真彩色增強影像在“天地一體化”監管中的應用

劉超群，余順超，張廣分，李萬能

(珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

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真彩色增強影像在“天地一體化”監管中的應用

劉超群，余順超，張廣分，李萬能

(珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

真彩色增強影像；生產建設項目；水土保持；“天地一體化”

由于衛星遙感影像存在地域和季相特征差異大、色彩不自然、波段相關性高、地物“同物異譜”和“異物同譜”現象突出等問題，因此難以滿足生產建設項目水土保持“天地一體化”監管對遙感影像使用的需要。采用融合增強方法對真彩色影像進行增強處理，處理后的真彩色增強影像色彩自然，符合人的視覺習慣，具有信息豐富、層次分明、細節突出、季節差異小、可比性強等優點，突出了植被、建筑、水域、裸露地表和擾動地表等目標對象的影像特征差異，可以作為生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的標準影像，廣泛應用于水土流失防治責任范圍上圖、遙感解譯標志庫建立、水土保持狀況解譯、水土保持現場調查、監管成果制作與系統管理等監管工作各個環節。

新時期政府推進簡政放權和職能轉變，強化了水行政管理機構的事中監管職能，加強生產建設項目水土保持監管已成為各級水行政部門的重要任務。隨著生產建設項目水土保持監督檢查和執法的力度、廣度、深度、規范性等各方面的強化和提高[1]，傳統技術方法已不能滿足現階段生產建設項目水土保持監管工作的需要。而遙感技術因具有實時性強、覆蓋范圍大、客觀、精確、快速、高效等諸多優勢，已被廣泛應用于資源環境的監測監管工作中。為了滿足新時期各級水行政部門的生產建設項目水土保持監管工作需求，提高監管技術水平和工作效率，非常有必要采用“天地一體化”的監管方法，即采用先進的遙感技術，結合地面監督檢查，實現對生產建設項目水土保持狀況的全覆蓋、準實時監管[2]。

不同地域、不同影像源、不同季相和不同年份的遙感影像存在相同地物影像特征不一致、不同地物影像特征差異不明顯等問題，“同物異譜”和“異物同譜”現象十分突出，給生產建設項目監管使用遙感影像帶來了很大困擾。而采用融合增強方法處理后的真彩色增強影像色彩自然，符合人的視覺習慣，具有信息豐富、層次分明、細節突出、季節差異小、可對比性強等優點，相比增強前的真彩色影像突出了植被、建筑物、水域、裸露地表和擾動地表等目標對象的影像特征差異，可以作為生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的標準影像，廣泛應用于監管工作的各個環節。

1 遙感影像需求分析

針對生產建設項目水土保持監管“全覆蓋”和“精細化”的工作需求，生產建設項目水土保持“天地一體化”監管可以劃分為區域監管和項目監管2個層次，不同監管層次對遙感影像的需求不同(表1)。

表1 國內外常用衛星遙感影像源的適用性

(1)區域監管的遙感影像需求。大區域監管可采用中分辨率遙感影像，影像分辨率一般在10～30 m之間，單景幅寬大于150 km，一次成像覆蓋面積大于2萬km2，影像覆蓋范圍和重訪周期滿足大區域動態監管的需要，影像分辨率滿足大、中型生產建設項目擾動狀況識別的需要。該類衛星遙感影像源主要有我國高分一號(GF-1)、美國陸地衛星Landsat 8和歐洲哨兵2號(Sentinel-2)等。中小區域監管可采用中高分辨率遙感影像，影像分辨率一般在1～10 m之間，單景幅寬大于40 km，一次成像覆蓋面積大于1 000 km2，影像覆蓋范圍和重訪周期滿足中小區域動態監管的需要，影像分辨率滿足大、中、小型生產建設項目擾動狀況識別的需要。該類衛星遙感影像源主要有我國高分二號(GF-2)、高分一號(GF-1)、資源三號(ZY-3)、資源一號(ZY-1)和法國SPOT 6/7等。

(2)項目監管的遙感影像需求。項目監管通常采用亞米級衛星遙感影像或者無人機航拍影像，影像分辨率一般優于1 m，影像分辨率滿足生產建設項目地表擾動狀況和水土保持措施提取的需要。該類衛星遙感影像源主要有美國WorldView-2/3和QuickBird、法國Pleiades等。

