高分二號衛星數據在新增建設用地監測中的應用分析

王忠武 劉順喜 戴建旺 尤淑撐 沈均平 李芬

(1 中國土地勘測規劃院，北京 100035)(2 北京中色測繪院有限公司，北京 100012)

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高分二號衛星數據在新增建設用地監測中的應用分析

王忠武1劉順喜1戴建旺1尤淑撐1沈均平1李芬2

(1 中國土地勘測規劃院，北京 100035)(2 北京中色測繪院有限公司，北京 100012)

選擇內蒙古包頭市青山區、白云礦區和赤峰市元寶山區作為典型試驗區，以韓國多用途衛星-3(Kompsat-3)數據提取結果作為參考，開展高分二號(Gaofen-2)衛星數據在新增建設用地監測中的應用分析。試驗結果表明：基于高分二號衛星數據的新增建設用地監測圖斑屬性精度，新增建設用地占用耕地、非耕農用地圖斑面積精度，以及最小可監測圖斑面積，基本滿足土地利用動態遙感監測業務相關規范要求。建議開展高分二號衛星的常態業務測控，提高衛星數據對大區域連片的有效覆蓋能力，滿足土地應用對完整行政轄區覆蓋的要求，為充分發揮衛星的應用效益奠定基礎。

高分二號衛星；新增建設用地監測；屬性精度；面積精度；最小圖斑面積

1 引言

高分二號(Gaofen-2)衛星是高分辨率對地觀測系統重大專項(民用部分)首批啟動研制的重要項目，于2014年8月19日11點15分由長征-4B運載火箭在太原衛星發射中心成功發射，標志著我國民用遙感衛星真正進入了亞米級“高分時代”[1]。高分二號衛星搭載2臺全色多光譜相機，每臺相機可提供幅寬不低于23 km、空間分辨率優于1 m/4 m的全色多光譜影像，可為土地利用動態監測、礦產資源調查、城鄉規劃監測評價、交通路網規劃、森林資源調查、荒漠化監測等行業和首都圈等區域應用提供服務支撐。

高分二號衛星作為國產亞米級分辨率衛星，進一步豐富了土地利用變化新增建設用地監測的自主數據源。根據土地資源遙感調查監測技術流程，開展高分二號衛星數據的土地利用/土地覆被和新增建設用地監測能力應用與分析，評估該數據現狀與變化信息提取能達到的精度水平[2-6],可為后續土地業務規模化應用提供有力的技術指導。本文選擇典型試驗區，以韓國多用途衛星-3(Kompsat-3)數據提取結果作為參考，結合土地利用動態遙感監測相關技術規范，分析了高分二號衛星數據用于新增建設用地監測的屬性精度、面積精度、最小可監測圖斑面積等，可為高分二號衛星數據在土地利用動態遙感監測業務的規模化應用提供參考。

2 試驗區及基礎數據情況

2.1 試驗區

截至2014年12月17日，高分二號衛星發射后近4個月，由于衛星數據狀態穩定時間較短，本文根據衛星數據覆蓋情況選取內蒙古包頭市青山區、白云礦區和赤峰市元寶山區作為試驗區。青山區地處包頭市中部，大青山南麓的土默川平原西北部，地勢平坦、北高南低，總面積272.50 km2。白云礦區地處蒙古高原南部，位于陰山之北的烏蘭察布草原西北部，境內東部、北部為高原丘陵，南部、西部為延綿起伏的草原，中部城區地段為凹地，總面積247.89 km2。元寶山區位于內蒙古自治區東部，屬燕山山脈延伸部分，低山丘陵較多，西北間有固定和半固定沙丘，地勢西南高、東北低，總面積943.89 km2。青山區共接收到4景數據，有效覆蓋面積93%；白云礦區共接收到2景數據，有效覆蓋面積97%；元寶山區共接收到4景數據，有效覆蓋面積64%。試驗區高分二號衛星數據具體覆蓋情況見圖1(紅線圈出區域)，所有行政轄區都未實現有效數據全部覆蓋。

圖1 試驗區高分二號衛星數據覆蓋情況Fig.1 Gaofen-2 satellite data coverage map of typical experiment areas

