基于高分辨率衛(wèi)星影像的地物變化監(jiān)測(cè)研究
——以海南地區(qū)為例

盧金莎 林春芬

（自然資源部海南基礎(chǔ)地理信息中心，海南 海口 570203）

1 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，對(duì)建設(shè)用地的需求越來(lái)越大，土地資源利用等問(wèn)題日益突出。傳統(tǒng)的土地利用調(diào)查監(jiān)管多通過(guò)外業(yè)調(diào)繪，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星影像的時(shí)間與空間分辨率日益提升，基于衛(wèi)星遙感影像開(kāi)展地物變化監(jiān)測(cè)已成為當(dāng)下一種高效、便捷的方法。利用高分辨率遙感衛(wèi)星空間分辨率高、重訪(fǎng)周期短、敏捷性強(qiáng)等特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)地表變化情況，廣泛適用于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、年度國(guó)土變更調(diào)查等工作[1]。

根據(jù)處理手段的不同，地物變化遙感監(jiān)測(cè)方法分為直接比較法和分類(lèi)比較法。根據(jù)目標(biāo)對(duì)象不同，分為像素級(jí)、特征級(jí)和目標(biāo)級(jí)變化監(jiān)測(cè)[2,3]。基于像素的變化監(jiān)測(cè)是指經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)的遙感圖像像素是否發(fā)生變化及哪些類(lèi)型發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性較高，但預(yù)處理的性能對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響很大，像素易受輻射、大氣、角度等因素的干擾，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，影響變化監(jiān)測(cè)結(jié)果。而遙感分類(lèi)監(jiān)測(cè)可以避免像素問(wèn)題帶來(lái)的監(jiān)測(cè)誤差。本研究以國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，選用指數(shù)計(jì)算、直接對(duì)比法與分類(lèi)對(duì)比法進(jìn)行海南地區(qū)地物變化監(jiān)測(cè)研究，以此探討遙感手段在地物變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)源及監(jiān)測(cè)原理

2.1 數(shù)據(jù)源

選用國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像高分一號(hào)（GF-1）衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，GF-1 于2013 年4 月26 日成功發(fā)射，衛(wèi)星搭載了兩臺(tái)2m 分辨率全色/8m 分辨率多光譜相機(jī)，四臺(tái)16m 分辨率多光譜相機(jī)。GF-1 衛(wèi)星突破了高空間分辨率、多光譜與高時(shí)間分辨率結(jié)合的光學(xué)遙感技術(shù)，多載荷圖像拼接融合技術(shù)，高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)，單星上同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率與大幅寬的結(jié)合，2m 高分辨率實(shí)現(xiàn)大于60km 成像幅寬，16m 分辨率實(shí)現(xiàn)大于800km 成像幅寬，適應(yīng)多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數(shù)據(jù)綜合需求。GF-1 衛(wèi)星影像如圖1 所示。

圖1 GF-1衛(wèi)星影像

2.2 原理介紹

選用影像像素直接對(duì)比法和面向?qū)ο蠓ㄟM(jìn)行地物變化監(jiān)測(cè)研究，兩種方法的原理分別如下：

（1）指數(shù)計(jì)算

選用歸一化植被指數(shù)NDVI 作為指數(shù)計(jì)算指標(biāo)，NDVI 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)，用于生成顯示植被生物量的指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等，并且廣泛應(yīng)用于地表植物生長(zhǎng)變化監(jiān)測(cè)研究[4]。NDVI 計(jì)算公式如下所示：

NDVI 指數(shù)是對(duì)柵格數(shù)據(jù)集中的兩個(gè)波段特征進(jìn)行對(duì)比，即紅光波段中的葉綠素吸收率與近紅外波段中植被的高反射率特征，其中NIR 為近紅外波段、R為紅光波段。

（2）像素對(duì)比

影像像素直接對(duì)比監(jiān)測(cè)是以像素為單元，逐個(gè)像素計(jì)算影像像元之間的差異，得到差異圖像，然后利用閾值分割的方法對(duì)變化信息進(jìn)行提取。適用于對(duì)大面積區(qū)域的變化檢測(cè)，比如水體、森林、植被覆蓋的變化[5]。

（3）面向?qū)ο?/p>

面向?qū)ο蟊O(jiān)測(cè)以圖像分割和面向?qū)ο蠓诸?lèi)為基礎(chǔ)，綜合像元周?chē)墓庾V特性，通過(guò)多尺度分割構(gòu)成對(duì)象，以對(duì)象為單位進(jìn)行特征計(jì)算，將計(jì)算的特征帶入到面向?qū)ο蠓诸?lèi)算法中進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比，從而進(jìn)行變化檢測(cè)。

面向?qū)ο蠓椒ǖ奶崛☆?lèi)似決策樹(shù)的構(gòu)思，從簡(jiǎn)到繁，先剔除其他無(wú)關(guān)信息，再經(jīng)過(guò)多次篩選找出有用的地物類(lèi)別，實(shí)現(xiàn)地物的分層提取。與傳統(tǒng)的分類(lèi)方法相比其最大的不同是：面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法的操作尺度單元不是基于單個(gè)像素，而是基于影像對(duì)象。面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法分為：多尺度分割、特征選擇、規(guī)則建立與分類(lèi)，主要用于識(shí)別一段時(shí)間內(nèi)從一個(gè)地類(lèi)更改為另一個(gè)地類(lèi)的區(qū)域。在建筑物變化檢測(cè)、土地覆被變化等方面有廣泛的應(yīng)用[6]。

