“資源一號”02C衛(wèi)星影像土地利用變化檢測能力分析

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(1. 北京中色測繪院有限公司,北京 100012； 2. 河北省基礎(chǔ)地理信息中心，河北 石家莊 050031)

2011年12月22日11：26，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征四號乙”運(yùn)載火箭，成功將“資源一號”02C衛(wèi)星送入太空?！百Y源一號”02C衛(wèi)星是一顆填補(bǔ)國內(nèi)高分辨率遙感數(shù)據(jù)空白的衛(wèi)星，是根據(jù)國土資源主體業(yè)務(wù)需求定制的第一顆國產(chǎn)高分辨率業(yè)務(wù)衛(wèi)星[1-2]?！百Y源一號”02C衛(wèi)星具有高空間分辨率、寬覆蓋、快重訪等特點(diǎn)，搭載的兩臺(tái)2.36 m高分辨率相機(jī)和1臺(tái)5 m/10 m全色多光譜相機(jī)幅寬54 km，能夠?qū)崿F(xiàn)3～5 d內(nèi)對全球任一地點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測[3]。

全國土地利用變更調(diào)查監(jiān)測與核查遙感監(jiān)測工作是原國土資源部重要的日常性業(yè)務(wù)之一。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，監(jiān)測特定時(shí)間段內(nèi)以新增建設(shè)用地變化為主的土地利用變化情況。變化信息提取是土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[4]。因此，變化信息的檢測能力是評價(jià)“資源一號”02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測中的適用性的基本因素之一。本文將對“資源一號”02C衛(wèi)星影像進(jìn)行變化檢測能力的試驗(yàn)和評價(jià)工作。

1 “資源一號“02C衛(wèi)星影像變化檢測能力試驗(yàn)

以吉林省某試驗(yàn)區(qū)和浙江省某試驗(yàn)區(qū)為示范區(qū)，制作試驗(yàn)區(qū)02C衛(wèi)星的HR融合遙感影像圖，疊加2010年遙感影像提取新增建設(shè)用地圖斑。按照歷年《全國土地利用變更調(diào)查監(jiān)測與核查遙感監(jiān)測技術(shù)方案》要求，提取的疑似新增建設(shè)用地圖斑主要有4種類型：①前時(shí)相影像解譯為植被覆蓋或明顯非建設(shè)用地特征，后時(shí)相影像解譯為明顯建設(shè)痕跡；②上一年度影像解譯為植被覆蓋或明顯非建設(shè)用地特征，本年度影像解譯為建設(shè)用地的推土或填土痕跡特征；③上一年度影像解譯為推圖或填土特征，本年度影像解譯為明顯建設(shè)用地特征；④上一年度影像解譯為植被覆蓋或明顯非建設(shè)用地特征，本年度影像解譯為建設(shè)用地圍墻或柵欄等圈占地特征[5]。不同類型的圖斑在02C影像上的表現(xiàn)如圖1所示。

以本期QuickBird疊加上一年度遙感影像提取出的新增建設(shè)用地圖斑為真值，將02C衛(wèi)星的HR融合影像提取的變化圖斑與真值對比，分析02C影像所提取圖斑的正確率、遺漏率及面積準(zhǔn)確率，最終分析02C數(shù)據(jù)在土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。

1.1 吉林試驗(yàn)區(qū)

吉林試驗(yàn)區(qū)選用的02C衛(wèi)星影像對比Quick Bird與World View影像提取新增建設(shè)用地信息。吉林試驗(yàn)區(qū)提取新增建設(shè)用地圖斑205塊，2 747.3畝(1畝=666.67 m2)。提取的最小變化圖斑面積為0.2畝。圖斑分布情況如圖2所示。

經(jīng)分析，該區(qū)域205塊圖斑中，變化類型為第1類的圖斑131塊，面積為1 705.4畝；變化類型為第2類的圖斑55塊，面積為736.8畝；變化類型為第3類的19塊，面積為305.1畝；變化類型為第4類的圖斑個(gè)數(shù)為0。具體情況見表1和表2。

