毕业论文（设计）基于TM 影像和“北京一号” 小卫星的北京市土地利用变化遥感监测.doc

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1、基于TM影像和“北京一号”小卫星的北京市土地利用变化遥感监测牟凤云，张增祥，刘 斌，王长有，谭文彬中国科学院遥感应用研究所，北京 100101摘要：近20多年来，伴随着我国经济的高速发展，北京市出现了以城市化为主要特征的大规模的土地利用/覆盖变化，土地利用类型之间转化明显。利用1984年、1996年、2001年的陆地卫星TM影像和2005年的“北京一号”小卫星数据，得到北京市19842005年间的土地利用变化。结果表明：21年间北京市城市化进程明显，城镇用地面积由1984年的484.86 km2增加到2005年的1496.88 km2；土地利用现状具有明显的圈层结构，具有典型的大城市及其郊区用

2、地的特点；耕地面积持续减少，由1984年的5860.36 km2减少到2005年的4923.91 km2；农村居民点面积呈先减少后增加的趋势；非城镇用地类型之间存在明显的结构调整。经济的快速发展、政策法规的变革、人口的增长和卫星城的建设等因素促进了北京市近年来的土地利用变化。“北京一号”小卫星是我国第1颗拥有自主权的卫星，可以较好地用来进行土地利用信息的提取，在土地利用动态监测方面应用潜力巨大。关键词：北京市；TM影像；“北京一号”；土地利用；遥感监测； 中图分类号：F301.24 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）01-0094-08土地利用变化是全球变化中的重要组成部

3、分，是短期内人类活动对自然环境施加影响的显著表现形式。过去二十多年的时间里，中国城市用地扩展迅速1。北京市不仅是京津唐城市连绵带的主要城市，也是全国的重要城市。在改革开放政策的驱动下，随着中国加入世界贸易组织和北京申办奥运会成功，北京市得到较快发展，经历了一个经济和人口高速增长的过程，出现了以城市化为主要特征的大规模的土地利用/覆盖变化，土地利用类型之间转化明显。因此，研究北京市及其边缘地区土地利用/土地覆盖的动态变化具有重要意义。国内很多学者已从多个角度探讨了北京城市用地扩展的机制与特征。顾朝林利用20世纪70年代、80年代和90年代3个时段北京土地利用资料进行了北京市区土地利用/覆盖研究2

4、。方修琦等以历史地形图和TM影像为基础，分析了北京城市空间扩展规律3。刘长歧等以北京市中心区和近郊区为研究区域，利用第四次和第五次人口普查数据，分析了北京人口分布现状和变化特征及居住用地的空间分布变化，认为北京市的人口郊区化与居住用地的空间扩展过程是一种互动的效应关系4。梁进社等从城市功能及产业依存的观点，采用劳瑞模型分析北京的城市扩展和空间发展特点5。宗跃光等根据19922000年2000多个土地开发样本资料，在GIS的支持下，概括出城市用地5种扩展方式和廊道效应作用下的波浪式扩展过程6。何春阳等在长时间序列高分辨率Landsat TM/MSS数据的支持下，对北京地区19751997年城市化

5、基本过程和驱动机制进行了分析研究7。鲁奇等利用历史数据，对北京市近百年城市用地变化，从意识形态的改变、人口增长、制度政策方针的变革和经济科技能力等相关社会人文因素进行了分析8。冯健等利用2000年的第5次人口普查数据和1982年的第3次人口普查数据，采用因子分析和聚类分析技术研究了近20年来北京都市区的社会空间结构及其演化9。这些研究大都是利用历史资料和统计数据，从城市化或城郊化的角度入手，对北京市的用地变化进行的研究。目前利用长时间序列、多源遥感数据，对北京市土地利用的土地利用变化及其驱动机制进行系统的研究还比较薄弱。本文利用陆地卫星Landsat TM影像和“北京一号”小卫星数据，对北京市

