）多源土地利用/覆被数据的几何配准；（2）多源土地利用/覆被数据的尺度转换；（3）多源土地利用/覆被数据的数据转换；（4）基于多源土地利用/覆被的先验知识提取；（5）基于先验知识的土地利用/覆被信息提取；（6）长时间序列土地利用/覆被空间监测；（7）土地利用/覆被信息时空模拟与预测。2.根据权利要求1所述的基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法，其特征是所述步骤（1）多源土地利用/覆被数据的几何配准，包括以下方法：1）根据《国土资源数据2000国家大地坐标系转换技术要求》，大地坐标系采用CGCS2000坐标框架和1985国家高程基准，平面坐标投影采用高斯—克吕格投影3°，将高斯—克吕格平面投影转换为大地坐标，重新生成2000国家大地坐标系方里网，计算坐标改正量，按照双线性内插方法逐点完成国家大地坐标的转换，继而转换为CGCS2000坐标系下的高斯—克吕格平面投影；若上述数据中的投影为北京54坐标系，则首先计算1954年北京坐标系至1980西安坐标系转换改正量，继而计算1980西安坐标系向2000国家大地坐标系转换改正量，将两改正量叠加形成1954年北京坐标系向2000国家大地坐标系转换改正量，对于栅格数据而言，转换坐标后，修改其头文件坐标；若获取的遥感数据为原始影像，则可根据带有2000国家大地坐标系的标准地形图和地图参数完成中国第三次调查参考数据的几何配准；其中，1980西安坐标系与2000国家大地坐标改正量计算方法为：上式中，(B,L)为大地坐标系坐标，和分别为IAG75椭球与CGCS2000大地坐标系椭球长半轴半径和第一偏心率平方之差，，。双线性内插方法可表示为：上式中，(x,y,Z(x,y))为待定点的三维坐标，(x1,y1,Z(x1,y1))和(x2,y2,Z(x2,y2))分别为已知点的三维坐标；2）已有的中国第一次土地调查数据、第二次土地调查数据、地理底图数据和国际中/小尺度土地调查参考数据等其他相关数据也基于上述坐标转换方法进行转换；3）以已完成坐标转换的土地调查参考数据和地图数据为基准数据，根据国际已有土地利用/覆被产品的投影信息对其进行归类，分别对各个数据进行捆绑处理，通过提取不同土地利用/覆被产品中与基准数据相匹配的特征点，计算各个特征点残差值，利用控制残差值来剔除误差较大的特征点，进而基于双线性内插方法完成不同土地利用/覆被产品向2000国家大地坐标系的转换；4）首先，利用梯度交叉算法的小波变换方法分别提取出土地利用/覆被产品与参考基准数据的空间域和频率域，获取二者梯度交叉变化中的最大值和最小值，即栅格数据的特征点；其次，对比分析土地利用/覆被产品中的特征点和基准数据中的特征点，进行初步几何匹配；最后，采用八邻域算法对土地利用/覆被产品中的特征点所选取的位置进行优化，根据特征点残差值进行剔除，进而利用双线性内插方法进行几何配准，实现土地利用/覆被产品向基准数据的坐标转换；其中，小波变化方法可表示为：上式中，为二维小波母函数，，且；b为平移参数，对应于时空信息。在提取空间域和频率域的最大值和最小值时，分别计算二者梯度变化，进而利用二者梯度拐点信息，获取特征点。在匹配过程中，利用八邻域算法来搜索特征点的空间位置，比较分析不同土地利用产品特征点间位置的残差值，确定最佳特征位置。3.根据权利要求1所述的基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法，其特征是所述步骤（2）多源土地利用/覆被数据的尺度转换，包括以下方法：1）以30×30m的空间分辨率为尺度转换基准，将不同时期、不同尺度的土地利用/覆被数据产品按时间序列来进行空间叠加处理，利用矢量夹角法来探测不同时期数据产品的变化特征，从空间上将不同土地利用类型进行分块、分区升/降尺度转换；矢量夹角可表示为：上式中，x、y分别为土地利用覆被产品的二维坐标位置；z为土地利用/覆被产品的属性值；，则表示土地利用/覆被类型未发生改变；，则表示土地利用/覆被类型发生改变，进而根据土地利用覆被阈值范围判定土地利用/覆被变化状况，开展分区、分块数据管理；2）所述矢量夹角法是通过构建空间矢量矩阵，设置相应的矢量角度阈值，探测不同土地利用/覆被产品的时空差异性，为尺度转换的分区、分块提供目标区域；当矢量角度值高于阈值时，则反映相应区域的土地利用/覆被状况长期发生了明显变化，反之当矢量角度值低于阈值时，即相应区域的土地利用/覆被状况长期未发生了明显变化；3）利用上述特征将土地利用/覆被产品划分为变化图斑和未变化图斑，针对未变化的图斑，采用计算量小、效率高的算法如最邻近法、双线性插值法和非线性回归模型进行尺度升/降转换，针对发生变化的图斑，采用多维交叉模型来实现不同土地利用/覆被产品的尺度转换和数据修正；其中：多维交叉模型可拆分成两部分，即：利用空间重采样的方式使土地利用/覆被产品转换为目标尺度的土地利用/覆被产品；利用矢量夹角方法分析时间序列土地利用/覆被产品特定空间位置下相应类型发生变化的异常属性值（其产生可能由于信息提取精度等方面因素影响），则需对异常属性值进行线性拟合，即：上式中，为异常属性拟合值；为土地利用/覆被类型置信值，其可根据土地利用/覆被产品类型代码的概率可信度来取值；b为矢量三维坐标截距；4）在尺度转换过程中，从二维空间出发，利用基于面向对象的尺度转换方法如小波分析法和分形方法对不同时期的土地利用/覆被产品进行尺度转换；从时间维度出发，根据不同时期数据产品的可持续性，以区域起始和最新土地利用/覆被产品为时间节点，参照信息精度相对较高的土地利用/覆被产品为信息参考，采用线性插值法、最临近法和平滑法来降低不同数据产品在尺度转换中所产生的信息缺失或误差，以保证同一区域土地利用/覆被信息变化的连续性。4.根据权利要求1所述的基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法，其特征是所述步骤（3）多源土地利用/覆被数据的数据转换，包括以下方法：1）采用《生态十年环境监测土地覆盖分类系统》作为土地利用/覆被产品数据转换的参考系统或过渡系统，建立其他土地利用/覆被产品的分类系统与《生态十年环境监测土地覆盖分类系统》间的土地利用/覆被信息代码查找表，建立原始数据产品分类系统与目标数据产品分类系统间的映射对应关系；2）将各土地利用/覆被代码分别重新定义为101,102，……，138等带有序列的数字作为中间替代代码，构建时空数据语义转换通道，对土地利用/覆被要素图斑进行制图综合操作，完成不同时期和形式土地利用/覆被数据产品的重构。5.根据权利要求1所述的基于先验知识的土地利用/覆被信息时空监测方法，其特征是所述步骤（4）基于多源土地利用/覆被的先验知识提取，包括以下方法：1）利用矢量夹角法对土地利用/覆被产品的叠加数据结果进行探...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨强，郑加柱，陈红华，陈动，陈健，史玉峰，何龙江，魏浩翰，周权平，姜月华，张洁，蔡逸涛，刘林，
申请(专利权)人：南京林业大学，中国地质调查局南京地质调查中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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