基于低空正射影像的村莊動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究

高云華?┝跎荷? 王建雄 陳穎　邊琳 鄭宏剛

摘要：無人機(jī)遙感技術(shù)由于自身的優(yōu)越性正被逐步推廣應(yīng)用。為探討一種高效、快速對村莊土地利用變化進(jìn)行監(jiān)測的方法，從而獲取村莊土地利用變化信息，本試驗(yàn)以高分辨率無人機(jī)所獲取的正射影像為基礎(chǔ)，通過對影像進(jìn)行傅立葉變換提取變化信息，對比分析了云南省尋甸縣澤鐵村2015―2016年土地利用變化。結(jié)果表明：2015年，澤鐵村農(nóng)村宅基地分布零散，存在大量閑置、廢舊房屋，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，農(nóng)村道路、溝渠分布不合理等造成嚴(yán)重的土地資源浪費(fèi)；2016年，澤鐵村建設(shè)用地顯著增加，宅基地分布更加集中，閑置、廢舊建筑已拆除，道路、坑塘、溝渠修建更加完善、布局更加科學(xué)，顯著改善了“空心村”的現(xiàn)象?；诟道锶~變換對低空正射影像進(jìn)行土地利用信息提取，能夠快速有效地對村莊土地利用動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：低空正射影像；土地利用變化；村莊；動(dòng)態(tài)監(jiān)測；無人機(jī)遙感技術(shù)

中圖分類號(hào)：S127：F301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2017）04-0138-05

Research on Village Dynamic Monitoring

Based on Low Altitude Orthophoto

GaoYunhua1，2， Liu Shanshan2，3， Wang Jianxiong3， Chen Ying1，2， Bian Lin2，3， Zheng Honggang1，2

（1.Engineering Research Center of Science and Technology of Land and Resources， Yunnan Agricultural University，

Kunming 650201， China； 2.College of Hydraulic Engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China；

3.Geographic Information System and Remote Sensing Laboratory， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China）

Abstract UAV remote sensing technology is being gradually applied because of its own superiority. In order to obtain the land use change information in village， one method was established based on the orthophoto images obtained by the high resolution UAV. Using the Fourier transform to extract the image information， the comparative analysis was conducted on Zetie Village， Xundian County， Yunnan Province， in 2015-2016. The results showed that in 2015， the rural homestead of Zetie Village was scattered； there were a lot of idle and waste houses； the infrastructure construction was backward， and the rural roads and ditches were irrational and so on. In 2016， the homestead significantly increased and its distribution was more concentrated； the idle and abandoned buildings had been demolished； the roads， pits and ditches were built more perfectly with more scientific layout， so the “hollow village” phenomenon was significantly improved. In conclusion， to extract the land use information through Fourier transform based on low-altitude orthoimage image could quickly and effectively monitor the land use dynamics of villages.

Keywords Low-altitude orthophoto； Land use change； Village； Dynamic monitoring；UAV remote sensing technology

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，土地資源日益緊張，大量閑置、廢舊的房屋及落后的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等帶來的問題已經(jīng)造成嚴(yán)重的土地資源浪費(fèi)，村莊土地利用現(xiàn)狀與發(fā)展方向引起越來越多人的關(guān)注[1-3]。及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握村莊土地利用現(xiàn)狀與變化對政府決策以及各級土地管理部門對土地利用規(guī)劃的實(shí)施起著至關(guān)重要的作用[4，5]。

遙感技術(shù)作為一種能夠快速、高效獲取地面信息的高科技技術(shù)手段深受人們喜愛，高分辨率衛(wèi)星、航空遙感技術(shù)已在土地監(jiān)測方面成功運(yùn)用。影像空間分辨率影響著對影像地物的提取效果，空間分辨率越高，地物像元的純凈度以及輪廓清晰度越高，提取效果越好[6]。隨著土地監(jiān)測對影像提取效果要求的提高，低成本、機(jī)動(dòng)靈活且具有更高的空間分辨率成為遙感技術(shù)的重要發(fā)展方向[7-11]。而日益成熟的無人機(jī)遙感技術(shù)迎合了這一需求，不僅能對土地利用變化進(jìn)行快速高效、低成本的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，還能獲取更加豐富的空間信息和細(xì)節(jié)以及更突出的地物結(jié)構(gòu)特征、紋理信息和分布情況[12-15]。無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用可為今后對土地利用變化進(jìn)行空間分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測等研究提供更豐富、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息。本研究通過將無人機(jī)獲取的村莊低空正射影像進(jìn)行傅立葉變換，提取了昆明市尋甸縣澤鐵村的土地利用分類邊界信息，分析了該村莊的土地利用變化情況，可為今后村莊動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供參考。