6、19842005年快速城市化过程中复杂的土地利用变化进行了监测，并在此基础上对该区域土地利用变化的基本特征和原因进行了研究。1 研究区域与研究方法采用遥感方法对北京市的土地利用/土地覆盖进行了监测。在遥感图像处理软件平台MGE中，采用人机交互判读的方法对遥感影像进行人机交互目视判读，得到不同时期的土地利用现状。在GIS平台支持下对解译结果进行统计和分析，得到不同时间段的土地利用类型变化面积等信息。1.1 研究区概况 北京是中华人民共和国的首都，是全国的政治、经济和文化中心，是世界历史文化名城和古都之一。北京市位于北纬39284105，东经1152411730。北京位于华北平原的西北边缘，地势西

7、北高、东南低。北京北有军都山，西有西山，东南是向渤海倾斜的平原。北京为典型的暖温带大陆性季风气候。全市总面积16386 km2，其中山区占61.4%，平原占38.6%，全市共划16区、2县。2004年底，北京市总人口数为1162.9万人，暂住人口约341.5万人10。1.2 遥感信息源对于辖区土地利用的监测采用的遥感数据是季相较为一致、质量较好、轨道编号为12332的1984年、1996年、2001年TM数据和2005年的“北京一号”小卫星的多光谱数据。各期遥感信息均建立了良好的空间位置匹配关系，作为土地利用信息提取的主要数据源。“北京一号”小卫星是由北京宇视蓝图信息技术公司与英国萨里卫星技术

8、公司合作发展的一颗小型对地观测卫星。2005年10月27日，在俄罗斯成功发射。“北京一号”小卫星是灾害监测星座DMC的一颗，具有32米多光谱中分辨率和4 m全色高分辨率双遥感器，并有侧摆能力，可通过任务编排，实现对热点地区的重点观测。该星重访周期短，数据获取成本低，性能优越，姿态控制系统功能强。“北京一号”小卫星遥感影像覆盖范围广，32 m中分辨率的覆盖范围是600 km600 km，4 m全色高分辨率的覆盖范围是24 km24 km。本次使用的2005年11月14日的“北京一号”小卫星32 m的多光谱中分辨率数据能够完整再现2005年北京市的土地利用/土地覆盖状况。1.3 研究方法采用遥感与

9、GIS相结合的方法对北京市21年来的城市建成区进行了监测。在Intergraph MGE平台中，以北京市110万地形图为基准，采用最小二乘法计算分别对1984年、1996年、2001年TM影像和2005年“北京一号”小卫星数据进行几何精纠正。像元重采样采用最近邻点法或双线性插值法，影像的几何纠正误差一般不超过12个像元。采用双标准纬线等面积割圆锥投影、克拉索夫斯基椭球体和全国统一的中央经线和双标准纬线，中央经线为东经105，双纬线为北纬25和北纬47。参照全国土地利用分类方法11，将北京市的土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和其它用地等土地利用类型，其中耕地包括水田和旱地，林地

10、包括有林地、灌木林地、疏林地、其它林地，草地包括高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地，水域包括河流沟渠、湖泊、水库和池塘、滩地，建设用地包括农村居民点、城镇用地、工交等其它建设用地，其它用地包括沼泽地、裸土地、裸岩石砾地、海域等。在土地利用信息提取中，采用统一的分类体系和编码进行标注。在动态信息提取中，对未发生变化的区域保留原有土地利用类型和编码，对发生变化的区域采用统一的分类体系和动态编码进行标注。这种变化采用多位编码的方式，能够完整体现变化前、变化后及其时段信息。在Intergraph MGE平台的支持下，对几何精纠正过的2001年TM影像进行人机交互目视判读，得到北京市2001年土地利用现

11、状图。以此为基础，解译1984年、1996年的TM图像和2005年的“北京一号”小卫星数据，得到1984年、1996年、2005年的土地利用现状图。将判读结果在Intergraph MGE中以矢量格式导出，通过DxfArc交换文件，在Arc/Info中进行图形编辑、计算，形成1984年、1996年、2001年和2005年等四期土地利用状况，以及19841996年、19962001年、20012005年等三个时间段的土地利用类型动态变化。2 北京市土地利用变化遥感监测北京市土地利用开发历史悠久，经过自然与人文因素的综合作用，土地利用的程度和效益日益提高。随着北京市社会经济的快速发展，城市建成区不

