GF-1與TM影像對高潛水位礦區(qū)地表監(jiān)測的比較分析?

肖 武李素萃徐建飛呂雪嬌王 錚（.中國礦業(yè)大學(xué)?。ū本┩恋貜?fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，00083；.中國礦業(yè)大學(xué)　（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京市海淀區(qū)，00083）

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GF-1與TM影像對高潛水位礦區(qū)地表監(jiān)測的比較分析?

肖 武2李素萃1徐建飛1呂雪嬌1王 錚1
（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京市海淀區(qū)，100083）

摘 要高潛水位礦區(qū)會因煤炭資源的開采使大量優(yōu)質(zhì)耕地淪為積水區(qū)，對礦區(qū)的糧食安全和生態(tài)經(jīng)濟(jì)安全造成嚴(yán)重影響，為了有效降低耕地的損失率和改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，以山東濟(jì)寧東灘礦為例，采用具有高空間和時間分辨率特點的高分一號衛(wèi)星（GF-1）與TM影像的地表監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較，驗證GF-1對礦區(qū)地表監(jiān)測的適用性。GF-1數(shù)據(jù)具有更高的時間分辨率，可作為礦區(qū)地表監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)源，有助于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和景觀格局的動態(tài)監(jiān)測，從而更好的建設(shè)生態(tài)、綠色和安全的礦區(qū)環(huán)境。

關(guān)鍵詞高分系列衛(wèi)星 TM影像 高潛水位 地表監(jiān)測

中國東部礦區(qū)多為高潛水位礦區(qū)且多為煤炭和糧食的復(fù)合區(qū)，故而煤炭開采對地表造成擾動，大量優(yōu)質(zhì)耕地塌陷為積水區(qū)。東部高潛水位礦區(qū)的地表監(jiān)測承受著國家糧食安全和生態(tài)安全的雙重壓力，加強(qiáng)對高潛水位礦區(qū)地表的實時監(jiān)測，有助于選擇合適的復(fù)墾時機(jī)及復(fù)墾技術(shù)從而有效的降低耕地?fù)p失率，為改善地表生態(tài)環(huán)境以及景觀格局優(yōu)化等規(guī)劃具有很好的借鑒。選取山東省濟(jì)寧市高潛水位東灘煤礦為例，對三種數(shù)據(jù)進(jìn)行地表覆蓋的提取比較研究，并根據(jù)高潛水位礦區(qū)的特點針對研究區(qū)提取的水域進(jìn)行詳細(xì)的精度對比分析。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)為山東省濟(jì)寧市境內(nèi)的東灘煤礦，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°50′49″～116°56′56″，北緯35°24′11″～35°31′25″，其地跨曲阜、鄒城和兗州。礦區(qū)是第四系山前傾斜沖積－洪積平原，位于魯中低山丘陵到平原洼地的過度地帶，整體地勢由西南向東北逐漸升高，但坡度平緩。地面標(biāo)高在+42.46～+54.58 m，潛水位埋深約為2 m，屬于高潛水位礦區(qū)。該區(qū)屬于溫帶季風(fēng)、溫帶海洋與溫帶大陸性氣候的過渡地區(qū)，四季分明，平均降水量約為715.54 mm/a，年平均氣溫約為14℃。土壤類型多為褐土，土地質(zhì)地良好，土壤肥沃，是重要的糧食產(chǎn)區(qū)。均為季節(jié)性河流的白馬河和泥河是礦區(qū)內(nèi)的主要河流，向南匯入南陽湖，研究區(qū)地下水資源充足。東灘礦自1989年投產(chǎn)以來，對3#煤層進(jìn)行開采，地面已經(jīng)形成了大面積的沉陷區(qū)，加之潛水位較高而匯集為大水面。

2　研究材料與方法

2.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)來源

GF-1衛(wèi)星發(fā)射于2013年4月26日，是中國民用高分衛(wèi)星的首發(fā)星，其配備了2 m分辨率全色和8 m分辨率多光譜相機(jī)（PMS）各1臺，4臺16 m分辨率多光譜寬幅相機(jī)（WFV），其覆蓋周期為41 d（側(cè)擺時4 d）。Landsat-8傳感器OLI包含15 m分辯率全色和30 m分辯率多光譜波段。兩者都具有藍(lán)、綠、紅和近紅外波段，且都為太陽同步軌道；TM數(shù)據(jù)光譜信息更為豐富，但光譜分辨率卻不及GF-1；GF-1重訪周期以其PMS的4 d 和WFV的2 d相比TM數(shù)據(jù)的16 d可獲取更高頻次的影像數(shù)據(jù)，用于高時間分辨率，兩種數(shù)據(jù)各有優(yōu)劣。具體軌道參數(shù)和載荷技術(shù)指標(biāo)見表1。

