吉林一號高分辨率影像在城市管理中的應用

文| 朱濟帥 鄧廣 田德宇 李海霞 胡永利 吳泰琦

1.海南長光衛星信息技術有限公司

2.長光衛星技術有限公司

3.吉林省衛星遙感應用技術重點實驗室

4.海南聚能科技創新研究院

關鍵字：城市管理；高分辨率影像；應用場景

一、引言

隨著我國城市的快速發展，城市管理已經成為一個重要且需要長期面對的問題。當前城市在發展的過程中面臨以下問題：一是城市建設追求規模擴張，節約集約程度不高，違法違規建筑屢禁不止；二是近岸海域環境破壞、內陸河湖岸線不斷破壞等環境問題突出；三是城市資源管理方法、管理手段滯后，非法采砂采礦層出不窮；四是自然資源管理、監控手段不足，破壞農田、林地行為時有發生[1-2]。針對以上問題，遙感技術作為一種在不直接接觸的情況下，對目標物或自然現象遠距離感知的探測技術，能夠快速、準確地獲取城市發展建設的有關信息[3]，既可獲取城市宏觀全貌和綜合數據，又可獲取城市街區的微觀圖像和基礎數據，全面、高效、實時地揭示城市的發展變化，為城市管理部門提供決策支持。高空間分辨率影像數據可以滿足細節管理要求，清晰反映地面地物結構、形狀和紋理等比較細小的信息，在城市精細化管理中具有重要地位。高分辨率遙感衛星的城市應用已經成為國際潮流。美國、歐洲、以色列、印度、日本等主要國家和地區紛紛推出了自己的商業化高空間分辨率遙感衛星系統[4]。我國的衛星星座建設也緊隨其后，特別是2014年以來，國務院正式發布了鼓勵社會各類資本投資指導意見，歡迎各類社會資本投資中國的衛星商業發射、衛星應用等有關領域，我國的高空間分辨率衛星星座建設得到快速發展。吉林一號衛星星座自2015年10月“一箭四星”發射以來，已成功發射9次，在軌衛星數量達16顆。吉林一號衛星星座的拍攝覆蓋能力逐漸滿足用戶需求，并已在農林生產、環境監測、智慧城市、地理測繪、土地規劃等各領域提供了及時的遙感信息服務。

二、吉林一號高分辨率衛星概況

目前在軌的吉林一號高分辨率衛星共計13顆，最高分辨率如表1所示。吉林一號高分辨率衛星具有分辨率高、成像譜段多、重訪時間短、具備快速機動能力、幅寬大等特點，其中紅旗一號-H9寬幅型衛星可獲取幅寬大于136km的推掃影像。

表1 吉林一號高分辨率衛星概況

三、城市管理高分辨率影像應用

1.“兩違”管理

違法建筑、違法用地（以下簡稱“兩違”）的治理是社會治理工程中的一項艱巨任務，為有效遏制“兩違”行為，切實維護城鄉土地和建設管理秩序，加快推進生態文明建設[5]，利用吉林一號高分辨率衛星星座對研究區域進行了大范圍、高頻次、持續性的監測，獲取多期亞米級衛星遙感影像，通過輻射定標、大氣校正、幾何校正等算法進行遙感數據預處理，采用先進的深度學習算法及人工交互方式，提取建筑物的位置、數量、面積等信息，結合已有規劃數據，通過空間標準化處理和疊加分析，獲取建筑物變化信息，進而得到了城鄉“兩違”建筑的分布、數量、面積等信息產品。通過吉林一號衛星星座可以針對市縣域級范圍形成月度覆蓋的監測頻次，如圖1所示是海南省文昌市會文鎮在2019年9月和10月的影像，結合歷史影像對比分析和與多規合一數據、土地利用現狀數據進行綜合分析，分別獲得9月新增疑似違法建筑圖斑5個，其中落入總規林地內的1個；10月新增疑似違法建筑圖斑8個，其中落入總規林地內的4個。

圖1 會文鎮2019年9月和10月新增疑似違法建筑圖斑

同時借助信息化軟件手段對個人建房（含修繕）審批監管、批后建設監管、群眾兩違舉報、工作人員巡查發現、舉報核查認定、違建處置反饋、督察監管、責任追究、數據統計分析等環節進行全程信息化管理，做到責任有據可查、工作成效清晰明了，提高“兩違”監管工作效率和管理水平。

