基于GIS 和遙感的自然資源監(jiān)測(cè)研究

呂田

摘要： 研究基于機(jī)載數(shù)據(jù)的國(guó)土資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，利用無(wú)人機(jī)低空遙感平臺(tái)獲取的高分辨率機(jī)載影像數(shù)據(jù)，制作重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地區(qū)的正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）、全景影像等，采用人機(jī)交互解譯法對(duì)無(wú)人機(jī)影像結(jié)合前后時(shí)相進(jìn)行分類，提取圖斑信息，結(jié)合野外驗(yàn)證，形成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果。從機(jī)載數(shù)據(jù)在國(guó)土資源動(dòng)態(tài)監(jiān)管中的應(yīng)用入手，針對(duì)不同場(chǎng)景下監(jiān)測(cè)需求，研究并建立基于機(jī)載數(shù)據(jù)的國(guó)土資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用框架，為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的國(guó)土資源精細(xì)化監(jiān)管提供技術(shù)支撐，提升監(jiān)管的科學(xué)性和時(shí)效性。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī) 遙感 自然資源 監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）24-0021-03

自然資源在人類生存和生產(chǎn)過(guò)程中扮演重要角色，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人類對(duì)自然資源的開發(fā)利用程度越來(lái)越高，其中不乏過(guò)度開發(fā)而導(dǎo)致資源惡化和衰竭。因此，科學(xué)合理地監(jiān)測(cè)和管理自然資源對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。我國(guó)地域遼闊且自然資源豐富，傳統(tǒng)人力監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低，而衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受云層、重訪周期和氣候因素的影響較大［1］。無(wú)人機(jī)具有低空飛行獲取數(shù)據(jù)、機(jī)動(dòng)便捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于自然資源監(jiān)測(cè)、航拍、測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及應(yīng)急救援等領(lǐng)域。

1 變化圖斑的判識(shí)方法

將前后兩時(shí)相的影響與年度土地調(diào)查庫(kù)進(jìn)行套合。兩期影像與之對(duì)比，根據(jù)地物特征，利用數(shù)據(jù)時(shí)相、地域特點(diǎn)、地形地貌、周邊環(huán)境等要素進(jìn)行分析［2］。

如果影像表現(xiàn)為新增建設(shè)用地部分被數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)用地圖斑壓蓋，則僅提取數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)用地圖斑外未被壓蓋部分，數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)用地圖斑邊界直接作為新增建設(shè)用地圖斑邊界。根據(jù)影像特征，將“非建設(shè)用地”類型范圍內(nèi)新增的建設(shè)用地圖斑的類型分別歸為一、二、三、五、六、七類中二級(jí)類，具體分類方式如下。第一類，前時(shí)相影像有綠色植被或明顯非建設(shè)情況的表現(xiàn)，后時(shí)相影像有明顯建設(shè)痕跡［3］。第二類，前時(shí)相影像有綠色植被或明顯非建設(shè)特征，后時(shí)相影像有明確的建設(shè)推填土痕跡。第三類，前時(shí)相影像有明確的建設(shè)推填土痕跡，后時(shí)相影像表現(xiàn)出明顯建設(shè)特征；或在前時(shí)相影像中表現(xiàn)為低矮建筑，而在后時(shí)相影像明顯翻建為較大規(guī)模建筑。第五類，對(duì)于2015 年及以往年度被標(biāo)注為“P”（批而未用），而在本年度影像被標(biāo)注為新增建設(shè)特征的圖斑。第六類，上一年度表現(xiàn)為“擬拆除圖斑”，而在后時(shí)相影像表現(xiàn)出明顯建設(shè)痕跡。第七類，在前時(shí)相影像中有綠色植被存在或無(wú)明顯建設(shè)痕跡，在后時(shí)相影像中存在明顯道路或大型溝渠特征；或前時(shí)相影像為道路或在建的大型溝渠，在后時(shí)相影像中表現(xiàn)為明顯建成特征。

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 研究區(qū)域

廣東某地為中國(guó)南方重稀土礦產(chǎn)地中心位置，稀土資源豐富。劃定礦產(chǎn)資源重點(diǎn)區(qū)域，利用無(wú)人機(jī)不定期對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提取礦產(chǎn)利用變化信息，并制作打印外業(yè)巡查圖，開展外業(yè)巡查、野外驗(yàn)證，拍攝野外圖片并制作《礦山遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)業(yè)解譯與野外驗(yàn)證記錄表》，分析動(dòng)態(tài)變化情況。

2.2 航攝線路設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)主要使用搭載SonyA7R 相機(jī)的P316 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)、X-Chimera 型復(fù)合翼無(wú)人機(jī)和DJIPHANTOM 4 RTK 型多旋翼無(wú)人機(jī)這3 種型號(hào)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍數(shù)據(jù)采集［4］。