該研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)系為WGS_ 1984。高程數(shù)據(jù)（SRTM DEM UTM）來源于地理空間數(shù)據(jù)云（Geo-spatial Data Cloud），為90 m分辨率的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

表1　GF-1衛(wèi)星與Landsat-8衛(wèi)星傳感器和軌道參數(shù)及載荷技術(shù)指標(biāo)

研究采用多源遙感數(shù)據(jù)對高潛水位礦區(qū)的地表進(jìn)行監(jiān)測分析，選用GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取時間為2015年5月13日，軌道號分別為96/603的2 m分辨率全色和96/604的8 m分辨率的影像數(shù)據(jù)，2015年4月23日的軌道號為97/604的16 m分辨率的寬幅多光譜數(shù)據(jù)和2015年4月25日軌道號為35/122 的Landsat-8 TM影像，各項數(shù)據(jù)見表2，影像研究區(qū)無云量及無條帶，數(shù)據(jù)質(zhì)量好。

表2　研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)基本情況

2.2 研究方法

研究以安裝IDL8.3 R6補(bǔ)丁（該補(bǔ)丁新增對GF-1傳感器在數(shù)據(jù)讀取、大氣校正和正射校正及圖像融合等操作的原生支持，還對一些BUG進(jìn)行了修正）的ENVI5.1為軟件平臺，對GF-1數(shù)據(jù)和Landsat-8 TM數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正以得到真實的地表反射信息。由于所采用的TM遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品級別是L1T，故而只須對GF-1數(shù)據(jù)以90 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)為控制資料進(jìn)行正射校正；選擇以GF-1 PMS傳感器上的2 m全色影像為參考影像，對多光譜影像和TM全色影像選擇同名地物點進(jìn)行影像的配準(zhǔn)，并檢驗配準(zhǔn)精度滿足要求，此操作使各數(shù)據(jù)地理信息消除偏移。通過比較影像融合方法和查閱文獻(xiàn)，選擇Gram-Schmidt Pan Sharpening方法，并檢查融合后的影像是否很好的繼承了原全色影像空間結(jié)構(gòu)信息，紋理是否清晰，是否利于不同地物類型的判讀和識別。研究以Google-Earth為輔助信息，將研究區(qū)地物分為耕地、林/草地、建設(shè)用地、水域和未利用地五類。以GF-1 PMS傳感器的數(shù)據(jù)為真實值，對比分析GF-1 WFV4的16 m數(shù)據(jù)與Landsat-8 TM融合后15 m數(shù)據(jù)的地類信息的相對誤差及水體位置精度。

對于東部礦區(qū)而言，其分布著大量的優(yōu)質(zhì)耕地資源和煤炭資源，承擔(dān)著中國經(jīng)濟(jì)安全和糧食安全的雙重職責(zé)。煤炭開采勢必導(dǎo)致土地沉陷和塌陷，加之東部地區(qū)水位埋深較淺，故而東部高潛水位礦區(qū)煤炭開采會導(dǎo)致礦區(qū)呈現(xiàn)大量的積水區(qū)域，破壞研究區(qū)的生態(tài)景觀系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在一定程度上降低研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值。因此對高潛水位礦區(qū)的水體面積的監(jiān)測是很有意義的。利用Arcgis10.0對監(jiān)督分類后矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計各地類面積。提取像元大小為（2m，2m）GF-1 PMS2和像元大小為（16m，16m）GF-1 WFV4和像元大小為（15m，15m）Landsat-8 TM的各地類的邊界范圍，以GF-1 PMS2為真實值，分析和比較GF-1 WFV4和Landsat-8 TM數(shù)據(jù)在土地利用分類，特別是水體提取方面的精度，研究技術(shù)流程圖如圖1所示。

