地理國情監測中變化監測若干技術問題研究

程 滔，陳會仙

（1.國家基礎地理信息中心，北京 100830；2.國家測繪地理信息局地圖技術審查中心，北京 100830）

地理國情監測中變化監測若干技術問題研究

程 滔1，陳會仙2

（1.國家基礎地理信息中心，北京 100830；2.國家測繪地理信息局地圖技術審查中心，北京 100830）

針對地理國情監測中變化監測技術問題，從基于遙感數據的地表覆蓋變化監測與地表形變監測兩個方面展開研究，綜合分析了各技術的發展現狀和特點。結合地理國情監測使用的數據源以及地理國情普查構建的本底數據庫成果優勢，總結了各優化算法在地理國情監測中的應用模式和工藝流程，并提出了以分類前直接比較法進行地表覆蓋變化監測和以小基線集差分干涉測量進行地表形變監測的技術路線，為地理國情相關監測工作提供技術參考。

地理國情監測；變化監測；地表覆蓋；地表形變；空間分析

地理國情監測涉及的理論知識密集、技術融合度高，是測繪轉型與遙感應用發展的新方向，為學科發展、理論研究和技術創新創造了新的空間和機遇，成為近年來的研究熱點。地理國情監測從概念的提出，到項目逐步實施和穩步推進，已經越來越受到國內、外政府部門和研究學者的廣泛關注，其影響力也在不斷增強。在地理國情監測動態變化研究方面，遙感技術是最為經濟有效的手段[1]，本文將主要討論基于遙感數據的地表覆蓋變化、地表形變等方面的監測技術。

1 遙感變化監測研究動態

1.1 地表覆蓋變化監測

基于遙感數據的地表覆蓋變化監測，從研究對象角度，可分為基于像素的變化檢測和面向對象的變化檢測；從數據處理過程角度，可分為分類后比較法和分類前直接比較法[2]。

基于像素的變化檢測主要是利用各地表覆蓋類型在遙感數據中豐富的光譜信息，計算每一個像素多個時相間的差異，從而提取變化信息。該方法適用于光譜分辨率高的遙感數據，在此條件下，其空間分辨率可以適當降低，如MODIS、TM等。李月臣[3]等采用TM、SPOT等遙感數據，利用不同時期影像光譜特征值差異提取了土地覆蓋的變化區域、變化類型等信息。面向對象的變化檢測是隨著遙感數據空間分辨率的提高而誕生的新方法。它不僅利用了光譜信息，而且充分利用了高分辨率遙感數據紋理、形狀等綜合特征來提取變化信息。首先將遙感數據進行分割，計算各波段光譜異質性與形狀異質性的綜合特征值，設置一定的閾值，將遙感數據分割為若干對象；然后計算每個對象多個時相遙感數據間的差異，從而提取變化信息。該方法在高空間分辨率遙感數據中應用較多，如WorldView、IKONOS等。李亮[4]等使用QuickBird遙感數據進行實驗，提出了一種基于時空關系的遙感影像變化檢測及類型識別方法，通過影像分割獲取圖斑，利用面向對象的影像分類和圖斑比較，獲取變化檢測結果。

分類后比較法是運用統一的分類體系，對多時相遙感數據中的每一時相數據進行單獨分類，通過比較分類結果直接提取地表覆蓋的變化信息。該方法簡單明晰，可直接確定地表覆蓋變化發生的類型，但無法探測存在于某一種地表覆蓋類型內部的細微變化，且每一單獨分類中的誤差在空間比較過程中會被進一步放大。分類前直接比較法是通過對不同時相遙感數據的光譜差異進行直接分析，探測出像素或對象的細微變化。該方法可避免分類后比較法中分類誤差累積對變化檢測精度的影響。

現有的地表覆蓋變化檢測主要使用距離指數、相似性指數等來比較特征差異，并在具體實現過程中，根據遙感數據和其他專題數據的豐富程度，增加必要的維度信息，通過設置變化檢測指標閾值，判斷區域地表覆蓋類型是否發生變化[5]。

