遙感影像與衛(wèi)片執(zhí)法研究
——以海南省瓊海市為例

趙斌 李思捷 林書范

（1.瓊海市國土資源信息與測繪中心，海南 瓊海 571400；2.海口弘勘地理信息有限公司，海南 海口 570125）

1 引言

“衛(wèi)片”是衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測成果高清圖片的簡稱，是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)手段制作的疊加監(jiān)測信息及有關(guān)要素后形成的專題影像圖片，衛(wèi)片執(zhí)法是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，對某一區(qū)域某一時(shí)段的土地利用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過對比前后時(shí)相的土地利用與變化情況，識別出變化圖斑信息，再對變化圖斑進(jìn)行核實(shí)，確定土地合法性的一種土地執(zhí)法監(jiān)管手段。這種方法可以全面、客觀、準(zhǔn)確地反映被監(jiān)測區(qū)域的土地利用情況，特別是土地違法違規(guī)狀態(tài)[1]。開展衛(wèi)片執(zhí)法檢查，是對傳統(tǒng)執(zhí)法監(jiān)管模式和手段的顛覆，核查違法違規(guī)用地由原來的“自下而上”發(fā)現(xiàn)、報(bào)告，轉(zhuǎn)變?yōu)椤白陨隙隆卑l(fā)現(xiàn)、監(jiān)督，真正實(shí)現(xiàn)對違法違規(guī)用地“天上管、地上查”，讓違法行為瞞不住，也藏不了。 通過土地衛(wèi)片執(zhí)法檢查，形成全國一張圖管理國土資源，建立土地審批、供應(yīng)、使用、執(zhí)法監(jiān)察等業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺，建立“天上看、地上查、網(wǎng)上核”的立體土地監(jiān)管體系[2]。

鑒于高分辨率衛(wèi)星影像重訪周期較長，時(shí)效性較差，不能滿足工作需要，本研究選用歐空局發(fā)布的哨兵二號衛(wèi)星影像（Sentinel2）作為數(shù)據(jù)源，利用兩個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星影像進(jìn)行遙感監(jiān)測與變化圖斑遙感提取，以此分析中高分辨率在衛(wèi)片執(zhí)法工作中的適用性。

2 研究區(qū)及方法

本研究選用中高分辨率衛(wèi)星影像為哨兵二號（Sentinel2），該影像具有重訪周期短（5 天）、像元分辨率高（10 米）、波段范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。

2.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

瓊海市是海南省東側(cè)的一個(gè)縣級市，地理位置為東經(jīng)110°7′5″～110°40′50″， 北緯18°58′50″～19°28′35″，地表類型復(fù)雜，西南地區(qū)多為山地丘陵，東北地區(qū)多為人工建筑設(shè)施，如居民地、道路等。瓊海市Sentinel2 衛(wèi)星影像如圖1 所示。

圖1 瓊海市Sentinel2衛(wèi)星影像

2.2 方法介紹

本研究選用的土地變化圖斑提取方法為光譜差異法[4]。光譜差異法原理為地物類型在某兩個(gè)時(shí)段未發(fā)生變化，則過境影像的光譜信息不會發(fā)生變化，反之則會有光譜信息差異產(chǎn)生。如植被信息對光譜的反射集中在中心波長分別為450nm（藍(lán)色）和650nm（紅色）的兩個(gè)譜帶內(nèi)，葉綠素吸收大部分的攝入能量，在這兩個(gè)葉綠素吸收帶間，由于吸收作用較小，在540nm（綠色）附近形成一個(gè)反射峰；而在中紅外的光譜范圍，植物的光譜響應(yīng)主要被1400nm、1900nm 附近的水分強(qiáng)烈吸收帶所支配。若地表植被覆蓋變化為裸地或建筑物，則在上述的光譜波段范圍不會有相應(yīng)的吸收與反射特征。

根據(jù)上述思路，將多個(gè)時(shí)期的影像輸入光譜差異變化監(jiān)測算法中，當(dāng)?shù)乇砀采w類型發(fā)生變化時(shí)，引起光譜的吸收與反射變化，算法自動計(jì)算兩時(shí)期的光譜差異，并自動識別存在差異的像元空間位置，并依據(jù)此原理確定變化信息[5]。

3 結(jié)果分析

3.1 Sentienl2 適用性評估

Sentinel2 影像具有13 個(gè)波段，涵蓋了所有的光譜范圍，這一數(shù)據(jù)特征被應(yīng)用到越來越多的對地觀測中。本章節(jié)通過調(diào)整波段組合，評估Sentinel2 影像在變化監(jiān)測中的適用性，如圖2 所示。

圖2（a）為標(biāo)準(zhǔn)的真彩色合成效果圖，由圖可知，Sentinel2 影像在地物表達(dá)上具有較好的紋理特征，圖中的耕地、山地、農(nóng)村居民點(diǎn)均有較清晰的顯示。本研究選用的影像時(shí)間為夏季，植被長勢較好的時(shí)段，由圖可知，真彩色合成下，特征最明顯的為山地地區(qū)的林地，呈褐色高亮顯示；而作為變化圖斑監(jiān)測重點(diǎn)的建筑設(shè)施，特征較山地弱。

圖2（b）為通過調(diào)整后的假彩色合成圖，由圖可知，假彩色合成后的影像，對裸地與廠房等重要信息有更清晰的顯示。廠房均顯示為紅色，且裸地由原來不易區(qū)分的土黃色變化為更清晰的青色。由此可知，Sentinel2 影像的各個(gè)波段光譜信息對地表信息具有高精度的表達(dá)與反映。