3　結(jié)果與分析

3.1 分類精度問題

遙感影像分類精度是衡量分類后數(shù)據(jù)能否更好更準(zhǔn)確的表達(dá)研究問題的本質(zhì)。選擇定量分析方法對分類結(jié)果進(jìn)行客觀分析，對分類后的影像采用混淆矩陣的方法進(jìn)行分類結(jié)果的精度評價。對于GF-1 PMS2影像而言，選擇10個遙感解譯比較嫻熟的遙感專業(yè)人員，對研究區(qū)進(jìn)行選擇和修改訓(xùn)練樣本，計算樣本之間的可分離性。將10種可分離性良好的樣本作為真實地表的感興趣區(qū)，得到分類結(jié)果的總體精度大于87%，Kappa系數(shù)也都在89%之上。GF-1 WFV4和Landsat-8 TM數(shù)據(jù)的驗證樣本來源于作為真實值的像元大小為（2 m，2 m）的GF-1 PMS2影像，其分類結(jié)果的總體精度分別為93.74%和95.27%，Kappa系數(shù)分別為87.79%和93.38%。故而，分類結(jié)果滿足用戶的要求。

3.2 分類結(jié)果分析

對經(jīng)過監(jiān)督分類的影像進(jìn)行Majority分析、聚類處理和過濾處理等分類后處理，消除小斑塊解決分類圖像中出現(xiàn)的孤島問題。借助arcgis10.0軟件，對分類后的各地類進(jìn)行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)見表3和表4。

從圖2及表3數(shù)據(jù)中可以看出，GF-1 WFV4和Landsat-8數(shù)據(jù)解譯后的各地類面積與作為真實值的GF-1 PMS2數(shù)據(jù)相比具有一致性，即建設(shè)用地、水域和未利用地均高于真實值，耕地和林/草地解譯面積略低于真實值。

圖1　研究技術(shù)流程圖

圖2　各遙感數(shù)據(jù)分類結(jié)果圖

表3　各遙感數(shù)據(jù)分類的地類面積統(tǒng)計

表4　解譯地類面積占研究區(qū)面積比例

由表4可以看出，GF-1 WFV4和Landsat-8 TM的耕地、林/草地和水域面積占研究區(qū)面積的比例幾乎相當(dāng)，差值分別為0.29%、0.16%和0.22%。相比作為真實值GF-1 PMS2的比例均分別少于5.43%、0.96%和1.39%。相比占研究區(qū)19.23%的真實建設(shè)用地，GF-1 WFV4和TM則分別高出了3.78%和1.67%；未利用地的比例分別比真實值比例高出了1.45%和2.89%。單單從分類后各地類的面積占其研究區(qū)總面積比例而言，GF-1 WFV4和Landsat-8數(shù)據(jù)在對地表監(jiān)測效果相當(dāng)。為了定量分析這兩種數(shù)據(jù)在分類結(jié)果上的表現(xiàn)，采用相對誤差（測量值與真實值之差的絕對值占真實值的百分比）來分析各地類的不同，數(shù)據(jù)見表5，該指標(biāo)更能反映數(shù)據(jù)間的可信程度。

表5　各數(shù)據(jù)類型相對于真實值GF-1 PMS2的相對誤差

可以看出Landsat-8 TM和GF-1 WFV4兩種數(shù)據(jù)的分類結(jié)果中耕地的相對誤差值最低，即分類精度最高。林/草地的相對誤差高達(dá)52%以上，其出現(xiàn)的原因有兩點，一是林/草的選擇標(biāo)準(zhǔn)中包含城市綠地和河流上的藻類植物，由于GF-1 PMS2融合后的分辨率為2 m，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分辨率分別為15 m和16 m的TM和GF-1 WFV4數(shù)據(jù)；二是由于數(shù)據(jù)選擇的時間問題，作為真實值的GF-1 PMS2影像時間與TM和GF-1 WFV4影像相比推遲逾20 d，這期間部分未利用土地可能被轉(zhuǎn)化為林/草地。Landsat-8 TM的建設(shè)用地和未利用地的相對誤差分別為8.67%和48.10%，而GF-1 WFV4數(shù)據(jù)則分別為19.62%和24.16%，說明建設(shè)用地和未利用地在分辨率低時不能很好的區(qū)分邊界。對于高潛水位礦區(qū)而言，對水域面積和邊界的監(jiān)測極為重要，該研究區(qū)水體的相對精度相差不大，并且低于18%，說明高分16 m數(shù)據(jù)和Landsat-8 TM數(shù)據(jù)在水體的提取方面具有一致性，精度相當(dāng)。