1.2 浙江試驗(yàn)區(qū)

浙江試驗(yàn)區(qū)選用02C衛(wèi)星遙感正射影像與SPOT 5遙感影像疊加，提取新增建設(shè)用地信息。提取新增建設(shè)用地圖斑1887塊，19 751.9畝。提取的最小變化圖斑面積為0.3畝。圖斑分布情況如圖3所示。

表1 吉林試驗(yàn)區(qū)遙感監(jiān)測圖斑匯總統(tǒng)計(jì)(按類型) 畝

表2 吉林試驗(yàn)區(qū)遙感監(jiān)測圖斑匯總統(tǒng)計(jì)(按面積) 畝

經(jīng)分析，該區(qū)域1887塊圖斑中，變化類型為第1類的圖斑962塊，面積為9781畝；變化類型為第2類的圖斑609塊，面積為6 825.4畝；變化類型為第3類的302塊，面積為2 963.8畝；變化類型為第4類的14塊，面積為181.7畝。具體情況見表3和表4。

表3 浙江試驗(yàn)區(qū)遙感監(jiān)測圖斑匯總統(tǒng)計(jì)(按類型) 畝

表4 浙江試驗(yàn)區(qū)遙感監(jiān)測圖斑匯總統(tǒng)計(jì)(按面積) 畝

另外，500畝以上的圖斑有1個(gè)，面積為1 095.3畝。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)所提取的變化圖斑，從其面積精度、屬性精度、最小可檢測圖斑及圖斑邊界精度4個(gè)方面對02C的HR融合數(shù)據(jù)在土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測中的應(yīng)用潛力進(jìn)行分析。

2.1 屬性精度分析

經(jīng)分析，試驗(yàn)區(qū)提取的2092塊圖斑，實(shí)地為新增建設(shè)用地的圖斑2058塊，占總圖斑數(shù)的93.4%，面積為22 282.3畝，占總圖斑面積的96.6%；偽變化圖斑34塊，占總圖斑數(shù)的1.5%，面積為216.9畝，占總圖斑面積的0.9%；遺漏圖斑112塊，占總圖斑數(shù)的5.1%，面積為573.8畝，占總圖斑面積的2.5%。試驗(yàn)區(qū)新增建設(shè)用地圖斑情況統(tǒng)計(jì)見表5。

按不同的圖斑類型分析，第1類中偽變化圖斑21塊，面積120.1畝；第2類中偽變化圖斑15塊，面積148.9畝；第3類中無偽變化圖斑。偽變化圖斑主要集中在類型前兩類上，影像上表現(xiàn)為建設(shè)或推平未建部分，實(shí)地為非建設(shè)用地。

表5 試驗(yàn)區(qū)新增建設(shè)用地圖斑情況統(tǒng)計(jì)

本次變化信息提取共遺漏圖斑112塊，面積為573.8畝。按不同的圖斑類型分析，第1類中遺漏圖斑42塊，面積90.57畝；第2類中遺漏圖斑53塊，面積431.9畝；第3類中遺漏圖斑2塊，面積為14.1畝。根據(jù)影像紋理，結(jié)合實(shí)際情況，對遺漏圖斑進(jìn)行了分析，按不同的圖斑面積大小，將遺漏圖斑按面積劃分為6個(gè)等級，分別為1畝以下、1～5畝、5～10畝、10～20畝、20～50畝、50畝以上。由于受影像分辨率和原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，大部分遺漏圖斑為前兩類的圖斑，且數(shù)量集中在1～5畝的區(qū)域，第2類的圖斑遺漏面積占大部分。

2.2 面積精度分析

根據(jù)實(shí)際情況，隨機(jī)選取了一定數(shù)量的圖斑，按面積劃分為6個(gè)等級進(jìn)行面積精度評價(jià)，分別為1畝以下、1～5畝、5～10畝、10～20畝、20～50畝、50畝以上，對隨機(jī)抽取的15塊面積≤1畝的圖斑進(jìn)行精度評價(jià)，單個(gè)圖斑中誤差為0.1畝，平均差異程度為13.2%。其中差異度最大的為33.3%，差異度最小的為0。

