高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

浙江省土地勘測(cè)規(guī)劃院 敖為赳 許調(diào)娟 王友富 王建鋒 關(guān) 濤

高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

浙江省土地勘測(cè)規(guī)劃院 敖為赳 許調(diào)娟 王友富 王建鋒 關(guān) 濤

表1 試驗(yàn)區(qū)GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)清單

圖1 技術(shù)流程圖

F-2衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱GF-2）是國(guó)家科技專項(xiàng)“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（民用部分）”首批啟動(dòng)研制的重要項(xiàng)目，為用戶提供全色分辨率0.81米、多光譜分辨率3.24米、幅寬45千米的圖像數(shù)據(jù)，滿足多行業(yè)用戶的應(yīng)用需求，打破我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面。與以往研制的遙感衛(wèi)星相比，GF-2衛(wèi)星具有以下特點(diǎn)：①高分辨率+大幅寬；②高定位精度；③5至8年長(zhǎng)壽命；④高國(guó)產(chǎn)化水平；⑤高整星姿態(tài)側(cè)擺機(jī)動(dòng)能力。全國(guó)土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作根據(jù)各地土地利用變化特點(diǎn)、管理需要，以及遙感資料的保障能力，將全國(guó)劃分為四類遙感監(jiān)測(cè)工作區(qū)，浙江省為一類區(qū)，屬于遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)地區(qū)，采用的影像數(shù)據(jù)源分辨率優(yōu)于1米。GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)符合浙江省土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作的影像數(shù)據(jù)分辨率要求，具備應(yīng)用的基本條件，研究GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，有助于推廣國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用，減輕對(duì)國(guó)外商用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴。

一、數(shù)據(jù)來(lái)源與技術(shù)路線

（一）研究區(qū)域

浙江省奉化市位于浙江省東部，寧波市區(qū)南面。奉化地貌復(fù)雜，地勢(shì)由西南向東北傾斜，分屬寧紹平原、浙東丘陵和濱海港灣區(qū)。地形地貌復(fù)雜，土地利用類型豐富，代表性強(qiáng)，對(duì)研究華東地區(qū)的典型土地利用現(xiàn)狀和變化類型比較具有參考意義。

（二）數(shù)據(jù)源

采用GF-2衛(wèi)星1A級(jí)影像產(chǎn)品作為原始數(shù)據(jù)，其中包括分辨率為0.81米的PAN（全色影像）數(shù)據(jù)6景，波譜范圍為0.45-0.90微米；分辨率為8m的PMS（多光譜影像）數(shù)據(jù)6景，波譜范圍為0.45-0.52、0.52-0.59、0.63-0.69、0.77-0.89微米，數(shù)據(jù)格式以*.tiff格式存儲(chǔ)，具體見表1。

該研究技術(shù)路線如圖1，首先對(duì)GF-2相對(duì)輻射校正產(chǎn)品、前時(shí)相影像及DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后結(jié)合土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作的業(yè)務(wù)流程，分別對(duì)各個(gè)流程環(huán)節(jié)（包括影像糾正、配準(zhǔn)、融合、裁剪、DOM制作以及變化圖斑提取等）進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)提取的變化圖斑與國(guó)家土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作中下發(fā)奉化地區(qū)監(jiān)測(cè)圖斑進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地變更調(diào)查遙感監(jiān)測(cè)中的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析（見圖1）。

表2 全色影像糾正殘差

表3 多光譜影像配準(zhǔn)殘差

二、影像數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)首先利用GF-2數(shù)據(jù)自帶的RPC文件，以二調(diào)的DOM影像為基準(zhǔn)圖，參考1∶5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)，對(duì)全色影像糾正和多光譜影像配準(zhǔn)操作。

