3S技術(shù)在湖南省月度衛(wèi)片執(zhí)法遙感監(jiān)測中的應(yīng)用

譚思源 彭慶榮 譚 浬

(湖南省第二測繪院, 湖南 長沙 410119)

0 引言

為貫徹落實黨中央用最嚴格制度、最嚴密法治保護自然資源的精神,切實全面履行自然資源“兩統(tǒng)一”職責,全面聚焦山水林田湖草生命共同體的保護任務(wù),及時發(fā)現(xiàn)各類違法違規(guī)行為,有效遏制耕地非農(nóng)化、非法采礦等各類自然資源違法行為,做到早發(fā)現(xiàn)、早制止、嚴查處,維護自然資源開發(fā)利用和保護秩序,2020年初,湖南省自然資源廳優(yōu)化提升自然資源執(zhí)法監(jiān)察工作和技術(shù)模式,在季度衛(wèi)片執(zhí)法的基礎(chǔ)上提出了月度衛(wèi)片執(zhí)法的工作思路。

近年來,“3S”技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展,在土地資源管理領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用,“3S”技術(shù)是遙感技術(shù)(remote sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)的統(tǒng)稱?！?S”技術(shù)發(fā)展為湖南省月度衛(wèi)片執(zhí)法遙感監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段,有效貫徹了“優(yōu)化提升自然資源執(zhí)法監(jiān)察工作和技術(shù)模式”的指導思想。本文基于分辨率為“0.5～2 m”國產(chǎn)衛(wèi)星影像,對全省各縣區(qū)開展一月一周期的監(jiān)測,采用“智能解譯+人工目視”方式發(fā)現(xiàn)并提取可疑圖斑;采用地理信息技術(shù)基于行政區(qū)劃、永久基本農(nóng)田保護區(qū)、生態(tài)保護紅線等數(shù)據(jù)對圖斑屬性自動化輸入,最終形成任務(wù)包下發(fā)給地方執(zhí)法工作人員進行外業(yè)核查;我院開發(fā)的“易采”調(diào)查系統(tǒng),具備網(wǎng)絡(luò)世界里可以連接到主機的電腦端口(personal computer，PC)和移動端;PC端提供數(shù)據(jù)、任務(wù)管理等功能,可實現(xiàn)核查成果便捷整理、導入導出等功能,輔助執(zhí)法工作人員對成果的高效管理與匯總;移動端基于GPS技術(shù)可實現(xiàn)快速準確定位,并協(xié)助執(zhí)法人員在各類數(shù)據(jù)之間瀏覽與對比,極大地提高了衛(wèi)片執(zhí)法工作效率。

1 技術(shù)路線

基于國產(chǎn)常見0.5～2 m分辨率衛(wèi)星,如高分一號、高景一號等,按月對湖南全省范圍進行數(shù)據(jù)采集、外參數(shù)解算、正射糾正、影像融合、圖像增強、鑲嵌等一系列處理,得到該月度影像底圖。對比上年度變更調(diào)查影像,提取占地面積超過666.67 m的變化圖斑。根據(jù)基本農(nóng)田保護界線、生態(tài)保護紅線、建設(shè)用地審批數(shù)據(jù)等,對變化圖斑進行違法情況分類、去除偽變化等工作。利用地理信息技術(shù)實現(xiàn)圖斑屬性信息自動化輸入與監(jiān)測圖斑信息自動生成。監(jiān)測圖斑導入“易采”調(diào)查系統(tǒng),可實現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)、任務(wù)管理、成果導入導出與外業(yè)核查、拍照舉證等工作暢通無阻的管理流程,如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 遙感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 遙感影像的獲取

根據(jù)湖南省月度衛(wèi)片執(zhí)法遙感監(jiān)測工作要求,市轄區(qū)確保1 m或優(yōu)于1 m分辨率的影像覆蓋,縣轄區(qū)優(yōu)先采用1 m分辨率影像、2 m分辨率影像進行補充。本監(jiān)測工作遙感影像主要來自國產(chǎn)常見衛(wèi)星,包括：高分一號、高分二號、高景一號等,分辨率各有高低,如高分一號、資源衛(wèi)星等分辨率為2 m,高分二號、吉林一號等分辨率為1 m,高景一號分辨率為0.5 m。合適的影像分辨率以及廣泛的影像獲取途徑,基本可以滿足湖南省各個縣、區(qū)“月發(fā)現(xiàn)、月預警、月處置”的監(jiān)測需求。