2.2 數據準備

1)基礎數據

采用的基礎數據包括平面和高程控制資料、前時相數據。平面控制資料為2013年度全國土地利用變更調查監測與核查工程基礎底圖。其中：青山區基礎底圖為“快鳥”(Quickbird)衛星影像生產的0.5 m遙感影像圖；白云礦區基礎底圖為世界觀測-1(Worldview-1)衛星生產的0.5 m遙感影像圖；元寶山區為“快鳥”、地球眼-1(Geoeye-1)等衛星生產的0.5 m遙感影像圖。高程控制資料為先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型(ASTGTM)的30 m數字高程模型(DEM)，約能達到1∶50 000數字高程模型精度要求[7]。前時相數據與平面控制資料一致，均為全轄區0.5 m遙感影像圖。

2)參考數據

2014年度全國土地利用變更調查監測與核查工程中，青山區、白云礦區、元寶山區均采用韓國多用途衛星-3高分辨率影像進行新增建設用地提取。該衛星于2012年5月18日成功發射，軌道高度為685 km，能提供空間分辨率為0.7 m的全色數據和2.8 m的多光譜數據，幅寬約為17.5 km。將基于該衛星的0.7 m/2.8 m全色多光譜數據作為后時相，對比基礎數據中各試驗區前時相數據提取的新增建設用地圖斑作為真值參考，評價基于高分二號衛星數據新增建設用地監測成果。

3)高分二號衛星數據預處理

青山區、白云礦區、元寶山區的數據為高分二號衛星2014年10月23日-2014年11月10日接收的高分辨率全色/多光譜數據，具體信息見表1。利用平面和高程控制資料，對高分二號衛星數據進行配準、融合、正射糾正、鑲嵌、調色等處理，生成青山區、白云礦區、元寶山區的后時相遙感影像圖。

表1 高分二號衛星試驗數據清單

注：PMS1和PMS2指全色多光譜相機1和2。

3 分析方法

3.1 主要技術指標

新增建設用地監測主要技術指標要求[8-10]如下。

(1)新增建設用地類型(見表2)。

(2)最小可監測圖斑面積：針對0.5～1.0 m分辨率影像，最小可監測圖斑面積為0.3畝。

(3)屬性精度：新增建設用地圖斑屬性精度優于85%。

(4)面積精度：新增建設用地及其占用耕地、非耕農用地圖斑面積精度優于80%。

表2 新增建設用地類型

3.2 分析過程

新增建設用地監測具體分析過程如圖2所示。①利用高分二號衛星融合影像制作的后時相遙感影像圖疊加前時相遙感影像圖，采用人機交互的方式提取新增建設用地圖斑及其占用耕地、非耕農用地、未利用地和其他地類情況。②利用韓國多用途衛星-3融合影像制作的后時相遙感影像圖疊加前時相遙感影像圖，采用人機交互的方式提取新增建設用地圖斑及其占用耕地、非耕農用地、未利用地和其他地類情況。③將步驟②中獲得的結果作為評價參考數據，對基于高分二號衛星數據提取的新增建設用地圖斑進行評價。評價指標包括圖斑的屬性精度、面積精度及最小可監測圖斑。屬性精度主要評價正確圖斑數量占總提取圖斑數量的比例。面積精度主要采用按照新增建設用地類型評價的方式，評價不同變化類型的單個圖斑面積中誤差和平均差異程度。最小可監測圖斑面積為新增建設用地圖斑的最小面積。

圖2 分析過程Fig.2 Workflow of analysis

4 結果與分析

青山區共提取新增建設用地圖斑595塊：類型

一圖斑74塊，類型二圖斑41塊，類型三圖斑92塊，類型四圖斑388塊。白云礦區共提取新增建設用地圖斑171塊：類型一圖斑0塊，類型二圖斑16塊，類型三圖斑56塊，類型四圖斑99塊。元寶山區共提取新增建設用地圖斑531塊：類型一圖斑66塊，類型二圖斑147塊，類型三圖斑159塊，類型四圖斑159塊。

4.1 屬性精度評價

按照新增建設用地類型劃分為4種類型，對全部圖斑進行屬性精度評價。新增建設用地圖斑提取屬性精度統計見表3。青山區提取的新增建設用地圖斑正確數568塊，平均屬性精度為95.46%。白云礦區提取的新增建設用地圖斑正確數160塊，平均屬性精度為93.57%。元寶山區提取的新增建設用地圖斑正確數463塊，平均屬性精度為87.19%。可知，新增建設用地監測屬性精度達到了87.19%以上，滿足新增建設用地圖斑屬性精度優于85%的指標要求。

