北京二號數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測中的適用性分析

胡芳 曾海波 瞿麗

摘 要? 以湖南省常德市漢壽縣為研究區(qū)域，基于已有的地理國情普查成果，按照基礎(chǔ)性監(jiān)測更新時點要求，選擇覆蓋試驗區(qū)范圍內(nèi)的北京二號影像數(shù)據(jù)作為監(jiān)測數(shù)據(jù)源，僅從地表覆蓋數(shù)據(jù)成果的更新角度，對該數(shù)據(jù)源應(yīng)用于基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測地表覆蓋更新的效果和精度進行評價分析。結(jié)果表明，北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾何糾正精度較好、光譜信息豐富、地物解譯標(biāo)志清晰，完全可以滿足基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測正射影像精度和地物解譯精度的精度要求。

關(guān)鍵詞? 北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù);基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測;適用性分析

中圖分類號：F301? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： Based on the results of the survey of geographical conditions， according to the requirements of the basic monitoring and updating， this paper chooses the single scene image data covering the test area as the monitoring data source， and only from the surface covering the data from the perspective of the update on the TRIPLESAT applied to the basic geographical conditions to monitor the availability of surface coverage updates， and update the results of evaluation and analysis. The results show that the data of Beijing No.2 satellite data is rich in information， and the interpretation of terrain is clear and can reflect the information of the object， and the interpretation of the object is better， which can meet the requirements of basic geography and national conditions.

Keywords： BJ-2 satellite data; basic? geographical? conditions? monitoring;? applicability analysis

1? 引言

2015年7月11日北京二號小衛(wèi)星星座在印度Satish Dhawan空間中心發(fā)射，該星由3顆0.8米分辨率的光學(xué)遙感衛(wèi)星組成，可實現(xiàn)多景、條帶、沿軌立體、跨軌立體和區(qū)域等5種成像模式。同時，可提供覆蓋全球、空間、時間分辨率俱佳的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和空間信息產(chǎn)品，可為國土資源管理、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市綜合應(yīng)用等領(lǐng)域提供空間信息支持[1]。

地理國情普查作為一項重大的國情國力調(diào)查，是全面獲取地理國情信息的重要手段，也是掌握地表自然、生態(tài)以及人類活動基本情況的基礎(chǔ)性工作?；A(chǔ)性地理國情監(jiān)測是以第一次全國地理國情普查形成的成果數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)等方法采集各類變化信息，補充新增內(nèi)容，形成持續(xù)、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)威的時間序列化地理國情信息數(shù)據(jù)，為各項專題性監(jiān)測提供基礎(chǔ)性的支撐，并滿足相關(guān)行業(yè)對地理國情信息的共性需求[2-4]。

本文根據(jù)基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測的技術(shù)要求，對北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的影像精度、地類識別能力等進行分析評價，為北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測項目中的充分應(yīng)用提供支持與參考。

2? 實驗區(qū)域與數(shù)據(jù)

為了測試北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測中的適應(yīng)性，綜合考慮北京二號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)覆蓋情況、基礎(chǔ)性監(jiān)測時點要求、單景影像云霧覆蓋、區(qū)域地形地貌、社會經(jīng)濟發(fā)展水平等因素[2-4]，本研究以湖南省常德市漢壽縣作為實驗區(qū)，選擇了兩景北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)，兩景同區(qū)域相近時相的高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為對比分析數(shù)據(jù)源，具體如表1所示。

3? 研究路線

基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測采用內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方法開展，按照“內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔”的原則安排任務(wù)，利用第一次全國地理國情普查成果數(shù)據(jù)作為監(jiān)測本底，基于監(jiān)測中獲取的試驗區(qū)北京二號遙感影像數(shù)據(jù)，識別變化區(qū)域，采用遙感影像解譯、變化信息提取、數(shù)據(jù)編輯與整理、外業(yè)調(diào)查等技術(shù)與方法，充分利用已經(jīng)收集的解譯樣本數(shù)據(jù)輔助內(nèi)業(yè)解譯，采集變化信息，結(jié)合多行業(yè)專題數(shù)據(jù)，對普查成果數(shù)據(jù)進行更新。內(nèi)業(yè)無法獲取和難以識別的區(qū)域輔以外業(yè)調(diào)查，其他變化區(qū)域，應(yīng)合理確定核查路線開展外業(yè)核查，確保采集的變化信息的準(zhǔn)確性[4-5]。研究路線如圖1。