數(shù)據(jù)處理使用PIXEL 4D 攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件和INPHO UASMASTER 攝影測(cè)量處理軟件；數(shù)據(jù)處理、分析、解譯軟件使用ArcGIS 軟件。

根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍和實(shí)際地形地貌設(shè)計(jì)航飛，選擇較好的航飛天氣航攝。航攝分區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)分區(qū)內(nèi)地形高度差不應(yīng)大于1/6 航攝航高，對(duì)于地形復(fù)雜地區(qū)可以放寬到1/2，但要加大航向重疊度、旁向重疊度航攝分區(qū)。在大疆手持平板上設(shè)置好航高和重疊度等參數(shù)，并劃分好測(cè)量區(qū)域后，平板的自帶軟件會(huì)自動(dòng)規(guī)劃出相應(yīng)的航攝路線。

2.3 地面控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

地面控制點(diǎn)布設(shè)不是必須的。無(wú)人機(jī)航攝獲取的影像具有相幅較小、相片數(shù)多的特點(diǎn)，之后通過(guò)快拼軟件進(jìn)行快速拼圖，利用簡(jiǎn)單鑲嵌的攝區(qū)影像圖選取合乎要求的控制點(diǎn)［5］。

2.3.1 像控點(diǎn)的布設(shè)

以項(xiàng)目成果精度要求來(lái)布設(shè)像控點(diǎn)，原則上能夠滿足空中三角測(cè)量的精度要求。特殊情況布點(diǎn)需要注意事項(xiàng)：在無(wú)明顯地物時(shí)，或者主點(diǎn)或標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位處于水域內(nèi)，將其看成是點(diǎn)位落水。像控點(diǎn)統(tǒng)一布設(shè)為平高控制點(diǎn)，航向相隔8～12 條基線，旁向相隔2～4 條航帶。

2.3.2 像控點(diǎn)的測(cè)量

像控點(diǎn)平面位置主要采用RTK 方法來(lái)確定。當(dāng)利用GDCORS 或中心CORS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK 來(lái)進(jìn)行像片控制測(cè)量時(shí)，需要遵守一定的要求。

3 數(shù)據(jù)處理流程

3.1 正射影像數(shù)據(jù)

影像數(shù)據(jù)處理一般分為影像預(yù)處理、影像匹配、空中三角測(cè)量解算、生成DEM、生成DOM 與拼接和DLG等環(huán)節(jié)。在將影像導(dǎo)入計(jì)算機(jī)的處理軟件后，輸入相機(jī)參數(shù)與控制點(diǎn)信息，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)處理。之后軟件依次進(jìn)行影像匹配和空中三角測(cè)量解算，最后生成相應(yīng)產(chǎn)品。產(chǎn)品包括DEM、DOM 和DLG 等。

3.2 傾斜攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)

傾斜攝影測(cè)量在飛行器上搭載不同傾斜角度的相機(jī)，對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行攝影，從不同的角度盡可能全面地獲取地物信息［6］。中間為攝像頭正對(duì)地面時(shí)拍攝的俯視圖像，其余4 個(gè)子圖分別為攝像頭朝前、后、左、右傾斜時(shí)拍攝的影像結(jié)果。

相對(duì)于普通的垂直攝影測(cè)量，傾斜攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)處理更加復(fù)雜，生成的產(chǎn)品也更多。其數(shù)據(jù)處理的流程如圖1 所示。首先根據(jù)無(wú)人機(jī)POS 數(shù)據(jù)、傾斜相片和像控點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理和區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差；然后經(jīng)過(guò)影像密集匹配、高精度彩點(diǎn)云處理生成數(shù)字表面模型或者三維模型；最后進(jìn)行正射糾正后才能形成真正射影像TDOM 產(chǎn)品。

4 判識(shí)與匯總

4.1 判識(shí)的總體規(guī)則

根據(jù)所提取信息進(jìn)行判識(shí)，有如下4 種判識(shí)規(guī)則。

4.1.1 合理利用多源、多尺度遙感數(shù)據(jù)

根據(jù)各地土地利用變化特點(diǎn)、管理需要的不同，將全國(guó)劃分為四類監(jiān)測(cè)區(qū)。一類區(qū)面積為134.8萬(wàn)km2，采用優(yōu)于1 m的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)；二類區(qū)面積為433.6萬(wàn)km2，采用2 m級(jí)多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)；三類區(qū)面積為200.4萬(wàn)km2，采用2 m級(jí)全色或5 m級(jí)彩色衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)；四類區(qū)面積為178.7萬(wàn)km2，采用5 m級(jí)全色或多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