12、断扩张，不仅对城市周边的土地利用产生了显著的影响，而且在北京市辖区内，土地利用也不断地在发生变化，土地利用具有明显的圈层结构的特点。2.1 北京市土地利用变化的基本情况北京市土地资源人均占有量少，可开发利用的土地资源不足，土地利用仍存在一定程度的粗放利用现象。目前全市未利用地中宜农地主要分布在延庆盆地、山前洪积扇、浅山缓坡及永定河沿岸，宜林、宜牧地主要分布在山区和半山区，开发利用有一定难度。耕地面积因农业内部结构调整占用和各项建设占用等减少过多。多年来建设用地以外延扩展为主，占用了大量土地,而实际利用效率较低,特别是前一时期“开发区热”和“房地产热”造成大量土地利用效益偏低，甚至造成闲置和浪费

13、；农村居民点中空心村、闲散地大量存在。城镇存量土地也还有相当潜力。农用地的实际利用水平和产出率偏低,耕地的有效利用面积和单产水平都不高。城区和近郊区，包括城区的东城、西城、崇文、宣武和近郊区的朝阳、海淀、丰台、石景山，占全市土地总面积的8.27%。本区可进一步分为城市中心地区和城市边缘集团地区两个区。其中，城市中心地区是整个首都城市的核心，是党政军机关和外事机构以及人口、产业的集中分布区，城市边缘集团地区则是城市人口和产业的转移区。本区人口密度大，土地开发利用程度高，效益好，但本区土地利用变化快，土地供需矛盾突出，土地利用结构和布局也不尽合理，环境污染严重。远郊平原区，包括通州区、大兴县的全部

14、和顺义区、房山区、昌平区、怀柔县、密云县和平谷县的平原部分，约占全市土地总面积的26.81%。区内地形平坦，土层深厚，水热等自然条件较优越，耕地集中连片，是首都的主要农副产品基地。随着首都城市建设和经济的快速发展，城镇、开发区及房地产等建设用地增长迅猛，占用了大量耕地和其它农用地，进一步加剧了农用地和建设用地的矛盾。图1 北京市1984年土地利用图Fig. 1 The land use of Beijing in 1984表1 1984年、1996年、2001年、2005年土地利用面积Tab 1 The area of each type of land use of Beijing in 1

15、984, 1996, 2001 and 2005 km2年份耕地林地草地水域城镇用地农村居民点用地独立工矿用地其他用地19845860.367288.71363.54400.20484.86837.69149.271.1519964625.157699.351362.01552.621006.43825.39296.9417.7720015547.306715.311494.83578.451028.81864.86152.164.0420054923.916932.701499.35520.641496.88901.56108.002.72远郊山区，包括门头沟区、延庆县的全部和房山、昌平、怀

16、柔、密云、顺义、平谷等区县的山区，约占全市土地总面积的69.92%。按土地利用的特点，又可分为浅山盆地区、深山区和水源保护区。山区人少地多，土地广阔，土地类型多样，资源丰富，适宜发展果林牧业及旅游业，山区也是首都重要的生态屏障和水源涵养地，但目前土地自然条件较差，许多地区坡陡土薄，土质较差，经营粗放，生产力水平低，生态环境脆弱，水土流失严重。2.2 北京市土地利用动态变化的主要特点基于陆地卫星TM影像和“北京一号”小卫星数据，共获得北京市19842005年间四个年度的土地利用现状和三个时间段的土地利用变化信息（表1，图1至图4）。21年的监测期间，北京市的发展导致城镇用地、农村居民点用地、草地

17、、水域和其它用地面积增加，耕地、林地、独立工矿用地等面积均明显减少（图5）。北京市的土地利用/覆盖变化表现出以下特征：（1）城市化过程明显，具有典型的大城市及其郊区用地的特点。从土地利用结构上看，北京市土地利用类型、利用方式复杂多样。除北京市建成区以外，其它城镇用地持续增加的幅度也很明显，主要通过占用耕地和农村居民点来实现。从19842005年期间，研究区内城镇用地面积增加迅速，由484.86 km2增加到1496.88 km2，所占比例由2.96%上升到9.14%，19841996、19962001、20012005年3个时期内的增长率分别为107.57%、2.22%、45.45%。图2 北

