3S技術在湖南省月度衛片執法遙感監測中的應用

譚思源 彭慶榮 譚 浬

(湖南省第二測繪院, 湖南 長沙 410119)

0 引言

為貫徹落實黨中央用最嚴格制度、最嚴密法治保護自然資源的精神,切實全面履行自然資源“兩統一”職責,全面聚焦山水林田湖草生命共同體的保護任務,及時發現各類違法違規行為,有效遏制耕地非農化、非法采礦等各類自然資源違法行為,做到早發現、早制止、嚴查處,維護自然資源開發利用和保護秩序,2020年初,湖南省自然資源廳優化提升自然資源執法監察工作和技術模式,在季度衛片執法的基礎上提出了月度衛片執法的工作思路。

近年來,“3S”技術得到了突飛猛進的發展,在土地資源管理領域被廣泛地應用,“3S”技術是遙感技術(remote sensing,RS)、地理信息系統(geographic information system,GIS)和全球定位系統(global positioning system,GPS)的統稱。“3S”技術發展為湖南省月度衛片執法遙感監測提供了新的技術手段,有效貫徹了“優化提升自然資源執法監察工作和技術模式”的指導思想。本文基于分辨率為“0.5～2 m”國產衛星影像,對全省各縣區開展一月一周期的監測,采用“智能解譯+人工目視”方式發現并提取可疑圖斑;采用地理信息技術基于行政區劃、永久基本農田保護區、生態保護紅線等數據對圖斑屬性自動化輸入,最終形成任務包下發給地方執法工作人員進行外業核查;我院開發的“易采”調查系統,具備網絡世界里可以連接到主機的電腦端口(personal computer，PC)和移動端;PC端提供數據、任務管理等功能,可實現核查成果便捷整理、導入導出等功能,輔助執法工作人員對成果的高效管理與匯總;移動端基于GPS技術可實現快速準確定位,并協助執法人員在各類數據之間瀏覽與對比,極大地提高了衛片執法工作效率。

1 技術路線

基于國產常見0.5～2 m分辨率衛星,如高分一號、高景一號等,按月對湖南全省范圍進行數據采集、外參數解算、正射糾正、影像融合、圖像增強、鑲嵌等一系列處理,得到該月度影像底圖。對比上年度變更調查影像,提取占地面積超過666.67 m的變化圖斑。根據基本農田保護界線、生態保護紅線、建設用地審批數據等,對變化圖斑進行違法情況分類、去除偽變化等工作。利用地理信息技術實現圖斑屬性信息自動化輸入與監測圖斑信息自動生成。監測圖斑導入“易采”調查系統,可實現內業數據、任務管理、成果導入導出與外業核查、拍照舉證等工作暢通無阻的管理流程,如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2 遙感技術的應用

2.1 遙感影像的獲取

根據湖南省月度衛片執法遙感監測工作要求,市轄區確保1 m或優于1 m分辨率的影像覆蓋,縣轄區優先采用1 m分辨率影像、2 m分辨率影像進行補充。本監測工作遙感影像主要來自國產常見衛星,包括：高分一號、高分二號、高景一號等,分辨率各有高低,如高分一號、資源衛星等分辨率為2 m,高分二號、吉林一號等分辨率為1 m,高景一號分辨率為0.5 m。合適的影像分辨率以及廣泛的影像獲取途徑,基本可以滿足湖南省各個縣、區“月發現、月預警、月處置”的監測需求。

2.2 遙感影像的制作

對獲取的衛星影像進行外參數解算、正射糾正、影像融合、圖像增強、鑲嵌等一系列處理。通常來說,遙感影像要具備高精度的平面位置,需要野外獲取高精度像控點進行校準。此方式在月度監測的時間要求下難以實現,而湖南為推進全省不動產登記工作于2015年制作的0.2 m分辨率數字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、數字高程模型(digital elevation model,DEM)以及湖南省第二測繪院在以往工作中積累的海量的像控點為解決此問題提供了基礎,結合衛星影像遠程過程調用(remote procedure call，RPC)參數,利用區域網平差法進行外參數解算,對影像進行正射糾正處理,使得遙感影像在平面精度上有了保證。

為了提高月度衛片圖斑提取工作的準確性,需要對全色和多光譜影像進行融合,使得融合后的影像減少了光譜失真,色彩更加明亮,細部紋理更加清晰。影像融合采用的是Pansharp方法,該方法是通過最小二乘法計算原始多光譜影像與全色影像及融合后多光譜影像與全色影像灰度值關系的最佳擬合,并用統計方法解決融合過程中的標準化和自動化問題。在上述基礎上,經過消噪、去薄霧、去條帶、勻色等圖像增強以及鑲嵌、裁剪等工作,得到覆蓋全省的DOM,作為當月變化圖斑提取的后時相影像(圖2)。

圖2 監測圖斑提取工作底圖(后時相影像)