2.河道藍線管理

藍線是指城市規劃確定的江河、湖、水庫、渠和濕地等城市地表水體保護和控制的地域界線[6]。利用吉林一號高分辨率衛星影像對河道藍線內生態資源變化情況進行監測分析，能夠詳實地掌握水資源現狀、河道破壞情況、河道“四亂”問題和區域生態環境狀況，為水安全監管、水生態環境修復治理提供重要數據支撐。

研究區為伊通河流域的河道周邊200m范圍內，南起南溪濕地公園，北至北湖濕地公園，河道長度約為27km，流域面積約為54.08km2。利用2016年6月20日和2016年9月19日兩期影像，結合分類后變化檢測方法對藍線范圍的生態資源變化情況進行監測分析。根據流域實地情況，將生態資源劃分為人工設施、植被、水體和裸土四大類型，分析研究區在3個月內的地物轉移情況，轉移地物主要集中在裸土與植被之間（見圖2）。其中，裸土依次轉換為人工設施、植被和水體的面積分別為2.27、5.59和0.65 km2，裸土轉換為植被的區域主要集中在北湖科技區，轉換為人工設施的區域主要集中在南部新城；植被依次轉換為裸土、人工設施和水體的面積分別為1.21、1.20和0.83 km2，植被轉換為水體的區域主要是因為水量增大，河道內的植被被水覆蓋；水體依次轉換為裸土、人工設施和植被的面積分別為0.19、0.08和1.90 km2，水體轉換為植被的區域主要集中在北部，其中連片區域是因為該區域為水稻種植區；人工設施依次轉換為裸土、植被和水體的面積分別為1.12、2.51和0.24 km2，其中人工設施轉換為裸土的區域主要集中在南部新城，主要是因為該區域為伊通河治理工程重點地域，拆遷的人工設施較多。

圖2 2016年6月20日至2016年9月19日伊通河流域生態資源變化情況

3.采砂采礦管理

圖3 會文鎮2019年9月和10月疑似違法采砂采礦圖斑

非法采砂、采礦流動性強，隱蔽性高，人員背景復雜，情況多變，因此打擊難度大、強度高。通過吉林一號衛星星座可以針對市縣域級范圍形成月度覆蓋的監測頻次，圖3是海南省文昌市會文鎮在2019年9月和10月的影像，結合歷史影像對比分析，分別獲得9月新增疑似違法采砂采礦圖斑2處，范圍擴大1處，共計3處；10月新增疑似違法采砂采礦圖斑2處，范圍擴大1處，共計3處。第一時間有效提取疑似違法堆沙、采砂點和采礦點，向執法員推送疑似非法采砂采礦的位置以及其他信息供核查和整改。實現快速（第一時間發現疑似圖斑）、廣域（文昌全境覆蓋）、可靠（天、地共同取證）的監管，為依法打擊非法采砂采礦專項行動提供先進技術保障，大幅度提高工作效率。

4.水產養殖區管理

我國是世界第一水產養殖大國，也是世界唯一的養殖產量超過捕撈產量的國家，而且目前水產養殖規模仍在繼續快速增長中。在為滿足世界水產品需求做出巨大貢獻的同時，我國的水產養殖正面臨著水環境狀況日益惡化、社會輿論監督、政策與法規監控及水產品品質要求日益提高等各方面的壓力，水產養殖日益成為當前研究熱點之一。

由于海岸帶陸域范圍內水產養殖的便利性和經濟性，大量養殖塘建設在海岸帶生態保護區域內，養殖塘內氮磷超標的廢水經暗管直接排入海里，海防林地被不法侵占，造成生態環境的極大破壞。而遙感具有探測范圍廣、獲取資料速度快、周期短、時效性強、成本低、經濟效益大等優點。近年來，隨著遙感技術的發展，多平臺、多種類、多分辨率的遙感數據為水產養殖信息獲取提供了契機，利用遙感影像可以快速識別和定位養殖塘，包含每個養殖塘的邊界輪廓信息，并且含有具體的地理信息。

