基于高分辨率衛(wèi)星影像的土地執(zhí)法監(jiān)測(cè)研究

侯小艷

摘 ? 要：本文針對(duì)土地執(zhí)法監(jiān)察的業(yè)務(wù)需求，開(kāi)展了基于國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星的遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了滿足應(yīng)用需求的信息提取算法和應(yīng)用流程，生產(chǎn)出疑似違法新增建設(shè)用地信息產(chǎn)品。通過(guò)研究，初步驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)高分辨率遙感影像及其變化檢測(cè)技術(shù)在土地執(zhí)法監(jiān)察業(yè)務(wù)中的應(yīng)用可行性，對(duì)國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像在國(guó)土行業(yè)的大規(guī)模綜合應(yīng)用提供了較好的示范。

關(guān)鍵詞：高分辨率衛(wèi)星影像 ?土地執(zhí)法監(jiān)測(cè) ?建設(shè)用地提取

中圖分類號(hào)：P237 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（b）-0040-02

與其他監(jiān)測(cè)手段相比，遙感監(jiān)測(cè)具有速度快、精度高、范圍廣等特點(diǎn)，能為國(guó)土資源管理工作提供基于事實(shí)影像的、可精確測(cè)量的以及可作為基礎(chǔ)信息的土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。隨著國(guó)家高分辨率遙感專項(xiàng)的穩(wěn)步推進(jìn)與實(shí)施，中國(guó)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的空間分辨率和質(zhì)量都得到了極大提高，僅以民用光學(xué)衛(wèi)星為例，目前在軌且應(yīng)用較廣泛的有資源1號(hào)-02C（ZY-1-02C）、資源3號(hào)（ZY3）、高分系列衛(wèi)星等。這些國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星接收的影像數(shù)據(jù)無(wú)論從“質(zhì)”上還是“量”上都有了很大提升，能在國(guó)土應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，但同時(shí)也要求我們針對(duì)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)自身特點(diǎn)和應(yīng)用需求發(fā)展適用的算法。

本文監(jiān)察的目標(biāo)是非法新增建設(shè)用地，是指實(shí)地已新增建設(shè)的非法用地，即最終輸出信息應(yīng)是變化后的土地利用類型為建設(shè)用地的未規(guī)劃區(qū)域。而利用高分辨率遙感技術(shù)實(shí)施變化檢測(cè)能有效地提高執(zhí)法監(jiān)測(cè)工作水平，并快速地完成新增建設(shè)用地的發(fā)現(xiàn)和違法查處。

1 ?研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

本文選擇福建省某區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，總面積約1000km2。該地區(qū)近幾十年來(lái)發(fā)展迅速，特別是轄區(qū)東部的城市化水平較高。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，該地區(qū)的土地類型變化問(wèn)題更具特色，尤其是城鄉(xiāng)結(jié)合部的生態(tài)安全面臨著土地利用變化帶來(lái)的嚴(yán)重威脅。這些特點(diǎn)使黃巖區(qū)成為理想的建設(shè)用地變化檢測(cè)研究區(qū)域。

針對(duì)需求，本文收集了1期2013年年底的WorldView-2（WV2）影像（空間分辨率為0.5m），以及1期2018年覆蓋該區(qū)域的GF-2衛(wèi)星融合影像（空間分辨率為1m），形成了對(duì)主城區(qū)與城鄉(xiāng)結(jié)合部等關(guān)鍵區(qū)域的多期覆蓋監(jiān)測(cè)。由于2期影像分辨率存在差異，在變化檢測(cè)之前需先將0.5m分辨率的WorldView-2數(shù)據(jù)重采樣至1m分辨率，以保持影像尺度的一致性;同時(shí)，針對(duì)2期影像的色彩差異，進(jìn)行了色彩歸一化處理。在輔助數(shù)據(jù)方面，收集和整理了歷年農(nóng)轉(zhuǎn)用矢量數(shù)據(jù)（涵蓋了通過(guò)規(guī)劃審批、合法可建的地塊圖斑區(qū)域）。為了使收集的各類數(shù)據(jù)在地理位置上相互匹配，對(duì)上述多源數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何與正射校正、矢量與柵格、柵格與柵格配準(zhǔn)等預(yù)處理。

