真彩色增强影像在“天地一体化”监管中的应用

刘超群，余顺超，张广分，李万能

(珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)



真彩色增强影像在“天地一体化”监管中的应用

刘超群，余顺超，张广分，李万能

(珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

真彩色增强影像；生产建设项目；水土保持；“天地一体化”

由于卫星遥感影像存在地域和季相特征差异大、色彩不自然、波段相关性高、地物“同物异谱”和“异物同谱”现象突出等问题，因此难以满足生产建设项目水土保持“天地一体化”监管对遥感影像使用的需要。采用融合增强方法对真彩色影像进行增强处理，处理后的真彩色增强影像色彩自然，符合人的视觉习惯，具有信息丰富、层次分明、细节突出、季节差异小、可比性强等优点，突出了植被、建筑、水域、裸露地表和扰动地表等目标对象的影像特征差异，可以作为生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的标准影像，广泛应用于水土流失防治责任范围上图、遥感解译标志库建立、水土保持状况解译、水土保持现场调查、监管成果制作与系统管理等监管工作各个环节。

新时期政府推进简政放权和职能转变，强化了水行政管理机构的事中监管职能，加强生产建设项目水土保持监管已成为各级水行政部门的重要任务。随着生产建设项目水土保持监督检查和执法的力度、广度、深度、规范性等各方面的强化和提高[1]，传统技术方法已不能满足现阶段生产建设项目水土保持监管工作的需要。而遥感技术因具有实时性强、覆盖范围大、客观、精确、快速、高效等诸多优势，已被广泛应用于资源环境的监测监管工作中。为了满足新时期各级水行政部门的生产建设项目水土保持监管工作需求，提高监管技术水平和工作效率，非常有必要采用“天地一体化”的监管方法，即采用先进的遥感技术，结合地面监督检查，实现对生产建设项目水土保持状况的全覆盖、准实时监管[2]。

不同地域、不同影像源、不同季相和不同年份的遥感影像存在相同地物影像特征不一致、不同地物影像特征差异不明显等问题，“同物异谱”和“异物同谱”现象十分突出，给生产建设项目监管使用遥感影像带来了很大困扰。而采用融合增强方法处理后的真彩色增强影像色彩自然，符合人的视觉习惯，具有信息丰富、层次分明、细节突出、季节差异小、可对比性强等优点，相比增强前的真彩色影像突出了植被、建筑物、水域、裸露地表和扰动地表等目标对象的影像特征差异，可以作为生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的标准影像，广泛应用于监管工作的各个环节。

1 遥感影像需求分析

针对生产建设项目水土保持监管“全覆盖”和“精细化”的工作需求，生产建设项目水土保持“天地一体化”监管可以划分为区域监管和项目监管2个层次，不同监管层次对遥感影像的需求不同(表1)。

表1 国内外常用卫星遥感影像源的适用性

(1)区域监管的遥感影像需求。大区域监管可采用中分辨率遥感影像，影像分辨率一般在10～30 m之间，单景幅宽大于150 km，一次成像覆盖面积大于2万km2，影像覆盖范围和重访周期满足大区域动态监管的需要，影像分辨率满足大、中型生产建设项目扰动状况识别的需要。该类卫星遥感影像源主要有我国高分一号(GF-1)、美国陆地卫星Landsat 8和欧洲哨兵2号(Sentinel-2)等。中小区域监管可采用中高分辨率遥感影像，影像分辨率一般在1～10 m之间，单景幅宽大于40 km，一次成像覆盖面积大于1 000 km2，影像覆盖范围和重访周期满足中小区域动态监管的需要，影像分辨率满足大、中、小型生产建设项目扰动状况识别的需要。该类卫星遥感影像源主要有我国高分二号(GF-2)、高分一号(GF-1)、资源三号(ZY-3)、资源一号(ZY-1)和法国SPOT 6/7等。

