淺析內(nèi)蒙古地區(qū)遙感影像解譯樣本采集

□ 吳長俊 劉清田 楊少愚

（黑龍江第二測繪工程院，黑龍江哈爾濱150025）

引言

遙感影像解譯是對地理環(huán)境的正確認(rèn)知，是保證解譯結(jié)果正確的基本前提。利用具有對照關(guān)系的地面照片和遙感影像為主的解譯樣本數(shù)據(jù)，可以為遙感影像解譯者建立對相關(guān)地域的正確認(rèn)識提供支持，也可在解譯結(jié)果的質(zhì)量控制方面發(fā)揮重要作用,同時也為長期監(jiān)測積累實(shí)地參考資料。

1.地區(qū)特點(diǎn)與樣本制作的前期準(zhǔn)備

1.1 內(nèi)蒙古地貌特征

內(nèi)蒙古自治區(qū)疆域遼闊，地跨中國東北、華北、西北地區(qū)，東起東經(jīng)126度29分，西至東經(jīng)97度10分，北起北緯53度20分，南至北緯37度20分，是我國跨經(jīng)度最大的省級行政區(qū)，東西直線距離為2400多公里，南北跨度為1700多公里。內(nèi)蒙古的地形以高原為主，地勢平坦，東有大興安嶺，南有陰山、賀蘭山；該區(qū)由于降水較少，氣候干燥，上游河流稀少而其流程一般都較短，且多為內(nèi)流河，僅有黃河上游的下段流經(jīng)本區(qū)，西有弱水；該區(qū)氣候?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，冬季?yán)寒夏季炎熱，年降水在400mm以下且集中在夏季，由于全年降水較少，由東向西減少，氣候干燥，呈現(xiàn)出草原-荒漠草原-荒漠的植被景觀。

1.2 相機(jī)的選取以及遙感影像的準(zhǔn)備

相機(jī)采用35mm等效焦距且應(yīng)優(yōu)先選則支持在照片EXIF信息中自動記錄相機(jī)姿態(tài)參數(shù)和相機(jī)成像參數(shù)信息的照相機(jī)，其它屬性信息由人工記錄到手簿上。本次樣本采集選用的照相機(jī)型號為：NIKONAW110。

影像應(yīng)選取經(jīng)過正射處理、每景有一定重疊的影像且相互間可完全覆蓋此次樣本采集地區(qū)。對于衛(wèi)片，優(yōu)先選取融合影像，其次選取多光譜影像，如果沒有多光譜影像，則選擇全色影像。由于融合影像所需的存儲數(shù)據(jù)量過大，所以本次樣本制作采用以多光譜影像為主，將所選影像導(dǎo)入平板電腦中，結(jié)合外業(yè)巡查系統(tǒng)進(jìn)行樣本的采集和制作。為保證樣本采集的準(zhǔn)確度和工作效率，應(yīng)提前對樣本采集區(qū)域地物的分布情況進(jìn)行判讀，設(shè)計好地面照片拍攝時的大致路線并大致確定拍攝位置，對特殊地物進(jìn)行有針對性的樣本拍攝。

2.遙感影像樣本數(shù)據(jù)概述

2.1 解譯樣本數(shù)據(jù)內(nèi)容

遙感解譯樣本數(shù)據(jù)包含兩類，一是地面照片，二是遙感影像實(shí)例數(shù)據(jù)。兩類數(shù)據(jù)分別從不同的側(cè)面反映地物影像形態(tài)特征，起到相互印證的作用。采集的地面照片需充分保證樣本的典型性，每一個樣本都應(yīng)能夠代表所屬的該類覆蓋類型，反映該類型的總體特征，或者突出反映該類型某一方面的特征。對于一般地區(qū)普遍采用一對一關(guān)系（一張地面照片只對應(yīng)一幅遙感影像實(shí)例）和一對多關(guān)系（一張地面照片對應(yīng)多張不同類型或時相的遙感影像實(shí)例）；而針對一些地物復(fù)雜的地區(qū)難以用一張照片全面反映其特征，可采用多對一關(guān)系或多對多關(guān)系。在擁有多種遙感影像時，應(yīng)盡量采用一對多關(guān)系或多對多關(guān)系進(jìn)行樣本的制作，從而獲取地物對應(yīng)影像中的更多紋理特征信息以指導(dǎo)地表覆蓋監(jiān)督分類。同種地物在不同影像類型、不同分辨率、不同時相下所反映出的紋理特征均有所不同。

不同類型：針對不同類型影像下的同種地物，紋理略有所不同。如圖1所示，左為WorldView2多光譜影像，右為ZY3多光譜影像。

不同時相：由于季節(jié)不同所產(chǎn)生的一些非人為的地物變化（如植被、時令湖泊等）從而出現(xiàn)遙感影像地物紋理的不同。如圖2所示，左影像時相為2011年7月，右影像時相為2012年4月。

不同分辨率：遙感影像實(shí)例數(shù)據(jù)制作時應(yīng)優(yōu)先使用分辨率較高的多光譜影像，如該區(qū)域沒有多光譜影像則采用高分辨率的全色影像。

