月度亞米級(jí)衛(wèi)星影像在“兩違”監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

肖 瀟 李 峰 秦李斌 侯慶明

(1. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

“兩違”是違法用地和違法建設(shè)行為的簡(jiǎn)稱。違法用地是指除合法用地、其他用地以外的,未經(jīng)批準(zhǔn)擅自進(jìn)行非農(nóng)建設(shè)、為實(shí)施非農(nóng)建設(shè)而進(jìn)行違法推填土及存在改擴(kuò)建行為的用地。違法建設(shè)是指未依法取得建設(shè)工程規(guī)劃許可證、臨時(shí)建設(shè)工程規(guī)劃許可證或者未按照許可內(nèi)容進(jìn)行建設(shè)的建設(shè)工程,以及逾期未拆除的臨時(shí)建設(shè)工程。這兩種行為在全國(guó)范圍內(nèi)均普遍存在,其造成的危害包括侵害公共資源、損害群眾利益、破壞城市總體規(guī)劃、制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和破壞社會(huì)公平等。因此,全國(guó)都在嚴(yán)厲打擊“兩違”行為,對(duì)“兩違”行為采取“零容忍”的態(tài)度,堅(jiān)決做到“早發(fā)現(xiàn)、早制止、早治理”“露頭就打、出土就拆”。

目前,全國(guó)各地用于“兩違”監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法有很多,常用的包括傳統(tǒng)人工巡查、攝像頭監(jiān)控、街景圖像對(duì)比、衛(wèi)星影像對(duì)比等[1-5]。傳統(tǒng)人工巡查方式發(fā)現(xiàn)“兩違”圖斑不但耗時(shí)耗力且主動(dòng)性不高,目的性不強(qiáng),存在難以到達(dá)的巡查死角、巡查不到位和遺漏。攝像頭監(jiān)控常用于基本農(nóng)田的監(jiān)測(cè),其優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)24 h的遠(yuǎn)程監(jiān)控,但攝像頭的布控和使用對(duì)場(chǎng)地要求較高,不適用于建筑密集的城區(qū)。街景圖像對(duì)比則常用于城區(qū)“兩違”監(jiān)測(cè),優(yōu)勢(shì)在于直觀、清晰,但其獲取成本較高,監(jiān)測(cè)頻率難以提高,且大型片區(qū)的內(nèi)部難以監(jiān)測(cè)。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展,衛(wèi)星影像的空間分辨率越來(lái)越高,覆蓋頻次也越來(lái)越高,在“兩違”監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯:一方面高分辨率衛(wèi)星影像能提供更多細(xì)節(jié)信息,提高“兩違”監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度;另一方面提高監(jiān)測(cè)頻次有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)“兩違”的苗頭,真正實(shí)現(xiàn)“兩違”的早發(fā)現(xiàn)、早上報(bào)、早處理,既節(jié)省不必要的資金浪費(fèi),又能發(fā)揮極佳的警示效應(yīng)。本文以北京市為例,介紹了月度亞米級(jí)衛(wèi)星影像在“兩違”監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用技術(shù)路線、技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)及具體的應(yīng)用情況。

1 “兩違”監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

1.1 總體技術(shù)路線

利用月度亞米級(jí)衛(wèi)星影像開展“兩違”監(jiān)測(cè)的技術(shù)流程包括:原始衛(wèi)星影像獲取、正射影像圖制作、新增“兩違”疑似圖斑內(nèi)業(yè)提取、成果整理入庫(kù)。

1.2 原始衛(wèi)星影像獲取

亞米級(jí)衛(wèi)星影像常見的包括:0.8 m分辨率的北京二號(hào)、高分二號(hào)、高分七號(hào)和吉林一號(hào),0.5 m分辨率的Pleiades和WorldView-2,0.3 m分辨率的WorldView-3等。為滿足月度監(jiān)測(cè)的要求,需要定制采購(gòu)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。首先,選擇合適數(shù)據(jù)源,編制拍攝計(jì)劃。然后,在相關(guān)網(wǎng)站及時(shí)查詢相關(guān)衛(wèi)星拍攝情況,根據(jù)項(xiàng)目的質(zhì)量要求篩選衛(wèi)星影像,如遇到極端天氣情況,采取應(yīng)急預(yù)案措施,獲取其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)源。最后,將L0級(jí)衛(wèi)星影像加工生產(chǎn)成L1級(jí)衛(wèi)星影像,并進(jìn)行檢查交付。