2.2 遙感影像的制作

對獲取的衛(wèi)星影像進行外參數(shù)解算、正射糾正、影像融合、圖像增強、鑲嵌等一系列處理。通常來說,遙感影像要具備高精度的平面位置,需要野外獲取高精度像控點進行校準。此方式在月度監(jiān)測的時間要求下難以實現(xiàn),而湖南為推進全省不動產(chǎn)登記工作于2015年制作的0.2 m分辨率數(shù)字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)以及湖南省第二測繪院在以往工作中積累的海量的像控點為解決此問題提供了基礎(chǔ),結(jié)合衛(wèi)星影像遠程過程調(diào)用(remote procedure call，RPC)參數(shù),利用區(qū)域網(wǎng)平差法進行外參數(shù)解算,對影像進行正射糾正處理,使得遙感影像在平面精度上有了保證。

為了提高月度衛(wèi)片圖斑提取工作的準確性,需要對全色和多光譜影像進行融合,使得融合后的影像減少了光譜失真,色彩更加明亮,細部紋理更加清晰。影像融合采用的是Pansharp方法,該方法是通過最小二乘法計算原始多光譜影像與全色影像及融合后多光譜影像與全色影像灰度值關(guān)系的最佳擬合,并用統(tǒng)計方法解決融合過程中的標準化和自動化問題。在上述基礎(chǔ)上,經(jīng)過消噪、去薄霧、去條帶、勻色等圖像增強以及鑲嵌、裁剪等工作,得到覆蓋全省的DOM,作為當月變化圖斑提取的后時相影像(圖2)。

圖2 監(jiān)測圖斑提取工作底圖(后時相影像)

3 地理信息技術(shù)的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測圖斑提取

根據(jù)湖南省月度衛(wèi)片執(zhí)法遙感監(jiān)測工作要求,提取的監(jiān)測圖斑分為新增線性地物、新增建(構(gòu))筑物、新增推填土、新增鄉(xiāng)村旅游用地、新增光伏用地、新增高爾夫球場、毀林、開山、填湖9個類別;監(jiān)測圖斑提取面積為666.67 m,666.67 m以下不提取,而在0.5～2 m分辨率的正射影像上分辨面積為666.67 m的上述圖斑變化是完全可行的。

目前,遙感影像變化圖斑提取的方法有3種：計算機自動解譯,計算機自動解譯+人工目視解譯及完全目視解譯。計算機自動解譯,提取圖斑速度快,前、后時相影像變化發(fā)現(xiàn)率高,缺點是準確率不高,偽變化提取較多,并且圖斑的邊界范圍劃定誤差較大;而人工目視解譯準確率高,圖斑范圍劃定準確,但速度慢,漏檢率相對計算機自動解譯要高。為了確保月度衛(wèi)片執(zhí)法遙感監(jiān)測的即時性與遏制違法事件發(fā)生的有效性,監(jiān)測圖斑的提取采用計算機自動解譯與人工目視解譯雙管齊下的方式,既能提高圖斑提取速度,又能提高圖斑提取的準確率。湖南省第二測繪院自主研發(fā)的“核圖寶”智能解譯系統(tǒng),基于前、后時相影像的變化特性,能有效提取疑似監(jiān)測圖斑,提取的疑似圖斑由人工逐一核實,去除偽變化,得到初步監(jiān)測圖。自動提取的圖斑正確率可達60%,大幅提高了工作效率。人工目視解譯采用ArcGIS軟件的卷簾工具判讀前、后時相影像的紋理、光譜特征變化,提取9種監(jiān)測圖斑。為降低監(jiān)測圖斑漏檢率,使用“創(chuàng)建漁網(wǎng)”Arctool建立長與寬均為500 m的格網(wǎng)作為圖斑提取最小工作單元。在人工目視解譯過程中,遇到邊界劃定不準的自動解譯圖斑,及時對其邊界進行調(diào)整與修改。

3.2 圖斑屬性信息的輸入

上述工作提取的初步監(jiān)測圖斑僅有監(jiān)測圖斑坐標、面積及周長屬性,執(zhí)法外業(yè)中直接使用存在一些障礙,如監(jiān)測圖斑土地權(quán)屬不詳、占用耕地面積不詳、是否占用基本農(nóng)田或位于生態(tài)保護紅線內(nèi)不明等,故需要對初始監(jiān)測圖斑進行屬性信息的輸入。屬性的輸入主要用到以下幾類參考數(shù)據(jù)：

(1)行政界線數(shù)據(jù)。主要來自第三次國土調(diào)查,包括市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)、村(社區(qū))的行政界線。

(2)土地管理信息數(shù)據(jù)。包括集體土地所有權(quán)確權(quán)數(shù)據(jù)、生態(tài)保護紅線、基本農(nóng)田保護范圍、全省建設(shè)用地審批數(shù)據(jù)庫、土地整理開發(fā)與增加掛鉤項目數(shù)據(jù)、全省土地供應(yīng)數(shù)據(jù)庫、全省控制性詳細規(guī)劃數(shù)據(jù)庫等。

