基于差值主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取應(yīng)用

［關(guān)鍵詞］ 水土保持；遙感監(jiān)管；圖斑提取；主成分分析；非監(jiān)督分類

［摘要］ 為了貫徹落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想，圍繞“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”發(fā)展總基調(diào)，水土保持工作要“在監(jiān)管上強(qiáng)手段，在治理上補(bǔ)短板”。自2018年開(kāi)始，水利部大力推進(jìn)信息技術(shù)手段在水土保持監(jiān)管工作中的應(yīng)用，為及時(shí)精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)、依法查處人為水土流失違法違規(guī)行為提供了有力支撐。紹興市繼2018年實(shí)施水土保持“天地一體化”試點(diǎn)后，不斷對(duì)遙感監(jiān)管技術(shù)進(jìn)行迭代升級(jí)，在2021年遙感監(jiān)管工作中引入主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的方法進(jìn)行水土保持遙感監(jiān)管圖斑的快速提取，可以及時(shí)快速發(fā)現(xiàn)大部分未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目和存在重大水土流失隱患的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)監(jiān)管全覆蓋。

［中圖分類號(hào)］ S157；P237［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）06－0052－05

2017年，習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中指出：“必須樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，像對(duì)待生命一樣對(duì)待生態(tài)環(huán)境，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度，形成綠色發(fā)展方式和生活方式，堅(jiān)定走生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展道路，建設(shè)美麗中國(guó)，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)[1]”。水利部在我國(guó)治水的主要矛盾變化后，提出了“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的發(fā)展總基調(diào)，并要求在今后的水土保持工作中“把工作重心切實(shí)轉(zhuǎn)變到監(jiān)管上來(lái)”。

為踐行新時(shí)期水利改革發(fā)展總基調(diào)，紹興市高度重視生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管工作。2018年，紹興市作為水利部在浙江省實(shí)施“天地一體化”監(jiān)管的唯一試點(diǎn)市，切實(shí)落實(shí)“在監(jiān)管上強(qiáng)手段”的工作要求，充分利用先進(jìn)手段提高監(jiān)管效能，嚴(yán)肅查處水土保持違法違規(guī)行為，水土保持監(jiān)管信息化水平不斷提高。2021年，紹興市繼續(xù)依托遙感和信息技術(shù)，引入主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的方法進(jìn)行水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)監(jiān)管全覆蓋，通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目，確保對(duì)市縣工作的指導(dǎo)和督促，確保有對(duì)應(yīng)的技術(shù)手段及能力落實(shí)違法違規(guī)項(xiàng)目“發(fā)現(xiàn)一起、查處一起、銷號(hào)一起”的具體要求。

1試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

紹興市地處我國(guó)華東地區(qū)、浙江省中北部、杭州灣南岸，位于119°53′03″～121°13′38″E、29°13′35″～30°17′30″N，東與寧波相連，南與臺(tái)州和金華相鄰，西與杭州相接，北隔錢塘江與嘉興相望，是長(zhǎng)三角城市群重要城市、環(huán)杭州灣大灣區(qū)核心城市、杭州都市圈副中心城市。全域東西長(zhǎng)130.4 km，南北寬118.1 km，海岸線長(zhǎng)40 km，陸域總面積8 273.3 km2，市區(qū)面積2 942 km2。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，四季分明。

1.2試驗(yàn)區(qū)水土保持工作概況

近年來(lái)，紹興市堅(jiān)持預(yù)防為主、保護(hù)優(yōu)先、綠色發(fā)展原則，高標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)水土保持各項(xiàng)工作，取得顯著成效。經(jīng)過(guò)多年治理，水土流失面積從2004年的1 336.06 km2下降到2019年的757.84 km2，減少了578.22 km2。與此同時(shí)，隨著水環(huán)境綜合治理、河道治理、景觀建設(shè)等項(xiàng)目的實(shí)施，城市綠化品質(zhì)顯著提升，境內(nèi)曹娥江、澄潭江等主河流水質(zhì)進(jìn)一步提升；隨著林草植被覆蓋率進(jìn)一步增加，林種、樹(shù)種結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，闊葉林和混交林比例有所上升，環(huán)境質(zhì)量逐年改善，生態(tài)農(nóng)林、旅游產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