4? ?影像精度分析

選取同區(qū)域的北京二號和高分二號原始影像數(shù)據(jù)各一景作為測試數(shù)據(jù)，按照地理國情普查《數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)，對選取的數(shù)據(jù)分別進行正射糾正與鑲嵌，在此基礎(chǔ)上分別對其平面精度進行評價。其中，一二類監(jiān)測區(qū)域按1：10000 地形圖成圖精度要求進行正射影像生產(chǎn);三類監(jiān)測區(qū)域可按照1：25000 地形圖成圖精度要求進行正射影像生產(chǎn);四類監(jiān)測區(qū)正射影像精度可放寬至1：50000 成圖精度要求[6-8]。

數(shù)字正射影像地物點相對于附近野外控制點的點位中誤差應(yīng)小于等于表2規(guī)定的值。

根據(jù)地形類型分別隨機選取25個同名地物點，對兩景衛(wèi)星影像的平面精度進行對比，對比結(jié)果顯示，兩景影像精度完全均可以滿足1：10000成圖精度的要求，且北京二號衛(wèi)星平面精度在平地和丘陵地區(qū)明顯高于高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)平面精度，在山地、高山地區(qū)略低于高分二號平面精度，整體上，兩種影像的精度差異相差不大。說明北京二號影像數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于監(jiān)測型號一、二類型區(qū)的要求，完全可以應(yīng)用于基礎(chǔ)性監(jiān)測，具體評價精度統(tǒng)計如表3所示。

5? 數(shù)據(jù)對比分析

（1）基于北京二號數(shù)據(jù)地表覆蓋現(xiàn)狀數(shù)據(jù)解譯

為更加準(zhǔn)確、全面地分析北京二號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在地理國情普查、監(jiān)測中的適應(yīng)性，以比例尺為1：10000的圖幅為解譯單元，根據(jù)地理國情地表覆蓋分類指標(biāo)體系，按照地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)采集的流程與標(biāo)準(zhǔn)，基于正射糾正的北京二號影像數(shù)據(jù)，對整個圖幅進行地表覆蓋數(shù)據(jù)采集。以通過驗收的地理國情普查成果為參考，根據(jù)解譯的結(jié)果，評價北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地理國情普查、監(jiān)測中的精度[9-12]。其中，通過驗收的地理國情普查成果數(shù)據(jù)基于高分辨率數(shù)碼航空影像提取，并經(jīng)外業(yè)調(diào)查核實確定。本研究未開展外業(yè)核查工作，故對需要經(jīng)外業(yè)才能確定的要素，不參與評價，另研究區(qū)域不涉及到的地表覆蓋類型不參與評價。

1）現(xiàn)狀解譯面積精度分析

基于北京二號數(shù)據(jù)提取的地表覆蓋成果與地理國情普查相應(yīng)成果進行對比分析，如表4所示。從表4中可見，研究區(qū)域利用北京二號數(shù)據(jù)共計提取115個圖斑，總體上沒有地理國情普查成果豐富，部分面積較小的圖斑易遺漏。從各地表覆蓋類型的面積上看，基于北京二號提取的成果可以較為準(zhǔn)確地識別地表覆蓋一級類中的耕地、林地、房屋建筑（區(qū)）、水域;

2）最小可識別圖斑分析

根據(jù)基礎(chǔ)性監(jiān)測地表覆蓋分類標(biāo)準(zhǔn)，分別對地表覆蓋的一級類別進行提取與識別，通過提取可以識別基于北京二號衛(wèi)星影像進行地表覆蓋分類，各地表覆蓋分類的最小可識別面積如表5所示。

根據(jù)地理國情普查內(nèi)容采集指標(biāo)要求，各地表覆蓋類別的最小采集面積，均大于最小可識別圖斑類型面積，由此可推斷，基于北京二號遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)完全可以應(yīng)用于地表覆蓋數(shù)據(jù)分類的三級指標(biāo)的解譯，由此可以確定該衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以滿足地理國情普查地表覆蓋分類指標(biāo)體系的采集要求。

