基于高分辨率衛星影像的土地執法監測研究

侯小艷

摘 ? 要：本文針對土地執法監察的業務需求，開展了基于國產高分衛星的遙感監測應用，設計了滿足應用需求的信息提取算法和應用流程，生產出疑似違法新增建設用地信息產品。通過研究，初步驗證了國產高分辨率遙感影像及其變化檢測技術在土地執法監察業務中的應用可行性，對國產高分辨率衛星影像在國土行業的大規模綜合應用提供了較好的示范。

關鍵詞：高分辨率衛星影像 ?土地執法監測 ?建設用地提取

中圖分類號：P237 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（b）-0040-02

與其他監測手段相比，遙感監測具有速度快、精度高、范圍廣等特點，能為國土資源管理工作提供基于事實影像的、可精確測量的以及可作為基礎信息的土地利用動態監測結果。隨著國家高分辨率遙感專項的穩步推進與實施，中國國產衛星的空間分辨率和質量都得到了極大提高，僅以民用光學衛星為例，目前在軌且應用較廣泛的有資源1號-02C（ZY-1-02C）、資源3號（ZY3）、高分系列衛星等。這些國產衛星接收的影像數據無論從“質”上還是“量”上都有了很大提升，能在國土應用領域發揮重要的作用，但同時也要求我們針對國產衛星數據自身特點和應用需求發展適用的算法。

本文監察的目標是非法新增建設用地，是指實地已新增建設的非法用地，即最終輸出信息應是變化后的土地利用類型為建設用地的未規劃區域。而利用高分辨率遙感技術實施變化檢測能有效地提高執法監測工作水平，并快速地完成新增建設用地的發現和違法查處。

1 ?研究區及數據源

本文選擇福建省某區域作為實驗區，總面積約1000km2。該地區近幾十年來發展迅速，特別是轄區東部的城市化水平較高。隨著城鎮化進程的推進，該地區的土地類型變化問題更具特色，尤其是城鄉結合部的生態安全面臨著土地利用變化帶來的嚴重威脅。這些特點使黃巖區成為理想的建設用地變化檢測研究區域。

針對需求，本文收集了1期2013年年底的WorldView-2（WV2）影像（空間分辨率為0.5m），以及1期2018年覆蓋該區域的GF-2衛星融合影像（空間分辨率為1m），形成了對主城區與城鄉結合部等關鍵區域的多期覆蓋監測。由于2期影像分辨率存在差異，在變化檢測之前需先將0.5m分辨率的WorldView-2數據重采樣至1m分辨率，以保持影像尺度的一致性;同時，針對2期影像的色彩差異，進行了色彩歸一化處理。在輔助數據方面，收集和整理了歷年農轉用矢量數據（涵蓋了通過規劃審批、合法可建的地塊圖斑區域）。為了使收集的各類數據在地理位置上相互匹配，對上述多源數據進行了幾何與正射校正、矢量與柵格、柵格與柵格配準等預處理。

2 ?非法新增建設用地提取方法

如圖1所示，為快速地發現地表變化信息，首先使用不同時期的高分辨率遙感影像進行變化檢測。針對高分辨率遙感影像地物細節豐富、光譜易混淆的情況，引入圖像分割算法提取同質對象并以此作為最小檢測單元，進而依據對象光譜與紋理特征來判斷變化區域。得到變化圖斑后，從第2時相影像中利用像元形狀指數PSI、建筑物存在指數PanTex等構建建筑物的顯著特征，篩選出PSI和PanTex特征均大于其均值的對象作為后時相影像上的建設用地疑似圖斑;然后，與之前獲取的變化區域進行疊加分析，提取同時滿足“該區域發生變化”、“該區域在第2時相影像中的土地類型為建設用地”這2個條件的圖斑作為疑似新增建設用地區域;最后，結合土地利用現狀數據、規劃部門的農轉用矢量數據，篩選出最終的疑似違法新增建設用地，并交由執法人員實施室內核查、實地勘察以及違法處理。

整個提取流程是一個人機交互的應用實施過程。其中，利用計算機進行2期影像數據間的變化檢測以及進一步的新增建設用地圖斑自動提取必定存在一定的誤差。而從應用需求出發，為了盡可能降低漏檢率，本文在變化檢測步驟中設置了較大的二值化閾值參數，以盡可能避免目標靶區的遺漏;在此基礎上，配合使用2013年土地利用矢量圖以及2014—2017年的農轉用矢量圖進行虛警偽圖斑的剔除;最后，結合人工目視檢查和編輯等最終完成成果制圖。也就是說，計算機自動檢測生成的結果需要經過疑似圖斑的室內排除以及人工后處理才能提供給業務部門，供其參考分析對應時間周期內的違法建設用地情況，并經實地驗證后開展整治工作。

3 ?結果與討論

在上述試驗思路下，利用收集的數據集生成疑似違法新增建設用地圖斑及中間文件。本文提取了合法變化圖斑和疑似違法圖斑，圖斑面積不小于400m2，其中計算機自動提取圖斑數共計5018個，合法變化圖斑數852個，違法變化圖斑數4166個;人工目視檢查剔除偽圖斑后圖斑數減少為671個，其中合法變化圖斑數289個，違法變化圖斑數382個。整個流程中計算機自動檢測的圖斑結果含有較高的虛警率。造成大量偽圖斑的原因是：（1）盡管2期影像做了必要的預處理，但在配準精度、輻射一致性、陰影遮擋等方面仍存在一定誤差，進而傳播至變化檢測算法中導致虛警;（2）為了減少漏檢率，在變化檢測算法中設置了較大的二值化閾值參數，造成了一定量的虛警。為此，人工目視檢查的后處理過程就顯得很有必要。

盡管室內檢測的精度仍有很大的改進余地，但這已很大程度上改善了其過往開展土地執法監察的被動局面，體現了相關技術在業務部門中的實際應用價值。

4 ?結語

從方法實現上看，本文算法仍有進一步的改進余地，在結果驗證上也應更加定量化，這些都需要在日后的工作中逐步解決和日益完善;從應用需求上來看，由于流程中分割算法的參與，目前的圖斑成果鋸齒現象較嚴重，后續可進一步考慮生產更易為業務部門接受的圖斑產品，從而使國產高分辨率數據能全面高質量地服務于土地執法監察應用。

參考文獻

[1] 何宇華.基于資源一號02C衛星數據的土地執法監察應用研究[J]. 測繪與空間地理信息， 2013（9）：33-35.

[2] 黃健. 多源遙感技術助力動態土地執法巡查[J]. 中國國土資源經濟， 2017（10）：21-24.

[3] 李國杰. 對無人機遙感技術在土地執法工作中應用的研究[J]. 科技創新導報， 2016（6）：43-45.