水土保持生產建設項目擾動遙感分析

孫 濤 ，范福新 ，梁 藉 ，閆寶偉 ，付文博

（1.中國水利水電科學研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，100038，北京；3.華中科技大學水電與數(shù)字化工程學院，430070，武漢）

水土保持生產建設項目擾動遙感分析

孫 濤1，2，范福新3，梁 藉3，閆寶偉3，付文博3

（1.中國水利水電科學研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，100038，北京；3.華中科技大學水電與數(shù)字化工程學院，430070，武漢）

生產建設項目遙感監(jiān)督管理往往需要通過大量遙感圖像人工標注訓練樣本，進行深度學習模型的訓練。為此，通過對大量遙感影像進行統(tǒng)計觀察，結合實際建立了包括裸地、水泥地、森林等14種基本地類解譯標志庫，并以此為基準制作訓練樣本。在此基礎上，詳細分析生產建設項目的要素組成，探究了機場工程、涉水交通工程生產建設項目的地類組成規(guī)律，為后期深度學習模型的構建提供可靠的約束條件與決策支撐。

生產建設項目；擾動土提取；人工標注；遙感解譯；組合規(guī)律

生產建設項目類型多、分布廣、部分分布在偏遠山區(qū)，傳統(tǒng)監(jiān)測方法周期長、精度低、成本高，需要尋找一種新型監(jiān)測方法。衛(wèi)星遙感技術能夠快速準確地獲取大范圍地表信息，特別是隨著近年遙感技術快速發(fā)展，其信息提取精度越來越高，成本逐漸降低，操作更加簡便，已成為首選的監(jiān)測方法。

由于人工提取遙感信息存在工作量大、成本高、效率低等問題，需要采用一種更高效的遙感信息提取方法。近年，深度學習方法迅速發(fā)展并成功應用于不同行業(yè)，不少學者也開始將深度學習應用在遙感影像信息提取之中并取得了良好效果。

將深度學習方法應用于圖信息提取的關鍵是建立水土保持生產建設項目樣本庫，通過人工標注的遙感圖像對學習算法進行監(jiān)督訓練，使其能自動識別并提取地表信息。本文對前期遙感圖像人工標注過程中發(fā)現(xiàn)的生產建設項目類型的地類組合規(guī)律進行探究。

一、遙感解譯及人工標注

在實現(xiàn)遙感圖像信息自動提取之前需要進行圖像的人工標注，人工標注過程就是人工解譯的過程。在人工解譯之前需要對遙感圖像進行幾何校正、正射校正和圖像融合等處理，以增強影像清晰度、層次感、色彩飽和度及信息豐富度等，從而降低人工標注的難度，提高標注成果的可靠性。

1.遙感解譯

遙感解譯又稱圖像判譯、識別等，是指從遙感圖像中提取信息的過程。根據圖像特征的差異可以識別和區(qū)分不同的地物，這些典型的圖像特征被稱為圖像解譯標志。遙感解譯標志分為直接解譯標志和間接解譯標志。直接解譯標志是指遙感圖像的幾何形狀、大小、色彩、色調、陰影等，可以通過這些特征直接判斷遙感圖像的類別。間接解譯標志是指根據與之有聯(lián)系的其他地物在圖像上反映出來的特征，通過相關分析推斷出其性質，間接推斷某一事物或現(xiàn)象的存在和屬性。

遙感解譯的方法主要包括：

（1）直判法

直判法是指根據不同地物在遙感圖像上直接顯示出的特征所建立的解譯方法。例如高速公路一般呈深灰色或者亮灰色，其邊界明顯、距離長，寬度時有變化，但變化程度不大。

（2）邏輯推理法

邏輯推理法是指利用遙感圖像中地物間內在聯(lián)系所表現(xiàn)出來的特征、間接對遙感圖像中地物的存在和屬性進行判斷的一種方法。例如在判讀水系時，可以通過觀察水系的位置和形狀等來推理判別該水系是天然河道還是人工溝渠。

（3）對比法

對比法是指將遙感圖像中未知的地物與已經確定的地物進行對比，從而分析判斷出該未知地物的類型及屬性。在對比分析時，需要保證兩者處于相同的條件下。

2.人工標注

人工標注也叫人工解譯或者目視解譯，是指解譯人員利用專業(yè)知識，在已建立解譯標志庫的基礎上，采用直判法等解譯方法，點繪出地類邊界，劃分地類從而進行信息提取的過程。在人工標注之前需要建立地類解譯標志庫。人工標注是監(jiān)督學習訓練樣本的主要制作方式，基于深度學習的遙感信息提取模型的訓練需要大量監(jiān)督學習樣本，為使模型參數(shù)最優(yōu)，得到良好的結果，往往前期需要制作大量人工標注樣本。

表1 地類解譯標志庫

表2 生產建設項目組合規(guī)律分析表

表3 生產建設項目主要擾動地類組成表

人工標注需要明確區(qū)分地類，通過對比前后不同時期、同一地區(qū)遙感影像圖的地類，發(fā)現(xiàn)并提取地表擾動信息。通過對大量遙感影像的統(tǒng)計分析，并結合實際走訪調研獲取的地類信息，按照出現(xiàn)的頻率及必要性，將地類劃分為裸地、建筑物、水泥地、農田及草地、其他、停車場、運動場、道路、陰影、羊腸小道、樹木、水體、渣土及煤堆、云或濃霧共14類。對上述14種地類的顏色、形狀和紋理等直接解譯標志進行統(tǒng)計分析，建立地類解譯標志庫，如表1所示。