1.3試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)遙感影像變化檢測(cè)，分析提取出遙感影像前后變化的區(qū)域，再結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和人工交互解譯，來(lái)確定變化圖斑是否為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目或生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，為水行政主管部門快速確定水土保持遙感監(jiān)管圖斑提供依據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)來(lái)源

用于水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取的影像是2020年和2021年分別獲取的GF1、GF1B、GF6、ZY302等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)，空間分辨率為2 m，影像時(shí)相集中在1—6月。

2工作流程

2.1多時(shí)相多源影像預(yù)處理

在多時(shí)相多源影像預(yù)處理中，需要對(duì)收集到的每一景影像進(jìn)行預(yù)處理，再對(duì)覆蓋目標(biāo)區(qū)域的相關(guān)多景影像進(jìn)行聯(lián)合處理。

首先檢查影像空間參考，所有數(shù)據(jù)均需采用統(tǒng)一的空間參考系統(tǒng)；其次需要對(duì)同一批次的單景全色影像和多光譜影像進(jìn)行融合和增強(qiáng)，對(duì)多時(shí)相多源影像進(jìn)行色彩匹配，取得最佳的識(shí)別效果；再次對(duì)其進(jìn)行地面控制點(diǎn)的選取，完成正射校正、幾何精校正和柵格數(shù)據(jù)坐標(biāo)同構(gòu)；最后對(duì)整個(gè)區(qū)域涉及的影像進(jìn)行鑲嵌和裁剪，輸出成果影像。

在通常的柵格數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，一般都以像元中心為坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)或忽略起始坐標(biāo)點(diǎn)的位置，由于柵格像元本身并不是數(shù)學(xué)意義上的“點(diǎn)”，而是具有一定覆蓋范圍的矩形“圖斑”，因此往往會(huì)造成數(shù)據(jù)在地理空間上微小的偏差。為此，在自主研發(fā)的幾何糾正軟件中提出了“坐標(biāo)同構(gòu)”的概念，即針對(duì)柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一以像元左上角角點(diǎn)為坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)，并為研究區(qū)內(nèi)所有數(shù)據(jù)指定唯一同構(gòu)坐標(biāo)，以保證所有數(shù)據(jù)在地理空間上能夠準(zhǔn)確地一一對(duì)應(yīng)。

這些預(yù)處理均采用杭州大地科技有限公司自主研發(fā)的圖像處理軟件（以下簡(jiǎn)稱“大地自主軟件”），技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

2.2基于差值主成分變換的多時(shí)相光譜變化信息增強(qiáng)

主成分分析（PCA）是在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種多波段正交線性變換，從而產(chǎn)生新的主成分量，在特征域中這些新的主成分影像彼此之間相互獨(dú)立，能分離變化信息， 謝振華等：基于差值主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取應(yīng)用并將信息量集中到前幾個(gè)主分量中，突出不同地物目標(biāo)的遙感數(shù)據(jù)分析方法[2]。本研究使用的方法為差值PCA法，即先計(jì)算不同時(shí)相影像差值再提取主成分，使得光譜變化信息得到增強(qiáng)，其工作流程見(jiàn)圖2。

2.3基于非監(jiān)督分類的空間變化信息自提取

通過(guò)影像光譜變化增強(qiáng)信息提取所得到的變化區(qū)域具有相對(duì)明顯的影像特征，但是仍不能直接獲得可用于水土保持遙感監(jiān)管的圖斑。由于變化區(qū)域與未變化區(qū)域存在較為明顯的光譜差異，因此可以利用非監(jiān)督分類的方法，在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下使用光譜信息對(duì)差值PCA法提取到的光譜變化影像進(jìn)行分類，然后再進(jìn)行空間信息自動(dòng)提取，其工作流程見(jiàn)圖3。

