基于BDS與GPS的土地利用變化測(cè)繪

管 楚 蓋學(xué)峰 孫 偉

(山東省國(guó)土測(cè)繪院， 山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

隨著資源的開(kāi)采和人口的活動(dòng)，地球的地質(zhì)條件時(shí)刻都在發(fā)生改變[1]，這些改變不僅影響著地球中的動(dòng)植物，同樣影響著人類，因此，近幾年，我國(guó)越來(lái)越重視土地變化測(cè)繪[2]。資源的過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致土地資源惡化嚴(yán)重，利用率低下，為了研究人類活動(dòng)對(duì)土地利用的影響，降低土地資源惡化的速度，需要積極進(jìn)行土地變化測(cè)繪，觀察土地利用變化[3]，制定合理的利用方案。然而目前的土地利用變化測(cè)繪的精度低，無(wú)法滿足快速變化的土地測(cè)繪需求，因此，基于中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)與全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)設(shè)計(jì)了新的土地利用變換測(cè)繪方法。

1 基于BDS與GPS的土地利用變化測(cè)繪方法設(shè)計(jì)

1.1 處理土地利用變化測(cè)繪數(shù)據(jù)

在處理土地利用變化測(cè)繪數(shù)據(jù)時(shí)，首先，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)源選擇。數(shù)據(jù)源選擇必須考慮兩個(gè)因素[4]，即數(shù)據(jù)源的實(shí)際需求和數(shù)據(jù)源的特性。因此，在進(jìn)行在明確數(shù)據(jù)源的實(shí)際需求基礎(chǔ)上，制定合理的數(shù)據(jù)源采集方案，分析數(shù)據(jù)源的具體特性[5]，除此之外，還需要在數(shù)據(jù)的研究等領(lǐng)域內(nèi)計(jì)算此時(shí)測(cè)繪到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，分析測(cè)繪現(xiàn)狀。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程受到傳感器本身性能、大氣、天氣條件、陽(yáng)光、地面變化、季節(jié)變化等諸多因素的應(yīng)用，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的具體狀態(tài)[6]，選擇不同的處理方法進(jìn)行處理，從地表覆蓋的角度來(lái)看，不同的自然物體都有自己的特征、運(yùn)動(dòng)軌跡和變化規(guī)律，但人類活動(dòng)使這些變化復(fù)雜化，因此在處理不同類型的地表數(shù)據(jù)時(shí)，需要建立恰當(dāng)?shù)目臻g識(shí)別模型[7]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步處理。

綜合考慮數(shù)據(jù)的各項(xiàng)因素，為了提高數(shù)據(jù)處理的精度，需要選取檢測(cè)目標(biāo)與背景偏差最大的圖像數(shù)據(jù)，并根據(jù)輻射特征選擇輻射分辨率盡可能相同的遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，避免其他因素對(duì)遙感數(shù)據(jù)的影響[8]。

圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理是進(jìn)行多次遙感圖像變化檢測(cè)的前提，處理結(jié)果直接影響變化檢測(cè)的準(zhǔn)確性和變化檢測(cè)的效率。為了驗(yàn)證變化檢測(cè)方法的有效性，在變化檢測(cè)之前必須做好準(zhǔn)備工作，保證數(shù)據(jù)邊界與影像對(duì)應(yīng)的土地邊界重疊，為檢測(cè)土地利用變化提供依據(jù)，除此之外，可以將底部數(shù)據(jù)作為后續(xù)變化檢測(cè)的參考，基于此設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)處理流程，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，以航空影像為基準(zhǔn)，分別對(duì)采集的測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和幾何校正，計(jì)算最小控制點(diǎn)作為多項(xiàng)式，然后通過(guò)雙線性插值對(duì)圖像進(jìn)行重采樣、校準(zhǔn)后，通過(guò)透明重疊法檢查配準(zhǔn)狀態(tài)。