圖2 瓊海市Sentinel2局部衛(wèi)星影像

3.2 遙感解譯

Sentinel2 影像作為具有全波譜范圍的中高分辨率衛(wèi)星影像，對地物的信息表達(dá)具有較高的優(yōu)勢。本研究選用遙感識別算法中應(yīng)用較廣泛的隨機(jī)森林算法進(jìn)行遙感解譯，首先計(jì)算Sentinel2 影像上各個(gè)地物的指數(shù)特征（NDVI、NDWI、NDBI）、紋理特征（均值、方差、協(xié)同性、對比度、相異性、信息熵、二階矩、相關(guān)性），并將上述特征聯(lián)合光譜波段送入決策算法中進(jìn)行最優(yōu)決策因子計(jì)算，并自動發(fā)育決策樹個(gè)數(shù)，最終得到最優(yōu)的訓(xùn)練模型進(jìn)行影像解譯。供選擇的地物類別有居民地、山地、耕地、道路、水體五大類，各地類解譯效果如圖3 所示。

由圖3 可知，各地物類型均被完整識別出來，其中植被（耕地、林地、草地）的提取較為明顯，并且根據(jù)植被種類的不同，識別的類型也不同。建筑物的識別也具有較高的精度，尤其是紅色頂棚的獨(dú)立廠房，均被完好地識別出來。但部分居民地與山體存在混淆錯(cuò)分類現(xiàn)象，究其原因，首先靠近山地地區(qū)的居民地受地形影響易造成異物同譜現(xiàn)象，房屋頂部信息與山地地區(qū)在Sentinel2 影像上有了局部一致的特性；其次，居民地的樹木種植較多，遮擋了大部分房屋建筑，頂部多為植被信息，與山地地區(qū)覆蓋類型相似，故導(dǎo)致了錯(cuò)分現(xiàn)象。

圖3 遙感解譯示意圖

采用混淆矩陣對各地物類型進(jìn)行遙感解譯精度驗(yàn)證，得到的驗(yàn)證結(jié)果如圖4 所示，解譯精度最高的為水體，精度達(dá)到了91.5%；解譯精度最低的為山地，精度為83.8%，其次是居民地，精度為84.5%，山地與居民地存在一定的混淆，導(dǎo)致兩種地物類型的解譯精度均不太高。

圖4 精度驗(yàn)證

3.3 變化圖斑遙感提取

采用光譜差異法對兩時(shí)期的Sentinel2 影像進(jìn)行變化圖斑提取。本研究選用的操作軟件為ENVI，根據(jù)操作步驟，分別輸入前時(shí)相與后時(shí)相影像，選擇光譜差異算法即可運(yùn)行變化監(jiān)測。通過監(jiān)測試驗(yàn)，得到的變化圖斑提取結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，本研究選用的方法在瓊海市地物變化監(jiān)測工作中十分可行，地物變化圖斑有一定數(shù)量的識別，如中北部的線狀圖斑、點(diǎn)狀圖斑、西南部的塊狀圖斑。圖斑形狀及其空間分布與瓊海市的地貌覆蓋類型也較為吻合，即識別出的線狀圖斑為道路、點(diǎn)狀圖斑為獨(dú)棟建筑、塊狀圖斑為植被。本研究通過核查變化信息提取成果，發(fā)現(xiàn)幾乎沒有細(xì)小的瑣碎圖斑，提取成果中混合像元等錯(cuò)誤識別信息幾乎沒有，即Sentinel2 影像在變化監(jiān)測中具有很好的適用性。

圖5 變化圖斑遙感提取示意圖

本研究開展的變化圖斑提取監(jiān)測中，撂荒與廠房屬于重點(diǎn)監(jiān)測對象，準(zhǔn)確掌握撂荒與廠房增減及占地面積對變化圖斑監(jiān)測工作具有重要意義。本研究提取的撂荒與廠房圖斑如圖6 所示。通過對比后時(shí)期影像及提取圖斑可知，新增的撂荒與廠房圖斑提取精度較高，整體解譯精度較好，邊界較清晰，可作為疑似圖斑上報(bào)至相關(guān)部門進(jìn)行用地審批分析等工作，從而確保衛(wèi)片執(zhí)法工作的開展與實(shí)施。

圖6 新增撂荒與廠房圖斑示意圖

4 結(jié)論與展望

本研究基于衛(wèi)片執(zhí)法工作中存在的遙感影像時(shí)效性不夠的問題，采用光譜差異法對兩個(gè)時(shí)相的中高分辨率衛(wèi)星影像Sentinel2 進(jìn)行變化監(jiān)測，并提取出變化圖斑。通過研究得到以下結(jié)論：

（1）Sentinel2 衛(wèi)星影像對地物光譜表達(dá)具有較好的辨識度；

（2）通過兩時(shí)相的變化信息遙感提取，較準(zhǔn)確地識別出了大部分變化圖斑；

（3）對地物類型進(jìn)行遙解譯，得到了較理想的成果，獨(dú)棟房屋與廠房具有較好的識別效果；

（4）通過分析提取的變化圖斑成果，得出中高分辨率衛(wèi)星影像在土地變化信息提取中的適用性。

本研究雖然取得較好的成果，但仍存在一定的問題。本研究選取范圍僅為一個(gè)縣級市，全域各地區(qū)同類地物差異不大，可直接開展遙感識別；并且選取農(nóng)村居民地類型較難識別，特征不明顯；若要開展大范圍的遙感監(jiān)測，需要對居民地與林地、草地進(jìn)行劃分與高精度解譯，并且同類地物存在較明顯的光譜差異，還需要先對同類地物類型進(jìn)行多維度識別，然后再開展變化監(jiān)測。