1 數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

以昆明市尋甸縣澤鐵村為試驗(yàn)區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°08′～103°11′、北緯25°31′～25°33′，地處昆曲綠色經(jīng)濟(jì)帶（即昆明-曲靖綠色經(jīng)濟(jì)示范帶，將建成帶動(dòng)全省、面向全國、輻射東南亞和南亞周邊國家和地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品物流集散中心、農(nóng)產(chǎn)品精深加工中心、綠色食品生產(chǎn)加工中心、農(nóng)業(yè)博覽會(huì)展中心和特色優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品研發(fā)推廣中心，以引領(lǐng)全省綠色經(jīng)濟(jì)和高原特色農(nóng)業(yè)大發(fā)展），村莊總面積為14.51 hm2。該村莊近幾年土地利用動(dòng)態(tài)變化較大：原來閑置、廢舊的宅基地被拆除、規(guī)劃重建；農(nóng)村道路與排水溝渠被整改重新布局；農(nóng)村公共服務(wù)設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施修建更加完善；水塘最大化擴(kuò)建等。本研究監(jiān)測內(nèi)容主要包括農(nóng)村宅基地建設(shè)、農(nóng)村道路建設(shè)、水利設(shè)施等地類的利用變化。

1.2 影像獲取

本研究利用F1000電動(dòng)無人機(jī)對試驗(yàn)區(qū)澤鐵村共進(jìn)行了兩次航拍，第一次于2015年3月10日完成，第二次于2016年7月5日完成，具體飛行參數(shù)見表1。該無人機(jī)主要采用EPO和碳纖維復(fù)合材料加工而成，重量輕，強(qiáng)度大，可通過手拋實(shí)現(xiàn)無遙控器自動(dòng)起飛，回收方式為無遙控器自動(dòng)滑降或自動(dòng)傘降。傳感器設(shè)備以索尼α5100數(shù)碼相機(jī)為主，也可以搭載光學(xué)膠片相機(jī)、成像光譜儀等。該系統(tǒng)具有幾個(gè)突出的特點(diǎn)：①可低空、低速飛行，獲取高分辨率垂直影像、傾斜影像，地面分辨率可達(dá)10 cm；②操作簡便，任務(wù)設(shè)備易安裝，安全性能高；③不需要專門的起降場地；④適用于城區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)飛行。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理流程為：拼接配準(zhǔn)→點(diǎn)云數(shù)據(jù)→三角網(wǎng)格→紋理映射→三維模型→正射投影→糾正勻色→裁剪修飾。對航拍得到的初始影像數(shù)據(jù)先拼接配準(zhǔn)，然后由影像生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，構(gòu)建三角網(wǎng)格，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行紋理的映射，便可以得到真彩色的三維模型，再選擇投影的基準(zhǔn)面，將模型進(jìn)行正射投影，即可獲得初始的正射影像圖[16]。為了使正射影像圖的精度變得更高，還需要對初始的正射影像圖進(jìn)行糾正、勻色以及圖幅的裁剪和整體的圖廓整飾等處理。經(jīng)過預(yù)處理后得到澤鐵村的低空正射影像如圖1、圖2所示，各地物邊界比較清晰規(guī)則，村邊園地、耕地、林場等清晰可辨。

2 影像數(shù)據(jù)處理

根據(jù)國土資源部《第二次全國土地調(diào)查土地分類》文件，將澤鐵村土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行二級類劃分，主要?jiǎng)澐譃檗r(nóng)村宅基地、農(nóng)村道路、溝渠、坑塘水面、綠地5種土地利用類型。由于成像機(jī)制的原因，遙感圖像往往帶有一些噪聲，尤其是高分辨率遙感圖像具有更豐富的信息，噪聲也更多，這些噪聲在圖像分析時(shí)通常顯示出許多信號(hào)雜點(diǎn)，可以通過濾波處理減小或消除無關(guān)的噪聲信號(hào)對圖像處理分析的影響。本試驗(yàn)采用基于傅立葉變換的巴特沃思濾波器進(jìn)行高通濾波，從而增強(qiáng)影像。

