衛(wèi)星遙感立體成像地形信息提取技術(shù)在土地變更調(diào)查中的應(yīng)用研究

盧文娟

（上饒市自然資源局廣豐分局，江西 上饒 334000）

0 引言

近年來，隨著城市化加速發(fā)展，對(duì)土地的需求量不斷增加，對(duì)土地調(diào)查技術(shù)要求進(jìn)一步擴(kuò)增。雖然傳統(tǒng)遙感技術(shù)具備檢測(cè)范圍大和動(dòng)態(tài)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)測(cè)繪和地形勘察等領(lǐng)域經(jīng)常使用［1］。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)技術(shù)成像費(fèi)用高，周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理慢等缺點(diǎn)逐漸凸顯，無法滿足現(xiàn)代測(cè)繪勘察的高需求［2］。由于高分辨率的遙感影像具有形狀清晰和紋理豐富以及獲取數(shù)據(jù)方便等優(yōu)勢(shì)，因此在土地、環(huán)保、氣象和林業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［3］。研究將衛(wèi)星遙感成像信息提取技術(shù)用于第三次全國(guó)土地變更調(diào)查，以上饒鎮(zhèn)為試驗(yàn)區(qū)，通過SPOT6 衛(wèi)星遙感系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯方法進(jìn)行影像信息提取。研究將驗(yàn)證衛(wèi)星遙感立體成像地形信息提取技術(shù)在土地變更調(diào)查中的實(shí)用性，并為土地變更調(diào)查提供一種更加可行的方案。

1 基于衛(wèi)星遙感成像地形信息提取技術(shù)的研究

1.1 衛(wèi)星遙感系統(tǒng)

以第二次土地調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，依據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于開展第三次全國(guó)土地調(diào)查的通知》的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行第三次全國(guó)土地調(diào)查，獲取我國(guó)土地更詳細(xì)數(shù)據(jù)。第三次全國(guó)土地調(diào)查利用衛(wèi)星遙感成像，采用人工目視解譯方法對(duì)地形信息進(jìn)行提取，掌握國(guó)家土地使用現(xiàn)狀和土地資源變化的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善土地相關(guān)制度，滿足空間規(guī)劃需求。

我國(guó)高分辨率的衛(wèi)星遙感領(lǐng)域正在逐漸發(fā)展，目前衛(wèi)星遙感系統(tǒng)相比于之前衛(wèi)星遙感，在分辨率、目標(biāo)三維定位和數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域都有極大提高，并且對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理安全性也更高。衛(wèi)星遙感器成像是光學(xué)遙感信息的獲取過程，主要是通過收集地面目標(biāo)位、反射太陽光和輻射遠(yuǎn)紅外線的形式來獲得地面信息的。電磁輻射從輻射源到遙感器過程中，通過大氣時(shí)，與大氣的互相作用可以被認(rèn)為是體效應(yīng)，與地表的相互作用則是與地表或淺層地表的表面效應(yīng)［4］，遙感信息獲取過程如圖1所示。

圖1 光學(xué)遙感成像示意圖

由圖1 可知：太陽光穿過大氣層射向地面目標(biāo)物，地面目標(biāo)物將一部分光輻射通過大氣層反射回去。地面目標(biāo)物反射回去的光和大氣層散射的光輻射被光學(xué)成像遙感器接收。遙感器接收光輻射之后，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到目標(biāo)物的圖像。正射影像與線劃圖相比，其所載信息更加豐富且圖像更直觀，細(xì)節(jié)表達(dá)更加清楚。

由于遙感影像與參照系統(tǒng)中的目標(biāo)物特征有所不同，原始影像具有變形誤差，需采用正射影像消除幾何畸變后的影像［5］。最后在校正過的影像上進(jìn)行分割剪輯，參照地理要素和制圖要素等注記整理成正射影像圖，獲得土地變更結(jié)果。

為了提高圖像信息提取質(zhì)量，在提取前先對(duì)收集資料進(jìn)行初步處理，建立輔助解譯標(biāo)志。以上饒鎮(zhèn)為研究對(duì)象，采用遙感影像分辨率為8 m 的SPOT6 型衛(wèi)星遙感圖像為數(shù)據(jù)源。衛(wèi)星所獲取的圖像由于紋理清晰分辨率高，能準(zhǔn)確地反映大部分地類的質(zhì)地、色彩和形狀，符合人眼對(duì)自然界物質(zhì)的觀察［6］。因此選擇在ArcGIS 軟件中進(jìn)行人工目視解譯，作為上饒鎮(zhèn)內(nèi)業(yè)解譯方式。