2 ?非法新增建設(shè)用地提取方法

如圖1所示，為快速地發(fā)現(xiàn)地表變化信息，首先使用不同時(shí)期的高分辨率遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)。針對(duì)高分辨率遙感影像地物細(xì)節(jié)豐富、光譜易混淆的情況，引入圖像分割算法提取同質(zhì)對(duì)象并以此作為最小檢測(cè)單元，進(jìn)而依據(jù)對(duì)象光譜與紋理特征來(lái)判斷變化區(qū)域。得到變化圖斑后，從第2時(shí)相影像中利用像元形狀指數(shù)PSI、建筑物存在指數(shù)PanTex等構(gòu)建建筑物的顯著特征，篩選出PSI和PanTex特征均大于其均值的對(duì)象作為后時(shí)相影像上的建設(shè)用地疑似圖斑;然后，與之前獲取的變化區(qū)域進(jìn)行疊加分析，提取同時(shí)滿足“該區(qū)域發(fā)生變化”、“該區(qū)域在第2時(shí)相影像中的土地類型為建設(shè)用地”這2個(gè)條件的圖斑作為疑似新增建設(shè)用地區(qū)域;最后，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃部門(mén)的農(nóng)轉(zhuǎn)用矢量數(shù)據(jù)，篩選出最終的疑似違法新增建設(shè)用地，并交由執(zhí)法人員實(shí)施室內(nèi)核查、實(shí)地勘察以及違法處理。

整個(gè)提取流程是一個(gè)人機(jī)交互的應(yīng)用實(shí)施過(guò)程。其中，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行2期影像數(shù)據(jù)間的變化檢測(cè)以及進(jìn)一步的新增建設(shè)用地圖斑自動(dòng)提取必定存在一定的誤差。而從應(yīng)用需求出發(fā)，為了盡可能降低漏檢率，本文在變化檢測(cè)步驟中設(shè)置了較大的二值化閾值參數(shù)，以盡可能避免目標(biāo)靶區(qū)的遺漏;在此基礎(chǔ)上，配合使用2013年土地利用矢量圖以及2014—2017年的農(nóng)轉(zhuǎn)用矢量圖進(jìn)行虛警偽圖斑的剔除;最后，結(jié)合人工目視檢查和編輯等最終完成成果制圖。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)生成的結(jié)果需要經(jīng)過(guò)疑似圖斑的室內(nèi)排除以及人工后處理才能提供給業(yè)務(wù)部門(mén)，供其參考分析對(duì)應(yīng)時(shí)間周期內(nèi)的違法建設(shè)用地情況，并經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證后開(kāi)展整治工作。

3 ?結(jié)果與討論

在上述試驗(yàn)思路下，利用收集的數(shù)據(jù)集生成疑似違法新增建設(shè)用地圖斑及中間文件。本文提取了合法變化圖斑和疑似違法圖斑，圖斑面積不小于400m2，其中計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取圖斑數(shù)共計(jì)5018個(gè)，合法變化圖斑數(shù)852個(gè)，違法變化圖斑數(shù)4166個(gè);人工目視檢查剔除偽圖斑后圖斑數(shù)減少為671個(gè)，其中合法變化圖斑數(shù)289個(gè)，違法變化圖斑數(shù)382個(gè)。整個(gè)流程中計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)的圖斑結(jié)果含有較高的虛警率。造成大量偽圖斑的原因是：（1）盡管2期影像做了必要的預(yù)處理，但在配準(zhǔn)精度、輻射一致性、陰影遮擋等方面仍存在一定誤差，進(jìn)而傳播至變化檢測(cè)算法中導(dǎo)致虛警;（2）為了減少漏檢率，在變化檢測(cè)算法中設(shè)置了較大的二值化閾值參數(shù)，造成了一定量的虛警。為此，人工目視檢查的后處理過(guò)程就顯得很有必要。

盡管室內(nèi)檢測(cè)的精度仍有很大的改進(jìn)余地，但這已很大程度上改善了其過(guò)往開(kāi)展土地執(zhí)法監(jiān)察的被動(dòng)局面，體現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)在業(yè)務(wù)部門(mén)中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 ?結(jié)語(yǔ)

從方法實(shí)現(xiàn)上看，本文算法仍有進(jìn)一步的改進(jìn)余地，在結(jié)果驗(yàn)證上也應(yīng)更加定量化，這些都需要在日后的工作中逐步解決和日益完善;從應(yīng)用需求上來(lái)看，由于流程中分割算法的參與，目前的圖斑成果鋸齒現(xiàn)象較嚴(yán)重，后續(xù)可進(jìn)一步考慮生產(chǎn)更易為業(yè)務(wù)部門(mén)接受的圖斑產(chǎn)品，從而使國(guó)產(chǎn)高分辨率數(shù)據(jù)能全面高質(zhì)量地服務(wù)于土地執(zhí)法監(jiān)察應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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