3 地理信息技術的應用

3.1 監測圖斑提取

根據湖南省月度衛片執法遙感監測工作要求,提取的監測圖斑分為新增線性地物、新增建(構)筑物、新增推填土、新增鄉村旅游用地、新增光伏用地、新增高爾夫球場、毀林、開山、填湖9個類別;監測圖斑提取面積為666.67 m,666.67 m以下不提取,而在0.5～2 m分辨率的正射影像上分辨面積為666.67 m的上述圖斑變化是完全可行的。

目前,遙感影像變化圖斑提取的方法有3種：計算機自動解譯,計算機自動解譯+人工目視解譯及完全目視解譯。計算機自動解譯,提取圖斑速度快,前、后時相影像變化發現率高,缺點是準確率不高,偽變化提取較多,并且圖斑的邊界范圍劃定誤差較大;而人工目視解譯準確率高,圖斑范圍劃定準確,但速度慢,漏檢率相對計算機自動解譯要高。為了確保月度衛片執法遙感監測的即時性與遏制違法事件發生的有效性,監測圖斑的提取采用計算機自動解譯與人工目視解譯雙管齊下的方式,既能提高圖斑提取速度,又能提高圖斑提取的準確率。湖南省第二測繪院自主研發的“核圖寶”智能解譯系統,基于前、后時相影像的變化特性,能有效提取疑似監測圖斑,提取的疑似圖斑由人工逐一核實,去除偽變化,得到初步監測圖。自動提取的圖斑正確率可達60%,大幅提高了工作效率。人工目視解譯采用ArcGIS軟件的卷簾工具判讀前、后時相影像的紋理、光譜特征變化,提取9種監測圖斑。為降低監測圖斑漏檢率,使用“創建漁網”Arctool建立長與寬均為500 m的格網作為圖斑提取最小工作單元。在人工目視解譯過程中,遇到邊界劃定不準的自動解譯圖斑,及時對其邊界進行調整與修改。

3.2 圖斑屬性信息的輸入

上述工作提取的初步監測圖斑僅有監測圖斑坐標、面積及周長屬性,執法外業中直接使用存在一些障礙,如監測圖斑土地權屬不詳、占用耕地面積不詳、是否占用基本農田或位于生態保護紅線內不明等,故需要對初始監測圖斑進行屬性信息的輸入。屬性的輸入主要用到以下幾類參考數據：

(1)行政界線數據。主要來自第三次國土調查,包括市、縣(區)、鄉鎮(街道)、村(社區)的行政界線。

(2)土地管理信息數據。包括集體土地所有權確權數據、生態保護紅線、基本農田保護范圍、全省建設用地審批數據庫、土地整理開發與增加掛鉤項目數據、全省土地供應數據庫、全省控制性詳細規劃數據庫等。

得益于湖南省近年來土地管理數據的數字化建設以及2018年全省存量數據2000大地的坐標系轉換工作,使得上述數據均為坐標統一的矢量數據或數據庫。利用ArcGIS的模型構建器制作“屬性自動化輸入工具”,可將屬性信息輸入至初步監測圖斑中。該工具的制作是根據所需輸入的屬性信息,利用ArcGIS“疊加分析”中的“標識”工具多次嵌套而成,并利用“字段刪除”工具去除經多次標識成果后的無用屬性字段,最終得到監測圖斑成果(圖3)。

基于輸入的屬性和影像對監測圖斑成果進行二次判讀,根據屬性進行篩選,去除部分偽變化圖斑,如已合法審批建設用地、已審批的耕地開發項目等,采用“縣級行政區代碼+圖斑提取年月+圖斑順序號”對圖斑進行編號,得到最終有效的外業核查監測圖斑。

圖3 屬性自動輸入工具ArcGIS模型構建器圖

3.3 監測圖斑信息生成

監測圖斑信息包括監測圖斑前、后時相截圖和監測圖斑信息的匯總表格文件,方便地方執法工作人員對監測圖斑信息的瀏覽與熟悉。由于涉及的監測圖斑數量多,如采用純人工的方式對監測圖斑前、后時相影像截圖以及監測信息匯總,勢必消耗大量的人力、物力及時間。本文基于ArcGIS模型構建器制作“監測圖斑信息自動生產工具”,自動逐監測圖斑裁剪前、后時相影像見圖4(b)、圖4(c),并以圖斑屬性信息為基礎生成監測圖斑信息匯總表格,見圖4(f),三者共同存儲在以“監測編號”命名的文件夾中，見圖4(e)。該工具的工作原理是在迭代每個監測圖斑的基礎上,單獨求取每個圖斑包絡面,再進行緩沖處理,得到緩沖面作為裁剪前、后時相影像的范圍見圖4(a),同時,通過監測圖斑屬性信息形成該圖斑的信息匯總表。監測圖斑信息可導入由湖南省第二測繪院開發的“易采”外業調查系統中進行瀏覽,極大地方便外業執法工作的進行。