2.4野外驗(yàn)證及人機(jī)交互解譯

在獲得自提取的空間變化信息后，采用人工交互解譯的方法對(duì)變化區(qū)域進(jìn)行精度檢查，同時(shí)抽樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，建立解譯標(biāo)志，對(duì)錯(cuò)誤的區(qū)域進(jìn)行人工交互解譯修正，最終得到所需的水土保持遙感監(jiān)管圖斑，從而發(fā)現(xiàn)未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目和存在重大水土流失隱患的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，其工作流程見(jiàn)圖4。

3試驗(yàn)應(yīng)用與分析

3.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)采用了紹興市越城區(qū)2020、2021年遙感影像，其中2020年影像由2020年3月9日Z(yǔ)Y302衛(wèi)星一景、2020年4月3日GF1C衛(wèi)星一景和2020年4月9日GF6衛(wèi)星一景等衛(wèi)星數(shù)據(jù)組成，為RGB三通道彩色影像，空間分辨率為2 m，大小為16 212×15 060像元，影像鑲嵌誤差小于0.5像元；2021年影像由2021年1月3日GF1C衛(wèi)星一景、2021年1月29日GF6衛(wèi)星一景和2021年3月25日Z(yǔ)Y302衛(wèi)星一景等衛(wèi)星數(shù)據(jù)組成，為RGB三通道彩色影像，空間分辨率為2 m，大小為16 213×15 061像元，影像鑲嵌誤差小于0.5像元。影像分別鑲嵌融合后，再經(jīng)幾何精校正、色彩匹配和柵格數(shù)據(jù)坐標(biāo)同構(gòu)處理，得到2020、2021年越城區(qū)全域遙感影像，見(jiàn)圖5。

3.2試驗(yàn)過(guò)程

3.2.1差值計(jì)算及增強(qiáng)

利用“大地自主軟件”計(jì)算校正后的影像每個(gè)波段與基準(zhǔn)影像對(duì)應(yīng)波段的差值（見(jiàn)圖6），得到差值影像（見(jiàn)圖7）。由于該影像綜合了各波段的信息，所以使用地圖代數(shù)計(jì)算，使地物年際差異進(jìn)一步增強(qiáng)（見(jiàn)圖8），以更明顯地反映地物2 a間的變化。

3.2.2主成分變換

利用“大地自主軟件”進(jìn)行主成分變換（見(jiàn)圖9）。在多波段的主成分變換中，并非第一主成分突出差異部分，它只是集成了圖像的主要信息，而變化區(qū)域可能在其他的次要成分中得到凸顯。根據(jù)觀察，將第二主成分的圖進(jìn)行分割可以得到不錯(cuò)的效果（見(jiàn)圖10）。

3.2.3非監(jiān)督分類空間變化信息自提取

空間變化信息主要采用非監(jiān)督分類空間自提取，即計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別提取技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)解譯。根據(jù)遙感影像地物特征，在室內(nèi)預(yù)先選取措施圖斑樣本點(diǎn)，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，對(duì)樣本的初選點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)；自動(dòng)解譯樣本點(diǎn)確定后，開(kāi)始對(duì)圖斑進(jìn)行非監(jiān)督分類（見(jiàn)圖11），然后疊加樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)類聚合，再進(jìn)行圖像濾波和柵格數(shù)據(jù)矢量化；最后結(jié)合人工目視修改，完成生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感監(jiān)管圖斑提?。ㄒ?jiàn)圖12）。

