高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

王忠武 劉順喜 戴建旺 尤淑撐 沈均平 李芬

(1 中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院，北京 100035)(2 北京中色測(cè)繪院有限公司，北京 100012)

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高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

王忠武1劉順喜1戴建旺1尤淑撐1沈均平1李芬2

(1 中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院，北京 100035)(2 北京中色測(cè)繪院有限公司，北京 100012)

選擇內(nèi)蒙古包頭市青山區(qū)、白云礦區(qū)和赤峰市元寶山區(qū)作為典型試驗(yàn)區(qū)，以韓國(guó)多用途衛(wèi)星-3(Kompsat-3)數(shù)據(jù)提取結(jié)果作為參考，開展高分二號(hào)(Gaofen-2)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：基于高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)圖斑屬性精度，新增建設(shè)用地占用耕地、非耕農(nóng)用地圖斑面積精度，以及最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積，基本滿足土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)相關(guān)規(guī)范要求。建議開展高分二號(hào)衛(wèi)星的常態(tài)業(yè)務(wù)測(cè)控，提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)大區(qū)域連片的有效覆蓋能力，滿足土地應(yīng)用對(duì)完整行政轄區(qū)覆蓋的要求，為充分發(fā)揮衛(wèi)星的應(yīng)用效益奠定基礎(chǔ)。

高分二號(hào)衛(wèi)星；新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)；屬性精度；面積精度；最小圖斑面積

1 引言

高分二號(hào)(Gaofen-2)衛(wèi)星是高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)(民用部分)首批啟動(dòng)研制的重要項(xiàng)目，于2014年8月19日11點(diǎn)15分由長(zhǎng)征-4B運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)民用遙感衛(wèi)星真正進(jìn)入了亞米級(jí)“高分時(shí)代”[1]。高分二號(hào)衛(wèi)星搭載2臺(tái)全色多光譜相機(jī)，每臺(tái)相機(jī)可提供幅寬不低于23 km、空間分辨率優(yōu)于1 m/4 m的全色多光譜影像，可為土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源調(diào)查、城鄉(xiāng)規(guī)劃監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、交通路網(wǎng)規(guī)劃、森林資源調(diào)查、荒漠化監(jiān)測(cè)等行業(yè)和首都圈等區(qū)域應(yīng)用提供服務(wù)支撐。

高分二號(hào)衛(wèi)星作為國(guó)產(chǎn)亞米級(jí)分辨率衛(wèi)星，進(jìn)一步豐富了土地利用變化新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)的自主數(shù)據(jù)源。根據(jù)土地資源遙感調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，開展高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的土地利用/土地覆被和新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)能力應(yīng)用與分析，評(píng)估該數(shù)據(jù)現(xiàn)狀與變化信息提取能達(dá)到的精度水平[2-6],可為后續(xù)土地業(yè)務(wù)規(guī)?；瘧?yīng)用提供有力的技術(shù)指導(dǎo)。本文選擇典型試驗(yàn)區(qū)，以韓國(guó)多用途衛(wèi)星-3(Kompsat-3)數(shù)據(jù)提取結(jié)果作為參考，結(jié)合土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，分析了高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)的屬性精度、面積精度、最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積等，可為高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的規(guī)模化應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)區(qū)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情況

2.1 試驗(yàn)區(qū)

截至2014年12月17日，高分二號(hào)衛(wèi)星發(fā)射后近4個(gè)月，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)間較短，本文根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋情況選取內(nèi)蒙古包頭市青山區(qū)、白云礦區(qū)和赤峰市元寶山區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)。青山區(qū)地處包頭市中部，大青山南麓的土默川平原西北部，地勢(shì)平坦、北高南低，總面積272.50 km2。白云礦區(qū)地處蒙古高原南部，位于陰山之北的烏蘭察布草原西北部，境內(nèi)東部、北部為高原丘陵，南部、西部為延綿起伏的草原，中部城區(qū)地段為凹地，總面積247.89 km2。元寶山區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，屬燕山山脈延伸部分，低山丘陵較多，西北間有固定和半固定沙丘，地勢(shì)西南高、東北低，總面積943.89 km2。青山區(qū)共接收到4景數(shù)據(jù)，有效覆蓋面積93%；白云礦區(qū)共接收到2景數(shù)據(jù)，有效覆蓋面積97%；元寶山區(qū)共接收到4景數(shù)據(jù)，有效覆蓋面積64%。試驗(yàn)區(qū)高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)具體覆蓋情況見圖1(紅線圈出區(qū)域)，所有行政轄區(qū)都未實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)全部覆蓋。