1.3 正射影像圖制作

利用原始遙感影像和控制資料制作數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map, DOM)的主要步驟包括:數(shù)據(jù)整理、正射糾正、影像融合、影像重采樣、圖像增強(qiáng)處理、影像鑲嵌、影像裁切和質(zhì)量檢查等。

1.3.1數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)整理包括準(zhǔn)備數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)和平面控制數(shù)據(jù)、原始影像整理。平面控制數(shù)據(jù)包括控制點(diǎn)、已有的正射影像圖等。原始影像整理一方面是對(duì)原始影像再次檢查,看是否出現(xiàn)云覆蓋、數(shù)據(jù)缺失、大范圍光譜溢出、波段不匹配等問(wèn)題,另一方面是在有影像重復(fù)覆蓋的區(qū)域,優(yōu)先選擇使用分辨率較高、時(shí)相較新、無(wú)云雪覆蓋的影像。

1.3.2正射糾正

正射糾正是在衛(wèi)星影像上布設(shè)數(shù)量足夠、均勻分布、有代表性的控制點(diǎn),結(jié)合DEM數(shù)據(jù)和單景衛(wèi)星影像的有理函數(shù)模型(Rational Polynomial Coefficient, RPC)參數(shù),對(duì)影像同時(shí)進(jìn)行傾斜改正和投影差改正,得到目標(biāo)坐標(biāo)系下滿足空間位置精度要求的正射影像[6]。目前常見的專業(yè)軟件(如PCI Geomatica、PixelGrid軟件等)利用原始影像與參考DOM匹配出大量控制點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)批量遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)正射糾正。

1.3.3影像融合

影像融合是指將多源信道所采集到的關(guān)于同一目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等,最大限度提取各自信道中的有利信息,最后綜合成高質(zhì)量的圖像,以提高圖像信息的利用率、改善計(jì)算機(jī)解譯精度和可靠性、提升原始圖像的空間分辨率和光譜分辨率,利于監(jiān)測(cè)。制作DOM過(guò)程中的影像融合,輸入是經(jīng)過(guò)正射糾正的全色影像和多光譜影像,輸出則是一幅高分辨率多光譜影像,既有和全色影像一樣的高空間分辨率,又具有多光譜特征。

目前影像融合的方法較多,包括相位恢復(fù)(Gram-Schmidt)變換法[7]、高通濾波(High-pass filter, HPF)法[8]、超分辨率貝葉斯(PanSharpening)法[9]和UNB Pansharp法[10]等。針對(duì)不同衛(wèi)星影像,可以選擇不同的融合方法,融合后影像應(yīng)色彩自然、層次豐富、反差適中,影像紋理清晰,無(wú)影像發(fā)虛和重影現(xiàn)象。

1.3.4影像重采樣

融合后影像分辨率與全色波段影像分辨率相同,若不同衛(wèi)星源的分辨率不一致,則需要對(duì)影像進(jìn)行重采樣,保證影像分辨率一致,才能順利進(jìn)行后續(xù)的影像鑲嵌。

1.3.5圖像增強(qiáng)處理

圖像增強(qiáng)是為了增強(qiáng)圖像中的有用信息,針對(duì)給定圖像的應(yīng)用場(chǎng)合,改善圖像的視覺(jué)效果[11]。在制作DOM過(guò)程中,圖像增強(qiáng)主要是為了消除影像在獲取過(guò)程中外部因素(如攝影時(shí)間、光照條件、曝光差異、大氣條件、攝影角度以及地物屬性等)導(dǎo)致影像內(nèi)部和影像之間出現(xiàn)的亮度分布不均勻和色彩差異,并盡量恢復(fù)地物的自然真彩色,避免顏色失真。目前圖像增強(qiáng)方法有很多,常見的有手工勻光勻色、利用樣片進(jìn)行勻光勻色、全局勻光勻色等,這些方法在效果、效率上各有長(zhǎng)處,工作量也不相同,在實(shí)際過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)影像的數(shù)據(jù)源和具體情況,選擇合適的方法,或?qū)⒏鞣N方法組合使用,以達(dá)到滿意的效果。

