基于遥感与GIS的县域土壤侵蚀时空动态监测方法

摘要

基于遥感与GIS的县域土壤侵蚀时空动态监测方法，涉及一种土壤侵蚀的监测方法。为了解决现有的土壤侵蚀监测方法需要配备大量专业技术人员以及需要人机交互才能实现的问题。本发明收集过去数年内的遥感影像和土壤侵蚀历史数据；并确定土壤侵蚀图中的图斑以及相应的土壤侵蚀类型和侵蚀强度；建立土壤的侵蚀向量；然后，提取待监测范围的遥感影像，生成判读图；针对判读图，根据映像区域的特征数据作为的判别特征，并确定判读图预划分区块的最终划分方案；以土壤的侵蚀向量为输出建立支持向量机的判别模型；获取待监测范围的更新遥感影像，并合成更新的判读图，通过判别模型对待监测范围的土壤侵蚀状况进行判别监测。本发明适用于土壤侵蚀的监测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤侵蚀的监测方法。

背景技术

土壤侵蚀动态监测，在国内外都是一项新的研究课题。土壤侵蚀是自然因素和人为因 素综合作用的结果。气候、植被、地形、土壤及土地利用等人为影响，均在土壤侵蚀的形 态、强度和空间分布上表现出来，并随着时间的推移而发生变化。要查明一段时间内土壤 侵蚀的动态变化，必须依赖多时相的遥感信息源才能实现。

现有的土壤侵蚀监测方法首先获得地形图、地质图、地貌图、植被图、土壤图、沙漠 化图、土壤侵蚀图、土地利用图、流域界线图和中国水土流失区划图等专业性图件，以及 TM影像；同时还要获得站点的水文、气象观测资料：包括水文站点的水文泥沙资料，实 验站的土壤侵蚀观测资料，淤地坝的泥沙淤积资料；及其他有关研究报告。

对资料组所提供的地形图资料和TM数据资料进行检查后，对地形图资料进行国界、 省界和县界的标描，然后对照新版地形图进行行政界线的订正和修改。质量检查合格后， 对照TM图像进行控制点的选取和行政界线及控制点的数字化录入，使用图像处理分析系 统对TM图像进行几何校正和镶嵌处理，最后实现省界、县界与图像的套合，将处理结果 以省为单位记入磁带，并提交各作业组进行图像解译分析。

通过土壤侵蚀强度参考指标要素分析，并根据土壤侵蚀类型和强度分级通过人机交互 技术进行勾绘，得到土壤侵蚀类型及强度分布图以及土壤侵蚀类型及强度分类数据。

此种方法虽然准确率较高，但是此种准确率是建立在具有丰富经验的专家对图像进行 准确判读的基础上，因此想要获得准确的土壤侵蚀的类型及强度分布图必须配备大量的专 业技术人员通过人机交互才能实现。

发明内容

本发明为了解决现有的土壤侵蚀监测方法需要配备大量专业技术人员以及需要人机 交互才能实现的问题。

基于遥感与GIS的县域土壤侵蚀时空动态监测方法，包括以下步骤：

步骤1、针对全国行政区域划分的县域，确定待监测范围；收集过去数年内待监测范 围内的遥感影像和土壤侵蚀历史数据；

步骤2、提取土壤侵蚀历史数据中的土壤侵蚀图，确定土壤侵蚀图中的图斑以及相应 的土壤侵蚀类型和侵蚀强度；并提取出土壤侵蚀图中的土地侵蚀情况；根据土地侵蚀情况 建立土壤的侵蚀向量(a,b,c)；a代表侵蚀类型，b代表侵蚀类型亚类，c代表侵蚀强度， 其中，若侵蚀类型无侵蚀类型亚类则以0表示，侵蚀类型不用划分侵蚀强度，即无侵蚀强 度以0表示；

步骤3、提取待监测范围的遥感影像，利用GIS将遥感影像和其对应的流域界线图、 地貌图和地质图进行合成，生成判读图；

步骤4、针对待监测范围的判读图，根据土壤侵蚀图中图斑的位置和面积，在判读图 中标记出与图斑的位置相同、面积相同的区域，记为映像区域；然后提取映像区域的颜色、 形状、位置、面积、阴影、纹理信息，并将颜色、形状、位置、面积、阴影、纹理信息存 储在数据库中作为的判别特征；