從特征良好的圖像中選擇與配準(zhǔn)控制點(diǎn)同名的特征點(diǎn)，用二次多項(xiàng)式校正圖像數(shù)據(jù)，并使用雙線性插值重新采樣。參考點(diǎn)的收集遵循以下原則[9]：第一，參考點(diǎn)需要分布均勻；第二，采集到的參考點(diǎn)圖像中如果有道路交叉口、河流交叉口等需要提前標(biāo)記；第三，為了保證圖像的高空間分辨率，控制點(diǎn)交點(diǎn)和地面參考點(diǎn)必須均勻分布在整個(gè)圖像上，不能隨時(shí)間變化而變化，需要在數(shù)量上有保證。

1.2 基于BDS與GPS處理土地變化測(cè)繪遙感影像

基于BDS與GPS采集快鳥(niǎo)(Quick Bird)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，處理土地變化測(cè)繪遙感影像，首先需要對(duì)原始影像進(jìn)行預(yù)處理，本研究中使用的原始Quick Bird衛(wèi)星數(shù)據(jù)通常保存為4～9 TIF格式的影像[10]，這些分割后的影像需要用Data Prep-Mosaic進(jìn)行影像預(yù)處理，再使用遙感圖像處理軟件(ERDAS)進(jìn)行整合。

首先需要使用BDS與GPS處理進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，在處理前需要提前檢測(cè)影像之間的匹配關(guān)系，確保影像可以成功匹配[11]，經(jīng)過(guò)BDS與GPS檢驗(yàn)的影像如果呈匹配良好的狀態(tài)則可以直接進(jìn)行影像融合，如果檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)影像匹配效果不佳，則需要先進(jìn)行Pansharp融合處理，將需要處理的影像信息歸一化處理，再進(jìn)行影像融合，確保最佳的融合效果。

待影像充分融合完畢，可以對(duì)融合后的影像進(jìn)行色彩處理，色彩處理的過(guò)程不單是色彩的添加和擦除，還可以通過(guò)增加影像的亮度、增強(qiáng)影像的局部紋理對(duì)比度來(lái)定義融合后影像特征邊界，增加對(duì)顏色的每個(gè)類別的感知。為了突出融合后影像的分辨率特性，需要采用灰度處理法改變?cè)加跋竦幕叶戎导盎叶汝P(guān)系，避免影像出現(xiàn)灰度失真現(xiàn)象，影響影像測(cè)繪的精度。

在融合影像中，多光譜影像數(shù)據(jù)的主要亮點(diǎn)是光譜信息，Quick Bird識(shí)別的多光譜數(shù)據(jù)具有光譜分辨率高的優(yōu)勢(shì)，因此在影像數(shù)據(jù)融合之前，可以使用BDS與GPS選擇最優(yōu)波段組合[12]，分析不同波段影像在目標(biāo)地物上的反射距離，讀取有效波段范圍內(nèi)的最大信息量，有助于土地變化測(cè)繪。為了提高土地變化測(cè)繪的準(zhǔn)確性，還可以進(jìn)行色彩增強(qiáng)，根據(jù)研究區(qū)域的影像數(shù)據(jù)特征，適當(dāng)調(diào)整各波段的亮度和對(duì)比度，保證測(cè)繪影像清晰完整。

1.3 檢測(cè)土地利用變化測(cè)繪遙感影像變化特征

處理了土地變化測(cè)繪的遙感影像后，為了保證圖像之間的特異性，需要根據(jù)實(shí)際的測(cè)繪狀態(tài)，提取遙感影像的變化特征[13]。因此，首先需要使用正確的檢測(cè)方法，提取圖像的特殊信息，例如，圖像的亮度、復(fù)雜度等。還可以使用灰度圖像檢驗(yàn)法，劃分需要處理圖像的灰度復(fù)雜區(qū)域，實(shí)現(xiàn)特異性區(qū)分。如果此時(shí)的圖像特征分布不均勻，可以將需要提取特征的圖像元素全部排布到灰度軸上，再根據(jù)灰度軸中顯示的分類狀態(tài)提取圖像的變化特征，基于此設(shè)計(jì)的提取變化特征如式(1)所示。

(1)