（一）RPC參數(shù)校正

在影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，對(duì)于衛(wèi)星影像，為了消除地形投影差，衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供商一般會(huì)在產(chǎn)品中附加每張像片的軌道參數(shù)模型或RPC文件，以便確定衛(wèi)星攝影或掃描時(shí)的傳感器姿態(tài)和位置，作為消除地面高差投影差的理論依據(jù)。RPC（Rational Polynomial Cofficients）文件是數(shù)學(xué)意義的幾何成像模型，它是結(jié)合傳感器的物理參數(shù)和軌道參數(shù)，并經(jīng)過若干地面控制點(diǎn)，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算所得到的變換系數(shù)矩陣，在這里它的實(shí)際意義就是相當(dāng)于航空像片獲得外方位元素后由共線方程建立起來(lái)的光束模型，然后利用DEM進(jìn)行正射糾正。使用ENVI軟件的MapOrthorectification Generic RPC and RSM功能，可以自動(dòng)識(shí)別GF-2數(shù)據(jù)自帶的RPC文件，利用RPC文件的校正參數(shù)，分別對(duì)全色和多光譜的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正，初步獲得具有一定幾何精度的影像。

（二）全色影像糾正及多光譜影像配準(zhǔn)

以二調(diào)DOM影像為基準(zhǔn)影像，對(duì)全色影像進(jìn)行幾何校正。通過在基準(zhǔn)影像和待校正影像上選取一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)對(duì)，并利用已經(jīng)處理過的該影像范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)影像同時(shí)進(jìn)行傾斜改正和投影差改正。該過程中最為重要的步驟為糾正控制點(diǎn)對(duì)的布設(shè)和選取，控制點(diǎn)的精度將直接影響到影像糾正的精度，所以要選擇高精度的控制點(diǎn)，選取在影像上目標(biāo)明顯、能準(zhǔn)確定位且相對(duì)基準(zhǔn)影像沒有發(fā)生變化的地物點(diǎn)，首先選在道路、田埂等接近正交的細(xì)小線狀地物交叉處，其次選在能準(zhǔn)確定位的拐角和線狀地物交匯處。要求控制點(diǎn)盡量均勻分布，盡可能地控制整景影像，完成影像糾正與配準(zhǔn)工作。糾正結(jié)果（表2）顯示，配準(zhǔn)平均糾正殘差為1個(gè)像元左右，最大平均殘差不超過兩個(gè)像元，配準(zhǔn)殘差（表3）平均殘差在0.5個(gè)像元以內(nèi)，均符合影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

（三）影像融合、鑲嵌、裁切

影像融合將低空間分辨率的多光譜圖像或高光譜數(shù)據(jù)與高空間分辨率的單波段圖像重采樣，生成一幅高分辨率多光譜遙感圖像，處理后的圖像既有較高的空間分辨率，又具有多光譜特征。選用PCI軟件的PANSHARP模塊對(duì)配準(zhǔn)后的影像做融合操作，為保證影像色彩質(zhì)量，選擇多光譜影像的全部四個(gè)波段作為參考波段。

本研究區(qū)奉化市含6幅GF-2影像數(shù)據(jù)，鄰接影像之間有區(qū)域重疊。鑲嵌操作采用ENVI軟件的Mosaic工具完成。鑲嵌過程中，注意調(diào)整影像疊放順序，盡量將時(shí)相新、云量少、質(zhì)量好的影像置于上層；在線狀地物或地塊邊界等明顯的分界線處選擇鑲嵌線，避免切割建筑物、田塊等完整地物；以色彩豐富度較高的影像為基準(zhǔn)對(duì)其他影像進(jìn)行勻色。按奉化市轄區(qū)界線外擴(kuò)1000米的緩沖區(qū)界線對(duì)鑲嵌后的影像進(jìn)行裁切，獲得研究區(qū)DOM。

表4 各波段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

三、影像數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

（一）定性評(píng)價(jià)

數(shù)據(jù)獲取能力強(qiáng)，GF-2衛(wèi)星使用控制力矩陀螺，配合采用了高效的控制定姿方案，具備更強(qiáng)的姿態(tài)控制能力，可使衛(wèi)星整體圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸或是俯仰軸大角度側(cè)擺，靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地面目標(biāo)的觀測(cè)，可在180秒內(nèi)側(cè)擺35度，重訪周期只有5天。