圖1 試驗(yàn)區(qū)高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋情況Fig.1 Gaofen-2 satellite data coverage map of typical experiment areas

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括平面和高程控制資料、前時(shí)相數(shù)據(jù)。平面控制資料為2013年度全國(guó)土地利用變更調(diào)查監(jiān)測(cè)與核查工程基礎(chǔ)底圖。其中：青山區(qū)基礎(chǔ)底圖為“快鳥”(Quickbird)衛(wèi)星影像生產(chǎn)的0.5 m遙感影像圖；白云礦區(qū)基礎(chǔ)底圖為世界觀測(cè)-1(Worldview-1)衛(wèi)星生產(chǎn)的0.5 m遙感影像圖；元寶山區(qū)為“快鳥”、地球眼-1(Geoeye-1)等衛(wèi)星生產(chǎn)的0.5 m遙感影像圖。高程控制資料為先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型(ASTGTM)的30 m數(shù)字高程模型(DEM)，約能達(dá)到1∶50 000數(shù)字高程模型精度要求[7]。前時(shí)相數(shù)據(jù)與平面控制資料一致，均為全轄區(qū)0.5 m遙感影像圖。

2)參考數(shù)據(jù)

2014年度全國(guó)土地利用變更調(diào)查監(jiān)測(cè)與核查工程中，青山區(qū)、白云礦區(qū)、元寶山區(qū)均采用韓國(guó)多用途衛(wèi)星-3高分辨率影像進(jìn)行新增建設(shè)用地提取。該衛(wèi)星于2012年5月18日成功發(fā)射，軌道高度為685 km，能提供空間分辨率為0.7 m的全色數(shù)據(jù)和2.8 m的多光譜數(shù)據(jù)，幅寬約為17.5 km。將基于該衛(wèi)星的0.7 m/2.8 m全色多光譜數(shù)據(jù)作為后時(shí)相，對(duì)比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中各試驗(yàn)區(qū)前時(shí)相數(shù)據(jù)提取的新增建設(shè)用地圖斑作為真值參考，評(píng)價(jià)基于高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)成果。

3)高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理

青山區(qū)、白云礦區(qū)、元寶山區(qū)的數(shù)據(jù)為高分二號(hào)衛(wèi)星2014年10月23日-2014年11月10日接收的高分辨率全色/多光譜數(shù)據(jù)，具體信息見表1。利用平面和高程控制資料，對(duì)高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、融合、正射糾正、鑲嵌、調(diào)色等處理，生成青山區(qū)、白云礦區(qū)、元寶山區(qū)的后時(shí)相遙感影像圖。

表1 高分二號(hào)衛(wèi)星試驗(yàn)數(shù)據(jù)清單

注：PMS1和PMS2指全色多光譜相機(jī)1和2。

3 分析方法

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)主要技術(shù)指標(biāo)要求[8-10]如下。

(1)新增建設(shè)用地類型(見表2)。

(2)最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積：針對(duì)0.5～1.0 m分辨率影像，最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積為0.3畝。