表3 不同新增建設用地類型的屬性精度

4.2 面積精度評價

按照新增建設用地類型劃分為4種類型，各隨機抽取10塊圖斑進行面積精度評價，不同變化類型屬性精度統計見表4。青山區提取的新增建設用地圖斑面積精度優于89.66%，白云礦區提取的優于89.72%，元寶山區提取的優于92.86%。可見，新增建設用地監測不同變化類型的面積精度達到了89.66%以上，滿足新增建設用地及其占用耕地、非耕農用地圖斑面積精度優于80%的指標要求。

表4 不同新增建設用地類型的面積精度

4.3 最小可監測圖斑面積評價

青山區監測的新增建設用地最小圖斑面積為0.2畝，白云礦區監測的為0.2畝，元寶山區監測的0.1畝，如圖3所示(紅線圈出區域)。可見，新增建設用地最小可監測圖斑面積能達到0.2畝，滿足最小可監測圖斑面積0.3畝的指標要求。

注：后時相影像為高分二號衛星融合影像。圖3 最小監測圖斑Fig.3 Minimum monitoring plot area

4.4 總體評價

基于高分二號衛星數據開展了青山區、白云礦區和元寶山區的新增建設用地監測屬性精度、面積精度和最小可監測圖斑的應用分析。試驗結果表明：新增建設用地監測圖斑屬性精度基本達到85%以上，新增建設用地及其占用耕地、非耕農用地、未利用地和其他地類圖斑面積精度能達到85%以上，新增建設用地最小可監測圖斑面積能達到0.2畝，滿足土地利用動態遙感監測業務相關技術規范要求[8-10]。但是，總體來說，衛星數據大區域連片覆蓋能力還略顯不足，難以滿足土地應用領域對完整行政轄區覆蓋的要求。

5 結束語

基于高分二號衛星數據開展新增建設用地監測的屬性精度、面積精度和最小可監測圖斑面積，能滿足土地利用動態遙感監測業務相關技術規范要求，說明高分二號衛星數據可用作0.5～1.0 m監測區的數據源。同時也應看到，高分二號衛星對土地應用領域基本監測區的完整行政轄區的覆蓋能力還有待提高。因此，為充分發揮高分二號衛星的應用效益，建議開展衛星常態業務測控，提高衛星數據對大區域連片覆蓋的有效覆蓋能力，滿足土地應用領域對完整行政轄區覆蓋的要求。本次評價以應用韓國多用途衛星-3數據提取的新增建設用地圖斑作為參考數據，因此新增建設用地監測精度會受到一定程度的影響，實際應用效果還要在后續規模化應用中進一步驗證。

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(編輯：夏光)

Analysis of New Constructed Land Monitoring by Using Gaofen-2 Satellite Imagery

WANG Zhongwu1LIU Shunxi1DAI Jianwang1YOU Shucheng1SHEN Junping1LI Fen2

(1 China Land Surveying and Planning Institute,Beijing 100035,China) (2 Beijing CNNC Institute of Surveying and Mapping Co.,Ltd.,Beijing 100012,China)

With Qingshan and Baiyunkuang District,Baotou City,and Yuanbaoshan District,Chifeng City,Inner Mongolia Autonomous Region as typical testing areas individually,the ability of Gaofen-2 satellite images to monitor new constructed land is analyzed,compared to those of Kompsat-3.The results show that the attribution accuracy of new constructed land monitoring,the area accuracy of cultivated land occupation and non-cultivated agricultural land occupation,as well as the minimum area of monitored plot can meet the regulatory requirements of land use dynamic monitoring project.It is suggested to carry out normal satellite TT&C according to the applications and to improve the data-acquirement capability in large area,in order to meet the requirement of covering the whole county in land remote sensing application,and to get its full benefit.

Gaofen-2 satellite；new constructed land monitoring；attribution accuracy；area accuracy；minimum plot area

2015-01-09；

2015-03-08

國土資源公益性行業科研專項“資源一號02C衛星土地應用關鍵技術研究及推廣”(201411119),高分辨率對地觀測系統重大專項“高分國土資源遙感應用示范系統(一期)”(04Y30B01-9001-12/15)

王忠武，男，副研究員，從事土地資源遙感調查監測與評價、國產衛星發展應用研究工作。Email：wangzhongwu@mail.clspi.org.cn。

TP751

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.020