(3)對遙感影像信息增強的需求。生產建設項目監管需要利用遙感影像識別和提取各種水土保持信息，因此遙感影像須具有藍、綠、紅和近紅外多光譜波段。但多光譜假彩色影像的地物色彩不符合人的視覺習慣，對遙感分析技術人員要求高，而真彩色影像(注：彩色合成時RGB分別為紅、綠、藍波段)波段相關性高、信息量小，地物色彩暗淡、層次不分明，“同物異譜”和“異物同譜”現象突出，不能滿足監管工作對影像的使用需求。由于監管工作涉及全國各個區域，技術人員水平高低不同，衛星影像源類型多樣，且涉及不同年份和不同季相的遙感影像，因此必須對遙感影像進行技術標準統一的信息增強處理，得到季相和影像源特征差異小、地物層次分明、細節豐富、目標地物影像特征明顯、色彩自然、符合人的視覺習慣的遙感影像，這樣才可作為生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的標準影像。

2 真彩色影像增強試驗

遙感影像增強應遵循以下原則：差異性原則，影像增強處理以突出不同地物間的差異為基本原則；清晰性原則，影像增強后能夠清晰反映地物內部的細節信息，有助于目標地物的分析與識別；適中性原則，在改善高亮地物和黯淡地物反差的基礎上，盡可能多地保留原有色彩、紋理和對比度，尤其是高亮地物的細節和黯淡地物的層次差異，在色彩、亮度、對比度之間尋求整體平衡[3]。

2.1 技術原理

采用光譜波段融合增強方法，通過融入近紅外波段的光譜信息，改善真彩色遙感影像紅、綠、藍波段之間的相關性，能有效增強真彩色影像各波段的地物信息，減少信息冗余，優化數據結構，增強后的真彩色遙感影像可同時滿足目視分析、幾何空間增強和光譜定量分析應用的需求[4-5]。該方法要求遙感影像具有藍、綠、紅和近紅外波段，適用于目前常用的光學衛星影像源。該方法通過融入近紅外波段豐富的地物光譜信息，能夠增強真彩色影像中植被、建筑、水體、裸露地表和擾動地表等各種目標地物對象的特征差異，提高生產建設項目水土保持“天地一體化”監管目標對象的可識別性，便于開展遙感自動識別和人機交互分析等工作?；谏鲜龇椒ǖ纳a建設項目水土保持“天地一體化”監管的遙感影像預處理流程見圖1。

圖1 遙感影像預處理流程

2.2 影像增強試驗及影像特點

(1)真彩色影像增強試驗。真彩色影像增強試驗的影像源選擇ZY-3多光譜影像(圖2)、SPOT 6多光譜影像(圖3)、GF-1寬幅多光譜影像(圖4)、Landsat 8多光譜影像(圖5)4種影像類型，試驗影像均含有藍、綠、紅和近紅外4個多光譜波段，影像分辨率涵蓋中高分辨率和中分辨率。

(2)真彩色增強影像特點與優勢。由圖2—5可見，增強前真彩色影像各波段間相關性高、信息量小，影像亮度低，地物間差異性小，難以有效識別植被、水體等地物，并且影像的季相特征明顯；標準假彩色影像地物色彩顯示不真實，植被亮度太高，地物細節特征弱，近紅外波段植被信息太強導致植被信息溢出，在一定程度上掩蓋了擾動地表、裸地等地物的影像特征；真彩色增強影像季相差異小，波段相關性小，信息豐富，影像亮度適中，地物層次分明、細節豐富，植被、建筑、道路、水體、裸露土壤和擾動地表等地物色彩自然，符合人的視覺習慣。基于上述原因，真彩色增強影像的質量和色彩效果明顯優于增強前的遙感影像，可以作為生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的標準影像。

圖2 ZY-3遙感影像增強效果對比(5.8 m分辨率，2015年4月14日成像)

圖3 SPOT 6遙感影像增強效果對比(6 m分辨率，2016年2月29日成像)

圖4 GF-1遙感影像增強效果對比(16 m分辨率，2016年2月8日成像)

圖5 Landsat 8遙感影像增強效果對比(30 m分辨率，2015年3月18日成像)

3 真彩色增強影像在生產建設項目監管中的應用

衛星遙感技術是生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的重要技術手段，衛星遙感影像是開展生產建設項目水土保持監管的重要基礎數據。真彩色增強影像可以作為生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的標準影像，廣泛應用于監管的各個工作環節[6]。

