高分七號(hào)在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中應(yīng)用研究

劉安興,劉春光

（廣東省國土資源測繪院，廣州510000）

1 引言

高分七號(hào)衛(wèi)星作為我國高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)首顆民用亞米級(jí)光學(xué)傳輸型立體測繪衛(wèi)星，該衛(wèi)星于2019年11月3日在我國太原衛(wèi)星中心發(fā)射成功，標(biāo)志著我國啟動(dòng)實(shí)施的高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)打造的高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高精度觀測的天基對(duì)地觀測能力初步形成，該衛(wèi)星的發(fā)射可以有效打破我國地理信息產(chǎn)業(yè)上游的高分辨率立體遙感影像市場對(duì)國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴，不僅可以提供影像紋理特征清晰，光譜信息豐富的高分辨率立體衛(wèi)星數(shù)據(jù)，滿足我國民用1∶10 000 比例尺衛(wèi)星立體測圖的應(yīng)用需求［1］，而且可以為我國在自然資源調(diào)查監(jiān)測、城鄉(xiāng)建設(shè)、交通運(yùn)輸和防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等方面提供強(qiáng)有力的地理信息數(shù)據(jù)保障。

為有效貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院關(guān)于嚴(yán)格土地管理和調(diào)控的各項(xiàng)政策，實(shí)行最嚴(yán)格制度、最嚴(yán)密法治保護(hù)土地資源的精神，切實(shí)履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)，作為自然資源管理部門，開展土地資源執(zhí)法監(jiān)測執(zhí)法監(jiān)測工作［2］，是充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)手段在土地資源利用動(dòng)態(tài)監(jiān)管中的作用，加強(qiáng)土地執(zhí)法監(jiān)管，規(guī)范土地管理秩序的重大決策，可以有效遏制土地違法違規(guī)行為上升趨勢，切實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)耕地資源的保護(hù)與監(jiān)管，促進(jìn)土地資源的節(jié)約集約利用。

鑒于以上背景，本文從土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務(wù)工作需求出發(fā)，并結(jié)合土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務(wù)流程和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高分七號(hào)數(shù)據(jù)應(yīng)用的影像幾何糾正、影像融合質(zhì)量和影像遙感解譯效果等進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)估該衛(wèi)星在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的應(yīng)用前景。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)源

高分七號(hào)衛(wèi)星搭載的兩線陣立體相機(jī)可以獲取優(yōu)于0.8 m分辨率的全色立體影像和3.2 m分辨率的多光譜影像，其中多光譜影像包含4個(gè)多光譜波段。為測試高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的適應(yīng)性，綜合考慮高分七號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域平原、丘陵和山區(qū)地形地貌兼顧，單景影像云霧覆蓋較少的特點(diǎn)，本研究選擇了兩景同軌的高分七號(hào)衛(wèi)星L2 級(jí)原始影像數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)情況具體如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表Tab.1 List of experimental data

3 幾何糾正精度評(píng)價(jià)

在土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務(wù)中，影像經(jīng)過精糾正的幾何精度直接關(guān)系到被監(jiān)測對(duì)象和目標(biāo)與實(shí)際地物位置差異和面積精度大小。為測試高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)正射影像的精度，本文在利用第三次全國土地調(diào)查正射影像作為平面參考，以測試區(qū)1∶10 000 比例尺DEM 數(shù)據(jù)作為高程控制資料基礎(chǔ)上，利用主流的商業(yè)影像處理軟件包括Erads、ENVI等，對(duì)測試區(qū)域原始影像進(jìn)行正射處理，形成測試區(qū)域的數(shù)字正射影像成果。在此基礎(chǔ)上，為評(píng)價(jià)數(shù)字正射影像的幾何精度，在測試區(qū)域范圍內(nèi)分別從平地、丘陵地區(qū)和山地高山地區(qū)隨機(jī)選取25 個(gè)典型的地物點(diǎn)，并參考第三次國土調(diào)查數(shù)字正射影像標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)比分析正射處理后的圖上坐標(biāo)與地物點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)之間的平均誤差［3］，其中誤差計(jì)算方法見公式1，具體精度情況統(tǒng)計(jì)見表2所示。

其中，RMS為平面及接邊中誤差；Xi、Yi為隨機(jī)選取地物點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)值；X、Y為同名地物點(diǎn)正射影像糾正之后影像坐標(biāo)值；n為隨機(jī)選取的地物點(diǎn)數(shù)量。

表2 高分七號(hào)衛(wèi)星正射影像平面及接邊中誤差統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of errors in the plane and edge of the orthophoto of the Gaofen-7 satellite