3.3試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果分析

水土保持遙感監(jiān)管圖斑的提取是通過(guò)遙感影像變化檢測(cè)、分析提取出遙感影像前后變化的區(qū)域，再結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和人工交互解譯，來(lái)確定變化圖斑是否為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目或者生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)的過(guò)程。為了更準(zhǔn)確地驗(yàn)證提取結(jié)果精度，隨機(jī)選取了主要城建集中區(qū)域和農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)相對(duì)較多區(qū)域各1 km2進(jìn)行野外實(shí)地核查，并在此基礎(chǔ)上對(duì)鏡湖核心區(qū)和皋埠街道水土保持遙感監(jiān)管圖斑進(jìn)行全解譯，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取總平均正確率為80.7%，基本達(dá)到水土保持遙感監(jiān)管圖斑快速確定的要求。在圖斑提取過(guò)程中，對(duì)地物變化明顯的區(qū)域圖斑提取結(jié)果較為理想（見(jiàn)圖13、圖14和圖15）。但是，對(duì)影像特征表現(xiàn)出極高相似度的區(qū)域，如平原河網(wǎng)區(qū)部分項(xiàng)目前期階段造成的地表擾動(dòng)區(qū)，以及后期初步建成后綠化、硬化尚未完全實(shí)施的區(qū)域，尤其是在土質(zhì)為沖海積粉土的區(qū)域，圖斑提取結(jié)果仍存在一定的缺漏或誤判（見(jiàn)圖16、圖17）。另外，一部分生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目提取錯(cuò)誤的主要原因是年際間作物種植不同造成的影像差異。

4結(jié)論

（1）水土保持遙感監(jiān)管圖斑的快速提取可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目和存在重大水土流失隱患的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，幫助水行政主管部門實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)監(jiān)管全覆蓋。

（2）水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取精度還取決于數(shù)據(jù)源的精度和數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量等因素，通過(guò)多時(shí)相多源數(shù)據(jù)嚴(yán)格的幾何精校正、色彩匹配、坐標(biāo)同構(gòu)等方法使得數(shù)據(jù)源之間的差異減小，可以更大程度地降低數(shù)據(jù)源的影響，從而提高監(jiān)管圖斑提取的精度。

（3）本方法把差值PCA與非監(jiān)督分類結(jié)果相結(jié)合，再通過(guò)目標(biāo)類聚合及圖像濾波等處理手段，有效地減少了基于像元級(jí)變化提取易產(chǎn)生的椒鹽噪聲現(xiàn)象，可以在保證提取精度的前提下取得較好的提取效果。

（4）本方法能夠在多時(shí)相多源高分辨率影像的復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)大部分水土保持遙感監(jiān)管圖斑的快速提取，但是仍存在部分?jǐn)_動(dòng)變化未能提取的問(wèn)題，同時(shí)影像陰影對(duì)擾動(dòng)變化提取的影響也未能解決，這些方面的問(wèn)題也將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。

（5）本方法已在2022年度紹興市重點(diǎn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目中得到初步應(yīng)用，基本達(dá)到了監(jiān)管圖斑快速提取的目標(biāo)，部分存在的問(wèn)題由人工檢查調(diào)整解決。待上述問(wèn)題研究解決后，將由紹興市水土保持與小水電管理中心將本方法推廣應(yīng)用至紹興全市水土保持監(jiān)管工作中。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 佚名.中共十九大：決勝全面建成小康社會(huì) 奪取新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義偉大勝利[J].保密工作，2021（12）：2.

[2] 鄧勁松，李君，王珂.基于多時(shí)相PCA光譜增強(qiáng)和多源光譜分類器的SPOT影像土地利用變化檢測(cè)[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（6）：1627-1631.