通過吉林一號衛星星座可以針對市縣域級范圍形成月度覆蓋的監測頻次，圖4是海南省文昌市會文鎮在2019年9月和10月的影像，結合歷史影像對比分析，利用基于實例分割的遙感影像養殖塘檢測方法，分別獲得9月露天水產養殖區共計6060處；10月露天水產養殖區共計5864處，從圖像分析可知，露天水產養殖區分布在沿海區域；由于海水水產養殖的不規范化，導致尾水肆意亂排，在政府的引導和治理下，有序關停196處水產養殖區，同時水產養殖區正在向集中化和規模化發展，摸清區域的水產養殖區的空間分布可為養殖塘監管、保護海岸帶生態環境提供決策支撐和依據。

圖4 會文鎮2019年9月和10月露天水產養殖區分布

5.住宅地產選址管理

住宅地產的開發建設是許多房地產開發商的重要盈利項目，在住宅地產項目的開發建設過程中，項目選址是其中的關鍵一環，不僅影響到項目的投入，也很大程度決定了項目的收益。房地產開發商對于某個住宅地產項目的選址通常都是依據行業經驗來決定，主觀性、片面性較強。

以高分辨率衛星為基礎，結合土地利用規劃圖、土地利用現狀圖、分期開發規劃圖、道路交通規劃圖、公共交通規劃圖、基礎教育設施規劃圖、居住區級公共服務設施規劃圖、建筑高度控制圖、開發強度控制圖等數據，綜合考慮指標的可操作性與科學性，并與房地產行業相關專家商討后，使用層次分析法（AHP），確定了包括地質條件、地形條件、配套設施、基礎設施、區域價值、生態環境及拆遷成本等11個準則層、包括與污染源距離、綠地面積、與水域距離、地塊面積、建筑高度、容積率、土地利用現狀類型、拆遷建筑面積等34個指標層，建立海口市海秀片區住宅地產開發建設選址的評價模型。根據海口市海秀片區控制性詳細規劃修編中的分期開發規劃圖，選擇“近期開發(2018-2025)”的地塊，提取可用于住宅地產開發建設的“住宅用地”、“商業住宅混合用地”、“商業辦公住宅混合用地”地塊，共計18個，作為研究對象。分析結果如圖5所示，位于椰海大道與海榆中線交界處、萬達廣場對面的地塊，最適合地產開發商進行競標，而位于南海大道周邊的地塊，由于地塊較小、拆遷成本高等原因，在同等條件下不適于開發商進行競標。

圖5 住宅地產選址結果

6.城市建筑物限高管理

根據太陽高度角、太陽方位角、衛星高度角及衛星方位角之間的關系，可利用陰影與建筑之間的關系，估算建筑物高度[7]。根據陰影的形狀特征、光譜特征及空間特征信息，自動化地從遙感影像中提取陰影區域，并計算陰影長度。圖6為基于吉林一號高分辨率影像提取的陰影區域，建筑物的陰影可完整準確地提取出來，為建筑物高度估算奠定基礎。

圖6 2016年6月20日建筑物陰影提取結果

對陰影提取的建筑物高度與收集到的關于研究區的一些信息可進行精度驗證。由圖7可知，利用建筑物的陰影對建筑物高度進行估算的結果與理論樓高的整體趨勢是一致的，除了11、17、20、47、50五棟建筑物的誤差大于4m之外，其他建筑物的高度誤差都控制在4m以內。因此，利用建筑物陰影進行建筑物高度估算是可行的，可以為城市三維建模及城市限高等方面工作提供支撐。

圖7 建筑物估算高度與理論樓高的分布情況

四、總結

高分辨率衛星影像是輔助城市發展決策的重要幫手，結合長光衛星技術有限公司現有技術，利用衛星廣域覆蓋快速響應能力和全域詳查的技術優勢，通過影像的快速處理分析和智能解譯，在自然資源普查、城市部件普查、城市規劃監管、生態環境評價、城市空間形態演變、城市綠化建設、災后救援等多方面進行全方位的監測，將有效補充現有監測手段，將常規的點位監測形式，拓展為對研究區面域監測，使城市管理從空間尺度和時間尺度都取得了極大進步，為城市規劃設計提供精確的科學依據，為推動城鄉一體化發展、生態文明建設及智慧城市的建設提供重要支撐。