4.1.2 充分利用已有成果資料

本年度新采購(gòu)影像數(shù)據(jù)全部統(tǒng)一采用全國(guó)二次調(diào)查底圖和高程數(shù)據(jù)作為遙感數(shù)據(jù)的糾正基礎(chǔ)，統(tǒng)一前后時(shí)相影像的參考基準(zhǔn)。

4.1.3 執(zhí)行《土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)規(guī)程》（修訂版）（TD/T 1010—2015）

在總結(jié)國(guó)土資源大調(diào)查、三次調(diào)查和2009 年以來(lái)歷年全國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)1999 年《土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)規(guī)程》（TD/T 1010—1999）進(jìn)行了全面修訂。本年度全國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目原則上參照新修訂后規(guī)程實(shí)施，充分應(yīng)用大范圍遙感正射影像圖生產(chǎn)、變化信息快速提取及成果質(zhì)量控制等技術(shù)和方法，執(zhí)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，圍繞項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)，針對(duì)部分新任務(wù)和新要求提出具體實(shí)施的管理措施。

4.1.4 客觀準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)新增建設(shè)用地信息

本年度全國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)以發(fā)現(xiàn)和提取新增建設(shè)用地為主要任務(wù)，依據(jù)影像地物特征及周邊環(huán)境，參考土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)充分細(xì)致的影像判讀，準(zhǔn)確提取新增建設(shè)用地圖斑。在保證新增建設(shè)用地圖斑完整提取的前提下，盡可能降低非建設(shè)用地圖斑誤提現(xiàn)象。

4.2 不同對(duì)象的詳細(xì)處理原則

相鄰圖斑原則上需按照10 種圖斑類型分別勾繪，并明確圖斑邊界的拓?fù)潢P(guān)系。若出現(xiàn)第一類與第三類圖斑相鄰的情況，可勾繪為一個(gè)圖斑，圖斑類型以面積較大的類型為準(zhǔn)。若第一類或第三類圖斑與第二類圖斑相鄰，且通過(guò)影像無(wú)法確定其為同一建筑類型，則需分類處理。

（1）如果在建設(shè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)，影像表現(xiàn)為集中建設(shè)部分與推填土部分有明確界限，且均具備一定規(guī)模，則需將兩者拆分歸類。此外，一個(gè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)如果有多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的集中建設(shè)區(qū)，則每個(gè)集中建設(shè)區(qū)可單獨(dú)勾繪為一個(gè)圖斑，與周邊推填土部分拆分處理，但不可對(duì)同一建設(shè)區(qū)的建筑物單獨(dú)勾繪。（2）如果影像表現(xiàn)為整體建設(shè)，僅在內(nèi)部及外圍小面積推填土部分，可將圖斑整體歸為“一類”或“三類”。圖2 展示了將整體建設(shè)歸為“一類”的情況。（3）如果影像表現(xiàn)為整體推填土，內(nèi)部?jī)H有零散分布的小面積建筑，可將圖斑整體歸為“二類”。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2022 年至2023 年4 月，本研究分別采用P330、DJIPhantom 4 RTK、X-Chimera 無(wú)人機(jī)，共飛行30 架次，完成劃定區(qū)域的航攝工作。

對(duì)劃定監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域?qū)Φ爻上瘢瑑?nèi)業(yè)采用Pixel4D、Inpho UASmaster 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件進(jìn)行處理，生產(chǎn)優(yōu)于0.2 m分辨率（含0.2 m）正射影像共183.37 km2。

本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)人機(jī)分3 個(gè)階段對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)圈定的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)合了近3 年發(fā)現(xiàn)的新增開采圖斑分布情況，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)巡查，其中監(jiān)測(cè)圖斑總數(shù)為140 塊，正確監(jiān)測(cè)個(gè)數(shù)127 塊，總體預(yù)測(cè)精度高達(dá)90.7%，總監(jiān)測(cè)面積約183.37 km2。遙感解譯共提取10 個(gè)疑似新增開采圖斑，經(jīng)外業(yè)核查驗(yàn)證，新增3 個(gè)未申報(bào)的開采圖斑，其他類型圖斑7 個(gè)（設(shè)施農(nóng)用地相關(guān)）。同時(shí)，對(duì)往年發(fā)現(xiàn)的882 個(gè)圖斑進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。

從監(jiān)測(cè)總體情況看，本次監(jiān)測(cè)范圍雖有個(gè)別區(qū)域存在未申報(bào)的新增開采圖斑，但通過(guò)對(duì)往年新增開采圖斑跟蹤監(jiān)測(cè)情況看，監(jiān)測(cè)區(qū)域開采點(diǎn)的附近區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)大面積反彈的跡象。

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