GF-2衛(wèi)星0.8米全色數(shù)據(jù)紋理清晰，地物界線明顯，3.2米多光譜數(shù)據(jù)波段范圍覆蓋紅、綠、藍(lán)、近紅外4個(gè)波段，在目視效果上，其光譜信息比較豐富色彩豐富，較為方便得到近似真彩色數(shù)據(jù)。

（二）定量評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)分析GF-2號(hào)與國(guó)內(nèi)衛(wèi)星GF-1、ZY-3衛(wèi)星及國(guó)外SPOT-5全色和多光譜數(shù)據(jù)各波段的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等特征量。最大值、最小值可間接反映影像灰度的分布范圍，均值反映了影像中地物平均反射強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)差反映了影像信息量的大小，標(biāo)準(zhǔn)差越大說(shuō)明影像所含的信息量越大。GF-2、GF-1和ZY-3的原始數(shù)據(jù)均為16位數(shù)據(jù)，從表4中可以看出，GF-2影像數(shù)據(jù)的影像灰度值分布范圍最大，但均值不突出，表明GF-2影像數(shù)據(jù)的地物平均反射強(qiáng)度與ZY-3相似，且強(qiáng)于SPOT5數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)表明GF-2數(shù)據(jù)的信息量較大，對(duì)地物的分辨能力優(yōu)于其他數(shù)據(jù)。

波段間的相關(guān)程度影響著合成影像的信息量以及識(shí)別效果。相關(guān)系數(shù)越大信息重復(fù)越多，合成影像的信息也不會(huì)豐富；相關(guān)系數(shù)小，則波段間的重復(fù)信息少，合成影像的信息反映會(huì)較多。從表5GF-2數(shù)據(jù)內(nèi)部各波段比較，可以看出GF-2數(shù)據(jù)第4波段與其它3個(gè)波段的相關(guān)數(shù)小于其它3個(gè)波段之間的相關(guān)系數(shù)，表明高分影像數(shù)據(jù)第4波段的獨(dú)立性要好于其他波段；整體上看GF-2數(shù)據(jù)波段之間的相關(guān)系數(shù)相對(duì)其他數(shù)據(jù)較小。通過對(duì)比，GF-2數(shù)據(jù)各波段間的相關(guān)系數(shù)略小于ZY-3數(shù)據(jù)，大于SPOT-5數(shù)據(jù)，表明高分影像數(shù)據(jù)合成影像信息豐富度優(yōu)于資源三號(hào)數(shù)據(jù)，但不及SPOT-5數(shù)據(jù)。

圖2 影像融合示意圖

（三）融合效果評(píng)價(jià)

GF-2數(shù)據(jù)可以獲得0.8米全色和3.2米多光譜的融合影像，融合影像分辨率較高，影像細(xì)節(jié)清晰，地類間層次感較強(qiáng)，影像色彩接近自然真彩色，且融合影像色彩較豐富，融合效果整體較好（見圖2）。由于原始數(shù)據(jù)部分區(qū)域模糊的原因，但仍有部分區(qū)域存在重影、模糊的現(xiàn)象（見圖3）。

表5 GF-2波段數(shù)據(jù)相關(guān)分析結(jié)果表

圖3 影像部分區(qū)域模糊現(xiàn)象

圖4 典型變化監(jiān)測(cè)圖斑1（左：前時(shí)相無(wú)建設(shè)痕跡，右：后時(shí)相已建成）

圖5 典型變化監(jiān)測(cè)圖斑2（左：前時(shí)相無(wú)建設(shè)痕跡，右：后時(shí)相堆土）

圖6 典型變化監(jiān)測(cè)圖斑3

四、變化信息提取與評(píng)價(jià)