得益于湖南省近年來土地管理數(shù)據(jù)的數(shù)字化建設(shè)以及2018年全省存量數(shù)據(jù)2000大地的坐標系轉(zhuǎn)換工作,使得上述數(shù)據(jù)均為坐標統(tǒng)一的矢量數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫。利用ArcGIS的模型構(gòu)建器制作“屬性自動化輸入工具”,可將屬性信息輸入至初步監(jiān)測圖斑中。該工具的制作是根據(jù)所需輸入的屬性信息,利用ArcGIS“疊加分析”中的“標識”工具多次嵌套而成,并利用“字段刪除”工具去除經(jīng)多次標識成果后的無用屬性字段,最終得到監(jiān)測圖斑成果(圖3)。

基于輸入的屬性和影像對監(jiān)測圖斑成果進行二次判讀,根據(jù)屬性進行篩選,去除部分偽變化圖斑,如已合法審批建設(shè)用地、已審批的耕地開發(fā)項目等,采用“縣級行政區(qū)代碼+圖斑提取年月+圖斑順序號”對圖斑進行編號,得到最終有效的外業(yè)核查監(jiān)測圖斑。

圖3 屬性自動輸入工具ArcGIS模型構(gòu)建器圖

3.3 監(jiān)測圖斑信息生成

監(jiān)測圖斑信息包括監(jiān)測圖斑前、后時相截圖和監(jiān)測圖斑信息的匯總表格文件,方便地方執(zhí)法工作人員對監(jiān)測圖斑信息的瀏覽與熟悉。由于涉及的監(jiān)測圖斑數(shù)量多,如采用純?nèi)斯さ姆绞綄ΡO(jiān)測圖斑前、后時相影像截圖以及監(jiān)測信息匯總,勢必消耗大量的人力、物力及時間。本文基于ArcGIS模型構(gòu)建器制作“監(jiān)測圖斑信息自動生產(chǎn)工具”,自動逐監(jiān)測圖斑裁剪前、后時相影像見圖4(b)、圖4(c),并以圖斑屬性信息為基礎(chǔ)生成監(jiān)測圖斑信息匯總表格,見圖4(f),三者共同存儲在以“監(jiān)測編號”命名的文件夾中，見圖4(e)。該工具的工作原理是在迭代每個監(jiān)測圖斑的基礎(chǔ)上,單獨求取每個圖斑包絡(luò)面,再進行緩沖處理,得到緩沖面作為裁剪前、后時相影像的范圍見圖4(a),同時,通過監(jiān)測圖斑屬性信息形成該圖斑的信息匯總表。監(jiān)測圖斑信息可導入由湖南省第二測繪院開發(fā)的“易采”外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)中進行瀏覽,極大地方便外業(yè)執(zhí)法工作的進行。

(a)監(jiān)測圖斑信息生成工具Arcgis模型構(gòu)建器圖

(b)監(jiān)測圖斑前時相影像截圖 (c)監(jiān)測圖斑后時相影像截圖

(d)鄉(xiāng)鎮(zhèn)所有監(jiān)測圖斑匯總文件夾 (e)監(jiān)測圖斑信息匯總文件夾

(f)監(jiān)測圖斑信息表

3.4 “易采”調(diào)查系統(tǒng)

執(zhí)法外業(yè)工作常需前與后兩期影像對比、圖斑信息快速獲取、相關(guān)數(shù)據(jù)的參考等操作,地理信息系統(tǒng)在此類強交互的流程中有得天獨厚的優(yōu)勢。湖南省第二測繪院開發(fā)的“易采”調(diào)查系統(tǒng)是標準的GIS系統(tǒng),其突出特點是把GIS技術(shù)與專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)緊密結(jié)合起來。該調(diào)查系統(tǒng)包括PC端和移動端。PC端提供設(shè)備管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)瀏覽、任務(wù)管理等功能;移動端可以是平板或手機,配合桌面端導入的正射影像圖(前與后兩時相)、監(jiān)測圖斑矢量數(shù)據(jù)、參考矢量數(shù)據(jù)、調(diào)查任務(wù),可快速實現(xiàn)各數(shù)據(jù)之間的疊加、瀏覽與對比,可根據(jù)實際情況需要,導入多期歷史影像,掌握監(jiān)測圖斑的變化過程。此外,移動端支持衛(wèi)星定位,可用于記錄監(jiān)測圖斑外業(yè)核查路線,以及實時拍照舉證,存儲照片拍攝角度及位置,支持圖斑屬性與圖形修改,草圖快速繪制等編輯功能。移動端調(diào)查成果最終由桌面端匯總導出,實現(xiàn)數(shù)據(jù)保密的同時,生成外業(yè)執(zhí)法成果數(shù)據(jù)庫。