步骤5、利用图像识别技术对判读图进行区块划分，得到判读图的预划分区块，将预 划分区块和步骤4所述的映像区域进行对比，比较预划分区块和映像区域的相似度，并设 置预设值q，通过调整判别特征调整划分方案，当相映像区域与预划分区块的相似度大于 预设值q时，将该划分方案作为判读图预划分区块的最终划分方案；

步骤6、以步骤4所述的映像区域的判别特征为输入，以土壤的侵蚀向量(a,b,c)为输 出建立支持向量机的判别模型，并对判别模型进行训练，当判别模型的判别准确率大于判 别门限值w时，作为合格判别模型；否则，返回步骤4；

步骤7、获取待监测范围的更新遥感影像，并合成更新的判读图，利用步骤5所述的 预划分区块的最终划分方案对更新的判读图进行区块划分，提取更新的判读图的区块划分 后的各个区块的判别特征，并带入到合格判别模型，判别更新的判读图各个区块对应的土 壤侵蚀结果，进行动态监测。

为了实现动态明显的监测，本发明还包括：

步骤8、根据更新的判读图的土壤侵蚀结果，得到更新的判读图的土壤的侵蚀向量 (a′,b′,c′)；

针对待监测范围，欲比较更新时期对应的土壤侵蚀状况和过去某时刻的土壤侵蚀状况 的变化情况，提取过去某时刻对应的侵蚀向量(a,b,c)；

计算更新的判读图的土壤的侵蚀向量(a′,b′,c′)和过去某时刻对应判读图的土壤的侵 蚀向量(a,b,c)的距离d；

并根据更新的判读图的土壤的侵蚀向量(a′,b′,c′)和距离d对土壤侵蚀情况进行判 断，实现土壤侵蚀时空动态监测。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明是建立在过去大量专业技术成果之上的，因此只要前期收集的资料是通 过大量专家绘制的具有较高准确度的土壤侵蚀的类型及强度分布图以及其他资料，那么本 发明的方法准确度就比较高，与现有的配备大量专业技术人员通过人机交互进行土壤侵蚀 判读的方法的准确度几乎相同。

配备大量专业技术人员通过人机交互进行土壤侵蚀判读方法中，存在由于技术人员的 身体状况等原因可能导致判读准确率下降的可能性。而本发明却大大降低了这种可能性， 只要前期收集的资料是通过大量专家绘制的具有较高准确度的土壤侵蚀的类型及强度分 布图，那么本发明的判读准确率下降的可能性几乎为0。

(2)本发明是通过计算机对具有较高准确度的土壤侵蚀的类型及强度分布图进行分 析，完成判别模型，通过判别模型实现土壤侵蚀的类型及强度的自动判断，省去了人机交 互的环节，节省了大量的时间，降低了复杂程度；同时本发明可以大量减少专业技术人员 或者专家的数量。

附图说明

图1为法本发明流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

基于遥感与GIS的县域土壤侵蚀时空动态监测方法，包括以下步骤：

步骤1、针对全国行政区域划分的县域，确定待监测范围；收集过去数年内待监测范 围内的遥感影像和土壤侵蚀历史数据；

步骤2、提取土壤侵蚀历史数据中的土壤侵蚀图，确定土壤侵蚀图中的图斑以及相应 的土壤侵蚀类型和侵蚀强度；并提取出土壤侵蚀图中的土地侵蚀情况；根据土地侵蚀情况 建立土壤的侵蚀向量(a,b,c)；a代表侵蚀类型，b代表侵蚀类型亚类，c代表侵蚀强度， 其中，若侵蚀类型无侵蚀类型亚类则以0表示，侵蚀类型不用划分侵蚀强度，即无侵蚀强 度以0表示；

步骤3、提取待监测范围的遥感影像，利用GIS将遥感影像和其对应的流域界线图、 地貌图和地质图进行合成，生成判读图；

步骤4、针对待监测范围的判读图，根据土壤侵蚀图中图斑的位置和面积，在判读图 中标记出与图斑的位置相同、面积相同的区域，记为映像区域；然后提取映像区域的颜色、 形状、位置、面积、阴影、纹理信息，并将颜色、形状、位置、面积、阴影、纹理信息存 储在数据库中作为的判别特征；