在地類解譯標志庫建立之后，借助解譯軟件，在直譯法等解譯方法的輔助下，對遙感圖像進行人工標注解譯，獲取遙感圖像的地類信息。其中人工標注工作的開展使用本團隊自行開發(fā)的遙感監(jiān)督學習標注軟件。

該軟件主要由菜單欄、工具欄、活動窗口和快捷工具欄等組成。在進行人工標注時，先載入遙感圖像，圖像將顯示在活動窗口中；然后根據具體需求對遙感圖像進行縮放，在已經建立的地類解譯標志庫之上，結合專業(yè)知識，調用各種工具對遙感圖像進行分類，點繪出各個地類的邊界，從而實現(xiàn)遙感影像的信息提取。

標注分類過程實際是對不同地類進行賦值的過程。在點繪地類邊界進行標注時，已經自動將點繪邊界范圍內的地類賦予了所對應數(shù)值，將遙感圖像轉化為了數(shù)字圖像。

二、生產建設項目組合規(guī)律分析

根據2017年9月水利部水土保持監(jiān)測中心發(fā)布的《生產建設項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術規(guī)定》（征求意見稿），生產建設項目被劃分為公路工程、鐵路工程、機場工程、火電工程、水利樞紐工程、堤防工程、露天煤礦、工業(yè)園區(qū)工程、房地產工程、其他行業(yè)項目等36大類，在每個大類之下又細分不同小類，如公路工程就包括高速公路、國道、省道、縣道、鄉(xiāng)村道路等，露天煤礦包括露天開采的煤礦工程及其配套的洗選工程、排土場、矸石場等。

在人工標注過程中，發(fā)現(xiàn)某些類別的生產建設項目在地類組成上具有一定規(guī)律，例如在標注的遙感影像圖上，機場工程總是由建筑物和大片水泥地組成，其中在運營中機場的水泥地上總會停留一定數(shù)量的飛機，這些特征在遙感影像圖中容易識別。為此，將部分具有典型地類組成規(guī)律的生產建設項目進行統(tǒng)計分析，得到表2中所示規(guī)律。

由上述內容發(fā)現(xiàn)，對于一些生產建設項目類型，其地類組成及分布存在一定規(guī)律，發(fā)現(xiàn)并挖掘這些規(guī)律，能為后期基于深度學習的違法生產項目自動識別模型構建提供可靠約束條件與決策支撐（表3）。

三、結 論

①生產建設項目地類解譯標志庫根據大量遙感圖像地類進行統(tǒng)計分析，在基本滿足遙感圖像分類的需求下，劃分了14個基本地類，這些基本地類并不能完全表示出所有遙感影像地類信息，需要結合不同實際需求對基本地類劃分做出相應調整。

②在探索生產建設項目組合分析時，需要統(tǒng)計分析遙感圖像中具體表現(xiàn)出的信息，因此沒有考慮像涉水交通工程中的隧道等無法在遙感圖像上直接獲取信息的類別。

③信息產業(yè)類項目中基地建設工程與社會事業(yè)類項目中學校建設工程等區(qū)別不大、容易混淆，其地類組成規(guī)律相似，在此次規(guī)律分析中剔除了這些極易混合的類別。

④由于不同類別中的生產建設項目在實際中也是千差萬別，因此統(tǒng)計的規(guī)律存在與某些個別生產建設項目有出入的情況。

[1]亢慶,等.生產建設項目水土保持“天地一體化”動態(tài)監(jiān)管關鍵技術體系[J].中國水土保持,2016(11).

[2]李智廣,王敬貴.生產建設項目“天地一體化”監(jiān)管示范總體實施方案[J].中國水土保持,2016(2).

[3]黨楊梅,等.SPOT5影像目視判讀在土地利用類型更新中的應用研究[J].測繪與空間地理信息,2009,32(2).

[4]楊博,劉義.農業(yè)遙感影像目視解譯技術要點[J].現(xiàn)代化農業(yè),2008(4).

[5]柴利全.城市規(guī)劃中遙感圖像目視解譯方法及影響因素分析[J].中外建筑,2013(6).

[6]凌峰,等.基于高分辨率遙感影像的生產建設項目擾動圖斑解譯標志的建立[J].中國水土保持,2016(11).

Studies on remote-sensing disturbance analysis for soil and water conservation projects

Sun Tao,Fan Fuxin,Liang Ji,Yan Baowei,Fu Wenbo

In-depth learning process is necessary for management of remote-sensing monitoring that normally requires intensive training with a great deal of remote-sensing images and sampling of manually annotation.Therefore,statistical observation should be conducted for a large number of remote-sensing images,together with interpretation symbol library including 14 land types of bare land,cement floor and forest etc.,which may be used as baseline for training samples.On the basis of the above,key components of production and construction project are evaluated in detail,so as to explore the formation rule of land type for airport or water-related transport.It can provide a reliable base for decision making and understanding of restrict conditions in the later establishment of study model.

project under construction and production;disturbed soil extraction;manually annotation;remotesensing interpretation;combinational law

TP753

B

1000-1123（2017）20-0038-03

2017-09-18

孫濤，教授級高級工程師。

北京市科技計劃課題 “北京市水土保持遙感技術應用研究與示范”（Z161100001116102），水體污染控制與治理科技重大專項-北京市智慧水務綜合管理平臺研究與建設項目（2017ZX07104）。

責任編輯 董明銳