高分一號衛(wèi)星重大工程用地監(jiān)測應(yīng)用評價研究

胡龍華

(1.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊，河北三河 065201;2.北京中色測繪院有限公司，北京 100012)

0 引言

運用遙感影像進行國土資源項目的調(diào)查研究，體現(xiàn)了遙感衛(wèi)星的時效性、科學(xué)性及先進性。進行重大工程項目半年監(jiān)測，可以及時掌握重大工程用地的變化趨勢、分布范圍及變化類型，對變化高發(fā)地區(qū)做出預(yù)警，為全國土地利用變更調(diào)查監(jiān)測與核查遙感監(jiān)測任務(wù)監(jiān)測區(qū)類別劃分、監(jiān)測重點確定提供依據(jù)，并為進一步推動國產(chǎn)資源衛(wèi)星應(yīng)用及擴大應(yīng)用范圍積累經(jīng)驗。開展重大工程用地監(jiān)測應(yīng)用評價研究，可為在區(qū)域或者全國范圍內(nèi)進行重大工程用地監(jiān)測產(chǎn)品加工積累經(jīng)驗和技術(shù)方法。

1 數(shù)據(jù)情況與研究內(nèi)容

1.1 數(shù)據(jù)情況

高分一號衛(wèi)星(簡稱GF－1)是國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項天基系統(tǒng)中的首發(fā)星，2013年4月26日發(fā)射升空［1］，具有時空協(xié)調(diào)、全天時、全天候、全球范圍觀測能力。設(shè)計壽命為5－8年，主要載荷為2 m全色/8 m多光譜/16 m寬幅多光譜的相機［2］，16 m多光譜數(shù)據(jù)幅寬800千米，可作為宏觀動態(tài)監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)全國及分省的全覆蓋監(jiān)測。GF－1衛(wèi)星主要載荷技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

表1 GF－1衛(wèi)星主要載荷技術(shù)指標(biāo)

表2 資源一號02C衛(wèi)星主要載荷技術(shù)指標(biāo)

1.2 研究內(nèi)容

首先利用GF－1衛(wèi)星16 m影像進行實驗區(qū)2014上半年重大工程監(jiān)測。其次在選取的實驗區(qū)采用資源一號02C衛(wèi)星［4］2.36m數(shù)據(jù)提取的變化圖斑為真值，對GF－1衛(wèi)星16 m數(shù)據(jù)的變化檢測能力進行對比分析，最后總結(jié)了GF－1衛(wèi)星16 m數(shù)據(jù)重大工程用地監(jiān)測的技術(shù)流程，為其在全國范圍內(nèi)進行重大工程用地監(jiān)測提供參考依據(jù)。

1.3 技術(shù)流程

基于GF－1衛(wèi)星16 m影像數(shù)據(jù)某實驗區(qū)的2014上半年重大工程監(jiān)測項目主要包括DOM制作、變化信息提取、不同精度數(shù)據(jù)對比分析等環(huán)節(jié)。

首先，針對GF－1衛(wèi)星16m影像數(shù)據(jù)進行糾正、波段組合、鑲嵌、色調(diào)調(diào)整與裁切等處理，制作遙感正射影像圖，形成GF－1衛(wèi)星16m影像進行土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測的技術(shù)流程。其次，利用前后時相影像進行了變化信息提取、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。最后，采用資源一號02C衛(wèi)星2.36 m數(shù)據(jù)提取的變化圖斑為真值，對GF－1衛(wèi)星16米數(shù)據(jù)的變化檢測能力進行對比分析。本次研究的總體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)流程

2 影像制作

GF－1數(shù)據(jù)從原始數(shù)據(jù)到可用于具體項目的正射遙感影像圖，中間要經(jīng)過影像糾正、波段組合、影像鑲嵌、色調(diào)調(diào)整與裁切等處理。