（一）變化圖斑提取

在同一窗口中加載前時(shí)相的2013年變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作中國(guó)家下發(fā)的1∶1萬(wàn)DOM數(shù)據(jù)和后時(shí)相 GF-2正射影像圖，采用“拉窗簾”的方法，按照新增建設(shè)用地提取原則逐個(gè)查找變化圖斑，勾繪圖斑范圍，再根據(jù)土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作的技術(shù)要求，核對(duì)變化監(jiān)測(cè)圖斑屬性，標(biāo)注監(jiān)測(cè)圖斑類型，刪去不合理的或者不夠上圖面積的變化監(jiān)測(cè)圖斑。提取的部分典型圖斑如圖4至圖6所示。

本研究中，共勾繪變化圖斑943個(gè)，總面積9317.4畝。刪去不夠上圖面積的變化監(jiān)測(cè)圖斑后，共有圖斑735個(gè)，總面積9257.0畝（詳見表6）。

（二）變化圖斑結(jié)果比對(duì)

將本次提取圖斑與研究區(qū)2014年土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作國(guó)土資源部下發(fā)監(jiān)測(cè)圖斑進(jìn)行空間分析和屬性比對(duì)，分析GF-2數(shù)據(jù)提取變化圖斑的可行性。在同區(qū)域的國(guó)家下發(fā)的2014年遙感監(jiān)測(cè)成果中，一共有664個(gè)圖斑，總面積5047.6畝。

表6 變化圖斑面積分級(jí)信息表單位：畝/個(gè)

由于本次勾繪圖斑過程中，沒有疊加臨時(shí)用地?cái)?shù)據(jù)層，故而勾繪的過程中沒有對(duì)往年“臨時(shí)用地”中仍保持原狀（9A）及在原基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)建、加高等進(jìn)一步規(guī)模擴(kuò)大（9B）的類型進(jìn)行勾繪。除去2014年遙感監(jiān)測(cè)部下發(fā)圖斑中的9A和9B類圖斑后，對(duì)剩余的637個(gè)圖斑與本項(xiàng)目勾繪的735個(gè)圖斑進(jìn)行了疊加分析，結(jié)果顯示，2014年遙感監(jiān)測(cè)圖斑中有534個(gè)圖斑在本次專題勾繪的圖斑中有體現(xiàn)，其余圖斑在本次專題勾繪的圖斑層中未體現(xiàn)。另外，本次專題勾繪的圖斑層中431個(gè)圖斑在2014年遙感監(jiān)測(cè)圖斑中未體現(xiàn)。對(duì)勾繪圖斑和2014年遙感監(jiān)測(cè)圖斑進(jìn)行空間疊加，取其相交區(qū)域，通過統(tǒng)計(jì)可得，兩個(gè)圖層相交區(qū)域面積為3795.9畝，占勾繪圖斑總面積的40.7%，占2014年遙感監(jiān)測(cè)圖斑總面積的77.1%。

（三）變化圖斑比對(duì)結(jié)果分析

由勾繪圖斑和2014年遙感監(jiān)測(cè)圖斑的對(duì)比分析結(jié)果可知，兩個(gè)圖斑層存在一定比例的相同范圍，也存在一定差異?？傮w上說(shuō)，本研究采用GF-2數(shù)據(jù)勾繪的圖斑在個(gè)數(shù)和面積上均大于部下發(fā)遙感監(jiān)測(cè)圖斑，對(duì)遙感監(jiān)測(cè)圖斑的覆蓋度較好，覆蓋率在個(gè)數(shù)上為83.8%，在面積上為77.1%，仍存在一定差異，經(jīng)過對(duì)差異圖斑分析，產(chǎn)生這種狀況的原因主要有以下三個(gè)方面。

1.后時(shí)相DOM的數(shù)據(jù)分辨率不同

本研究采用的前時(shí)相數(shù)據(jù)與2014年遙感監(jiān)測(cè)工作相同，但后時(shí)相的DOM數(shù)據(jù)源不同。本項(xiàng)目的后時(shí)相數(shù)據(jù)采用的是GF-2數(shù)據(jù)，分辨率為0.8米，根據(jù)影像處理的技術(shù)要求，最終上圖的最小監(jiān)測(cè)圖斑面積為0.6畝。2014年遙感監(jiān)測(cè)部下發(fā)的后時(shí)相數(shù)據(jù)有3種衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其中絕大部分是P1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，P1衛(wèi)星分辨率為0.5米，對(duì)應(yīng)的最小監(jiān)測(cè)圖斑面積為0.6畝；少量有云部分采用了TH1和02C衛(wèi)星，分辨率為2米，最小上圖面積為1畝。