(a)監測圖斑信息生成工具Arcgis模型構建器圖

(b)監測圖斑前時相影像截圖 (c)監測圖斑后時相影像截圖

(d)鄉鎮所有監測圖斑匯總文件夾 (e)監測圖斑信息匯總文件夾

(f)監測圖斑信息表

3.4 “易采”調查系統

執法外業工作常需前與后兩期影像對比、圖斑信息快速獲取、相關數據的參考等操作,地理信息系統在此類強交互的流程中有得天獨厚的優勢。湖南省第二測繪院開發的“易采”調查系統是標準的GIS系統,其突出特點是把GIS技術與專業應用領域的技術緊密結合起來。該調查系統包括PC端和移動端。PC端提供設備管理、用戶管理、數據管理、數據瀏覽、任務管理等功能;移動端可以是平板或手機,配合桌面端導入的正射影像圖(前與后兩時相)、監測圖斑矢量數據、參考矢量數據、調查任務,可快速實現各數據之間的疊加、瀏覽與對比,可根據實際情況需要,導入多期歷史影像,掌握監測圖斑的變化過程。此外,移動端支持衛星定位,可用于記錄監測圖斑外業核查路線,以及實時拍照舉證,存儲照片拍攝角度及位置,支持圖斑屬性與圖形修改,草圖快速繪制等編輯功能。移動端調查成果最終由桌面端匯總導出,實現數據保密的同時,生成外業執法成果數據庫。

4 GPS技術的應用

4.1 手持RTK對違法圖斑的現場測量

違法活動是一個持續的過程,從衛星影像的拍攝到外業核查的時間內一直處在變化之中。現場情況可能與影像顯示特征存在差異,所以在外業核查中需要利用RTK快速實現違法現場測量。載波降位實時動態差分定位(real-time kinematic,RTK),是GPS新技術發展的典范,網絡RTK實時即可達到厘米級精度。在外業測量中,利用RTK技術采集違法范圍邊界特征點、轉折點等關鍵點的三維坐標數據;經內業處理,將各關鍵點依次連接成線,得到違法現場準確范圍,供后續工作分析利用。同時,在缺少像控點且高分辨率DOM與DEM現勢性不夠的區域,利用RTK技術精準采集適量的像控點,用于衛星影像校正處理,補充像控點庫。

4.2 多旋翼RTK版無人機現場取證與傾斜攝影

在執法外業工作中,需要拍攝照片、視頻對違法現場進行舉證,而處置違法礦山開采、土地整治不到位等違法活動時,通常違法面積較大,違法現場難以到達。要實現違法取證全面性及便捷性,使得引入無人機航攝十分必要。多旋翼無人機對起降場要求低,隨用隨飛,無視地形障礙,從空中俯瞰提供全面的視角,操作便捷、效率高。內業階段即可根據影像資料設置航點或航線,也可現場根據無人機遙控端地圖設置航點。通過提前設置無人機在每個興趣點的高度、方向、云臺角度、速度等參數,可實現自動化取證。同時,具備RTK功能的無人機搭載單鏡頭便可實現傾斜攝影,利用其拍攝的照片進行三維建模,可在內業搭建違法現場三維場景,為相關部門執法工作開展提供幫助。

4.3 “易采”移動端外業核查

在“易采”調查系統移動端通過移動設備GPS導航定位功能,結合導入的遙感正射影像,可以準確自我定位,并快速導航至需核查的圖斑位置。在沒有明顯標志物的野外,移動端位置的即時顯示功能有效提高了內業提取的監測圖斑與現場情況的對比核實效率。外業執法工作人員可通過移動端進行現場拍照舉證及記錄核查情況,拍照點和記錄點均已通過GPS定位獲得其位置坐標,該坐標值作為照片或信息與圖斑的關聯主鍵。地方執法工作人員自主發現的違法情況,也可通過移動端的GPS定位和圖形繪制編輯功能,對現場情況進行繪制與記錄,最終在桌面端匯總至監測圖斑數據庫中。

5 結束語

本文基于湖南省月度衛片執法遙感監測工作,闡述了3S技術在該項工作中的具體應用,包括：多源的“0.5～2 m”分辨率衛星數據獲取、制作與處理,月度衛片監測圖斑的提取與圖斑屬性信息快速輸入,“易采”外業調查系統的運用等技術方法。通過這些技術的使用,實現了月度衛片遙感監測工作“月發現、月預警、月處置”的工作目的。值得注意的是,本監測工作的基石是衛星遙感數據,而湖南連綿的雨期會對該月份遙感數據的效果造成負面影響,主要表現為大面積云霧遮蓋,從而無法進行前、后時相影像對比;所以后續工作雨期來臨之際,需要提前拓寬衛星遙感數據收集渠道,不局限于國產衛星數據的收集,加大衛星遙感數據采購量,確保前、后影像數據無虞。

目前,本工作在湖南全省已開展15個月,實踐證明，本工作能及時、快速地發現土地違法活動,指導外業執法,為遏制湖南省土地違法活動提供了可行、有效的技術手段。