［作者簡(jiǎn)介］ 謝振華（1972—），男，浙江紹興人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事水土保持管理工作；通信作者張學(xué)文（1983—），男，湖北襄陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)咨詢工作。

［收稿日期］ 2022-12-18

（責(zé)任編輯徐素霞）

基于差值主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取應(yīng)用

謝振華，張學(xué)文，傅列成，陳麗，周平

［關(guān)鍵詞］ 水土保持；遙感監(jiān)管；圖斑提取；主成分分析；非監(jiān)督分類

［摘要］ 為了貫徹落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想，圍繞“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”發(fā)展總基調(diào)，水土保持工作要“在監(jiān)管上強(qiáng)手段，在治理上補(bǔ)短板”。自2018年開(kāi)始，水利部大力推進(jìn)信息技術(shù)手段在水土保持監(jiān)管工作中的應(yīng)用，為及時(shí)精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)、依法查處人為水土流失違法違規(guī)行為提供了有力支撐。紹興市繼2018年實(shí)施水土保持“天地一體化”試點(diǎn)后，不斷對(duì)遙感監(jiān)管技術(shù)進(jìn)行迭代升級(jí)，在2021年遙感監(jiān)管工作中引入主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的方法進(jìn)行水土保持遙感監(jiān)管圖斑的快速提取，可以及時(shí)快速發(fā)現(xiàn)大部分未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目和存在重大水土流失隱患的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)監(jiān)管全覆蓋。

［中圖分類號(hào)］ S157；P237［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）06－0052－05

2017年，習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中指出：“必須樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，像對(duì)待生命一樣對(duì)待生態(tài)環(huán)境，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度，形成綠色發(fā)展方式和生活方式，堅(jiān)定走生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展道路，建設(shè)美麗中國(guó)，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)[1]”。水利部在我國(guó)治水的主要矛盾變化后，提出了“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的發(fā)展總基調(diào)，并要求在今后的水土保持工作中“把工作重心切實(shí)轉(zhuǎn)變到監(jiān)管上來(lái)”。

為踐行新時(shí)期水利改革發(fā)展總基調(diào)，紹興市高度重視生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管工作。2018年，紹興市作為水利部在浙江省實(shí)施“天地一體化”監(jiān)管的唯一試點(diǎn)市，切實(shí)落實(shí)“在監(jiān)管上強(qiáng)手段”的工作要求，充分利用先進(jìn)手段提高監(jiān)管效能，嚴(yán)肅查處水土保持違法違規(guī)行為，水土保持監(jiān)管信息化水平不斷提高。2021年，紹興市繼續(xù)依托遙感和信息技術(shù)，引入主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的方法進(jìn)行水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)監(jiān)管全覆蓋，通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目，確保對(duì)市縣工作的指導(dǎo)和督促，確保有對(duì)應(yīng)的技術(shù)手段及能力落實(shí)違法違規(guī)項(xiàng)目“發(fā)現(xiàn)一起、查處一起、銷號(hào)一起”的具體要求。

1試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

紹興市地處我國(guó)華東地區(qū)、浙江省中北部、杭州灣南岸，位于119°53′03″～121°13′38″E、29°13′35″～30°17′30″N，東與寧波相連，南與臺(tái)州和金華相鄰，西與杭州相接，北隔錢塘江與嘉興相望，是長(zhǎng)三角城市群重要城市、環(huán)杭州灣大灣區(qū)核心城市、杭州都市圈副中心城市。全域東西長(zhǎng)130.4 km，南北寬118.1 km，海岸線長(zhǎng)40 km，陸域總面積8 273.3 km2，市區(qū)面積2 942 km2。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，四季分明。

1.2試驗(yàn)區(qū)水土保持工作概況

近年來(lái)，紹興市堅(jiān)持預(yù)防為主、保護(hù)優(yōu)先、綠色發(fā)展原則，高標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)水土保持各項(xiàng)工作，取得顯著成效。經(jīng)過(guò)多年治理，水土流失面積從2004年的1 336.06 km2下降到2019年的757.84 km2，減少了578.22 km2。與此同時(shí)，隨著水環(huán)境綜合治理、河道治理、景觀建設(shè)等項(xiàng)目的實(shí)施，城市綠化品質(zhì)顯著提升，境內(nèi)曹娥江、澄潭江等主河流水質(zhì)進(jìn)一步提升；隨著林草植被覆蓋率進(jìn)一步增加，林種、樹(shù)種結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，闊葉林和混交林比例有所上升，環(huán)境質(zhì)量逐年改善，生態(tài)農(nóng)林、旅游產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