3）圖斑套合誤差評價

將處理后的北京二號影像和普查數(shù)據(jù)成果比較，圖斑的整體套合誤差值在1個像素左右，按照基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測的圖斑套合誤差要求：套合中誤差應(yīng)小于2 像素（不同分辨率影像套合，按照較低分辨率影像像素計算，最大不超過4 米），最大誤差不超過2倍中誤差，按照這一標(biāo)準(zhǔn)及要求，可以判斷，基于北京二號影像的圖斑套合精度完全滿足基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測的要求，具體圖斑套合效果，如圖2所示：

（2）地表覆蓋數(shù)據(jù)變化識別屬性精度分析

為了更加準(zhǔn)確、全面地反映北京二號衛(wèi)星影像對地物的識別能力，本次分析過程中，同時相的GF2號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行對比，按照地理國情普查基礎(chǔ)性監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，分別采用人機結(jié)合的方式進行變化區(qū)域檢測，分別準(zhǔn)確識別變化區(qū)域，并對識別的結(jié)果進行對比分析。

基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測中，地表覆蓋分類變化主要針對非人工建造類別變更為人工建造類別，以及部分人工建造類別發(fā)生了顯著或根本變化的建造強度變化，主要的變化類別如表6所示。

地表覆蓋更新主要變化提取對比結(jié)果示例如表7所示，從高分二號和北京二號的各地表覆蓋類型影像表現(xiàn)看，北京二號衛(wèi)星影像的亮度適中，對比度較明顯，地類界線更清晰，有利于變化地類圖斑的識別與勾繪。

以通過驗收的地理國情普查成果數(shù)據(jù)作為真值，將基于北京二號衛(wèi)星影像提取的地類變化圖斑與其進行對比，套合一致的為正確圖斑，無法套合的為偽變化圖斑。

根據(jù)基于北京二號衛(wèi)星影像與高分二號衛(wèi)星影像提取的地表覆蓋更新變化對比成果，可以得出以下結(jié)論：

1）將北京二號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)應(yīng)用于基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測，此類數(shù)據(jù)源可以明顯識別地表覆蓋類別耕地、林地、園地、草地、房屋建筑區(qū)、道路、構(gòu)筑物和人工堆掘地等一級類;同時可以有效地對地表覆蓋二級、三級類別進行識別，完全可以滿足基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測應(yīng)用需要。

2）通過與分辨率相似的GF2號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對比分析可知，北京二號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)影像質(zhì)量較GF2號衛(wèi)星數(shù)據(jù)清晰、數(shù)據(jù)識別能力在地表覆蓋各類別中均優(yōu)于GF2號影像數(shù)據(jù)。

6? 結(jié)論與展望

本文對實驗區(qū)北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測中的影像精度、地表覆蓋現(xiàn)狀解譯精度、地表覆蓋數(shù)據(jù)變化識別屬性精度等進行了分析評價，結(jié)果表明：

（1）對比同分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星影像精度可知，北京二號衛(wèi)星影像精度完全均可以滿足1：10000成圖精度的要求，且北京二號衛(wèi)星平面精度在平地和丘陵地區(qū)明顯高于高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)平面精度，在山地、高山地區(qū)略低于高分二號平面精度，完全滿足基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測一、二類型區(qū)的需要;

（2）北京二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以滿足基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測中圖斑發(fā)現(xiàn)、勾繪、屬性判讀等工作，效果優(yōu)于高分二號;

（3）北京二號衛(wèi)星影像上，水渠的提取精度較低，其他地類精度均優(yōu)于90%，最小識別圖斑方面，人工堆掘地類型識別水平最低，但總體質(zhì)量優(yōu)于高分二號。

為全面評估數(shù)據(jù)在工程業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，依然有以下工作需要開展：

（1）北京二號可提供多景、條帶、沿軌立體等模式，本次測試工作獲取的是光學(xué)多光譜和全色數(shù)據(jù)，暫不明確采集模式，無法對各種采集模式進行評估。同時，未收集到立體數(shù)據(jù)，暫未開展相關(guān)工作，建議后續(xù)工作中可以對各種模式大量數(shù)據(jù)（至少超過1萬平方公里）進行評估和測試。

（2）湖南省由于云雨天氣較多，在合適的采集窗口，進行數(shù)據(jù)拍攝顯得尤為重要，這也是檢驗衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的一項重要指標(biāo)，建議提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集訂單（即編程模式），根據(jù)數(shù)據(jù)采集的有效率進行相關(guān)工作評估。

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