3.3 水體提取精度的評價

對水體提取精度的評價分為定性和定量分析兩個方面。定性分析主要是從圖形學(xué)方法將GF-1 PMS2、GF-1 WFV4和Landsat-8中解譯出的水體邊界與GF-1 PMS2全色和多光譜融合后的2 m分辨率影像進(jìn)行疊加，3種數(shù)據(jù)解譯水體的效果均較好，只是在邊界上有點差異，影像分辨率的不同是主要原因；GF-1 WFV4和Landsat-8 TM數(shù)據(jù)在水體邊界上擬合程度較好，只是在河流的斷流和細(xì)小的區(qū)域處擬合程度不太理想，如圖3所示。如研究區(qū)的河流及其周圍面積較大的水域部分兩種數(shù)據(jù)的邊界與真實值擬合效果也相當(dāng)好。

為了更好的比較GF-1 WFV4和Landsat-8數(shù)據(jù)對水體提取的精度問題，從3種遙感數(shù)據(jù)中解譯出的水體面積和水體邊界位置偏差作定量分析。作為真實值的GF-1 PMS2數(shù)據(jù)的解譯水體面積為465.07 hm2，已知GF-1 WFV4和TM解譯的水域面積相差不大，故而GF-1 WFV4數(shù)據(jù)在水體的解譯方面與TM數(shù)據(jù)精度相當(dāng)。

圖3　部分研究區(qū)水域與真實值影像疊加圖

位置精準(zhǔn)度指的是空間點位獲取坐標(biāo)值與其真實坐標(biāo)值的符合程度，即可以用于評價測量邊界與真實邊界的符合程度。利用真實邊界輪廓繪制N條等間距法線，并測量出其與各測量邊界的距離值，按公式（1）統(tǒng)計出各測量邊界的位置精度。利用從GIS中提取出的3種遙感數(shù)據(jù)解譯的水體邊界，以GF-1 PMS2的水體邊界為真實值，分別比較GF-1 WFV4和TM水體邊界位置相對真實值差異。選擇真實值水體的邊界中面積較大的區(qū)域1、2、3和4為例，如圖5所示（三角形黑點代表的是真實值邊界與等間距法線的交點處），分別在水體輪廓線上繪制n（n=17，16，14，13，）條等間距法線，并計算出TM（看作1數(shù)據(jù)）和GF-1 WFV4（作為2數(shù)據(jù)）沿著等間距法線方向與真實輪廓的距離值d1i和d2i。dji的正負(fù)取決于真實值邊界在j數(shù)據(jù)的邊界的內(nèi)側(cè)為正，外側(cè)為負(fù)，距離統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表6。

式中:σj——位置精準(zhǔn)度；

N——等間距法線的數(shù)目；

dji2——GF-1 WFV4和TM水體邊界位置相對真實值位置的距離的平方和。

統(tǒng)計得到水體區(qū)域1、2、3和4的位置精度以及借助60條等間距法線模擬水體解譯的位置精度，各水體區(qū)域的位置精度見表7。

表6　距離統(tǒng)計數(shù)據(jù)

對表6距離數(shù)據(jù)的處理，GF-1 WFV4數(shù)據(jù)解譯出的水體區(qū)域1、2、3和4的位置精度比TM數(shù)據(jù)解譯出的水體位置精度分別提高了3.95、0.43、 3.68和2.13；將統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為一個整體研究，通過公式（1）的計算，得到GF-1 WFV4數(shù)據(jù)解譯出的水體的位置精度δ2－wfv為9.54比TM數(shù)據(jù)解譯出的水體位置精度值11.67提高了2.13，故而可以看出GF-1 WFV4數(shù)據(jù)在水體的解譯中稍微優(yōu)于TM數(shù)據(jù)。

表7　各水體區(qū)域的位置精度表

4　結(jié)論

基于高潛水位礦區(qū)承擔(dān)國家糧食安全和生態(tài)安全的重要職責(zé)的緣故，加強(qiáng)對高潛水位礦區(qū)地表的監(jiān)測力度是非常重要的。加大對礦區(qū)的監(jiān)測次數(shù)和準(zhǔn)確度，勢必會選擇分辨率較高和重訪周期短的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。研究旨在將GF-1與TM影像對礦區(qū)的地表監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較，驗證國產(chǎn)GF-1 16 m分辨率數(shù)據(jù)用于高潛水位礦區(qū)地表監(jiān)測的可行性。