從以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，利用GF7 號(hào)衛(wèi)星影像開展正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)，正射影像產(chǎn)品在平地、丘陵地區(qū)的平面精度和接邊精度均優(yōu)于山地、高山地區(qū)，且數(shù)字正射影像成果的平面精度和接邊精度完全符合土地資源執(zhí)法監(jiān)測中1∶5 000 比例尺正射影像的平面精度和接邊限差精度要求。

4 影像融合質(zhì)量分析

高分七號(hào)作為亞米級(jí)光學(xué)衛(wèi)星，其影像的融合效果和質(zhì)量直接關(guān)系到影像在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的應(yīng)用效果。為對(duì)比分析不同融合算法之間的效果，尋求適合高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合處理的最優(yōu)融合方法，本文分別采用主流的融合算法，主要包括主成分變換（PCA）、 纓帽變換（Brovey）、乘法變換（Multiplicative）、超分辨率貝葉斯法（Pansharp2）和高通濾波（HPF）等，并結(jié)合定量數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征的評(píng)價(jià)方法［4］，分別對(duì)各融合效果的最小值、最大值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵等指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)不同融合影像的效果。其中，均值反映融合影像的光譜保真度，融合前后影像對(duì)應(yīng)波段均值變化小，光譜保真性能越好；標(biāo)準(zhǔn)差反映融合影像不同波段灰度相對(duì)于灰度平均值的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越大，包含的信息就越大；信息熵是衡量影像信息豐富程度的重要指標(biāo)，熵值越高，說明融合影像信息越豐富［5］，不同融合方法數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 不同融合方法數(shù)理特征統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of mathematical characteristics of different fusion methods

從不同的融合方法均值、標(biāo)準(zhǔn)差和信息熵值等定量分析指標(biāo)對(duì)比分析可知，經(jīng)過超分辨率貝葉斯法（Pansharp2）融合處理后的影像，各波段的最大值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和信息熵等都優(yōu)于其他融合方法，說明PanSharp2 融合后的影像亮度高，視覺效果好，且包含的信息量較多，影像的光譜信息較豐富，相對(duì)于其他的融合方法效果更好。因此，在土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務(wù)過程中，為尋求最優(yōu)的影像融合的效果，建議采用Pansharp2 融合方法對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行融合處理。

5 土地執(zhí)法監(jiān)測地物解譯能力評(píng)價(jià)

為測試高分七號(hào)衛(wèi)星正射影像在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中地物解譯能力，根據(jù)土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務(wù)工作提取的內(nèi)容，結(jié)合土地執(zhí)法監(jiān)測對(duì)新增變化圖斑提取的業(yè)務(wù)流程與標(biāo)準(zhǔn)，本文利用測試區(qū)域的高分七號(hào)正射影像作為后時(shí)相，以同區(qū)域、同周期、同級(jí)別分辨率的GF2 號(hào)正射影像為前時(shí)相，通過對(duì)比前后時(shí)相影像，以人機(jī)交互的方式進(jìn)行地物解譯，并根據(jù)解譯結(jié)果從圖斑的屬性精度、面積精度和最小可識(shí)別圖斑等指標(biāo)，全面分析評(píng)價(jià)高分七號(hào)在土地執(zhí)法監(jiān)測中的地物解譯能力，其中土地執(zhí)法監(jiān)測變化圖斑分類標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 土地資源執(zhí)法監(jiān)測變化圖斑提取分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Standards for extraction and classification of land resources law enforcement monitoring change

（1）最小識(shí)別圖斑及屬性精度

衛(wèi)星影像的最小可識(shí)別圖斑指標(biāo)是指衛(wèi)星影像能夠識(shí)別并提取的不同地物的最小面積，是反映衛(wèi)星影像地物解譯能力的重要指標(biāo)；圖斑的屬性精度主要是反映提取的變化圖斑在去除偽變化圖斑之后，真實(shí)變化圖斑數(shù)量與提取的圖斑總數(shù)量之間的差異。根據(jù)土地資源執(zhí)法監(jiān)測變化圖斑提取標(biāo)準(zhǔn)［6-8］，本文基于高分七號(hào)衛(wèi)星影像分別提取測試區(qū)域不同類型圖斑，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查的成果對(duì)提取的最小可識(shí)別圖斑面積和圖斑屬性精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，不同類型的圖斑屬性精度見公式（2），不同圖斑的屬性精度和可識(shí)別圖斑面積如表5所示。

