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

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

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

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

表1 試驗區(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（以下簡稱GF-2）是國家科技專項“高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（民用部分）”首批啟動研制的重要項目，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，打破我國高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)長期依賴進口的局面。與以往研制的遙感衛(wèi)星相比，GF-2衛(wèi)星具有以下特點：①高分辨率+大幅寬；②高定位精度；③5至8年長壽命；④高國產(chǎn)化水平；⑤高整星姿態(tài)側(cè)擺機動能力。全國土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測工作根據(jù)各地土地利用變化特點、管理需要，以及遙感資料的保障能力，將全國劃分為四類遙感監(jiān)測工作區(qū)，浙江省為一類區(qū)，屬于遙感監(jiān)測重點地區(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)測中的應(yīng)用，有助于推廣國產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用，減輕對國外商用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴。

一、數(shù)據(jù)來源與技術(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，對研究華東地區(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，具體見表1。

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

表2 全色影像糾正殘差

表3 多光譜影像配準殘差

二、影像數(shù)據(jù)處理

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

（一）RPC參數(shù)校正

在影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，對于衛(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，經(jīng)過復(fù)雜的計算所得到的變換系數(shù)矩陣，在這里它的實際意義就是相當于航空像片獲得外方位元素后由共線方程建立起來的光束模型，然后利用DEM進行正射糾正。使用ENVI軟件的MapOrthorectification Generic RPC and RSM功能，可以自動識別GF-2數(shù)據(jù)自帶的RPC文件，利用RPC文件的校正參數(shù)，分別對全色和多光譜的影像數(shù)據(jù)進行正射校正，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

以二調(diào)DOM影像為基準影像，對全色影像進行幾何校正。通過在基準影像和待校正影像上選取一定數(shù)量的地面控制點對，并利用已經(jīng)處理過的該影像范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)，對影像同時進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對的布設(shè)和選取，控制點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，選取在影像上目標明顯、能準確定位且相對基準影像沒有發(fā)生變化的地物點，首先選在道路、田埂等接近正交的細小線狀地物交叉處，其次選在能準確定位的拐角和線狀地物交匯處。要求控制點盡量均勻分布，盡可能地控制整景影像，完成影像糾正與配準工作。糾正結(jié)果（表2）顯示，配準平均糾正殘差為1個像元左右，最大平均殘差不超過兩個像元，配準殘差（表3）平均殘差在0.5個像元以內(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模塊對配準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對其他影像進行勻色。按奉化市轄區(qū)界線外擴1000米的緩沖區(qū)界線對鑲嵌后的影像進行裁切，獲得研究區(qū)DOM。

表4 各波段數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

三、影像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

（一）定性評價

數(shù)據(jù)獲取能力強，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，具備更強的姿態(tài)控制能力，可使衛(wèi)星整體圍繞轉(zhuǎn)動軸或是俯仰軸大角度側(cè)擺，靈活實現(xiàn)對不同地面目標的觀測，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、近紅外4個波段，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）定量評價

統(tǒng)計分析GF-2號與國內(nèi)衛(wèi)星GF-1、ZY-3衛(wèi)星及國外SPOT-5全色和多光譜數(shù)據(jù)各波段的最大值、最小值、均值、標準差等特征量。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度，標準差反映了影像信息量的大小，標準差越大說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)的地物平均反射強度與ZY-3相似，且強于SPOT5數(shù)據(jù)，標準差數(shù)據(jù)表明GF-2數(shù)據(jù)的信息量較大，對地物的分辨能力優(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個波段的相關(guān)數(shù)小于其它3個波段之間的相關(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)相對其他數(shù)據(jù)較小。通過對比，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）融合效果評價

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，影像細節(jié)清晰，地類間層次感較強，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)測圖斑1（左：前時相無建設(shè)痕跡，右：后時相已建成）

