中国水利水电研究院土地利用、DEM、GDP及人口数据技术服务

一．背景介绍

人类社会发展离不开土地，没有土地就没有人类，土地利用随着人类的出现而发生。人类为了一定的社会或经济方面的目的，会通过利用、改造等活动。从土地上获得更多的资源。土地利用既要受自然条件的制约，同时也会受到社会、经济、技术条件的影响，这就决定了它既是一个将土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程，也是一个自然、经济、社会诸多因素共同作用的复杂过程。土地利用的广度、深度和合理利用程度，是一个国家国民经济各部门生产建设规模、水平和特点的集中反映。随着城市化、工业化的发展以及人口数量的日益增长，协调好人地关系已经成为当前的迫切问题。

学术界对土地利用概念存在下列代表性的观点：（1）土地利用是人类通过与土地结合获得物质产品和服务的经济活动过程；（2）土地利用是指人类对待定土地投入劳动力资本，以期从土地得到某种欲望的满足；（3）土地利用是由自然条件和人为干预所决定的土地功能；（4）土地利用是指在既定时间、空间和特点地点的一切已开发和空闲土地的表面状况；（5）土地利用是指由土地质量特性和社会土地需求协调所决定的土地功能过程，即：人类根据土地质量特性开发利用土地，满足人类生产生活需要：同时利用土地改善环境满足人类生存的需要。

 DEM，即数字高程模型，是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，它在测绘、水文、气象、地质、土壤、工程建设、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础。

人口密度是单位面积土地上居住的人口数。它是表示世界各地人口的密集程度的指标。通常以每平方千米或每公顷内的常住人口为计算单位。

GDP(国内生产总值):是指一个国家(或地区)所有常住单位在一定时期内生产的全部最终产品和服务价值的总和，常被认为是衡量国家(或地区)经济状况的指标。

地理遥感生态网平台应中国水利水电研究院的要求，对坪山河流域约130平方km 2018年3月1:10万矢量土地利用数据、2013年10mDEM及2015年30m网格GDP、人口数据； 楠溪江流域约2436km²2000年和2018年1月1:10万矢量土地利用数据提供产品技术服务，以满足客户科研工作的需求。

二．案例详情

土地利用数据

本次土地利用数据技术服务的核心是：基于2000年与2018年Landsat-TM/OLI遥感影像生产1：10万土地利用数据产品，包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地在内的6个一级类和包括有林地、灌木林、疏林地、其他林地和高、中、低覆盖度草地等25个二级类型，本次技术服务主要流程如下：

1.数据制作流程

土地利用数据产品服务主要分为5个阶段，分别是数据准备、分类体系建立、解译标志建立、分类解译阶段和对解译结果的精度检查如图1所示。

            图1. 数据制作流程                    

2.土地利用分类体系

按照国家土地利用分类方法，结合刘纪远等在建设“中国20世纪LUCC时空平台”建立的LUCC分类系统，将土地利用类型归结为6个一级分类和25个二级分类，具体分类内容和含义如表1所示。

表1 土地利用/覆盖分类系统

 3.提取方法

土地利用数据是基于Landsat遥感信息源，结合实地调查和其他辅助数据，采用全数字化人机交互作业方法，主要根据对图像光谱、纹理、色调等的认识结合地形图目视解译而成；在内业建立解译判读标志与实现数据获取的基础上，结合外业实地考察验证，提高土地利用分类精度。

  4.遥感解译标志

由于目视解译更侧重于人的知识的参与，为了减少由于不同人员的主观差异性所造成的误差，提高遥感判读精度，建立统一解译标志是十分必要的。在多个专家的参与下，根据影像光谱特征，结合野外实测资料，同时参照有关地理图件，对地物的几何形状，颜色特征、纹理特征和空间分布情况进行分析，并在综合各位专家意见后，最终建立解译标志库，以部分解译标志为例，来说明判读标准，如表2所示。