2.1 波段組合

GF－116m數(shù)據(jù)無全色數(shù)據(jù)，所以僅需要對其進行波段組合。本次研究GF－1衛(wèi)星16m數(shù)據(jù)采用 Band1，Band4*0.8+Band2*0.2，Band3［5］的波段合成算法，以最大程度地利用各波段的信息量，輔助影像的判讀與分析。

2.2 影像糾正

GF－1衛(wèi)星16 m數(shù)據(jù)糾正模型選用的是有理函數(shù)模型，使用SRTM 90 mDEM作為高程數(shù)據(jù)來源。在糾正控制點的布設(shè)上，堅持均勻布設(shè)的原則，在山地、高山地等特殊困難地區(qū)適當(dāng)增加控制點，按0.5 m的倍數(shù)就近采樣［6］，重采樣間隔為15 m，以保證糾正精度［7］，其相對誤差限差精度見表3所示。

表3 相對誤差限差精度

2.3 影像鑲嵌

GF－1衛(wèi)星16 m數(shù)據(jù)糾正完成后，對影像進行鑲嵌，制作實驗區(qū)范圍遙感影像。影像鑲嵌前，首先對相鄰影像間重疊精度進行檢查。鑲嵌時盡可能保留了分辨率高、時相新、云霧量少、質(zhì)量好的影像。鑲嵌線應(yīng)盡量選取線狀地物或地塊邊界等明顯分界線，以便使鑲嵌影像中的拼縫盡可能的消除，使不同時相影像鑲嵌時保證同一地塊完整，有利于判讀。且鑲嵌后影像應(yīng)避開云、霧、雪及其他質(zhì)量相對較差的區(qū)域，使鑲嵌處無裂縫、模糊、重影現(xiàn)象。

激勵機制在區(qū)塊鏈中有重要的作用，它使得人們對聯(lián)盟節(jié)點的行為可以預(yù)期，進而產(chǎn)生信任。以無組織算力聯(lián)盟為例，聯(lián)盟成員一般不會特意地阻斷某一個交易，聯(lián)盟成員會努力計算，期望自己獲得區(qū)塊的獎勵。這種可預(yù)期的行為是信任產(chǎn)生的基礎(chǔ)。所以區(qū)塊鏈的可信與區(qū)塊鏈節(jié)點行為的可預(yù)期相關(guān)，而行為的可預(yù)期則與激勵機制相關(guān)。比特幣長期的實踐經(jīng)驗告訴我們：激勵良好且相互制衡的聯(lián)盟成員行為可以預(yù)期、可以信任。在有組織的聯(lián)盟中，激勵機制同樣是不可或缺的，在其治理下，可以使用獎懲的方法，并且形式也可以多樣化，可以不使用貨幣，形成所謂的無幣區(qū)塊鏈項目。

2.4 色調(diào)調(diào)整與裁切

對影像進行色彩調(diào)整是保證成果質(zhì)量的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，波段組合后影像通常亮度偏低、灰度分布動態(tài)范圍小，色彩不夠豐富。對波段組合后的影像進行線性或非線性拉伸、亮度對比度、色彩平衡［8］、色度、飽和度和明度調(diào)整等方法進行色調(diào)調(diào)整，處理后的影像要達到灰度分布具有較大動態(tài)范圍，紋理清晰、色調(diào)均勻、反差適中，色彩接近自然真彩色，可以清晰判別建設(shè)用地、耕地等重要地類類型。

本次研究利用實驗區(qū)行政邊界外擴1.5公里對鑲嵌后DOM進行裁切處理，形成遙感影像圖。裁切線至最小外接矩形之間的區(qū)域填充黑色(RGB值為:0，0，0)，裁切線邊緣及填充區(qū)無其他任何異常值。

3 變化信息提取

實驗區(qū)重大工程用地變化信息提取是在GIS平臺下，疊加前后兩個時相的遙感影像，利用“拉窗簾”方法［9］，進行人機交互變化信息的發(fā)現(xiàn)、判讀與提取。精度要求最小監(jiān)測圖斑面積為15畝，監(jiān)測圖斑邊界與影像套合的平均偏移量不得超過1個像元。