圖5 典型變化監(jiān)測圖斑2（左：前時相無建設(shè)痕跡，右：后時相堆土）

圖6 典型變化監(jiān)測圖斑3

四、變化信息提取與評價

（一）變化圖斑提取

在同一窗口中加載前時相的2013年變更調(diào)查與遙感監(jiān)測工作中國家下發(fā)的1∶1萬DOM數(shù)據(jù)和后時相 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)測工作的技術(shù)要求，核對變化監(jiān)測圖斑屬性，標注監(jiān)測圖斑類型，刪去不合理的或者不夠上圖面積的變化監(jiān)測圖斑。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，總面積9317.4畝。刪去不夠上圖面積的變化監(jiān)測圖斑后，共有圖斑735個，總面積9257.0畝（詳見表6）。

（二）變化圖斑結(jié)果比對

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)測工作國土資源部下發(fā)監(jiān)測圖斑進行空間分析和屬性比對，分析GF-2數(shù)據(jù)提取變化圖斑的可行性。在同區(qū)域的國家下發(fā)的2014年遙感監(jiān)測成果中，一共有664個圖斑，總面積5047.6畝。

表6 變化圖斑面積分級信息表單位：畝/個

由于本次勾繪圖斑過程中，沒有疊加臨時用地數(shù)據(jù)層，故而勾繪的過程中沒有對往年“臨時用地”中仍保持原狀（9A）及在原基礎(chǔ)上進一步擴建、加高等進一步規(guī)模擴大（9B）的類型進行勾繪。除去2014年遙感監(jiān)測部下發(fā)圖斑中的9A和9B類圖斑后，對剩余的637個圖斑與本項目勾繪的735個圖斑進行了疊加分析，結(jié)果顯示，2014年遙感監(jiān)測圖斑中有534個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個圖斑在2014年遙感監(jiān)測圖斑中未體現(xiàn)。對勾繪圖斑和2014年遙感監(jiān)測圖斑進行空間疊加，取其相交區(qū)域，通過統(tǒng)計可得，兩個圖層相交區(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)測圖斑總面積的77.1%。

（三）變化圖斑比對結(jié)果分析

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

1.后時相DOM的數(shù)據(jù)分辨率不同

本研究采用的前時相數(shù)據(jù)與2014年遙感監(jiān)測工作相同，但后時相的DOM數(shù)據(jù)源不同。本項目的后時相數(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)測圖斑面積為0.6畝。2014年遙感監(jiān)測部下發(fā)的后時相數(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，對應(yīng)的最小監(jiān)測圖斑面積為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。

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

2.后時相數(shù)據(jù)的時相不同

遙感影像只能記錄靜態(tài)的某一時刻某一區(qū)域的特征，不同時相的遙感影像反應(yīng)的地物特征不同。體現(xiàn)在兩個方面：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。本項目采用的DOM的時相為2015年1月。2014年遙感監(jiān)測部下發(fā)的DOM的時相為2014年10月和2014年11月。隨著時間的推移，原有的部分建設(shè)用地可能被拆除，同時有新的建設(shè)用地產(chǎn)生，根據(jù)不同時相的DOM勾繪的監(jiān)測圖斑必定會有差異，這個差異與地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展程度密切相關(guān)。

由于存檔影像數(shù)據(jù)有限，本項目采用的后時相數(shù)據(jù)晚于2014年遙感監(jiān)測部下發(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，具有一定的主觀性。不同作業(yè)人員對同一地物的判讀會存在一定的差異，勾繪圖斑的范圍也會存在差異。同時，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導(dǎo)致最終的監(jiān)測圖斑數(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)測工作的應(yīng)用研究，對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)果進行分析評價。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)部畸變小；影像數(shù)據(jù)信息量較大，對地物的分辨能力強，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節(jié)信息，邊界清晰易判，無明顯掃描痕跡噪聲；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)測成果要求且數(shù)據(jù)生產(chǎn)難度低，能夠替代國外高分辨率衛(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)測工作。