通過對獲取的3種遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解譯，得到研究區(qū)各地類的面積數(shù)據(jù)。以融合后分辨率為2 m的GF-1 PMS2的解譯結(jié)果為真實值，分別從分類精度、分類結(jié)果各地類的面積及所占比例和各地類的相對誤差等方面比較了分辨率為16 m 的GF-1 WFV4和15 m的Landsat-8 TM的解譯結(jié)果的可靠性。

（1）在分類精度的驗證方面，采用混淆矩陣方法，利用作為真實值的GF1 PMS2的可分離性較好的樣本作為真實地表感興趣區(qū)，對GF-1 16 m分辨率和TM 15 m分辨率的分類結(jié)果進(jìn)行精度驗證，得到總體精度分別為93.74%和95.27%，Kappa系數(shù)分別為87.79%和93.38%。其客觀的展現(xiàn)了2種數(shù)據(jù)分類效果滿足要求，可應(yīng)用于后續(xù)對地類的分析與統(tǒng)計。

（2）在分類結(jié)果的分析方面，對3種遙感數(shù)據(jù)分類后統(tǒng)計的各地類的面積及占其研究區(qū)比例作分析和比較，并以GF-1 PMS2數(shù)據(jù)為真實值，采用相對誤差分析GF-1 WFV4和Landsat-8 TM兩種數(shù)據(jù)各地類的分類精度，結(jié)果表明GF-1 WFV4和Landsat-8 TM數(shù)據(jù)對礦區(qū)地表的監(jiān)測存在一致性，尤其在耕地和水體的監(jiān)測精度較高和穩(wěn)定。

（3）在水體提取精度評價方面，選取面積較大的5個水體區(qū)域，以真實值的水體輪廓分別繪制等間距法線并測量與其他兩種數(shù)據(jù)的邊界的距離值做統(tǒng)計分析，得出GF-1 WFV4數(shù)據(jù)解譯出的水體的位置精度比TM數(shù)據(jù)提高了2.13。GF-1 16 m數(shù)據(jù)在水體解譯方面的表現(xiàn)略優(yōu)于TM數(shù)據(jù)。

研究比較了GF-1 16 m與TM 15 m數(shù)據(jù)在高潛水位礦區(qū)的地表監(jiān)測的表現(xiàn)，但仍存在一些不足。

（1）數(shù)據(jù)方面。為了保證研究數(shù)據(jù)云量的一致性，數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲取時間相差逾20 d；以后的研究中盡量選擇同一時相數(shù)據(jù)作分析，以消除時間差造成的影響。

（2）解譯誤差。采用監(jiān)督分類對影像信息進(jìn)行解譯，解譯過程中由于個人技術(shù)水平的限制導(dǎo)致一些解譯誤差是不可避免的。今后的研究中可采用面向?qū)ο蟮某叨确指罴敖⒔∪姆诸愐?guī)則提取地物信息。

加強(qiáng)國產(chǎn)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于利用多時相的遙感數(shù)據(jù)對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境和景觀格局的動態(tài)監(jiān)測，土地生態(tài)風(fēng)險時空分異的研究和對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評價等，從而更好的建設(shè)生態(tài)、綠色和安全的礦區(qū)環(huán)境。

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（責(zé)任編輯 孫英浩）

Comparative analysis on surface monitoring high phreatic water level in mining area basing upon GF-1 and TM images

Xiao Wu1，2，Li Sucui1，Xu Jianfei1，Lv Xuejiao1，Wang Zheng1
（1.Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining& Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining& Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

AbstractLarge amount of high-quality cultivated land will submerge into water with the exploitation of underground coal resources in high phreatic water level mining area，which will severely impact the security of food，ecology and economy in mining area.In order to effectively reduce loss rate of cultivated land and improve the ecological environment in mining area，the authors took Dongtan Coal Mine in Jining，Shandong as an example to compare the surface monitoring results between GF-1 with high space and time and TM images，and also verified the feasibility of GF-1 to surface monitoring in mining area.The results showed that GF-1 had higher temporal resolution than TM which can be important data sources of mining surface monitoring and contributed to the dynamic monitoring on mining areas＇ecological environment and landscape，in order to better building ecological，green and safe mining environment.

Key wordsGF series of satellites，TM images，high phreatic water level，surface monitoring

中圖分類號

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

基金項目：?國家自然科學(xué)基金（41401609），中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放基金（SKLCRSM13KFB07）

作者簡介：肖武（1983－），男，湖南漣源人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）副教授，研究方向為土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)、3S技術(shù)在土地中的應(yīng)用。