18、京市1996年土地利用图Fig. 2 The land use of Beijing in 1996图3 北京市2001年土地利用图Fig. 3 The land use of Beijing in 2001（2）农村居民点面积呈先减少后增加的趋势。从1984年到1996年，研究区内居民点用地变化不大，从837.69 km2减少到825.39 km2。19962001年，居民点面积持续增加，从825.39 km2增加到864.86 km2，所占比例从5.04%上升到5.28%，20012005年居民点面积继续增加，从864.86 km2增加到901.56 km2，所占比例上升到5.50%。整，

19、主要表现为耕地面积和林地面积持续减少、草地面积和水域面积不断增加，其它用地面积变化不大等特点。从19842005年，研究区内耕地面积由5860.36 km2减少到4923.91 km2，所占比例减少了5.72%；林地面积则由7288.70 km2降至6932.70 km2，所占比例减少了2.17%；同期草地面积增加，面积从1364.54 km2增加到了1499.35 km2，所占比例从8.32%上升到了9.15%。图4 北京市2005年土地利用图Fig. 4 The land use of Beijing in 2005不同时期的对比分析表明，北京市土地利用变化在19841996年、19962

20、001年、20012005年三个时间段存在明显的差异（图6）。A/km2图5 北京市1984年、1996年、2001年、2005年土地利用柱状图Fig. 5 The land use of Beijing in 1984, 1996, 2001 and 200519841996年，不同的土地利用类型之间相互转化明显。耕地面积减少显著，从5860.36km2减少至4625.15 km2；林地面积由7288.7 km2增加至7699.35 km2；水域面积由400.20 km2增加到552.62 km2，增长率为38.86%；城镇用地因占用大量的耕地和农村居民点而急剧扩展，面积从484.86 km

21、2迅速增长到1006.43 km2；农村居民点因为城镇用地的扩展，面积减少了12.32 km2；其它用地面积增长迅速，从1.15 km2增至17.77 km2；工矿用地面积增长了147.67 km2，增长率为98.93%。19962001年，农村居民点用地扩张、耕地和草地面积增加城镇用地继续扩张，使得林地和独立工矿用地急剧下降。耕地、城镇用地和农村居民点面积分别增加了922.15km2、22.38 km2和39.47 km2，其它用地相应的减少了109.56 km2。在此期间，林地面积变化最为显著。1996年林地面积为7699.35 km2，2001年林地面积急剧减少，减少了984.04 km

22、2，降幅达到了12.78%。工矿用地面积由296.94 km2减少急剧减少至152.16 km2。其它用地降幅也较为显著，由17.77 km2减少至4.04 km2。20012005年，耕地面积明显减少、城镇用地面积迅猛增加、农村居民点继续减少、其它用地变化不大。该期间，耕地面积减少了623.39 km2；城镇用地由原来的1028.81 km2增加到1496.88 km2，年均扩展117.02 km2，城镇化过程显著；农村居民点面积增加了36.70 km2，所占比例由5.28%增至5.50%；水域面积由2001年的578.45 km2减少为520.64 km2，年均减少14.45 km2。林地

23、、草地和其它用地的面积变化不大。耕地面积减少的部分大都转化为城镇用地。3 北京市土地利用变化的驱动力分析土地利用/土地覆盖是自然与人文过程交叉最为密切的问题，人们已从自然、社会和环境等方面对其进行综合研究。普遍认为，土地利用/覆盖变化是多种因素综合作用的结果，受到自然条件、人口增长、技术进步、政策法规、资本投入等多重因素的共同制约12-14。3.1 经济因素改革开放以来，北京地区经济水平发展迅速。1978年北京地区生产总值为108.84亿元，到1996年已达1615.73亿元，增长了13.85倍。2001年和2004年的GDP分别是2845.65亿元和4283.31亿元。地区生产总值得增加使得

24、居民收入也相应增加，人民的生活水平显著提高。1990年，人均GDP仅为4878元，1996年人均GDP增长至15044元，2001年和2004年人均GDP分别为25523元和37058元。GDP的增长不仅提高了城市建设资金总量，而且增加了科研投入，特别是提高农产品产量方面的科研投入15。图6 北京市不同时期土地利用类型构成Fig. 6 The land use type makeup of Beijing in different time 经济的高速发展一方面使得更多土地用于城市建设，另一方面也为城市建设提供了强有力的资金支持。1996年，全社会固定投资为876.9亿元，2001年和2004