1.2 基于衛(wèi)星遙感系統(tǒng)信息提取技術(shù)

幾何畸變是指在傳感器空間姿態(tài)、中心投影和地面地形起伏3 個(gè)因素影響下，掃描線引起像點(diǎn)的位移［7］。高分辨率的遙感衛(wèi)星影像多為中心投影，一般采用堆掃式成像方式，其中，偏移誤差采用多項(xiàng)式方法進(jìn)行校正，共線方程如式（1）所示：

式中：Δh為地面點(diǎn)相對(duì)高度差值，單位為km；f為攝影焦距，單位為mm；H為衛(wèi)星離地面高度，單位為km；θ為成像入射角，單位為°。在堆掃式成像過程中，像點(diǎn)位移只在掃描方向，不存在于飛行方向，所以dx= 0。由于衛(wèi)星軌道高度H極大，與Δh代表地面點(diǎn)相對(duì)高度差值相比，產(chǎn)生的投影差幾乎可以忽略。然而當(dāng)Δh值很大時(shí)，無法忽略產(chǎn)生的像點(diǎn)位移，就需要用數(shù)字高程模型來進(jìn)行校正。

遙感影像在獲取的時(shí)間和氣象條件不同，同類地物在影像上的表現(xiàn)不同，可能給解譯過程造成誤差。為了避免影像信息的誤判，需要土地外業(yè)實(shí)地調(diào)查，以土地外業(yè)調(diào)查結(jié)果作為真值，對(duì)影像地類進(jìn)行標(biāo)定，建立遙感影像解譯判讀標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星遙感影像解譯面積與土地外業(yè)調(diào)查地類面積差異值評(píng)價(jià)如式（2）所示：

式中：D為衛(wèi)星遙感影像解譯面積與土地外業(yè)調(diào)查地類面積的差值，單位為km；Sw為外業(yè)調(diào)查地類面積，單位為km2；Ss為衛(wèi)星遙感影像解譯面積，單位為km2。Ss與Sw二者面積差異度如式（3）所示：

式中：α為面積差異度。以無人機(jī)影像為對(duì)照組，收集上饒鎮(zhèn)無人機(jī)遙感平臺(tái)的圖像數(shù)據(jù)作為對(duì)照組，通過對(duì)比分析，評(píng)價(jià)衛(wèi)星遙感成像地形信息提取技術(shù)在土地變更調(diào)查中的優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)遙感影像的內(nèi)業(yè)解譯原則與衛(wèi)星遙感影像解譯原則相同。將分辨率為0.2 m 的無人機(jī)影像與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，總差異面積值如式（4）所示：

式中：Sh為行業(yè)解譯地類面積，單位為km2；Dz為Sh減去的差值，單位為km。Dz除以土地外業(yè)調(diào)查地類面積就是解譯精度，解譯精度如式（5）所示：

式中：δ為解譯精度。

2 衛(wèi)星遙感成像地形信息提取技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選擇上饒鎮(zhèn)作為試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)域面積為20.16 km2，對(duì)該區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像和無人機(jī)遙感影像進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯，然后進(jìn)行土地外業(yè)調(diào)查。2022年9 月期間，外業(yè)實(shí)地調(diào)查建立上饒鎮(zhèn)標(biāo)志點(diǎn)312個(gè)，包含一級(jí)地類物別10 個(gè)，二級(jí)地類物別22 個(gè)，以滿足實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的要求。根據(jù)分辨率為8 m 的SPOT6 型衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，國(guó)家2000 大地坐標(biāo)系。設(shè)施農(nóng)用地和建設(shè)用地最小上圖面積為200 m2，農(nóng)用地最小上圖面積為400 m2，其他地類最小上圖面積為600 m2。結(jié)合上饒遙感影像特點(diǎn)，采用人工目視解譯的方法進(jìn)行衛(wèi)星遙感立體成像地形信息提取。試驗(yàn)區(qū)土地利用現(xiàn)狀衛(wèi)星影像行業(yè)解譯結(jié)果如圖2 所示。