4 GPS技術(shù)的應(yīng)用

4.1 手持RTK對違法圖斑的現(xiàn)場測量

違法活動是一個持續(xù)的過程,從衛(wèi)星影像的拍攝到外業(yè)核查的時間內(nèi)一直處在變化之中。現(xiàn)場情況可能與影像顯示特征存在差異,所以在外業(yè)核查中需要利用RTK快速實現(xiàn)違法現(xiàn)場測量。載波降位實時動態(tài)差分定位(real-time kinematic,RTK),是GPS新技術(shù)發(fā)展的典范,網(wǎng)絡(luò)RTK實時即可達到厘米級精度。在外業(yè)測量中,利用RTK技術(shù)采集違法范圍邊界特征點、轉(zhuǎn)折點等關(guān)鍵點的三維坐標數(shù)據(jù);經(jīng)內(nèi)業(yè)處理,將各關(guān)鍵點依次連接成線,得到違法現(xiàn)場準確范圍,供后續(xù)工作分析利用。同時,在缺少像控點且高分辨率DOM與DEM現(xiàn)勢性不夠的區(qū)域,利用RTK技術(shù)精準采集適量的像控點,用于衛(wèi)星影像校正處理,補充像控點庫。

4.2 多旋翼RTK版無人機現(xiàn)場取證與傾斜攝影

在執(zhí)法外業(yè)工作中,需要拍攝照片、視頻對違法現(xiàn)場進行舉證,而處置違法礦山開采、土地整治不到位等違法活動時,通常違法面積較大,違法現(xiàn)場難以到達。要實現(xiàn)違法取證全面性及便捷性,使得引入無人機航攝十分必要。多旋翼無人機對起降場要求低,隨用隨飛,無視地形障礙,從空中俯瞰提供全面的視角,操作便捷、效率高。內(nèi)業(yè)階段即可根據(jù)影像資料設(shè)置航點或航線,也可現(xiàn)場根據(jù)無人機遙控端地圖設(shè)置航點。通過提前設(shè)置無人機在每個興趣點的高度、方向、云臺角度、速度等參數(shù),可實現(xiàn)自動化取證。同時,具備RTK功能的無人機搭載單鏡頭便可實現(xiàn)傾斜攝影,利用其拍攝的照片進行三維建模,可在內(nèi)業(yè)搭建違法現(xiàn)場三維場景,為相關(guān)部門執(zhí)法工作開展提供幫助。

4.3 “易采”移動端外業(yè)核查

在“易采”調(diào)查系統(tǒng)移動端通過移動設(shè)備GPS導航定位功能,結(jié)合導入的遙感正射影像,可以準確自我定位,并快速導航至需核查的圖斑位置。在沒有明顯標志物的野外,移動端位置的即時顯示功能有效提高了內(nèi)業(yè)提取的監(jiān)測圖斑與現(xiàn)場情況的對比核實效率。外業(yè)執(zhí)法工作人員可通過移動端進行現(xiàn)場拍照舉證及記錄核查情況,拍照點和記錄點均已通過GPS定位獲得其位置坐標,該坐標值作為照片或信息與圖斑的關(guān)聯(lián)主鍵。地方執(zhí)法工作人員自主發(fā)現(xiàn)的違法情況,也可通過移動端的GPS定位和圖形繪制編輯功能,對現(xiàn)場情況進行繪制與記錄,最終在桌面端匯總至監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)庫中。

5 結(jié)束語

本文基于湖南省月度衛(wèi)片執(zhí)法遙感監(jiān)測工作,闡述了3S技術(shù)在該項工作中的具體應(yīng)用,包括：多源的“0.5～2 m”分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、制作與處理,月度衛(wèi)片監(jiān)測圖斑的提取與圖斑屬性信息快速輸入,“易采”外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)的運用等技術(shù)方法。通過這些技術(shù)的使用,實現(xiàn)了月度衛(wèi)片遙感監(jiān)測工作“月發(fā)現(xiàn)、月預警、月處置”的工作目的。值得注意的是,本監(jiān)測工作的基石是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),而湖南連綿的雨期會對該月份遙感數(shù)據(jù)的效果造成負面影響,主要表現(xiàn)為大面積云霧遮蓋,從而無法進行前、后時相影像對比;所以后續(xù)工作雨期來臨之際,需要提前拓寬衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)收集渠道,不局限于國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的收集,加大衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采購量,確保前、后影像數(shù)據(jù)無虞。

目前,本工作在湖南全省已開展15個月,實踐證明，本工作能及時、快速地發(fā)現(xiàn)土地違法活動,指導外業(yè)執(zhí)法,為遏制湖南省土地違法活動提供了可行、有效的技術(shù)手段。