遙感技術(shù)在天津市貨運源頭核查中的應(yīng)用研究

蔣鑫濤 林時金 羅卿莉

(1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072； 2.天津市公路事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300074)

1 概述

超載和超限是指貨運車輛載貨長度、寬度、高度和載貨質(zhì)量等超標(biāo)的一種違法行為。一些企業(yè)及運輸人員為了獲取更多利益，會盡可能提高貨車一次運輸貨物的裝載量，從而導(dǎo)致超載超限現(xiàn)象的出現(xiàn)。超載、超限不僅嚴(yán)重危害公路安全運輸，還會加劇路面及橋梁的損壞速度[1]。相關(guān)部門每年都要投入大量的人力、物力用于監(jiān)管及維護(hù)。相較于直接懲處超載超限貨車司機(jī)，加強(qiáng)貨運源頭監(jiān)管工作針對性更強(qiáng)，可從根本上減少超載超限貨車的數(shù)量，從而避免超載、超限帶來一系列安全隱患[2]。

貨運源頭種類眾多、數(shù)量龐大，且分別屬于不同行業(yè)部門，其中，水泥、砂石等貨運源頭監(jiān)管一直是薄弱環(huán)節(jié)。為有效對貨運源頭進(jìn)行監(jiān)管核查，實現(xiàn)從源頭對超載超限現(xiàn)象進(jìn)行打擊，國內(nèi)各省交管部門采取了不同的方法，云南省利用人工監(jiān)管的方法對大型、重點貨運源頭派駐人員進(jìn)場監(jiān)督管理，對貨運源頭采用定期檢查[3]；安徽省利用在源頭附近出入口實施定點監(jiān)測，實施定點監(jiān)測可以實現(xiàn)對多個單位的監(jiān)測[4]；湖南省利用建立重點貨運源頭的監(jiān)管臺賬，同時引導(dǎo)源頭單位安裝稱重和監(jiān)控設(shè)備并接入治超信息管理平臺[5]。

然而，現(xiàn)有已登記監(jiān)管源頭存在超載超限行為較少，而非法行為大多來源于相關(guān)信息較少的非法貨運源頭，對重點區(qū)域貨運源頭進(jìn)行全面調(diào)查和監(jiān)管很有必要[6]。遙感監(jiān)測技術(shù)具有監(jiān)測范圍大、時效性強(qiáng)、受地面限制少等特點。將遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于貨運源頭核查，可充分利用遙感技術(shù)優(yōu)勢，解決貨運源頭數(shù)量多、不易核查監(jiān)管，部分非法源頭隱蔽、不易確定位置信息等問題[7-8]。

2 研究區(qū)域及研究方法

2.1 研究區(qū)域

本次研究試驗地點為天津市薊州區(qū)，該區(qū)存在較為嚴(yán)重的超載超限現(xiàn)象，是天津市“治超”重點區(qū)域之一。薊州區(qū)總面積為1 590 km2，試驗區(qū)面積為951.59 km2，占全區(qū)總面積的59.76%，試驗區(qū)內(nèi)包含城區(qū)和山區(qū)。天津市薊州區(qū)的遙感影像為9景全覆蓋，取主要的4景進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。利用我國高分二號衛(wèi)星(1 m，4景)獲取天津市薊州區(qū)的遙感影像[9]，試驗區(qū)和遙感影像覆蓋情況如圖1所示。

2.2 正射影像制作

受傳感器內(nèi)部狀態(tài)變化、外部狀態(tài)及地表狀況的影響，均會造成原始遙感影像的程度不同畸變和失真，無法直接用于分析。為使影像滿足分析的要求，需對原始影像進(jìn)行正射糾正、影像配準(zhǔn)與融合、鑲嵌等一系列操作，以制作相應(yīng)的正射影像。正射影像流程如圖2所示，實驗獲取的正射影像是具有正射投影性質(zhì)和一定幾何精度，并具有色調(diào)均勻飽滿清晰、反差適中、現(xiàn)勢性強(qiáng)、信息量完整豐富、易讀取、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單便于量測、更新周期短、低成本高效率等優(yōu)點[10-12]。制作的兩期天津市薊州區(qū)正射影像如圖3所示。

圖2 正射影像制作流程

圖3 天津市薊州區(qū)正射影像

2.3 解譯標(biāo)志建立

對制作的兩期正射影像進(jìn)行變化檢測，采用直接比較法，對比兩期影像獲取地表地物變化情況[13]。為更好利用變化檢測結(jié)果進(jìn)行源頭核查研究，需要使用貨運源頭對應(yīng)的遙感解譯標(biāo)志用于解譯分析。遙感解譯標(biāo)志能夠幫助識別目標(biāo)及其性質(zhì)和相互關(guān)系[14]，在實現(xiàn)遙感人機(jī)交互工作中可發(fā)揮重要的參照作用。然而，目前尚無公開可用的貨運源頭遙感解譯標(biāo)志，基于變化區(qū)域在遙感影像上表現(xiàn)出的不同特征，結(jié)合變化區(qū)域周邊環(huán)境分析，建立貨運源頭解譯標(biāo)志，再對變化的貨運源頭進(jìn)行目視解譯，解譯標(biāo)志見表1。