2.2 拍攝地面照片時應(yīng)注意的事項(xiàng)

需在衛(wèi)星信號穩(wěn)定后開始拍照，拍照前打開電子羅盤，拍攝時應(yīng)盡可能水平持握相機(jī)，使其保持正常姿態(tài)。特殊情況下相機(jī)的俯仰角或橫滾角大于10度以上時需記錄其值。拍攝主體要突出且主體部分不應(yīng)有冗余物體出現(xiàn)：如工作人員及車輛、拍攝者的人影、手指等。相機(jī)中的自帶功能信息不能出現(xiàn)在照片中。地面照片盡可能使用精細(xì)模式保存，總像素應(yīng)在200萬像素以上。樣本拍攝時應(yīng)盡可能保證拍攝地點(diǎn)與所拍攝目標(biāo)距離不超過200米，對于山地等一些難以到達(dá)的地區(qū)，只能通過遠(yuǎn)距離拍攝，如果距離超過200米時需進(jìn)行記錄。拍攝完成后需及

時查看照片質(zhì)量，如出現(xiàn)照片模糊、逆光較為嚴(yán)重、拍攝時未水平持握相機(jī)等現(xiàn)象，需根據(jù)實(shí)地情況調(diào)整拍攝角度、位置重新拍照。

圖1 不同類型影像下的高覆蓋度草地Fig.1 High coverage grassland in different types of images

圖2 WorldView2多光譜影像在不同季節(jié)下拍攝的高覆蓋度草地Fig.2 High coverage grassland in WorldView2 images in different seasons

2.3 遙感解譯樣本庫的制作流程

針對此次內(nèi)蒙古測區(qū)的遙感解譯樣本庫的制作，主要是利用由黑龍江地理信息局第二測繪工程院自主研發(fā)的國情檢測數(shù)字調(diào)繪核查系統(tǒng)軟件通過人工交互式操作完成的。

遙感解譯樣本的制作通過實(shí)地拍攝的照片進(jìn)行遙感影像裁切，裁切為長寬511×511像素大小的高分辨率遙感影像。對于遠(yuǎn)距離拍攝的地面照片，如果無法將拍攝點(diǎn)和拍攝的主體地物同時置于511×511像素大小的遙感影像范圍內(nèi)，可以將裁切范圍擴(kuò)展至1023×1023。拍攝點(diǎn)位置標(biāo)繪和地面照片視野范圍標(biāo)繪可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行，不做強(qiáng)制要求。

通過國情檢測數(shù)字調(diào)繪核查系統(tǒng)軟件中的創(chuàng)建樣本庫功能將每天拍攝的照片根據(jù)照片信息中自帶的經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息自動生成樣本庫，不同投影帶下的照片應(yīng)分別存放，分別設(shè)置投影坐標(biāo)系建庫，并在樣本庫中錄入樣本的覆蓋類型并進(jìn)行描述。發(fā)現(xiàn)問題時及時返回實(shí)地進(jìn)行核實(shí)或補(bǔ)拍照片，最后需要將每天生成的樣本庫合并成為一個總庫。不同投影帶的樣本庫進(jìn)行合庫前需仔細(xì)核對裁切影像的XML投影文件是否正確以及進(jìn)行樣本庫備份。

3.解譯樣本采集的分析及技巧

3.1 針對內(nèi)蒙古特點(diǎn)進(jìn)行解譯樣本制作分析

內(nèi)蒙古阿拉善盟內(nèi)存在部分灌木與草地混合共生的情況，稀疏灌叢和草地難以區(qū)分，這種樣本算做草地即可，如果是人工種植用于防風(fēng)固沙作用的，則歸為固沙灌草。此種灌草在沙漠化較為嚴(yán)重的地區(qū)比較普遍，且與自然生長的灌木林難以區(qū)分。固沙灌草一般成排種植在山坡上，每排之間會有一定的間距，從影像上看到的紋理應(yīng)是較為整齊規(guī)則的,如圖3（a）所示。有些區(qū)域存在許多干涸床及沖溝，其內(nèi)部地物覆蓋分類較為復(fù)雜：灌木分布生長情況多樣化、沙質(zhì)地表與礫石地表分界在影像中難以區(qū)分。此時需要刻意針對這些地物多采集一些樣本，在可到達(dá)區(qū)域內(nèi)沙質(zhì)地表與礫石地表分界處分別拍攝樣本以做參照對比，從而更加容易準(zhǔn)確的推出那些不可到達(dá)地區(qū)的地表覆蓋情況。對于沙漠中心區(qū)域的地物也需要拍攝一定的樣本，其中沙漠內(nèi)的湖泊是十分具有典型性的，但大多都難以到達(dá)，這時應(yīng)選則從沙漠景區(qū)入口處雇傭?qū)I(yè)的司機(jī)及車輛進(jìn)入沙漠，如巴丹吉林沙漠風(fēng)景區(qū)。通過遙感影像擬定好大致路線，對沙漠內(nèi)部的植被、湖泊等地物進(jìn)行樣本的采集制作，如圖3（b）所示。