25、年分别为1653.5亿元和2528.3亿元，相应的城市基础设施占全社会固定资产的投资比重分别是21.53%、23.29%和17.70%。通过偏相关分析发现，GDP增长更能解释城市用地的扩张，经济增长是城市用地扩展最重要、最根本的驱动因素16。3.2 政策法规 北京市近21年来土地利用的急剧变化，与国家政治、经济体制改革的根本背景及与之相应的制度和政策方针的变革（如农村的土地经营权与所有权的制度安排、城乡土地使用权的出让政策与制度、住宅建设和住宅私有化政策的变革、限制发展大城市政策的弱化等）密切相关8。20世纪50年代末期，北京市的城市规划提出要把北京建设成为现代化工业基地，重点建设东北郊工业区

26、、东郊工业区，以后又陆续建设了首钢等工业基地、西北郊文教区、使馆区等，在远郊地区发展一些卫星城镇，由于当时的经济水平较低，缺乏离心分散的发展能力，卫星城镇一直未形成规模。1983年经国务院批准的规划中，去掉了城市经济中心的职能，为了体现政治和文化中心的职能，机关、科研和大学的用地进一步扩展，也正是在80年代以后，远郊卫星城镇才逐渐发展起来。在1993年的城市规划中，则强调产业结构和用地布局的调整，即不再发展重工业尤其是污染扰民工业而大力促进高新技术产业及第三产业的发展；强调“分散集团式”布局，以及市区与远郊城镇间的快速交通系统的建设；强调城市新区开发与旧区改造的统一配套，以及保护和改善首都地区

27、的生态环境。上述种种规划措施无疑对北京的土地利用起到了重要影响，尤其是80年代以后，两次城市规模以及政策上的扶持，使得工业区、文教区、远郊卫星城镇等得到调整或发展9。在1993年修订的北京城市总体规划中，北京的东部和南部平原地区被确定为城市发展的主要地区。该区是北京市的机械、纺织、化工等传统产业的集中分布区。随着京昌、京汤、京怀工业用地的快速发展，北部正成为新的工业用地扩展活跃区。这对促进远郊区县农村经济的发展具有重大的积极意义20。2005年1月通过的北京城市总体规划（20042020年）中指出，在北京市域范围内，将构建“两轴两带多中心”的城市空间结构。在“两轴两带多中心”城市空间结构的基础

28、上，形成中心城新城镇的市域城镇结构。两带，包括通州、顺义、亦庄、怀柔、密云、平谷的“东部发展带”和包括大兴、房山、昌平、延庆、门头沟的“西部发展带”。新城是在原有卫星城基础上，承担疏解中心城人口和功能、集聚新的产业，带动区域发展的规模化城市地区。根据城市经济发展的趋势和区域联系的主导方向，将重点发展位于东部发展带上的通州、顺义和亦庄3个新城。3.3 人口增长 社会意识形态的改变和社会的进步，使得人们对更舒适的城市生产、生活水平和居住环境提出了更高的要求。近二十年来，北京地区总人口成倍增长，按统计资料北京市1978年的常住人口为872万人，2004年常住人口增至1493万人10。如此巨大的人口压

29、力以及他们的发展要求，对促进北京的城市化进程和土地利用类型之间的转换构成了巨大的推力。单因子回归分析表明，城市用地扩张与城市人口呈高度正相关关系21。3.4 卫星城建设卫星城既承担市区延伸的部分功能，大部分是区县政府所在地，是其所辖县区的政治、经济和文化中心，具有相对独立性。根据规划，到2010年，北京的14个卫星城建设用地总量将增至250 km2左右，其中离市区较近、发展条件较好的通州、亦庄和黄村确定为全市重点发展的卫星城。亦庄北京经济技术开发区，是北京发展新兴产业的重要基地，近年来建设发展迅速。2000年卫星城规划常住人口从1990年的108万增至160万左右，其中城市人口从80万增至12