表2部分土地利用解译标志

 5.质量控制与检查

各工序过程质量按要求进行过程检查 ,需进行100%检查。土地利用数据抽样检查主要是对获取的土地利用数据产品进行空间抽样检查，验证土地利用数据类型定性是否正确。验证的方式主要依靠高分影像（要考虑影像的时效性）与野外实地验证相结合的方式作业，未达到抽样精度90%的重新修正数据

6.技术服务成果展示

   本次产品加工技术服务成果如图1.所示：

图1. 楠溪江流域2018年土地利用现状图

DEM数据

本次技术服务的核心是：本项目采用资源三号卫星立体像对生成DEM的技术手段来生产所需DEM数据，利用遥感软件ENVI进行数据处理。

1.DEM数据服务建立方法

资源三号测绘卫星，简称ZY3，是中国第一颗民用高分辨率光学传输型测绘卫星，卫星于2012年1月9日发射，它搭载了四台光学相机，包括一台地面分辨率2.1m的正视全色TDI CCD相机、两台地面分辨率3.6m的前视和后视全色TDI CCD相机、一台地面分辨率5.8m的正视多光谱相机，数据主要用于地形图制图、高程建模以及资源调查等。卫星设置寿命5年，可长期、连续、稳定地获取立体全色影像、多光谱影像以及辅助数据，可对地球南北纬84度以内的地区实现无缝影像覆盖。

ENVI软件的DEM自动提取模块能够简单、快速地从扫描或者数字航空影像、摆扫式或推扫式卫星传感器，如ALOS PRISM, ASTER, CARTOSAT-1, FORMOSAT-2, GeoEye-1, IKONOS, KOMPSAT-2, OrbView-3, QuickBird, WorldView-1/2、SPOT1~6，以及国产的资源三号、天绘卫星系列等创建DEM。独特的向导工具使得DEM提取更加简便、自动；提取完成后还可以使用DEM编辑工具对DEM进行局部编辑；DEM模块全面支持RPC模型参数，尽可能用最少的地面控制点达到有效精度；重叠区可以选择基于灰度或者特征自动寻找匹配点，减少工作量。

具体工作步骤包含以下六步：

1）输入立体像对：一般左影像加载正视影像(NWD文件夹为正视影像文件夹) ；右影像加载后视影像(BWD影像为后视影像文件夹)或者前视（FWD文件夹为正视影像文件夹）。

2）定义地面控制点：软件提供三种定义地面控制点方式：不定义、交互式定义和读取控制点文件。如选择不定义控制点，提取的是相对对高程。

3）定义连接点：软件提供三种定义连接点方式：自动寻找、交互式手工定义和外部读取控制点文件。经测试，利用自动找点的功能可以对资源三号数据全自动的找到连接点。自动找点需要设置连接点个数、搜索窗口、移动窗口、点的相关性阈值等相应参数。自动找点的结果有时候一定误差，根据误差由大到小排序对Tie点的逐个检查删除或者修改误差大点，让Tie在许可范围内。

4）设定DEM提取参数：ENVI会生成核线图像，可以用于立体观测。设置输出像元大小为10m，并设置背景值、地形精细程度等参数。

5）输出DEM并检查结果。

6）编辑DEM并形成最终成果： 生成的DEM有些地方如果有厚云等，对获得的地形有影响，可以通过手动编辑来更改这些区域的高程数据。

表1. 编辑DEM高程值的几种方法

2.技术服务成果展示如下图2所示

图2.坪山河流域DEM空间分布图

GDP与人口

本次技术服务的核心是： 人口密度与GDP分布数据在专家的参与下，利用卫星遥感影像，获取土地利用类型信息，然后在高程、地貌、交通等多种空间数据以及人口、GDP相关统计资料背景信息的支持下，综合各位专家意见后建立数据模型，利用此关系模型生成1km×1km的栅格数据。

图3.坪山河流域2015GDP空间分布图

图4.坪山河流域2015人口空间分布图