表1 貨運源頭類型解譯標(biāo)志

解譯標(biāo)志一般用于變化區(qū)域的分類，將確定的貨運源頭分為疑似開采點、沙石囤積點、大型建筑工地、疑似貨運源頭4大類。解譯結(jié)果示意如圖4所示。

2.4 遙感解譯專題圖制作

通過貨運源頭變化區(qū)域遙感解譯的結(jié)果，進(jìn)行專項圖件制作，變化檢測專題示意如圖5所示，具體流程如下[15-16]。

圖5 變化檢測專題示意

(1)源頭區(qū)域劃分：根據(jù)區(qū)域影像的特征進(jìn)行源頭區(qū)域以及源頭變化區(qū)域的勾勒。

(2)影像截取：選擇合適尺寸合適角度截取源頭區(qū)域的正射影像，包括較為詳細(xì)的周邊環(huán)境信息。

(3)圖面整飾與出圖：添加圖名、圖例、比例等要素，按相關(guān)要求進(jìn)行圖面的整飾，導(dǎo)出專項遙感解譯結(jié)果。

2.5 樣點數(shù)據(jù)分級方法

為更好利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)確定核查的優(yōu)先級，有效提高核查效率。制定與本次研究目的相符的分級標(biāo)準(zhǔn)，對薊州貨運源頭監(jiān)測重點區(qū)選取的60個樣點進(jìn)行分級。

源頭治超工作重心主要放在疑似貨運源頭、疑似開采點、沙石囤積點3類源頭上。樣點分為一到三級，用紅色標(biāo)簽表示一級區(qū)域，藍(lán)色標(biāo)簽表示二級區(qū)域，綠色標(biāo)簽表示三級區(qū)域。其中一級區(qū)域為發(fā)生較大變化且變化性質(zhì)符合非法貨運源頭特征的區(qū)域，進(jìn)行外業(yè)核查的優(yōu)先級最高，樣點分布情況如圖6所示。

圖6 樣點分布情況

首先對已有的源頭數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，本次研究重點目標(biāo)為非法的貨運源頭，大型建筑工地一般不涉及非法的開采活動，統(tǒng)一定為第三級；開采面積減少的區(qū)域存在開采活動的概率較小，這些區(qū)域也列為三級。數(shù)據(jù)篩選中，變化率超過60%以及變化面積超過10 000 m2的樣點。計算過程中，新增變化區(qū)域記變化率為100%，開采施工痕跡消失區(qū)域記變化率記為-100%。

篩選結(jié)束后，再對剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行分級，分級標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合變化率和絕對變化面積數(shù)據(jù)，對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)計算，通過比較加權(quán)的結(jié)果進(jìn)行分級，內(nèi)容如下。

(1)歸一化去量綱

對序列x1，x2，…，xn進(jìn)行變換，其中，x1，x2，…，xn為不同樣點對應(yīng)的數(shù)據(jù)，n∈[1，60]，有

(1)

其中yn∈[0，1]，為對應(yīng)數(shù)據(jù)去量綱后的結(jié)果。將變化率和絕對變化面積分別代入xn，對變化率和絕對變化面積進(jìn)行歸一化去量綱，得到對應(yīng)的去量綱序列。

(2)加權(quán)計算

變化率去量綱序列表示為an；絕對變化面積去量綱序列表示為bn；通過兩者數(shù)據(jù)重要性分析，重要性大的權(quán)重大，并將去量綱后的序列乘以兩者各自的權(quán)重，相加后得到新的序列cn，通過實驗分析確定變化率權(quán)重取0.2，絕對面積變化權(quán)重取0.8，得到最終加權(quán)公式，即

cn=0.2an+0.8bn

(2)

(3)分級

對序列c1，c2，…，cn進(jìn)行降序排序，結(jié)合實際工作需要，取cn>0.025的為一級，0.025>cn>0.010的為二級，cn<0.010的為三級。

3 監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計與分析

3.1 遙感影像解譯結(jié)果及分析

天津市薊州區(qū)貨運源頭監(jiān)測情況見表2，由表2可知， 2020年貨運源頭現(xiàn)狀的數(shù)量共變化8個，其中，大型建筑工地共增加4個，沙石囤積點共減少2個，疑似開采點共增加2個，新增貨運源頭共6個。