1.3.6影像鑲嵌

影像鑲嵌是將兩幅或多幅影像拼在一起,構(gòu)成一幅整體影像。參與鑲嵌的影像需保證相鄰影像的重疊精度與色調(diào)一致性。鑲嵌前對(duì)影像進(jìn)行重疊檢查,景與景間重疊限差應(yīng)符合要求。鑲嵌時(shí)應(yīng)盡可能保留分辨率高、時(shí)相新、云霧量少、質(zhì)量好的影像。選取鑲嵌線對(duì)影像進(jìn)行鑲嵌,保證鑲嵌處無(wú)地物錯(cuò)位、模糊、重影和暈邊現(xiàn)象。

1.3.7影像裁切

通常原始影像的范圍會(huì)大于實(shí)際作業(yè)區(qū),因此需要對(duì)鑲嵌后的影像進(jìn)行裁切,得到目標(biāo)區(qū)影像。

1.3.8質(zhì)量檢查

DOM的質(zhì)量檢查內(nèi)容包括:空間參考系、平面位置精度(平面位置中誤差、影像接邊精度)、格式一致性、時(shí)間現(xiàn)勢(shì)性、影像質(zhì)量、表征質(zhì)量和附件質(zhì)量[12-13]。檢查方法包括核查分析、對(duì)比分析和實(shí)地檢驗(yàn)。

1.4 新增“兩違”疑似圖斑內(nèi)業(yè)提取

首先,根據(jù)“兩違”的定義,確定影像上的變化類型及具體提取規(guī)則。

新增違法用地疑似圖斑,反映在影像上特征為非建設(shè)用地出現(xiàn)建設(shè)特征的變化,具體類型如表1所示。

表1 新增違法用地疑似圖斑變化類型

新增違法建設(shè)疑似圖斑,反映在影像上特征為建設(shè)用地上出現(xiàn)的新增建設(shè),具體類型包括新增房屋建設(shè)、房屋改擴(kuò)建、建設(shè)過(guò)程中的新增建筑及工地。

利用前后兩期衛(wèi)星影像進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)符合上述變化類型的圖斑,提取出來(lái),并填寫相應(yīng)的屬性值。為保證圖斑的準(zhǔn)確性和完整性,需對(duì)提取的圖斑進(jìn)行兩級(jí)檢查。

1.5 新增“兩違”疑似圖斑外業(yè)核實(shí)

通過(guò)外業(yè)對(duì)新增“兩違”疑似圖斑的現(xiàn)場(chǎng)核實(shí),明確圖斑的實(shí)際情況,全面了解圖斑“在哪里、有多少、干什么用”的問(wèn)題,為執(zhí)法人員進(jìn)行“兩違”執(zhí)法提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)和輔助執(zhí)法資料。首先,將外業(yè)核實(shí)所需要的軟硬件環(huán)境進(jìn)行配置,參考資料進(jìn)行整合處理,為外業(yè)核實(shí)做好準(zhǔn)備。然后,根據(jù)圖斑的所在位置,利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)導(dǎo)航定位等輔助參考信息,到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)情況的核實(shí)和記錄。確認(rèn)影像提取的變化圖斑是否與現(xiàn)場(chǎng)情況一致,如一致則直接進(jìn)行信息填寫和照片拍攝,若不一致則以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行圖斑邊界的標(biāo)繪。記錄的信息包括建設(shè)地點(diǎn)、建設(shè)單位、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)層數(shù)和面積等。最后,進(jìn)行內(nèi)業(yè)照片整理、屬性掛接與檢查等工作,保證每一個(gè)圖斑都有對(duì)應(yīng)的外業(yè)信息。

1.6 成果整理入庫(kù)

