多時相衛星影像在“兩違”動態監測中的應用

林碧珊

(福州市勘測院 福建福州 350108)

0 引言

近年來城市一些區域的違法建設越來越突出，違法搭建、插建擴建屢禁不止，其危害包括建筑質量無保證、存在安全隱患、侵占公共資源、損害公眾利益、破壞社會公平、制約城市經濟發展等[1-2]。“兩違”(違法建設和違法用地，本文簡稱“兩違”)問題一直是當前城市治理的重點。樓房坍塌、地面凹陷、高空墜物等事故時有發生，如2020年3月7號泉州市欣佳酒店坍塌事故[3]。為了杜絕此類事故再次發生，自然資源與規劃部門迫切需要掌握城市合理規劃布局、土地使用、違法建筑區域、非法占地等方面的信息。常規的違法建設發現手段主要是依靠執法部門現場巡視和群眾舉報，然而巡查力量和巡查時間有限，難免出現紕漏，同時存在調查取證困難的問題。因此，如何快速發現違法建設和違規用地情況，提高查處效率和落實整改，是當前“兩違”監測面對的主要問題。

隨著遙感衛星影像技術和無人機影像處理技術不斷發展，衛星影像數據獲取途徑增多，覆蓋范圍廣、種類越來越多，數據獲取周期也不斷縮短。遙感技術尤其是衛星遙感技術以其低成本、宏觀、快速和實時動態連續監測等優勢受到廣泛關注[4]。本文將詳細介紹衛星影像處理過程，以及多時相衛星影像在福州市中心城區“兩違”動態監測中的應用過程，通過對比不同時相衛星影像數據，大范圍地對違法建設和違規用地進行動態監測，快速發現“兩違”疑似違法圖斑空間位置，為執法部門快速排查和處置提供有效依據。

1 衛星影像處理

衛星影像數據提供的原始數據一般是LEVEL1級產品數據，包括影像數據和影像的RPC參數及元數據等文件[5-6]，為了保證影像分辨率、空間位置精度和地物的色彩，需要對原始影像進行處理，得到正射影像成果才能作為“兩違”監測的參考地圖。影像處理主要包括影像糾正、影像融合、勻光勻色、數據鑲嵌等，具體技術路線如圖1所示。

圖1 衛星影像處理技術流程

1.1 影像糾正

為保證影像糾正的效率和影像成果精度，影像糾正采用自動化糾正和人工精糾正相結合的方式。自動化糾正處理主要是將原始影像數據、DEM數據導入PCI GXL系統中進行自動化采集控制點、平差、正射糾正以及多光譜影像和全色影像精配準等一系列糾正操作，得到影像粗糾正成果。而人工精糾正主要是利用ERDAS軟件對每一景影像，采用不同糾正模型進行人工精糾正處理，一般情況下，高分一號、高分二號、高分六號采用QuickBird衛星模型糾正，資源三號采用的是IKONOS衛星模型糾正。

1.2 影像融合

影像融合是將空間、時間、波譜上冗余或者互補的多源遙感數據按照一定算法進行處理，得到比任何單一數據更精確、更豐富的信息，生成具有新的空間、波譜、時間特征的合成影像數據[7]，這里主要是指將糾正后的全色數據與多光譜數據進行融合。目前常用的融合算法有PCA算法、小波變換法(Wavelet)、HPF融合法和PanSharp融合法。

1.3 影像勻光勻色

不同來源的衛星影像，色彩差異較大，需要按照統一的色彩模式進行勻光勻色。首先利用軟件自動化調色，然后再利用Photoshop軟件進行局部色彩平衡，特別在影像接邊處進行精細調色，保證影像接邊處自然過渡。

1.4 數據鑲嵌

為了更好地使用影像數據，需要利用ArcGIS軟件將影像數據鑲嵌成鑲嵌數據集，使得所有影像在一張圖上顯示，保證影像數據的連續性，為更大范圍的“兩違”監測提供精準地圖。

2 多時相衛星影像在“兩違”監測中的應用過程

多時相衛星影像在“兩違”監測中的應用原理主要是在房管部門下發的合法建筑圖斑和最新三調土地利用圖斑基礎上，根據對比前后兩個時相的影像，發現疑似違法圖斑，提取和生成變化圖斑和專題圖，提供給外業執法人員做進一步核查和處理，具體流程如圖2所示。

圖2 多時相衛星影像在“兩違”監測中的應用流程

(1)準備好所有參考數據，加載到ArcGIS中，采用卷簾工具，以單元公里網格為單位，通過橫向拉條和縱向拉條對比分析目標區域內前、后兩個時相衛星影像數據。

(2)發現疑似違法區域。利用ArcGIS卷簾工具，結合合法建設用地圖斑，對比前后兩個時相的影像，發現疑似違法建筑，疑似違法情況包括以下類型：①在未經批準的空地、耕地、填湖、填海等違法私自建房，即新增房屋；②已有的房屋拆除、重建等，即變化房屋；③在已有房屋上違法搭建、加蓋。通過對比分析，發現疑似違法圖斑，對于第一種違法情況，只需將現有圖斑提取出來，標明違法類型；對于第二種、第三種違法情況，需要根據影像，在圖上精確標繪出違法圖斑的范圍，并填上違法類型。

(3)提取出違法圖斑，按照表1生成屬性字段，并按要求填寫屬性值。

表1 疑似違法圖斑屬性表

(4)利用疑似違法圖斑數據，按鄉鎮(街道)制作疑似違法圖斑專題圖。

3 多時相衛星影像在“兩違”中的應用實例

多時相衛星影像在“兩違”監測項目中的應用已經很廣泛了，以福州市中心城區“兩違”動態監測項目為例，項目收集了福州市城區相隔半年兩個時相的衛星影像數據，并進行一系列處理后得到正射影像成果，將合法報批圖斑數據、三調土地利用中建設用地圖斑數據疊加在影像上，根據對比前后兩個時相正射影像成果，發現和提取疑似違法圖斑，生成違法圖斑數據、違法圖斑專題圖和違法面積統計表，提供給執法人員進行外業核查和處置。圖3～圖5是疑似違法圖斑示例，圖6是違法圖斑專題圖。

圖3 新增房屋疑似違法圖斑示意圖

圖4 變化房屋疑似違法圖斑示意圖

圖5 搭建、加蓋房屋疑似違法圖斑示意圖

圖6 疑似違法圖斑專題圖

4 結語

本文介紹了“兩違”整治遇到的問題，分析衛星影像發展現狀，數據特點、數據優勢、應用領域以及影像數據處理過程。詳細介紹了如何利用不同時相的衛星影像快速發現和提取出監測區域內的疑似“兩違”圖斑，利用該方法提取福州市中心城區半年內的疑似違法建設圖斑，執法人員可以對疑似違法圖斑進行精準判斷并快速處置，不易遺漏，很大程度地提高了“兩違”房屋的處置效率，具有較強的可操作性。該方法在海岸線監測、礦產監測等類似項目中具有很高的可借鑒性。