表2 薊州貨運源頭類型分布及變化情況統(tǒng)計

天津薊州重點區(qū)貨運源頭變化情況如表3所示，其中沙石囤積點變化23處，疑似開采點變化19處，大型建筑工地變化16處，疑似貨運源頭2處。另外，貨運源頭新增8處，非貨運源頭變疑似開采點2處，非貨運源頭變沙石囤積點2處，非貨運源頭變大型建筑工地4處。貨運源頭減少4處，分別為沙石囤積點變?yōu)榉秦涍\源頭3處，大型建筑工地變?yōu)榉秦涍\源頭1處。

表3 重點區(qū)貨運源頭變化類型統(tǒng)計

2019～2020年，天津市薊州區(qū)貨運源頭各類型面積變化率統(tǒng)計情況如表4所示，其中疑似開采點面積變化小于50%的有14處，面積變化介于50%～100%之間1處，面積變化超過100%的有 3處，新增疑似開采點2處。沙石囤積點面積變化小于50%的有 11處，面積變化介于50%～100%之間的有2處，面積變化超過100%的有5處，沙石囤積點類型減少的有3處，新增沙石囤積點2處。大型建筑工地面積變化小于50%的有9處，面積變化介于50%～100%之間的有2處，大型建筑工地類型減少1處，新增大型建筑工地4處。疑似貨運源頭面積變化超過100%的有1處。

表4 貨運源頭各類型面積變化率統(tǒng)計

各種類型樣點中，面積發(fā)生變化的占比最大，其中相對原先面積減少的共13處，相對于原先面積增加的共35處。根據(jù)圖表特點分析，開采施工范圍逐漸減小，開采施工痕跡逐漸消失的區(qū)域為貨運源頭的概率較低，根據(jù)兩期影像獲取的信息確定新增以及開采施工面積增加的大概率為近期發(fā)生工業(yè)活動的區(qū)域。

對沙石囤積點以及大型建筑工地變化情況進(jìn)行分析，認(rèn)為城區(qū)樓房建設(shè)工程數(shù)量增加引起沙石使用量增長，從而導(dǎo)致對應(yīng)兩個源頭點數(shù)量增加。利用遙感就技術(shù)進(jìn)行對貨運源頭初步核查，可對貨運源頭有較為充分的了解，再確定核查的優(yōu)先級以及可供選擇的核查目標(biāo)，結(jié)合需求現(xiàn)狀分析確定核查目標(biāo)的性質(zhì)和存在非法行為的可能性，以避免盲目核查帶來損失。

3.2 監(jiān)測點分級結(jié)果及分析

基于上文提出的分級方法以及分級標(biāo)準(zhǔn)，對薊州區(qū)重點區(qū)域選取的60個貨運源頭樣點進(jìn)行分級。首先對選取監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行變化率計算，再對變化率和變化面積變化情況基于設(shè)定值進(jìn)行篩選，篩選結(jié)果如圖7所示。

圖7 重點區(qū)貨運源頭綜合統(tǒng)計

結(jié)合上述篩選情況，對每個監(jiān)測點的變化率以及變化面積進(jìn)行歸一化加權(quán)計算，并對最終計算結(jié)果按照分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，共有10個一級樣點，15個二級樣點以及35個三級樣點。重點區(qū)不同類別貨運源頭等級分布情況如圖8所示。一級貨運源頭主要集中沙石囤積點和疑似開采點。其中，疑似開采點大部分為山區(qū)屬于人工不易監(jiān)管的地段，對應(yīng)監(jiān)測點存在非法的開采行為概率較大。實際核查工作中，應(yīng)當(dāng)首先考慮對該類一級樣點進(jìn)行核查，制定相關(guān)方案并采取有效措施，從而實現(xiàn)治超的目的。

圖8 重點區(qū)貨運源頭等級分布統(tǒng)計

4 結(jié)論

以天津市薊州區(qū)貨運源頭為研究對象，實現(xiàn)遙感監(jiān)測技術(shù)在貨運源頭核查中的應(yīng)用。通過變化檢測掌握重點區(qū)的貨運源頭整體情況，確定貨運源頭現(xiàn)狀以及季度變化情況；建立貨運源頭的解譯標(biāo)志實現(xiàn)變化區(qū)域詳細(xì)分類；基于分類結(jié)果建立符合項目要求的分級標(biāo)準(zhǔn)，以及確定核查優(yōu)先級；利用遙感監(jiān)測全面、高效的優(yōu)勢，確定部分位置偏僻、難以發(fā)現(xiàn)的非法開采點以及非法貨運源頭單位。研究表明，遙感檢測應(yīng)用于貨運核查能有效減少相關(guān)部門人力、物力以及財力的支出，提高執(zhí)法效率和準(zhǔn)確度。