基于遙感數據的地表覆蓋變化監測，在遙感數據處理方面均需進行如下處理：①對基礎資料進行處理，主要對遙感數據、控制資料以及DEM數據進行處理，統一數學基礎，為遙感數據后續處理提供完整、可靠的基礎資料；②遙感數據地形糾正，利用獲取的控制資料，結合處理后的DEM數據，對不同時相的遙感數據進行地形糾正；③不同時相遙感數據配準，以單一時相遙感數據為基礎，對其他時相遙感數據進行配準；④地表覆蓋變化發現，采用變化發現算法從糾正、配準后的不同時相遙感數據中提取地表覆蓋變化信息；⑤變化信息統計、分析，利用變化發現的結果，統計、分析變化地物的類型、范圍、面積等。

很多學者將以上多種方法進行綜合、交叉應用，相互補充和驗證，取得了較好的效果，這也是基于遙感數據的地表覆蓋變化監測的發展趨勢。

1.2 地表形變監測

衛星雷達的不斷發射，為InSAR技術的應用提供了豐富的數據源。近些年，InSAR技術被廣泛應用于地表形變場探測、速度場探測和地形制圖等領域，在地震形變、地面沉降、山體滑坡等研究中取得了很多重要的應用成果[6-7]。然而，常規InSAR技術也存在局限性，主要表現為時間去相干和空間去相干因素導致SAR圖像對同名像素之間相干性大幅降低，使得適合于作干涉處理的SAR圖像對數量受到很大限制。因此，研究學者提出了一些新的算法，以解決常規InSAR技術存在的問題。具有代表性的有Ferretti A等提出的永久散射體InSAR（PSInSAR）算法，該算法主要利用永久散射體目標在空間基線距的長度超過臨界基線距的情況下也能保持相干的特性，充分利用長基線距的干涉圖像對，最大限度地提高數據的利用率，實現InSAR技術對低相干區的地表形變監測。Ferretti A最初利用PSInSAR算法來監測意大利Ancona地區的滑坡形變。該地區地表比較穩定，年平均運動速度小于10 mm，但時間去相干較嚴重，研究中共使用了34景ERS數據，得出結論為：該地區滑坡不穩定體上PS點的運動速度約為3 mm/year[8-9]。

隨著對PSInSAR算法研究的深入，研究學者在PSInSAR算法理論的基礎上，提出了一種更為高效的地表形變監測算法，即小基線集干涉測量（SBASInSAR）算法。該算法的核心思想是利用小基線干涉像對組合，增大單一主影像條件下干涉紋圖的數目，降低空間失相干對干涉紋圖的影響。其與PSInSAR算法的主要區別在于，它所需要的SAR數據數量稍少一些，且主影像不止一個，這樣有利于增大干涉紋圖數目，縮短SAR數據獲取周期。SBAS-InSAR算法也是目前InSAR技術監測地表形變的研究熱點和發展趨勢。Casu F[10]等于2005年利用SBAS-InSAR算法測量了意大利Naples灣和美國LosAngeles的地表形變，并與常規方法進行了比較，證明了其優勢。

基于高相干性散射體的InSAR地表形變監測，在SAR遙感數據處理方面均需進行如下處理：①時間序列SAR數據配準；②干涉處理；③輸入外部DEM，對數據進行差分干涉處理；④獲取時間序列差分干涉紋圖系列；⑤時間相干性估算；⑥對高相干性散射體點進行相位解纏；⑦建立分析模型，得到實驗區形變信息，包括形變量、形變速率等[11]。

2 應用模式建議

地理國情監測是一項綜合性強、理論水平高、技術面廣的項目，在地理國情變化發現、統計、分析技術體系的構建過程中，需要針對地理國情監測使用的數據源以及在地理國情普查階段建成的本底數據庫的內容與特點，研究技術實現的難點，評估各項技術在地理國情監測的適用性，制定相應的工藝流程和技術應用模式。