30、0万左右，城市建设用地从1990年的155 km2增至200 km2左右。20l0年规划常住人口增加到200万左右，其中城市人口约160万左右，城市建设用地250 km2左右。21世纪中叶，卫星城的总人口可能增加到300万人以上。卫星城的加速发展一定程度上促使了城镇用地的扩展和耕地及林地等面积的迅速减少。4 结论与讨论北京市辖区的土地利用变化主要表现在19841996年和20012005年两个时期城镇用地急剧扩张导致耕地面积持续下降，农村居民点不断转化为城镇用地；林地、草地和水域在19841996年间迅速增加，但在19962001年间因转化为城镇用地和农村居民点而急剧减少。总之，从198420

31、05年，北京市的土地利用/覆盖变化表现出了城镇用地通过占用近郊的耕地和其它用地而迅速扩展、非城镇用地之间结构转化明显、城镇化过程显著的基本特征。经济的快速增长、人口的增加、政策法规的变革以及卫星城的建设等人文因素促使了北京市的土地利用变化。“北京一号”小卫星数据与陆地卫星数据结合应用于长时期的土地利用过程研究，效果良好。而且，该数据拥有自主权，多光谱、中等空间分辨率、光谱信息丰富、可解译程度较高、覆盖面广、重访周期短等，对现有全国土地利用数据库的更新，以及在资源环境研究等方面的应用潜力巨大。致谢：感谢二十一世纪空间信息技术有限公司提供的北京市2005年“北京一号”小卫星数据。参考文献：1 刘纪

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40、996:10.12 刘纪远, 刘明亮, 庄大方, 等. 中国近期土地利用变化的空间格局分析J. 中国科学D辑，2002，32（12）：1031-1040.LIU Jiyuan, LIU Mingliang, ZHUANG Dafang et al. Spatial pattern analysis on land use change in China J. Science in China Ser. D, 2002, 32(12): 1031-1040.13 李秀彬. 中国近20年来耕地面积的变化及其政策启示J. 自然资源学报, 1999, 4(4): 329-333.LI Xiubin.

41、Change of arable land area in China during the past 20 years and its policy implications J. Journal of Natural Resources, 1999, 14(4): 329-333.14 李平, 李秀彬, 刘学军. 我国现阶段土地利用变化驱动力的宏观分析. 地理研究, 2001, 20(2): 129-138.LI Ping, LI Xiubin, LIU Xuejun. Macro-analysis on the driving forces of the land-use change

42、in China J. Geographical Research, 2001, 20(2): 129-138.15 刘盛和, 吴传钧, 沈洪泉. 基于GIS的北京城市土地利用扩展模式J. 地理学报，2000，55（4）：407-416.LIU Shenghe, WU Chuanjun, SHEN Hongquan. A GIS based Model of Urban Land Use Growth in Beijing J. Acta Geographical Sinica, 2000, 55(4): 407-416.16 谈明洪, 李秀彬, 吕昌河. 我国城市用地扩张的驱动力分析J. 经

43、济地理, 2003, 23(5): 635-639.TAN Minghong, LI Xiubin, Lv Changhe. An analysis of driving forces of urban land expansion in China J. Economic Geography, 2003, 23(5): 635-639.Remote sensed monitoring of land use change in Beijing based on TM images and “Beijing-1”MU Fengyun, ZHANG Zengxiang, LIU Bin, WAN

44、G Changyou, TAN WenbinInstitute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, ChinaAbstract: The land use of Beijing changed manifestly with the improvement of economic condition characteristic by fast urbanization. Based on three Landsat TM images of 1984, 1996, 2001

45、and one “Beijing-1” data obtained in 2005, the land use characteristic of Beijing between 19842005 was concluded. The urban area was 484.86 km2 in 1984 and increased to 1496.88 km2 in 2005. The arable area decreased continually and mostly converted to rural area and urban area. The rural area decrea

46、sed in the beginning of the dynamic time and then increased in the other time. During the past 21 years, different land use type converted mutually which caused by many factors, such as the economic development, the population growth and the construction of satellite town. The driving mechanism of t

47、hese factors on urban built-up expansion was analyzed qualitatively. “Beijing-1” is collaborated by Beijing Landview Mapping Information Technology Co., Ltd. (BLMIT) and Surrey Satellite Technology Co., Ltd. (SSTL) that was launched successfully on 27th October in 2005. It has 32 m multispectral imager and 4 m panchromatic imager. “Beijing-1” is the first satellite that Beijing posses the whole manipulative right and can provide the Beijings remote sensing images periodically, that can service as the data base for the