1.3試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)遙感影像變化檢測(cè)，分析提取出遙感影像前后變化的區(qū)域，再結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和人工交互解譯，來(lái)確定變化圖斑是否為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目或生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，為水行政主管部門快速確定水土保持遙感監(jiān)管圖斑提供依據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)來(lái)源

用于水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取的影像是2020年和2021年分別獲取的GF1、GF1B、GF6、ZY302等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)，空間分辨率為2 m，影像時(shí)相集中在1—6月。

2工作流程

2.1多時(shí)相多源影像預(yù)處理

在多時(shí)相多源影像預(yù)處理中，需要對(duì)收集到的每一景影像進(jìn)行預(yù)處理，再對(duì)覆蓋目標(biāo)區(qū)域的相關(guān)多景影像進(jìn)行聯(lián)合處理。

首先檢查影像空間參考，所有數(shù)據(jù)均需采用統(tǒng)一的空間參考系統(tǒng)；其次需要對(duì)同一批次的單景全色影像和多光譜影像進(jìn)行融合和增強(qiáng)，對(duì)多時(shí)相多源影像進(jìn)行色彩匹配，取得最佳的識(shí)別效果；再次對(duì)其進(jìn)行地面控制點(diǎn)的選取，完成正射校正、幾何精校正和柵格數(shù)據(jù)坐標(biāo)同構(gòu)；最后對(duì)整個(gè)區(qū)域涉及的影像進(jìn)行鑲嵌和裁剪，輸出成果影像。

在通常的柵格數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，一般都以像元中心為坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)或忽略起始坐標(biāo)點(diǎn)的位置，由于柵格像元本身并不是數(shù)學(xué)意義上的“點(diǎn)”，而是具有一定覆蓋范圍的矩形“圖斑”，因此往往會(huì)造成數(shù)據(jù)在地理空間上微小的偏差。為此，在自主研發(fā)的幾何糾正軟件中提出了“坐標(biāo)同構(gòu)”的概念，即針對(duì)柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一以像元左上角角點(diǎn)為坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)，并為研究區(qū)內(nèi)所有數(shù)據(jù)指定唯一同構(gòu)坐標(biāo)，以保證所有數(shù)據(jù)在地理空間上能夠準(zhǔn)確地一一對(duì)應(yīng)。

這些預(yù)處理均采用杭州大地科技有限公司自主研發(fā)的圖像處理軟件（以下簡(jiǎn)稱“大地自主軟件”），技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

2.2基于差值主成分變換的多時(shí)相光譜變化信息增強(qiáng)

主成分分析（PCA）是在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種多波段正交線性變換，從而產(chǎn)生新的主成分量，在特征域中這些新的主成分影像彼此之間相互獨(dú)立，能分離變化信息， 謝振華等：基于差值主成分分析和圖像非監(jiān)督分類的水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取應(yīng)用并將信息量集中到前幾個(gè)主分量中，突出不同地物目標(biāo)的遙感數(shù)據(jù)分析方法[2]。本研究使用的方法為差值PCA法，即先計(jì)算不同時(shí)相影像差值再提取主成分，使得光譜變化信息得到增強(qiáng)，其工作流程見(jiàn)圖2。

2.3基于非監(jiān)督分類的空間變化信息自提取

通過(guò)影像光譜變化增強(qiáng)信息提取所得到的變化區(qū)域具有相對(duì)明顯的影像特征，但是仍不能直接獲得可用于水土保持遙感監(jiān)管的圖斑。由于變化區(qū)域與未變化區(qū)域存在較為明顯的光譜差異，因此可以利用非監(jiān)督分類的方法，在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下使用光譜信息對(duì)差值PCA法提取到的光譜變化影像進(jìn)行分類，然后再進(jìn)行空間信息自動(dòng)提取，其工作流程見(jiàn)圖3。