2.1 本底數據庫

地理國情監測使用的數據源為高分辨率遙感數據，一般具有藍、綠、紅、近紅外4個波段，具備構建NDVI、NDWI等指標的條件。

基于高分辨率遙感數據的地理國情普查本底數據庫，將在第一次全國地理國情普查中建成，主要包括遙感影像數據、精細化DEM數據、地表覆蓋數據、地理國情要素數據、元數據、遙感解譯樣本數據等，各類數據均具有相應的元數據，并以柵格、矢量、數據表等形式存儲，能夠為變化信息提取提供豐富的本底數據。

2.2 地表覆蓋變化監測

本文在研究過程中，開展了大量實驗工作，通過比較基于不同分辨率的遙感數據（30 m分辨率TM、5 m分辨率RapidEye、1．88 m分辨率WorldView2、1 m分辨率航片等）、不同地域（城市、山區）、不同地表覆蓋類別（水域、植被、建筑區等）的變化檢測方法發現，分類前直接比較法在變化檢測方面具有很好的適用性，在監測地表覆蓋變化方面具有很好的應用潛力，能夠全面地發現可疑變化信息。

因此，在地理國情監測項目中，可采用分類前直接比較法進行地表覆蓋變化信息的提取。在技術流程方面，結合本底數據庫中的遙感影像數據、精細化DEM數據以及地表覆蓋數據，可先對新時相遙感數據進行正射糾正等預處理；然后將其與本底數據庫中的遙感影像數據進行精確配準，通過二者的對比分析，設計變化檢測指標及閾值，得到地表覆蓋變化發生的空間位置，從而縮小新時相遙感數據的分類范圍；再將其與本底數據庫中的地表覆蓋數據進行空間疊置分析，可得到變化發生的類型信息。技術流程如圖1所示。

圖1 地表覆蓋變化監測技術流程圖（分類前直接比較法）

地理國情監測使用的數據源較多，可根據實際情況，對該方法和技術流程進行優化，如增加NDVI、NDWI等維度信息，增強異質性，以滿足實際需要。

2.3 地表形變監測

地表形變的誘發因素很多，如地震、滑坡、泥石流等自然地質災害以及地下工程建設、地下礦產開采、地下水破壞等人為因素。目前，PSInSAR算法在地表形變監測中已經產生了社會效益；然而，由于高分辨率雷達數據價格昂貴，PSInSAR算法一般至少需要25期數據才能得到可靠的計算結果，且計算速度較慢，因此只能在極少區域得到應用，無法全面鋪開。而SBAS-InSAR算法融入了PSInSAR算法思想，且能在15期左右數據積累的條件下，計算得到可靠的結果。因此，在地理國情監測項目中，可采用SBAS-InSAR算法進行地表形變信息獲取；當數據積累到更多時，可采用PSInSAR算法進行監測，從而能夠兼顧效率與效益，形成適用的監測模式。SBAS-InSAR算法監測地表形變的技術流程如圖2所示。

圖2 地表形變監測技術流程圖（SBAS-InSAR算法）

SBAS-InSAR算法在地表形變監測方面表現出較好的適用性，能在地理國情監測中發揮重要作用。本文歸納總結的技術方法，可為地理國情監測項目相關監測工作提供參考。

3 結 語

地理國情監測與人們日常生活和社會經濟發展密切相關，監測內容涉及測繪地理信息行業的多個方面，所使用的技術均為各領域近年來研究得到的最先進、最可靠的成果。本文分析了各技術的發展現狀與特點，總結了各優化算法在地理國情監測中的應用模式和工藝流程；并結合地理國情監測在普查階段構建的本底數據庫資源，提出了以分類前直接比較法進行地表覆蓋變化監測和關于小基線集差分干涉測量進行地表形變監測的技術路線，為地理國情相關監測工作提供了技術參考。

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P237

B

1672-4623（2017）01-0005-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.002

程滔，碩士研究生，高級工程師，主要從事地理國情監測技術研究、地表覆蓋信息提取與變化監測方法研究、攝影測量與遙感影像數據處理與應用開發等工作。

2015-09-11。

項目來源：地理國情監測專項資助項目（12-ZX-Z02-46）；地理國情監測國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（2014NGCM08）。