3.1 信息提取方法

通過GF－1遙感影像的成像方式，建立作業(yè)區(qū)主要地類的解譯標(biāo)志。然后在統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系下，將前后時相遙感影像圖、自動變化信息發(fā)現(xiàn)結(jié)果輸入到GIS系統(tǒng)中，采用人機交互解譯方法，參考作業(yè)區(qū)影像解譯標(biāo)志，進行變化圖斑的提取，對所有監(jiān)測圖斑建立拓撲關(guān)系、填寫屬性表、統(tǒng)計圖斑面積，并以作業(yè)區(qū)為單位進行圖斑編號。GF－1數(shù)據(jù)應(yīng)用示范技術(shù)流程見圖2所示。

圖2 GF－1數(shù)據(jù)應(yīng)用示范技術(shù)流程

3.2 建立監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)圖層

根據(jù)變化信息提取工作的具體內(nèi)容，定義變化信息圖斑層的字段名稱、字段類型及字段長度等內(nèi)容，以影像坐標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，生成監(jiān)測圖斑矢量數(shù)據(jù)圖層。以兩期影像為基礎(chǔ)，建立新增建設(shè)用地圖斑矢量數(shù)據(jù)層，基于GIS軟件建立圖斑的拓撲關(guān)系，生成圖斑屬性表，監(jiān)測圖斑屬性表結(jié)構(gòu)見表4所示。

3.3 圖斑類型界定

新增建設(shè)用地類型的確定方法是以圈出的新增建設(shè)用地區(qū)域為模板罩在前后時相影像上面，交互顯示兩個時相的圖像，結(jié)合目視解譯判斷新增建設(shè)用地區(qū)域在兩個時相上對應(yīng)的地物類型。當(dāng)一個變化圖斑占用2種以上地類時，則按占用地類邊界分割此圖斑，保證圖斑變化前后地類的一一對應(yīng)。當(dāng)只憑影像特征難以確定地物類型時，參考土地利用圖等相關(guān)資料。影像判讀的準(zhǔn)確性一方面有賴于判讀經(jīng)驗的積累和判讀相關(guān)知識的輔助，另一方面還充分結(jié)合了各種已有數(shù)據(jù)資料協(xié)助判讀。

經(jīng)驗法:根據(jù)積累的判讀經(jīng)驗及掌握的相關(guān)知識可以輔助地類判讀，進行快速屬性判斷。

表4 監(jiān)測圖斑屬性表結(jié)構(gòu)

資料輔助推斷法:不能通過已有經(jīng)驗準(zhǔn)確判讀的圖斑，需結(jié)合各種已有數(shù)據(jù)資料來協(xié)助判讀。包括地形、地貌特征、土壤類型及分布、氣候條件等自然地理因素，以及耕作方式、國民經(jīng)濟發(fā)展水平、人民生活習(xí)慣等社會經(jīng)濟因素，都可以輔助判斷變化地類屬性。

周邊推斷法:依據(jù)周邊相似地物的地類、區(qū)位特點等輔助判斷變化地類屬性。

借助于這些方法，在影像判讀和圖斑類型的確定會更加合理，增加內(nèi)業(yè)工作的可信度和提高遙感影像解譯的準(zhǔn)確性。

3.4 變化圖斑分布

實驗區(qū)重大工程用地變化圖斑分布如圖3所示。

圖3 實驗區(qū)變化圖斑分布圖

4 精度評價

實驗區(qū)采用資源一號02C衛(wèi)星2.36 m(采樣為2.5 m)影像共提取監(jiān)測圖斑394塊，面積3859.1畝。采用16 mGF－1(采樣為15 m)數(shù)據(jù)共勾繪圖斑292塊，其中正確圖斑數(shù)量為270塊，占總圖斑個數(shù)百分比為92.47%;總面積4868.8畝，其中正確圖斑面積為4573.5畝，占總圖斑面積百分比為93.93%。16 m GF－1數(shù)據(jù)(最小上圖面積為15畝)遺漏的124塊圖斑中，111塊為5畝以下圖斑(小于上圖面積)，22塊偽圖斑中17塊為15畝以下圖斑(小于上圖面積)。