2.4野外驗(yàn)證及人機(jī)交互解譯

在獲得自提取的空間變化信息后，采用人工交互解譯的方法對(duì)變化區(qū)域進(jìn)行精度檢查，同時(shí)抽樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，建立解譯標(biāo)志，對(duì)錯(cuò)誤的區(qū)域進(jìn)行人工交互解譯修正，最終得到所需的水土保持遙感監(jiān)管圖斑，從而發(fā)現(xiàn)未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目和存在重大水土流失隱患的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，其工作流程見(jiàn)圖4。

3試驗(yàn)應(yīng)用與分析

3.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)采用了紹興市越城區(qū)2020、2021年遙感影像，其中2020年影像由2020年3月9日Z(yǔ)Y302衛(wèi)星一景、2020年4月3日GF1C衛(wèi)星一景和2020年4月9日GF6衛(wèi)星一景等衛(wèi)星數(shù)據(jù)組成，為RGB三通道彩色影像，空間分辨率為2 m，大小為16 212×15 060像元，影像鑲嵌誤差小于0.5像元；2021年影像由2021年1月3日GF1C衛(wèi)星一景、2021年1月29日GF6衛(wèi)星一景和2021年3月25日Z(yǔ)Y302衛(wèi)星一景等衛(wèi)星數(shù)據(jù)組成，為RGB三通道彩色影像，空間分辨率為2 m，大小為16 213×15 061像元，影像鑲嵌誤差小于0.5像元。影像分別鑲嵌融合后，再經(jīng)幾何精校正、色彩匹配和柵格數(shù)據(jù)坐標(biāo)同構(gòu)處理，得到2020、2021年越城區(qū)全域遙感影像，見(jiàn)圖5。

3.2試驗(yàn)過(guò)程

3.2.1差值計(jì)算及增強(qiáng)

利用“大地自主軟件”計(jì)算校正后的影像每個(gè)波段與基準(zhǔn)影像對(duì)應(yīng)波段的差值（見(jiàn)圖6），得到差值影像（見(jiàn)圖7）。由于該影像綜合了各波段的信息，所以使用地圖代數(shù)計(jì)算，使地物年際差異進(jìn)一步增強(qiáng)（見(jiàn)圖8），以更明顯地反映地物2 a間的變化。

3.2.2主成分變換

利用“大地自主軟件”進(jìn)行主成分變換（見(jiàn)圖9）。在多波段的主成分變換中，并非第一主成分突出差異部分，它只是集成了圖像的主要信息，而變化區(qū)域可能在其他的次要成分中得到凸顯。根據(jù)觀察，將第二主成分的圖進(jìn)行分割可以得到不錯(cuò)的效果（見(jiàn)圖10）。

3.2.3非監(jiān)督分類空間變化信息自提取

空間變化信息主要采用非監(jiān)督分類空間自提取，即計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別提取技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)解譯。根據(jù)遙感影像地物特征，在室內(nèi)預(yù)先選取措施圖斑樣本點(diǎn)，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，對(duì)樣本的初選點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)；自動(dòng)解譯樣本點(diǎn)確定后，開(kāi)始對(duì)圖斑進(jìn)行非監(jiān)督分類（見(jiàn)圖11），然后疊加樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)類聚合，再進(jìn)行圖像濾波和柵格數(shù)據(jù)矢量化；最后結(jié)合人工目視修改，完成生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感監(jiān)管圖斑提?。ㄒ?jiàn)圖12）。