圖2 上饒市衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果圖

由圖2 可知：衛(wèi)星遙感影像解譯后劃分圖斑為303 塊，其中，園地和耕地所占比例最多，林地和草地相鄰。基于試驗(yàn)區(qū)土地利用現(xiàn)狀衛(wèi)星影像行業(yè)解譯結(jié)果，疊加衛(wèi)星遙感正射影像，通過與數(shù)據(jù)庫對(duì)比分析，提取圖斑圖層。通過數(shù)字外業(yè)調(diào)查地圖，土地外業(yè)調(diào)查后，對(duì)行業(yè)解譯結(jié)果進(jìn)行修改，得到土地外業(yè)調(diào)查解譯結(jié)果如圖3 所示。

圖3 土地外業(yè)影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果圖

由圖3 可知：土地外業(yè)調(diào)查影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果相比于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果更加清晰。將圖4 中的其他用地解譯為園地和建設(shè)用地，并將之前混淆的園地和建設(shè)用地更正過來。然后對(duì)無人機(jī)影像進(jìn)行行業(yè)解譯，其結(jié)果如圖4 所示。

圖4 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果圖

由圖4 可知：無人機(jī)影像數(shù)據(jù)解譯一共劃分了286 塊圖斑，從圖中可以很明顯地看出，無人機(jī)影像相比于衛(wèi)星影像，林地和草地的區(qū)分度較小。衛(wèi)星遙感影像內(nèi)業(yè)解譯與無人機(jī)解譯差異如圖5 所示。

圖5 無人機(jī)遙感影像解譯與衛(wèi)星遙感影像解譯的差異圖

由圖5 可知：衛(wèi)星遙感影像內(nèi)業(yè)解譯與無人機(jī)解譯差異最大的地類是草地以及水域2 個(gè)地類。為了驗(yàn)證衛(wèi)星遙感影像內(nèi)業(yè)解譯的準(zhǔn)確性，將無人機(jī)遙感影像內(nèi)業(yè)解譯和土地外業(yè)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。土地外業(yè)調(diào)查圖斑20.16 km2，實(shí)際變化面積為1.38 km2，行業(yè)判讀錯(cuò)面積為0.89 km2，行業(yè)解譯正確率為95.6%。

將衛(wèi)星解譯地類面積、外業(yè)調(diào)查解譯地類面積以及無人機(jī)解譯地類面積進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖6 所示。

圖6 三種影像解譯地類面積對(duì)比圖

由圖6（a）圖和（d）圖可知：耕地和草地解譯結(jié)果差異度較小，由圖6（g）圖和（e）圖可知：其他用地和建設(shè)用地差異度較大。以土地外業(yè)調(diào)查結(jié)果為真值，比較衛(wèi)星遙感系統(tǒng)與無人機(jī)系統(tǒng)差異。耕地的衛(wèi)星遙感影像解譯結(jié)果與真值的差異值為3.14 %，差異較小；而耕地的無人機(jī)影像解譯結(jié)果與真值的差異值為10.42%，差異較大。由此可知，衛(wèi)星遙感影像具有較高分辨率，影像紋理特征辨別度高。

3 結(jié)語

為了提高第三次土地變更調(diào)查中地類影像的信息提取精度，此次研究基于衛(wèi)星遙感影像成像原理，利用信息提取技術(shù)，同時(shí)采用無人機(jī)影像作為對(duì)照組，完成對(duì)土地外業(yè)實(shí)地調(diào)查解譯結(jié)果的修改。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，衛(wèi)星遙感影像解譯后劃分圖斑為303 塊，無人機(jī)影像解譯后劃分圖斑為286塊，相比于無人機(jī)影像，衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果更加具體和清晰。耕地的衛(wèi)星遙感影像解譯結(jié)果與真值的差異值為3.14%；而耕地的無人機(jī)影像解譯結(jié)果與真值的差異值為10.42%。衛(wèi)星遙感系統(tǒng)耕地的解譯結(jié)果與真值的差異較小，由此可知衛(wèi)星遙感影像具有較高分辨率，影像紋理特征辨別度高。此次研究基于Spot6 衛(wèi)星遙感成像的地形信息提取技術(shù)對(duì)土體變更調(diào)查錯(cuò)誤率較低，精度較高且使用方便。應(yīng)用在土地變更調(diào)查工作中，可以提高地類判讀的準(zhǔn)確性和內(nèi)業(yè)信息提取，同時(shí)縮短工期，減少后續(xù)工作如外業(yè)調(diào)查和內(nèi)外部修改的工作量，提高土地調(diào)查效率。但考慮地形分類因素還不夠全面，后續(xù)研究將引入更多的影響因素。