式中，μ代表變化特征；P代表影像系數(shù)；i代表檢測(cè)常數(shù)；P(C)代表檢測(cè)初始值。提取到的變化特征代表著遙感影像之間的特殊關(guān)系，對(duì)遙感影像判定的準(zhǔn)確性有重要影響。因此，可以將提取到的遙感影像特征與采集的影像一一對(duì)應(yīng)，劃分?jǐn)?shù)據(jù)圖像間的區(qū)別[14]，便于影像信息的處理。可以將測(cè)量到的外部變化實(shí)際值與變化檢測(cè)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)合較舊矢量數(shù)據(jù)或圖像調(diào)查獲得測(cè)繪差異系數(shù)。也可以基于遙感影像分類精度評(píng)價(jià)技術(shù)推導(dǎo)出的誤差矩陣，進(jìn)行預(yù)處理，降低測(cè)繪誤差。

1.4 選擇土地利用變化指數(shù)

在變化特征提取后，需要根據(jù)具體的土地變化測(cè)繪地區(qū)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的土地利用變化指數(shù)，在進(jìn)行土地變化測(cè)繪時(shí)，根據(jù)地球的基本反射特點(diǎn)，需要重新劃分地球吸收光譜。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，使用衛(wèi)星傳感器檢測(cè)出的地球不同物體具有不同的電磁信息[15]，因此，一般來(lái)說(shuō)，地面物體的反射率取決于地面物體光譜跟蹤的波長(zhǎng)，由于同一個(gè)物體在不同的波段具有不同的反射率，因此可以根據(jù)光譜定律在多光譜波段找到地面最強(qiáng)反射類型。再通過(guò)比值計(jì)算和歸一化處理，使用最弱反射波段構(gòu)建指標(biāo)圖像，從而在地物的指標(biāo)圖像中獲得準(zhǔn)確的亮度增強(qiáng)圖像，可以使用該亮度增強(qiáng)圖像來(lái)計(jì)算此時(shí)的土壤植被調(diào)節(jié)指數(shù)，便于識(shí)別土地變化特征，增加土地測(cè)繪的準(zhǔn)確性。本方法采用的歸一指數(shù)計(jì)算法，將光譜圖像的特征指數(shù)代入歸一化函數(shù)，得出土壤植被調(diào)節(jié)指數(shù)的具體數(shù)值。

為了保證測(cè)繪的精度，需要檢測(cè)計(jì)算出指數(shù)的有效性，選擇某植被覆蓋率低的地區(qū)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)表明，計(jì)算出的土壤植被調(diào)節(jié)指數(shù)符合Earth NDBI的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)規(guī)則，可通過(guò)提高測(cè)繪地區(qū)的亮度來(lái)提取測(cè)繪信息，改進(jìn)后的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)可以有效提取水分信息，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的土地變化測(cè)繪。綠色植被在藍(lán)色和紅色波段吸收太陽(yáng)光比較強(qiáng)，基于此，研究區(qū)域?qū)χ脖恢笖?shù)的影響。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，在公式中引入土壤調(diào)理因子，可以消除土壤植被太陽(yáng)光吸收產(chǎn)生的測(cè)繪誤差。

1.5 實(shí)現(xiàn)土地利用變化測(cè)繪

實(shí)現(xiàn)土地利用變化測(cè)繪還需要采集控制點(diǎn)。首先，需要確定控制點(diǎn)的具體位置，在采集到的土地變化測(cè)繪圖像上選擇一幅圖像，區(qū)分清晰的特征點(diǎn)，保證每個(gè)場(chǎng)景圖像中的控制點(diǎn)分布均勻，且必須覆蓋整個(gè)測(cè)繪圖像，控制區(qū)域要大于工作區(qū)域，此時(shí)的控制點(diǎn)分布示意圖如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)分布示意圖

由圖2可知，對(duì)于平地和丘陵，每個(gè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)控制點(diǎn)數(shù)至少為9個(gè)，對(duì)于山地，每個(gè)場(chǎng)景的校準(zhǔn)控制點(diǎn)數(shù)至少為12個(gè)。特征點(diǎn)必須布置在地形起伏變化不大的地區(qū)，且靠近正交清晰邊界的定位精度必須最高，非正交點(diǎn)或中心點(diǎn)定位精度較邊界稍低。在較寬的路口處的測(cè)繪的定位精度較差。因此在進(jìn)行特征點(diǎn)選取時(shí)，為了保證測(cè)繪精度，避免在高度較大的建筑物上選取控制點(diǎn)，且在相鄰場(chǎng)景的重疊區(qū)域中至少選擇三個(gè)控制點(diǎn)。