式中：P為地類圖斑屬性判讀精度；Bi為地類圖斑屬性判讀正確的圖斑數(shù)；Ai為提取的地類圖斑總數(shù)。

表5 不同變化類型圖斑最小可識(shí)別面積及屬性精度Tab.5 The smallest recognizable area and attribute accuracy of different change types

通過對(duì)不同變化類型圖斑的最小可識(shí)別圖斑面積和屬性精度結(jié)果分析可知，基于高分七號(hào)衛(wèi)星影像開展土地資源執(zhí)法監(jiān)測，不同類型的圖斑的屬性判別精度均可以保持在93%以上，說明高分七號(hào)衛(wèi)星的解譯標(biāo)志清晰，完全可以滿足土地資源執(zhí)法監(jiān)測最小圖斑面積和屬性精度的要求。

（2）地類圖斑面積精度評(píng)價(jià)

地類圖斑的面積精度主要是反映高分七號(hào)衛(wèi)星影像勾繪的圖斑面積與地物真實(shí)面積之間的差異大小，為測試高分七號(hào)地類圖斑的精度，本測試對(duì)變化圖斑1至變化圖斑4分別隨機(jī)抽取10個(gè)數(shù)量真實(shí)變化圖斑，變化圖斑5 隨機(jī)抽取3 個(gè)圖斑，對(duì)比同級(jí)別的高分二號(hào)、高景一號(hào)衛(wèi)星正射影像圖斑的面積差異，分別計(jì)算圖斑面積與實(shí)測地物圖斑的真實(shí)面積，分析對(duì)比統(tǒng)計(jì)不同土地資源執(zhí)法執(zhí)法監(jiān)測中不同變化圖斑類型的平均面積精度。其中，不同變化圖斑的面積精度見公式3，不同類型圖斑的地類圖斑精度對(duì)比見表6。

式中：Zi為地類圖斑的面積精度；Ai為地類圖斑的圖上面積；Bi為地類圖斑實(shí)測面積。

表6 土地資源執(zhí)法監(jiān)測不同正射影像地類圖斑面積精度統(tǒng)計(jì)Tab.6 Accuracy statistics of the area of different orthophotos in land resource law enforcement monitoring

通過對(duì)比分析高分七號(hào)衛(wèi)星影像與同級(jí)別的高分二號(hào)、高景一號(hào)衛(wèi)星影像的圖斑面積精度可知，高分七號(hào)衛(wèi)星影像的面積精度明顯優(yōu)于高分二號(hào)，且略低于高景一號(hào)衛(wèi)星。但是總體上看，高分七號(hào)在土地執(zhí)法監(jiān)測不同變化圖斑的平均面積精度與真實(shí)圖斑地物的差異均保持在90%以上，由此可以說明高分七號(hào)衛(wèi)星在土地資源執(zhí)法監(jiān)測地物解譯方面，能夠有效提取出符合土地資源執(zhí)法監(jiān)測要求的各類圖斑，人工提取可識(shí)別度高，且整體面積精度誤差較小。

6 結(jié)束語

本文高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾何糾正精度、影像融合質(zhì)量和在土地資源執(zhí)法監(jiān)測變化信息發(fā)現(xiàn)中地物解譯能力等進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：

利用GF7 號(hào)衛(wèi)星影像開展數(shù)字正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)，其數(shù)字正射影像成果的幾何精度較好，完全可以滿足土地資源執(zhí)法監(jiān)測中1∶5 000 比例尺數(shù)字正射影像的平面精度和接邊限差精度要求；影像融合效果方面，利用PanSharp2 融合后的影像的光譜信息較豐富，且影像亮度高，視覺效果好，且包含的信息量較多，相對(duì)于其他的融合方法，效果更好；在土地資源執(zhí)法監(jiān)測地物解譯能力方面，通過對(duì)不同變化類型圖斑的最小可識(shí)別圖斑面積和屬性精度結(jié)果分析可知，基于高分七號(hào)衛(wèi)星影像開展土地資源執(zhí)法監(jiān)測，不同類型的變化圖斑完全可以滿足執(zhí)法監(jiān)測最小圖斑面積要求，同時(shí)其屬性判別精度可以保持在93%以上；在面積精度方面，高分七號(hào)衛(wèi)星影像的面積精度明顯優(yōu)于高分二號(hào)，且略低于高景一號(hào)衛(wèi)星，但是總體上看，高分七號(hào)在土地執(zhí)法監(jiān)測不同變化圖斑的平均面積精度與真實(shí)圖斑地物的差異均保持在90%以上。由此可以說明，高分七號(hào)衛(wèi)星在土地資源執(zhí)法監(jiān)測地物解譯方面，完全可以滿足土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用要求。