(3)屬性精度：新增建設(shè)用地圖斑屬性精度優(yōu)于85%。

(4)面積精度：新增建設(shè)用地及其占用耕地、非耕農(nóng)用地圖斑面積精度優(yōu)于80%。

表2 新增建設(shè)用地類型

3.2 分析過程

新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)具體分析過程如圖2所示。①利用高分二號(hào)衛(wèi)星融合影像制作的后時(shí)相遙感影像圖疊加前時(shí)相遙感影像圖，采用人機(jī)交互的方式提取新增建設(shè)用地圖斑及其占用耕地、非耕農(nóng)用地、未利用地和其他地類情況。②利用韓國(guó)多用途衛(wèi)星-3融合影像制作的后時(shí)相遙感影像圖疊加前時(shí)相遙感影像圖，采用人機(jī)交互的方式提取新增建設(shè)用地圖斑及其占用耕地、非耕農(nóng)用地、未利用地和其他地類情況。③將步驟②中獲得的結(jié)果作為評(píng)價(jià)參考數(shù)據(jù)，對(duì)基于高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的新增建設(shè)用地圖斑進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括圖斑的屬性精度、面積精度及最小可監(jiān)測(cè)圖斑。屬性精度主要評(píng)價(jià)正確圖斑數(shù)量占總提取圖斑數(shù)量的比例。面積精度主要采用按照新增建設(shè)用地類型評(píng)價(jià)的方式，評(píng)價(jià)不同變化類型的單個(gè)圖斑面積中誤差和平均差異程度。最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積為新增建設(shè)用地圖斑的最小面積。

圖2 分析過程Fig.2 Workflow of analysis

4 結(jié)果與分析

青山區(qū)共提取新增建設(shè)用地圖斑595塊：類型

一圖斑74塊，類型二圖斑41塊，類型三圖斑92塊，類型四圖斑388塊。白云礦區(qū)共提取新增建設(shè)用地圖斑171塊：類型一圖斑0塊，類型二圖斑16塊，類型三圖斑56塊，類型四圖斑99塊。元寶山區(qū)共提取新增建設(shè)用地圖斑531塊：類型一圖斑66塊，類型二圖斑147塊，類型三圖斑159塊，類型四圖斑159塊。

4.1 屬性精度評(píng)價(jià)

按照新增建設(shè)用地類型劃分為4種類型，對(duì)全部圖斑進(jìn)行屬性精度評(píng)價(jià)。新增建設(shè)用地圖斑提取屬性精度統(tǒng)計(jì)見表3。青山區(qū)提取的新增建設(shè)用地圖斑正確數(shù)568塊，平均屬性精度為95.46%。白云礦區(qū)提取的新增建設(shè)用地圖斑正確數(shù)160塊，平均屬性精度為93.57%。元寶山區(qū)提取的新增建設(shè)用地圖斑正確數(shù)463塊，平均屬性精度為87.19%?？芍?，新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)屬性精度達(dá)到了87.19%以上，滿足新增建設(shè)用地圖斑屬性精度優(yōu)于85%的指標(biāo)要求。

表3 不同新增建設(shè)用地類型的屬性精度

4.2 面積精度評(píng)價(jià)

按照新增建設(shè)用地類型劃分為4種類型，各隨機(jī)抽取10塊圖斑進(jìn)行面積精度評(píng)價(jià)，不同變化類型屬性精度統(tǒng)計(jì)見表4。青山區(qū)提取的新增建設(shè)用地圖斑面積精度優(yōu)于89.66%，白云礦區(qū)提取的優(yōu)于89.72%，元寶山區(qū)提取的優(yōu)于92.86%?？梢姡略鼋ㄔO(shè)用地監(jiān)測(cè)不同變化類型的面積精度達(dá)到了89.66%以上，滿足新增建設(shè)用地及其占用耕地、非耕農(nóng)用地圖斑面積精度優(yōu)于80%的指標(biāo)要求。

表4 不同新增建設(shè)用地類型的面積精度

4.3 最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積評(píng)價(jià)

青山區(qū)監(jiān)測(cè)的新增建設(shè)用地最小圖斑面積為0.2畝，白云礦區(qū)監(jiān)測(cè)的為0.2畝，元寶山區(qū)監(jiān)測(cè)的0.1畝，如圖3所示(紅線圈出區(qū)域)?？梢姡略鼋ㄔO(shè)用地最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積能達(dá)到0.2畝，滿足最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積0.3畝的指標(biāo)要求。