3 結(jié)果與分析

3.1 指數(shù)計(jì)算

通過(guò)對(duì)海南省瓊海市進(jìn)行NDVI 計(jì)算，以此掌握大尺度范圍內(nèi)的地物變化大致情況。圖2 為2020 年與2021 年夏季海南省瓊海市NDVI 計(jì)算結(jié)果，由圖2可知，瓊海市的植被覆蓋區(qū)域較多，且山地占比較大，城鎮(zhèn)區(qū)域集中在特定位置。

圖2 2020、2021年瓊海市NDVI指數(shù)

通過(guò)對(duì)比兩幅NDVI 指數(shù)進(jìn)行相減作差，得到如圖3 所示的成果。由圖3 可知，通過(guò)指數(shù)作差，得到的數(shù)值較高或較低的區(qū)域呈紅色與藍(lán)色，瓊海市西南區(qū)域?yàn)樯降?，且人?lèi)活動(dòng)較少，植被變化情況較小。而瓊海市城鎮(zhèn)及其周邊的數(shù)值變化較大，即城鎮(zhèn)及周邊存在大量的由植被或耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ绕渌?lèi)型的地物。

圖3 變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 直接對(duì)比法

通過(guò)兩期GF-1衛(wèi)星影像利用像素直接對(duì)比方法，提取出大部分的變化圖斑，圖4 為2020 和2021 年的局部影像示意圖，2020 年影像上部分區(qū)域顯示為耕地，而在2021 年部分耕地已經(jīng)變?yōu)榻ǎ?gòu)）筑物、水體等類(lèi)型，通過(guò)兩個(gè)時(shí)期的影像直接對(duì)比進(jìn)行變化圖斑提取，從圖5 可知，兩時(shí)期的變化信息大部分被提取出來(lái)，操場(chǎng)也作為單獨(dú)個(gè)體識(shí)別出來(lái)，但仍存在一定的問(wèn)題，如部分裸地信息被錯(cuò)誤識(shí)別進(jìn)去，影響了識(shí)別面積，基于像元的像素對(duì)比法，由于“異物同譜”現(xiàn)象不可避免，會(huì)造成部分不同類(lèi)型但具有相同像元信息的地物錯(cuò)分為一類(lèi)。

圖4 兩時(shí)期影像對(duì)比

圖5 直接對(duì)比法變化監(jiān)測(cè)提取

3.3 面向?qū)ο髮?duì)比法

采用面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法對(duì)2020 年與2021 年兩期影像進(jìn)行全要素分類(lèi)，并對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)分類(lèi)屬性發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)標(biāo)記并導(dǎo)出，得到具有較高精度的變化監(jiān)測(cè)提取成果。首先通過(guò)多尺度分割，將GF1 影像分割成互不相干的若干個(gè)區(qū)域，同一區(qū)域內(nèi)影像紋理與光譜特征相同或相似；不同地物類(lèi)型具有不同的分割尺度，通過(guò)調(diào)整分割尺度，可以將地物類(lèi)型準(zhǔn)確地勾繪出來(lái)；分割過(guò)程中加入了紋理特征、光譜特征、指數(shù)特征等，靈活運(yùn)用相應(yīng)的特征，可以準(zhǔn)確獲取地物信息。通過(guò)面向?qū)ο蠓诸?lèi)法的地物變化監(jiān)測(cè)，得到如圖6 所示的提取結(jié)果，基于面向?qū)ο蠓诸?lèi)的變化監(jiān)測(cè)結(jié)果提取精度較高，提取邊界更清晰，道路邊界、建筑輪廓均完整識(shí)別出來(lái)。相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)督分類(lèi)提取的結(jié)果存在鋸齒效應(yīng)，而面向?qū)ο笏惴梢暂^好地解決這一問(wèn)題。

圖6 面向?qū)ο蠓ㄗ兓O(jiān)測(cè)提取

3.4 精度驗(yàn)證

本研究通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖斑成果內(nèi)的變化區(qū)域面積占總圖斑面積的百分比作為精度驗(yàn)證指標(biāo)，對(duì)兩種方法的提取成果進(jìn)行精度驗(yàn)證，得到如表1 所示的結(jié)果。由表可知：像素直接比對(duì)法的分類(lèi)精度為75.69%，而面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法的識(shí)別精度為86.75%，通過(guò)本研究的試驗(yàn)可知，面向?qū)ο蠓诸?lèi)在地物變化監(jiān)測(cè)中擁有更高的識(shí)別精度。

表1 分類(lèi)精度驗(yàn)證

4 結(jié)論與展望

以國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，選用指數(shù)計(jì)算、直接對(duì)比法與分類(lèi)對(duì)比法進(jìn)行地物變化監(jiān)測(cè)研究。通過(guò)研究開(kāi)展，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)海南省瓊海市進(jìn)行NDVI 計(jì)算，可掌握地物地類(lèi)變化的大致情況。

（2）對(duì)兩期影像進(jìn)行變化提取，影像像素直接對(duì)比法可提取部分變化圖斑，但“異物同譜”錯(cuò)誤識(shí)別現(xiàn)象較多；面向?qū)ο蠓诸?lèi)法提取的精度更高，邊界更清晰，邊界走向與實(shí)際更吻合。

基于高分一號(hào)衛(wèi)星2 米分辨率影像進(jìn)行地物變化監(jiān)測(cè)，對(duì)于集中變化地物提取具有較好的適用性，對(duì)于獨(dú)棟建筑存在提取誤差，后期的研究將著重采用語(yǔ)義分割等先進(jìn)技術(shù)開(kāi)展地物變化監(jiān)測(cè)研究等工作。