2.1 圖像變換

傅立葉變換被廣泛應(yīng)用于影像數(shù)據(jù)的平滑處理、邊緣增強(qiáng)、紋理分析、去噪聲、數(shù)字水印、特征提取等過程中，以進(jìn)一步提取圖像特征。傅立葉變換的物理意義是將圖像的灰度分布函數(shù)變換為頻率分布函數(shù)。圖像的頻率代表的是圖像中灰度變化的劇烈程度，是灰度在平面空間上的梯度。其逆變換則是將圖像的頻率分布函數(shù)變換為灰度分布函數(shù)[17]。圖像在計(jì)算機(jī)中是以數(shù)學(xué)矩陣的形態(tài)存儲(chǔ)著，其信號(hào)均為二維，故可通過連續(xù)兩次的一維離散傅立葉變換（或反變換）來求得二維離散傅立葉變換。

2.1.1 正向變換

2.1.2 濾波器處理 這些二維信號(hào)，經(jīng)過傅立葉變換可以從空域轉(zhuǎn)換到頻域，然后可以在頻域中對圖像進(jìn)行平滑、銳化等增強(qiáng)操作[18]。在頻域中可以采用低通濾波進(jìn)行平滑，高通濾波進(jìn)行銳化。圖像頻譜低通濾波在消除噪聲的同時(shí)也可能濾除某些邊界對應(yīng)的頻率分量，導(dǎo)致圖像邊界變得模糊；相反，高通濾波則讓高頻分量順利通過，同時(shí)削弱低頻分量，從而增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)，銳化圖像。常用的頻域高通濾波器有巴特沃斯（Butter-worth）高通濾波器。

巴特沃思濾波器的傳遞函數(shù)為：

2.2 土地利用類型邊界信息提取

進(jìn)行高通濾波之后的影像，邊緣顯著增強(qiáng)，紋理更加清晰。在此基礎(chǔ)上結(jié)合GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)提取各類用地的邊緣信息，得到各類用地的矢量數(shù)據(jù)以及土地利用分類圖（圖5、圖6）。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

2015年，澤鐵村5種地類共提取到405個(gè)圖斑，包括農(nóng)村宅基地斑塊393個(gè)，農(nóng)村道路斑塊10個(gè)，坑塘水面斑塊1個(gè)，溝渠斑塊1個(gè)；2016年，澤鐵村5種地類共提取到357個(gè)圖斑，包括農(nóng)村宅基地斑塊331個(gè)，農(nóng)村道路斑塊17個(gè)，坑塘水面斑塊1個(gè)，溝渠斑塊8個(gè)（表2）。

兩年間比較，①2016年農(nóng)村宅基地斑塊數(shù)明顯減少，占地面積比例從13.30% 提高到17.44%，主要是閑置、廢舊房屋修整，住宅地質(zhì)量更高，人均住宅面積顯著提高。②農(nóng)村道路斑塊數(shù)2016年增加7個(gè)，占地面積比例從7.44% 提高到9.61%，表明交通水平更加完善。③溝渠斑塊數(shù)由2015年的1個(gè)增加到2016年的8個(gè)，占地面積比例從0.27% 提高到1.69%，表明生活用水隨意排放的問題得以解決，生活環(huán)境明顯改善。④水塘最大化擴(kuò)建，占地面積比例從2015年的8.06% 提高到2016年的8.34%，可為生活、農(nóng)業(yè)等提供更多的用水。⑤其他占地面積比例從2015年的70.97%減少到2016年的63.02%，經(jīng)過實(shí)際考察，減少的大部分為未利用的空地，綠地很少有改變，這有利于提高村莊土地利用效率和人們生活水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3 討論與結(jié)論

3.1 無人機(jī)遙感影像在農(nóng)村土地利用變化監(jiān)測方面應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢和廣闊的前景，與其他遙感技術(shù)相比，具有靈活機(jī)動(dòng)、高效快速、成本低、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，獲取的影像通過基于傅立葉變換的濾波后，紋理及邊界信息增強(qiáng)，結(jié)合GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)提取后效果更好。無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用可為今后對土地利用變化進(jìn)行空間分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測等研究提供更豐富、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息。

3.2 本研究結(jié)果表明：2015年澤鐵村存在農(nóng)村宅基地建設(shè)分散、大量土地閑置、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后且布局不合理、生活用水無處排放等一系列問題。2016年澤鐵村很大程度上改善了空心化的現(xiàn)象，農(nóng)村宅基地分布集中，閑置、廢舊建筑房屋拆除重新規(guī)劃，道路與溝渠修建完善、布局科學(xué)，水塘得到進(jìn)一步擴(kuò)建。

3.3 本試驗(yàn)區(qū)的地塊面積較小，低空正攝影像所獲取的分辨率較高，各類用地輪廓清晰可辨，監(jiān)測效果較好。但對于地勢復(fù)雜、面積較大、土地利用類型復(fù)雜的地區(qū)，這種方法的適用性還需進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)：

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