注：后時(shí)相影像為高分二號(hào)衛(wèi)星融合影像。圖3 最小監(jiān)測(cè)圖斑Fig.3 Minimum monitoring plot area

4.4 總體評(píng)價(jià)

基于高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展了青山區(qū)、白云礦區(qū)和元寶山區(qū)的新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)屬性精度、面積精度和最小可監(jiān)測(cè)圖斑的應(yīng)用分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)圖斑屬性精度基本達(dá)到85%以上，新增建設(shè)用地及其占用耕地、非耕農(nóng)用地、未利用地和其他地類圖斑面積精度能達(dá)到85%以上，新增建設(shè)用地最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積能達(dá)到0.2畝，滿足土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求[8-10]。但是，總體來說，衛(wèi)星數(shù)據(jù)大區(qū)域連片覆蓋能力還略顯不足，難以滿足土地應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν暾姓爡^(qū)覆蓋的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)的屬性精度、面積精度和最小可監(jiān)測(cè)圖斑面積，能滿足土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，說明高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用作0.5～1.0 m監(jiān)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)源。同時(shí)也應(yīng)看到，高分二號(hào)衛(wèi)星對(duì)土地應(yīng)用領(lǐng)域基本監(jiān)測(cè)區(qū)的完整行政轄區(qū)的覆蓋能力還有待提高。因此，為充分發(fā)揮高分二號(hào)衛(wèi)星的應(yīng)用效益，建議開展衛(wèi)星常態(tài)業(yè)務(wù)測(cè)控，提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)大區(qū)域連片覆蓋的有效覆蓋能力，滿足土地應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν暾姓爡^(qū)覆蓋的要求。本次評(píng)價(jià)以應(yīng)用韓國(guó)多用途衛(wèi)星-3數(shù)據(jù)提取的新增建設(shè)用地圖斑作為參考數(shù)據(jù)，因此新增建設(shè)用地監(jiān)測(cè)精度會(huì)受到一定程度的影響，實(shí)際應(yīng)用效果還要在后續(xù)規(guī)?；瘧?yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證。

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(編輯：夏光)

Analysis of New Constructed Land Monitoring by Using Gaofen-2 Satellite Imagery

WANG Zhongwu1LIU Shunxi1DAI Jianwang1YOU Shucheng1SHEN Junping1LI Fen2

(1 China Land Surveying and Planning Institute,Beijing 100035,China) (2 Beijing CNNC Institute of Surveying and Mapping Co.,Ltd.,Beijing 100012,China)

With Qingshan and Baiyunkuang District,Baotou City,and Yuanbaoshan District,Chifeng City,Inner Mongolia Autonomous Region as typical testing areas individually,the ability of Gaofen-2 satellite images to monitor new constructed land is analyzed,compared to those of Kompsat-3.The results show that the attribution accuracy of new constructed land monitoring,the area accuracy of cultivated land occupation and non-cultivated agricultural land occupation,as well as the minimum area of monitored plot can meet the regulatory requirements of land use dynamic monitoring project.It is suggested to carry out normal satellite TT&C according to the applications and to improve the data-acquirement capability in large area,in order to meet the requirement of covering the whole county in land remote sensing application,and to get its full benefit.

Gaofen-2 satellite；new constructed land monitoring；attribution accuracy；area accuracy；minimum plot area

2015-01-09；

2015-03-08

國(guó)土資源公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“資源一號(hào)02C衛(wèi)星土地應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究及推廣”(201411119),高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)“高分國(guó)土資源遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)(一期)”(04Y30B01-9001-12/15)

王忠武，男，副研究員，從事土地資源遙感調(diào)查監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)展應(yīng)用研究工作。Email：wangzhongwu@mail.clspi.org.cn。

TP751

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.020