將正射影像圖、新增“兩違”疑似圖斑臺(tái)賬表、變化位置截圖、外業(yè)照片等成果進(jìn)行整理和質(zhì)量檢查,更新入數(shù)據(jù)庫(kù)中,提交給執(zhí)法人員,由執(zhí)法人員最終確定是否違法并開展執(zhí)法工作。

2 “兩違”監(jiān)測(cè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

利用月度亞米級(jí)衛(wèi)星影像開展了“兩違”監(jiān)測(cè)應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)如下。

2.1 多源衛(wèi)星影像同步采集,保障更高分辨率、更高頻次衛(wèi)星數(shù)據(jù)全覆蓋

高分辨率、高頻次的衛(wèi)星影像能更加全面地監(jiān)測(cè)“兩違”情況。一方面,高分辨率衛(wèi)星影像能提供更多細(xì)節(jié)信息,提高“兩違”監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度,依賴亞米級(jí)分辨率影像,才能實(shí)現(xiàn)北京四環(huán)內(nèi)違法建設(shè)圖斑的上圖面積為25 m2,真正做到“兩違”零容忍。另一方面,月度監(jiān)測(cè)的高頻次有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)“兩違”的苗頭,真正做到露頭就打、出土就拆,既節(jié)省不必要的資金浪費(fèi),又能發(fā)揮極佳的警示效應(yīng)。

為保證每月原始衛(wèi)星影像既符合質(zhì)量要求,又能覆蓋工作區(qū)范圍,需制定嚴(yán)密的多源衛(wèi)星影像同步采集計(jì)劃,以及極端天氣情況下(如雨季、霧霾等)的應(yīng)急預(yù)案措施。在天氣較差情況下,同一區(qū)域可能需要多次拍攝才能獲取較為理想的影像數(shù)據(jù)。

2.2 利用衛(wèi)星影像自動(dòng)化批處理和影像質(zhì)量快速改進(jìn)技術(shù),保證DOM制作效率和質(zhì)量

原始衛(wèi)星影像采集后,在保證成果質(zhì)量的前提下提高DOM制作效率,尤為重要,既可以提高“兩違”監(jiān)測(cè)的時(shí)效性,也可以拓寬衛(wèi)片DOM的應(yīng)用服務(wù)范圍。

為提高衛(wèi)星影像處理速度,充分利用衛(wèi)星影像自動(dòng)化批處理和影像質(zhì)量快速改進(jìn)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn):(1)自動(dòng)采集、優(yōu)化影像的控制點(diǎn)和同名點(diǎn),進(jìn)行正射糾正,特殊情形下加入少量人工干預(yù)以提高糾正精度;(2)在有理函數(shù)糾正模型參數(shù)不準(zhǔn)的情況下,從控制點(diǎn)中反算RPC參數(shù),確保正射糾正精度;(3)快拼影像的快速計(jì)算,可提前用于內(nèi)業(yè)提取新增“兩違”疑似變化圖斑;(4)針對(duì)影像霧霾、云、雪覆蓋等問(wèn)題,在專業(yè)軟件自動(dòng)云檢測(cè)與霧去除、全局勻光勻色的基礎(chǔ)上,結(jié)合人工勻色經(jīng)驗(yàn),利用人機(jī)交互方式進(jìn)行整體或局部影像增強(qiáng)及質(zhì)量改進(jìn),最大程度確保DOM成果展示和信息提取效果。

2.3 自主研發(fā)軟件,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)協(xié)同快速、精準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)核查

為提高外業(yè)效率,可在外業(yè)手持pad上自主研發(fā)軟件,將待核驗(yàn)“兩違”地塊、影像資料、房屋數(shù)據(jù)以及地形圖等大量輔助核驗(yàn)參考空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中,實(shí)現(xiàn)快速查詢、自動(dòng)面積計(jì)算、圖形編輯及定位等功能,滿足基于移動(dòng)端“兩違”現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)的高效檢索、自動(dòng)計(jì)算、精準(zhǔn)定位和協(xié)同作業(yè)的要求,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)協(xié)同快速、精準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)核準(zhǔn)。