下面分別從判別精度、面積精度和最小可監(jiān)測圖斑三方面對GF－1衛(wèi)星16 m數(shù)據(jù)進行精度評價。

4.1 判別精度

GF－1數(shù)據(jù)變化圖斑中小于等于10畝正確圖斑數(shù)量百分比分別為86.41%;10－15(含)畝正確圖斑數(shù)量百分比分別為82.35%;15－30(含)畝正確圖斑數(shù)量百分比分別為71.43%;30－60(含)畝正確圖斑數(shù)量百分比100.00%;大于60畝正確圖斑數(shù)量百分比分別為90.00%。GF－1數(shù)據(jù)圖斑個數(shù)各分檔監(jiān)測精度分布情況見表5所示。

表5 GF－1數(shù)據(jù)圖斑個數(shù)各分檔監(jiān)測精度分布情況

GF－1數(shù)據(jù)變化圖斑中小于等于10畝正確圖斑面積百分比分別為80.84%;10－15(含)畝正確圖斑面積百分比分別為81.36%;15－30(含)畝正確圖斑面積百分比分別為71.98%;30－60(含)畝正確圖斑數(shù)量百分比為100.00%;大于60畝正確圖斑面積百分比分別為94.91%。GF－1數(shù)據(jù)圖斑面積各分檔監(jiān)測精度分布情況見表6所示。

表6 GF－1數(shù)據(jù)圖斑面積各分檔監(jiān)測精度分布情況

4.2 面積精度

每個面積分檔按照比例隨機抽取圖斑，按10畝(含)以下、10－15(含)畝、15－30(含)畝、30 －60(含)畝、大于60畝5個分檔進行了面積精度評價。其中:10畝(含)以下圖斑單個圖斑中誤差為1.06畝，平均差異程度為22.36%;10－15(含)畝圖斑單個圖斑中誤差為2.23畝，平均差異程度為9.93%;15－30(含)畝圖斑單個圖斑中誤差為4.21畝，平均差異程度為16.79%;30－60(含)畝圖斑單個圖斑中誤差為6.01畝，平均差異程度為15.53%;大于60畝圖斑單個圖斑中誤差為14.71畝，平均差異程度為13.27%。

4.3 最小可監(jiān)測圖斑

5畝以下圖斑從影像看共10－30個像元左右，其中大部分為混合像元，圖斑邊界不易判定，面積誤差相對較大;在影像特征方面，大棚等與建筑等無法明確區(qū)分，易出現(xiàn)偽圖斑情況。結(jié)合試驗區(qū)監(jiān)測圖斑提取情況，最小監(jiān)測圖斑面積定為15畝，可避免出現(xiàn)大量小面積偽圖斑的情況，提高圖斑提取精度，提高工作效率。

5 結(jié)論

通過對實驗區(qū)重大工程用地監(jiān)測的研究，采用02C 2.36 m數(shù)據(jù)對GF－1衛(wèi)星16 m數(shù)據(jù)變化信息圖斑進行精度評價。變化信息圖斑面積分為10畝(含)以下、10－15(含)畝、15－30(含)畝、30－60(含)畝、大于60畝5個分檔，整體精度來看，圖斑大于15畝時，判別精度較穩(wěn)定。因此本文總結(jié)了基于GF－1衛(wèi)星16 m數(shù)據(jù)重大工程用地監(jiān)測的技術(shù)流程，為其在全國范圍內(nèi)進行重大工程用地監(jiān)測提供參考依據(jù)。

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