內(nèi)蒙古河套地區(qū)，灌區(qū)每到秋季莊家收割完后，要往旱地內(nèi)灌水養(yǎng)墑，準(zhǔn)備春天種地，這時候拍攝耕地的樣本反映的是水田或者坑塘較多，此時應(yīng)選取拍攝時間較為接近的遙感影像來制作樣本，保證地面照片與遙感影像實(shí)例的一致性；對于在耕地中種植苗圃、其它園地、果園等在影像中極難區(qū)分的情況，應(yīng)仔細(xì)辨認(rèn)確保無誤的情況下才可用作解譯樣本。樣本的采集最好選在植物的生長季（4-9月），可較好的反映出植被的真實(shí)分布情況。

圖3 地面照片和遙感影像對應(yīng)關(guān)系圖Fig.3 Correspondence between ground photos and remote sensing images

3.2 總結(jié)

遙感解譯樣本數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)自動分類和人工解譯，根據(jù)圖像特征來識別它們所代表的地物。地面照片可以有計劃拍攝，也可是無計劃拍攝，兩種方式應(yīng)有機(jī)結(jié)合。樣本采集人員需要有較強(qiáng)的無計劃拍攝意識，碰到典型類型，應(yīng)及時拍攝采樣。做到對所有要求識別的地表覆蓋類型開展樣本采集，保證每種類型的數(shù)量達(dá)到數(shù)據(jù)規(guī)定中的要求，對于難以到達(dá)的特殊困難地區(qū)，每種覆蓋類型采樣點(diǎn)數(shù)量一般不少于3個，對于圖斑數(shù)很少（100個以下）且圖斑總面積很小的覆蓋類型，若具有典型性也必須至少采集1個樣點(diǎn)。重點(diǎn)針對影像中不易識別或容易產(chǎn)生異議的圖斑進(jìn)行現(xiàn)場核實(shí)并拍攝樣本。如季相差別較大，需確保通過照片反應(yīng)出的地物或覆蓋狀態(tài)與影像上判別出的一致，否則不應(yīng)作為樣本保留，照片如果依據(jù)樣本使人誤解的地表覆蓋是不合適作為解譯樣本的。樣本的采集制作應(yīng)優(yōu)先選取分辨率高、時相接近植物生長季、現(xiàn)勢性新且無云雪覆蓋的影像。

4.樣本質(zhì)量的控制

為確保樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，拍攝點(diǎn)位置定位精度應(yīng)控制在15米以內(nèi)，照片方位角的精度應(yīng)在5度以內(nèi)。由于有些地方存在信號干擾以及地物遮擋等外在因素導(dǎo)致定位點(diǎn)不準(zhǔn)，以及對植被、園地等地物的判別不準(zhǔn)導(dǎo)致拍攝照片與地物描述不一致的情況，可能會對后期的人工解譯帶來誤導(dǎo)，因此這樣的樣本需要從樣本庫中修改或刪除，因此樣本點(diǎn)采集以后的編輯整理和質(zhì)量檢查顯得尤為重要。對樣本庫的檢查主要有3個方面：

1）檢查地面照片中所拍攝的主體地物與樣本描述是否一致：

照片主體要清晰，突出地物、植被等覆蓋類型的局部或總體特征，可準(zhǔn)確分析判斷出覆蓋類型到三級類。樣點(diǎn)所在位置要描述清楚、合理，道路兩側(cè)的樣本要準(zhǔn)確描述出所在道路的編碼等級。

2）檢查照片信息中的經(jīng)緯度坐標(biāo)、方位角是否正確：

通過照片中反映出的地物信息、相對關(guān)系、拍照時的焦距，核對照片的位置是否正確；對于地物稀少通過照片不易判斷位置的樣本，可通過照片中地物的影子根據(jù)所拍攝的時間大致推算出照片的拍攝方向，再通過樣本采集人員的配合來判別方位角的準(zhǔn)確性。

3）對樣本庫的庫體進(jìn)行檢查：

檢查文件格式與命名是否正確，遙感影像實(shí)例屬性信息是否符合采集要求，遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是否符合數(shù)據(jù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。核對樣本庫中的照片、裁切后的遙感影像名稱是否正確，個數(shù)是否與Access數(shù)據(jù)庫文件中相一致。

5.結(jié)束語

此次遙感影像解譯樣本的采集只針對內(nèi)蒙古地區(qū)所采用的做法，是嚴(yán)格依照《遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行的。其中對一些特殊地物的樣本分析、注意事項(xiàng)以及質(zhì)量控制方面的做法，希望能夠給予其他地區(qū)所承擔(dān)地理國情普查的人員提供參考與幫助。

【1】國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.GDPJ 06-2013遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)定[G].北京:國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2013.

【2】國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.GDPJ 01-2013地理國情普查內(nèi)容與指標(biāo)[G].北京:國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2013.

【3】國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.GDPJ 05-2013數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定[G].北京:國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2013.

【4】聞靜.傳統(tǒng)遙感影像的分類[J].測繪與空間地理信息，2012，35（10）：118-120.