3 北京市應(yīng)用情況

2013年3月28日以來(lái),按照北京市委市政府的要求,全市開展了嚴(yán)厲打擊違法用地違法建設(shè)專項(xiàng)行動(dòng)。為進(jìn)一步嚴(yán)格控制新增違法用地和違法建設(shè),從2018年起,北京市規(guī)劃和自然資源委員會(huì)將土地衛(wèi)片執(zhí)法工作由之前的按季度4期/a,提升為按月度12期/a,屬全國(guó)首例。

根據(jù)“兩違”執(zhí)法的業(yè)務(wù)需求,北京市以月度為周期采集覆蓋全市的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),衛(wèi)星影像類型包括北京二號(hào)、Pleiades、高分二號(hào)、吉林一號(hào)和SPOT6/7,其中SPOT6/7僅極端天氣情況下應(yīng)急采用。利用原始衛(wèi)星影像制作正射影像圖,在此基礎(chǔ)上開展內(nèi)業(yè)變化圖斑提取、外業(yè)調(diào)查核實(shí)和成果入庫(kù)工作。相比于自然資源部和其他省市的衛(wèi)片執(zhí)法工作,北京市項(xiàng)目改進(jìn)點(diǎn)在于:(1)提高監(jiān)測(cè)頻次,做到每月全北京市無(wú)死角監(jiān)測(cè),屬全國(guó)首例;(2)提高衛(wèi)星影像分辨率,采用亞米級(jí)衛(wèi)星影像,處于全國(guó)領(lǐng)先水平;(3)以更細(xì)的尺度、更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)提取新增疑似“兩違”變化圖斑,北京市四環(huán)內(nèi)上圖面積為25 m2,四環(huán)至六環(huán)上圖面積為100 m2,真正做到“兩違”零容忍;(4)采用“雙排查”方式,一方面生產(chǎn)中利用多期衛(wèi)星影像、多層參考矢量和工程證等專題數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè),提高提取精度;另一方面數(shù)據(jù)整理中利用一會(huì)三函、重點(diǎn)工程等多種專題數(shù)據(jù)進(jìn)行整理排查,最終得到精確的新增疑似“兩違”圖斑數(shù)據(jù),提高準(zhǔn)確率。項(xiàng)目的成果如圖1～2和表2所示。

圖1 北京市DOM及新增疑似“兩違”分布示例圖[審圖號(hào):京S(2021)023號(hào)]

圖2 新增疑似違法建設(shè)圖斑示例

表2 北京市2018—2020年新增“兩違”疑似圖斑分區(qū)統(tǒng)計(jì) 單位：個(gè)

項(xiàng)目為規(guī)劃和國(guó)土資源執(zhí)法提供了及時(shí)、客觀的數(shù)據(jù)支撐,進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)新增違法用地、新增違法建設(shè)以及閑置土地的查處力度,降低執(zhí)法成本,提升執(zhí)法工作的力度和水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了利用月度亞米級(jí)衛(wèi)星影像開展“兩違”監(jiān)測(cè)應(yīng)用的方法,以北京市為例介紹了具體應(yīng)用情況,并總結(jié)了技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。利用高空間分辨率、高頻次衛(wèi)星影像可以有效提高“兩違”監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,內(nèi)業(yè)變化檢測(cè)和外業(yè)核查相結(jié)合的方式可為“兩違”執(zhí)法提供更為客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策依據(jù)。通過(guò)采集多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、制定應(yīng)急拍攝預(yù)案、運(yùn)用海量衛(wèi)星影像批處理和影像質(zhì)量快速改進(jìn)技術(shù)、自主研發(fā)外業(yè)軟件等方式,可以有效保證“兩違”監(jiān)測(cè)工作的質(zhì)量,提高“兩違”監(jiān)測(cè)工作的效率。本文研究成果對(duì)全國(guó)各省市衛(wèi)片執(zhí)法工作具有示范性作用。

在“兩違”監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,還可以從以下兩方面加以改進(jìn):一是探索雷達(dá)衛(wèi)星在建筑物高度變化識(shí)別上的應(yīng)用,二是探索人工智能技術(shù)在“兩違”變化檢測(cè)中的應(yīng)用。