對隨機(jī)抽取的15塊面積介于1～5畝之間的圖斑進(jìn)行精度評價(jià)，單個(gè)圖斑中誤差為0.4畝，平均差異程度為11.8%。其中差異度最大的為37.5%，差異度最小的為0。

對隨機(jī)抽取的15塊面積介于5～10畝之間的圖斑進(jìn)行精度評價(jià)，單個(gè)圖斑中誤差為0.73畝，平均差異程度為10.6%。其中差異度最大的為34.2%，差異度最小的為0。

對隨機(jī)抽取的11塊面積介于10～20畝之間的圖斑進(jìn)行精度評價(jià)，單個(gè)圖斑中誤差為1.89畝，平均差異程度為8.1%。其中差異度最大的為26.7%，差異度最小的為0。

對隨機(jī)抽取的15塊面積介于20～50畝之間的圖斑進(jìn)行精度評價(jià)，單個(gè)圖斑中誤差為3.499畝，平均差異程度為11.2%。其中差異度最大的為37.6%，差異度最小的為0。

對隨機(jī)抽取的11塊面積為50畝以上的圖斑進(jìn)行精度評價(jià)，單個(gè)圖斑中誤差為8.67畝，平均差異程度為7.1%。其中差異度最大的為28.3%，差異度最小的為0.5%。

綜上可知，隨著圖斑面積的增大，單個(gè)圖斑中誤差逐漸增大，圖斑之間的差異程度逐漸減小。

2.3 最小可檢測圖斑

變化信息最小上圖圖斑面積要求：土地利用變化信息提取新增建設(shè)用地規(guī)定的最小上圖圖斑面積為1畝,本次監(jiān)測的新增建設(shè)用地最小上圖圖斑面積為0.2畝，因此本次試驗(yàn)結(jié)果表明：02C衛(wèi)星HR融合影像能夠滿足土地利用遙感監(jiān)測變化信息提取的精度要求[6-8]。

2.4 圖斑邊界精度

隨機(jī)選取了25塊圖斑，通過兩種數(shù)據(jù)對比量測，圖斑偏移量偏移最大值為8.18 m，最小值為0.20 m，均值為2.77 m,新增建設(shè)用地圖斑界線與量測的中誤差為3.37 m，滿足規(guī)定限差5 m的要求。

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)結(jié)果分析，在屬性精度方面，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)實(shí)地為新增建設(shè)用地的圖斑占總圖斑數(shù)的93.4%，面積占總圖斑面積的96.6%；偽變化圖斑占總圖斑數(shù)的1.5%，面積占總圖斑面積的0.9%；遺漏圖斑占總圖斑數(shù)的5.1%，面積占總圖斑面積的2.5%。偽變化圖斑和遺漏圖斑集中分布在第1類和第2類上，遺漏數(shù)量集中分布在1～5畝的面積檔。第2類的圖斑遺漏面積占大部分。

在面積精度方面，試驗(yàn)區(qū)HR融合影像變化圖斑平均差異程度在10%左右，且隨著圖斑面積的增大，單個(gè)圖斑中誤差逐漸增大，圖斑之間的差異程度逐漸減小。

02C衛(wèi)星HR融合影像最小可監(jiān)檢測圖斑面積能夠滿足土地利用遙感監(jiān)測變化信息提取的精度要求。圖斑邊界精度滿足方案規(guī)定的限差5 m的要求。

囿于本文應(yīng)用試驗(yàn)僅利用了工程化生產(chǎn)中變化信息提取的常規(guī)方法對兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，未能從大區(qū)域、規(guī)?；慕嵌乳_展深入的試驗(yàn)與評價(jià)，因此所得出的結(jié)論不可避免地具有局限性和片面性[9-10]。要對“資源一號”02C衛(wèi)星在土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測中變化檢測能力進(jìn)行更客觀、更全面的評價(jià)，仍需進(jìn)一步選用更多方法和大量數(shù)據(jù)進(jìn)行更加深入與廣泛的試驗(yàn)研究。