步骤5、利用图像识别技术对判读图进行区块划分，得到判读图的预划分区块，将预 划分区块和步骤4所述的映像区域进行对比，比较预划分区块和映像区域的相似度，并设 置预设值q，通过调整判别特征调整划分方案，当相映像区域与预划分区块的相似度大于 预设值q时，将该划分方案作为判读图预划分区块的最终划分方案；

步骤6、以步骤4所述的映像区域的判别特征为输入，以土壤的侵蚀向量(a,b,c)为输 出建立支持向量机的判别模型，并对判别模型进行训练，当判别模型的判别准确率大于判 别门限值w时，作为合格判别模型；否则，返回步骤4；

步骤7、获取待监测范围的更新遥感影像，并合成更新的判读图，利用步骤5所述的 预划分区块的最终划分方案对更新的判读图进行区块划分，提取更新的判读图的区块划分 后的各个区块的判别特征，并带入到合格判别模型，判别更新的判读图各个区块对应的土 壤侵蚀结果，进行动态监测。

具体实施方式二：

本实施方式所述的基于遥感与GIS的县域土壤侵蚀时空动态监测方法还包括：

步骤8、根据更新的判读图的土壤侵蚀结果，得到更新的判读图的土壤的侵蚀向量 (a′,b′,c′)；

针对待监测范围，欲比较更新时期对应的土壤侵蚀状况和过去某时刻的土壤侵蚀状况 的变化情况，提取过去某时刻对应的侵蚀向量(a,b,c)；

计算更新的判读图的土壤的侵蚀向量(a′,b′,c′)和过去某时刻对应判读图的土壤的侵 蚀向量(a,b,c)的距离d；

并根据更新的判读图的土壤的侵蚀向量(a′,b′,c′)和距离d对土壤侵蚀情况进行判断， 实现土壤侵蚀时空动态监测。

其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式步骤5的具体过程如下：

步骤5.1、利用图像识别技术对判读图进行区块划分，得到判读图的预划分区块；

步骤5.2、对比预划分区块与映像区域的数目，若数目不相同，调整每块映像区域的 颜色、形状、位置、面积、阴影、纹理信息及，返回步骤5.1；否则执行步骤5.3；

步骤5.3、对比每个预划分区块与每个映像区域的位置是否相同，若位置不相同返回 步骤5.1，若相同执行步骤5.4；

步骤5.4、对比相同位置上的预划分区块与映像区域的形状和面积，当预划分区块与 映像区域形状相似度和面积相似度均大于设置预设值q时，将该划分方案作为判读图预划 分区块的最终划分方案；否则返回步骤5.1。

其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式步骤5.3的具体过程如下：

计算预划分区块的栅格在GIS中对应的地理坐标，计算映像区域的栅格在GIS中对 应的地理坐标，计算预划分区块的栅格的地理坐标与映像区域栅格的地理坐标相同的栅格 数目，当此栅格数目占预划分区块的栅格数目的97％以上且占映像区域栅格97％以上， 认为预划分区块与映像区域的位置相同，执行步骤5.4；否则认为不相同，返回步骤5.1。

其他步骤和参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：

本实施方式步骤5.4的具体过程如下：

选取预划分区块和与其位置对应映像区域，计算两者的面积大小，通过两者的面积大 小判断预划分区块和与其位置对应映像区域的面积相似度；同时计算预划分区块和映像区 域边界线的相似度，并将区域边界线的相似度作为形状相似度；并使面积相似度和形状相 似度均大于设置预设值q；此时，利用图像识别技术对判读图进行区块划分的划分方案即 为最终划分方案；否则返回步骤5.1。

其他步骤和参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述的遥感影像为经过校正后的TM遥感影像。

其他步骤和参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：

本实施方式步骤1所述的土壤侵蚀历史数据包括流域界线图、地貌图、土壤图、地质 图、植被图、沙漠画图、土地利用图和土壤侵蚀图。

其他步骤和参数与具体实施方式六相同。