3.3試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果分析

水土保持遙感監(jiān)管圖斑的提取是通過(guò)遙感影像變化檢測(cè)、分析提取出遙感影像前后變化的區(qū)域，再結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和人工交互解譯，來(lái)確定變化圖斑是否為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目或者生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)的過(guò)程。為了更準(zhǔn)確地驗(yàn)證提取結(jié)果精度，隨機(jī)選取了主要城建集中區(qū)域和農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)相對(duì)較多區(qū)域各1 km2進(jìn)行野外實(shí)地核查，并在此基礎(chǔ)上對(duì)鏡湖核心區(qū)和皋埠街道水土保持遙感監(jiān)管圖斑進(jìn)行全解譯，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取總平均正確率為80.7%，基本達(dá)到水土保持遙感監(jiān)管圖斑快速確定的要求。在圖斑提取過(guò)程中，對(duì)地物變化明顯的區(qū)域圖斑提取結(jié)果較為理想（見(jiàn)圖13、圖14和圖15）。但是，對(duì)影像特征表現(xiàn)出極高相似度的區(qū)域，如平原河網(wǎng)區(qū)部分項(xiàng)目前期階段造成的地表擾動(dòng)區(qū)，以及后期初步建成后綠化、硬化尚未完全實(shí)施的區(qū)域，尤其是在土質(zhì)為沖海積粉土的區(qū)域，圖斑提取結(jié)果仍存在一定的缺漏或誤判（見(jiàn)圖16、圖17）。另外，一部分生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目提取錯(cuò)誤的主要原因是年際間作物種植不同造成的影像差異。

4結(jié)論

（1）水土保持遙感監(jiān)管圖斑的快速提取可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)未批先建的違法違規(guī)項(xiàng)目和存在重大水土流失隱患的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，幫助水行政主管部門實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)監(jiān)管全覆蓋。

（2）水土保持遙感監(jiān)管圖斑提取精度還取決于數(shù)據(jù)源的精度和數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量等因素，通過(guò)多時(shí)相多源數(shù)據(jù)嚴(yán)格的幾何精校正、色彩匹配、坐標(biāo)同構(gòu)等方法使得數(shù)據(jù)源之間的差異減小，可以更大程度地降低數(shù)據(jù)源的影響，從而提高監(jiān)管圖斑提取的精度。

（3）本方法把差值PCA與非監(jiān)督分類結(jié)果相結(jié)合，再通過(guò)目標(biāo)類聚合及圖像濾波等處理手段，有效地減少了基于像元級(jí)變化提取易產(chǎn)生的椒鹽噪聲現(xiàn)象，可以在保證提取精度的前提下取得較好的提取效果。

（4）本方法能夠在多時(shí)相多源高分辨率影像的復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)大部分水土保持遙感監(jiān)管圖斑的快速提取，但是仍存在部分?jǐn)_動(dòng)變化未能提取的問(wèn)題，同時(shí)影像陰影對(duì)擾動(dòng)變化提取的影響也未能解決，這些方面的問(wèn)題也將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。

（5）本方法已在2022年度紹興市重點(diǎn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目中得到初步應(yīng)用，基本達(dá)到了監(jiān)管圖斑快速提取的目標(biāo)，部分存在的問(wèn)題由人工檢查調(diào)整解決。待上述問(wèn)題研究解決后，將由紹興市水土保持與小水電管理中心將本方法推廣應(yīng)用至紹興全市水土保持監(jiān)管工作中。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 佚名.中共十九大：決勝全面建成小康社會(huì) 奪取新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義偉大勝利[J].保密工作，2021（12）：2.

[2] 鄧勁松，李君，王珂.基于多時(shí)相PCA光譜增強(qiáng)和多源光譜分類器的SPOT影像土地利用變化檢測(cè)[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（6）：1627-1631.

［作者簡(jiǎn)介］ 謝振華（1972—），男，浙江紹興人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事水土保持管理工作；通信作者張學(xué)文（1983—），男，湖北襄陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)咨詢工作。

［收稿日期］ 2022-12-18

（責(zé)任編輯徐素霞）