本研究采用的后時(shí)相DOM數(shù)據(jù)與2014年遙感監(jiān)測(cè)部下發(fā)的后時(shí)相數(shù)據(jù)的影像分辨率處于相同數(shù)量級(jí)，最小監(jiān)測(cè)圖斑面積要求一致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)2014年遙感監(jiān)測(cè)圖斑中面積為0.6畝的最小監(jiān)測(cè)圖斑共10個(gè)，均在本次勾繪圖斑中有所體現(xiàn)。

2.后時(shí)相數(shù)據(jù)的時(shí)相不同

遙感影像只能記錄靜態(tài)的某一時(shí)刻某一區(qū)域的特征，不同時(shí)相的遙感影像反應(yīng)的地物特征不同。體現(xiàn)在兩個(gè)方面：同一地物在不同季節(jié)可能有不同的特征表現(xiàn)，植被表現(xiàn)尤為明顯；隨時(shí)間變化，地物本身已經(jīng)發(fā)生變化，相應(yīng)的遙感影像反應(yīng)的地物也就不同。本項(xiàng)目采用的DOM的時(shí)相為2015年1月。2014年遙感監(jiān)測(cè)部下發(fā)的DOM的時(shí)相為2014年10月和2014年11月。隨著時(shí)間的推移，原有的部分建設(shè)用地可能被拆除，同時(shí)有新的建設(shè)用地產(chǎn)生，根據(jù)不同時(shí)相的DOM勾繪的監(jiān)測(cè)圖斑必定會(huì)有差異，這個(gè)差異與地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度密切相關(guān)。

由于存檔影像數(shù)據(jù)有限，本項(xiàng)目采用的后時(shí)相數(shù)據(jù)晚于2014年遙感監(jiān)測(cè)部下發(fā)的DOM數(shù)據(jù)，造成提取的變化圖斑與遙感監(jiān)測(cè)圖斑不完全一致。

3.人工目視解譯存在一定的主觀性

目前遙感監(jiān)測(cè)圖斑勾繪主要還是采用人工目視解譯。目視解譯較大程度上依賴作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的主觀性。不同作業(yè)人員對(duì)同一地物的判讀會(huì)存在一定的差異，勾繪圖斑的范圍也會(huì)存在差異。同時(shí)，不同的作業(yè)人員在目視解譯過程中也存在著漏提誤提的情況。判讀不一致及漏提誤提也會(huì)導(dǎo)致最終的監(jiān)測(cè)圖斑數(shù)量和面積不一致。但這種情況影響的主要是小圖斑提取及部分圖斑勾繪范圍存在差異，對(duì)提取的變化圖斑總面積和變化圖斑屬性影響較小。

五、結(jié)論

通過GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在浙江省奉化市土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作的應(yīng)用研究，對(duì)GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量與土地利用變化信息提取結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)影像糾正精度較高，影像內(nèi)部畸變?。挥跋駭?shù)據(jù)信息量較大，對(duì)地物的分辨能力強(qiáng)，波段間的相關(guān)程度低，波段間的重復(fù)信息少，合成影像信息豐富；融合影像效果好，能較清晰的表現(xiàn)地物紋理信息，且具有豐富的地物細(xì)節(jié)信息，邊界清晰易判，無(wú)明顯掃描痕跡噪聲；應(yīng)用GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的土地利用變化圖斑符合遙感監(jiān)測(cè)成果要求且數(shù)據(jù)生產(chǎn)難度低，能夠替代國(guó)外高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于一類區(qū)年度土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)工作。