(1)在水土流失防治責任范圍上圖中的應用。通常收集到的生產建設項目水土流失防治責任范圍圖為紙質圖或CAD圖，缺乏地理坐標信息，不能直接進行數字化上圖工作。利用經正射校正和地理配準的真彩色增強影像，在遙感影像和防治責任范圍圖中選擇相匹配的特征控制點，對防治責任范圍圖進行地理配準，得到具有準確地理坐標信息的圖件后，再對防治責任范圍邊界進行數字化處理，從而得到可與生產建設項目擾動范圍矢量圖進行空間疊加分析的防治責任范圍矢量圖。

(2)在遙感解譯標志庫建立中的應用。建立全國不同地域、不同項目類型、不同建設階段、不同影像源的生產建設項目遙感解譯標志庫，對于生產建設項目水土保持“天地一體化”監管工作的推廣應用意義重大。我國國土范圍廣，南北方、東西部和不同季相的地物影像特征差異較大，為了便于推廣應用，要求遙感解譯標志庫所采用的遙感影像標準統一、信息豐富、色彩自然，從而能有效降低地域和季相不同造成的地物特征差異，而真彩色增強影像能夠很好地滿足上述要求，可以用于建立生產建設項目遙感解譯標志庫。

(3)在水土保持狀況解譯中的應用。真彩色增強影像信息豐富、層次分明、紋理細節明顯、色彩自然易識別，可用于不同尺度的生產建設項目水土保持狀況遙感解譯，適用于面向對象計算機自動分析與人機交互式解譯等各種解譯方法，滿足生產建設項目擾動范圍和水土保持措施解譯對不同空間尺度遙感影像的信息增強要求。

(4)在水土保持現場調查中的應用。目前生產建設項目水土保持現場調查方法有移動采集設備作業法和紙質圖表作業法，真彩色增強影像可以滿足這兩種現場調查作業方法的需要。真彩色增強影像色彩自然、信息豐富、地物特征明顯，可作為現場調查圖件和移動采集設備的影像底圖，便于室內解譯成果與現場實際情況的對比分析，有助于現場調查工作的高效開展。

(5)在監管成果制圖與系統管理中的應用。真彩色增強影像是生產建設項目水土保持“天地一體化”監管成果圖制作的優秀遙感影像底圖。采用真彩色增強影像制作的成果圖可視性強、信息豐富、地物特征明顯，同時采用真彩色增強影像能夠提升各級監管信息系統對生產建設項目水土保持“天地一體化”監管成果的應用展示效果。

4 結 語

面對生產建設項目水土保持“天地一體化”監管對遙感影像的具體需求，未進行信息增強處理的遙感影像存在地域和季相特征差異大、色彩不自然、波段相關性高、地物“同物異譜”和“異物同譜”現象突出等問題，難以滿足生產建設項目監管對遙感影像使用的需要，因此有必要對遙感影像進行信息增強處理。本研究采用融合增強方法對真彩色影像進行信息增強。經信息增強后的真彩色增強影像，色彩自然、符合人的視覺習慣，具有信息豐富、層次分明、細節突出、季相差異小等優點，并且突出了植被、建筑、水域、裸露地表和擾動地表等目標對象的影像特征，影像質量和色彩效果明顯優于增強前的遙感影像，可以作為生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的標準影像，廣泛應用于水土流失防治責任范圍上圖、遙感解譯標志庫建立、水土保持狀況解譯、水土保持現場調查、監管成果制作與系統管理等監管工作的各個環節。

[1] 劉震.總結經驗 開拓創新 不斷推進水土保持監督管理工作新發展[J].中國水土保持,2010(3):1-3.

[2] 李智廣,王敬貴.生產建設項目“天地一體化”監管示范總體實施方案[J].中國水土保持,2016(2):14-17.

[3] 王廣杰,周介銘,楊存建,等.基于不同算法的遙感影像融合分析[J].四川師范大學學報:自然科學版,2011,34(2):255-259.

[4] 李國,張俊,龔志輝.彩色遙感影像色彩保持直接線性增強方法[J].地理空間信息,2012,10(5):47-49.

[5] 陳春華,蘇逸平,鄒崇堯.WorldView-2遙感影像融合方法實驗研究[J].地理空間信息,2013,11(6):72-74.

[6] 鄺高明,亢慶,劉超群.基于高分辨率遙感和GIS的生產建設項目監管技術及示范[J].人民珠江,2016,37(4):97-101.

(責任編輯 李楊楊)

水利部預算項目(1261620610102)；水利部綜合事業局拔尖人才培養專項資金研究項目(20150608-01)

TP79；S157

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1000-0941(2016)11-0013-04

劉超群(1980—)，男，湖南新寧縣人，高級工程師，碩士，主要從事水利遙感應用與水土保持等研究工作。

2016-09-26