對(duì)于橋梁、河流等特殊地形，可采用雙點(diǎn)布局的方式，根據(jù)具體情況選擇控制點(diǎn)布置的位置。如果測(cè)繪的預(yù)選點(diǎn)不確定，可以假設(shè)校準(zhǔn)精度，根據(jù)測(cè)繪的具體區(qū)域確定測(cè)繪控制點(diǎn)的具體來(lái)源。在確定控制點(diǎn)后，需要繪制平滑的正交圖像。如果重疊場(chǎng)景數(shù)超過(guò)3個(gè)，公共控制點(diǎn)必須至少設(shè)置1個(gè)，且必須進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，來(lái)檢查控制點(diǎn)的準(zhǔn)確性。測(cè)繪局部校正采用ERDASLPS模塊，校正模型選用RPC。

2 實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的基于BDS與GPS的土地利用變化測(cè)繪方法的測(cè)繪效果，將其與傳統(tǒng)的土地利用變化測(cè)繪方法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先選取某地區(qū)進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀調(diào)查，記錄調(diào)查后得到的地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的參考，其次進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，研究地區(qū)共包含3 684個(gè)基礎(chǔ)地塊，54種道路地形，使用BDS及時(shí)更新變化影響，此時(shí)的影響分辨率在0.5 m以上，為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，需要明確變化測(cè)繪實(shí)驗(yàn)的技術(shù)路線，如圖3所示。

圖3 變化測(cè)繪技術(shù)路線

由圖3可知，根據(jù)該技術(shù)變化路線進(jìn)行測(cè)繪可以增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，便于進(jìn)行地形更新和影像比對(duì)，根據(jù)選取國(guó)土調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行初步調(diào)查，對(duì)比此時(shí)的底板圖斑，如表1所示。

表1 圖斑對(duì)比表

由表1可知，此時(shí)的圖斑數(shù)量與地類和界限都有一定的關(guān)系需要根據(jù)動(dòng)態(tài)界限判定圖來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)，基于此繪制的動(dòng)態(tài)界限圖如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)界限圖

使用圖4的動(dòng)態(tài)界限圖，采集二次變化測(cè)繪時(shí)的影像圖斑共68個(gè)，此時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比情況如表2所示。

表2 二次測(cè)繪數(shù)據(jù)對(duì)比表

由表2可知，此時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果符合前文調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)值，因此該數(shù)據(jù)具有有效性，可以作為后續(xù)測(cè)繪實(shí)驗(yàn)的參考。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

分別使用本文設(shè)計(jì)的基于BDS和GPS的土地利用變化測(cè)繪方法與傳統(tǒng)的土地利用變化測(cè)繪方法進(jìn)行測(cè)繪，記錄此時(shí)兩種方法測(cè)繪的圖像，測(cè)繪結(jié)果如圖5所示。

圖5 測(cè)繪結(jié)果

由圖5可知，使用本文設(shè)計(jì)的測(cè)繪方法測(cè)繪出的圖像土地利用變化特征更明顯，證明本文設(shè)計(jì)的測(cè)繪方法測(cè)繪的圖像質(zhì)量更高，測(cè)繪效果更好，分別識(shí)別兩組測(cè)繪圖像中連續(xù)十個(gè)位置的土地邊緣寬度，與標(biāo)準(zhǔn)的寬度進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別結(jié)果如表3所示。

表3 識(shí)別結(jié)果 單位：m

由表3可知，本文設(shè)計(jì)的方法識(shí)別結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值更加擬合，證明設(shè)計(jì)方法的測(cè)繪精度高，具有準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用變化測(cè)繪對(duì)保護(hù)土地資源，對(duì)提高土地資源的利用率有重要價(jià)值，BDS和GPS技術(shù)可以利用衛(wèi)星定位及時(shí)反饋測(cè)繪信息，具有超強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，因此本文基于BDS和GPS設(shè)計(jì)了新的土地利用變化測(cè)繪方法，實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的測(cè)繪方法得到的測(cè)繪圖像質(zhì)量較好且具有較高的測(cè)繪精度，對(duì)后續(xù)的土地資源研究有一定價(jià)值。