(2)项目监管的遥感影像需求。项目监管通常采用亚米级卫星遥感影像或者无人机航拍影像，影像分辨率一般优于1 m，影像分辨率满足生产建设项目地表扰动状况和水土保持措施提取的需要。该类卫星遥感影像源主要有美国WorldView-2/3和QuickBird、法国Pleiades等。

(3)对遥感影像信息增强的需求。生产建设项目监管需要利用遥感影像识别和提取各种水土保持信息，因此遥感影像须具有蓝、绿、红和近红外多光谱波段。但多光谱假彩色影像的地物色彩不符合人的视觉习惯，对遥感分析技术人员要求高，而真彩色影像(注：彩色合成时RGB分别为红、绿、蓝波段)波段相关性高、信息量小，地物色彩暗淡、层次不分明，“同物异谱”和“异物同谱”现象突出，不能满足监管工作对影像的使用需求。由于监管工作涉及全国各个区域，技术人员水平高低不同，卫星影像源类型多样，且涉及不同年份和不同季相的遥感影像，因此必须对遥感影像进行技术标准统一的信息增强处理，得到季相和影像源特征差异小、地物层次分明、细节丰富、目标地物影像特征明显、色彩自然、符合人的视觉习惯的遥感影像，这样才可作为生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的标准影像。

2 真彩色影像增强试验

遥感影像增强应遵循以下原则：差异性原则，影像增强处理以突出不同地物间的差异为基本原则；清晰性原则，影像增强后能够清晰反映地物内部的细节信息，有助于目标地物的分析与识别；适中性原则，在改善高亮地物和黯淡地物反差的基础上，尽可能多地保留原有色彩、纹理和对比度，尤其是高亮地物的细节和黯淡地物的层次差异，在色彩、亮度、对比度之间寻求整体平衡[3]。

2.1 技术原理

采用光谱波段融合增强方法，通过融入近红外波段的光谱信息，改善真彩色遥感影像红、绿、蓝波段之间的相关性，能有效增强真彩色影像各波段的地物信息，减少信息冗余，优化数据结构，增强后的真彩色遥感影像可同时满足目视分析、几何空间增强和光谱定量分析应用的需求[4-5]。该方法要求遥感影像具有蓝、绿、红和近红外波段，适用于目前常用的光学卫星影像源。该方法通过融入近红外波段丰富的地物光谱信息，能够增强真彩色影像中植被、建筑、水体、裸露地表和扰动地表等各种目标地物对象的特征差异，提高生产建设项目水土保持“天地一体化”监管目标对象的可识别性，便于开展遥感自动识别和人机交互分析等工作。基于上述方法的生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的遥感影像预处理流程见图1。

图1 遥感影像预处理流程

2.2 影像增强试验及影像特点

(1)真彩色影像增强试验。真彩色影像增强试验的影像源选择ZY-3多光谱影像(图2)、SPOT 6多光谱影像(图3)、GF-1宽幅多光谱影像(图4)、Landsat 8多光谱影像(图5)4种影像类型，试验影像均含有蓝、绿、红和近红外4个多光谱波段，影像分辨率涵盖中高分辨率和中分辨率。

(2)真彩色增强影像特点与优势。由图2—5可见，增强前真彩色影像各波段间相关性高、信息量小，影像亮度低，地物间差异性小，难以有效识别植被、水体等地物，并且影像的季相特征明显；标准假彩色影像地物色彩显示不真实，植被亮度太高，地物细节特征弱，近红外波段植被信息太强导致植被信息溢出，在一定程度上掩盖了扰动地表、裸地等地物的影像特征；真彩色增强影像季相差异小，波段相关性小，信息丰富，影像亮度适中，地物层次分明、细节丰富，植被、建筑、道路、水体、裸露土壤和扰动地表等地物色彩自然，符合人的视觉习惯。基于上述原因，真彩色增强影像的质量和色彩效果明显优于增强前的遥感影像，可以作为生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的标准影像。

图2 ZY-3遥感影像增强效果对比(5.8 m分辨率，2015年4月14日成像)

图3 SPOT 6遥感影像增强效果对比(6 m分辨率，2016年2月29日成像)

图4 GF-1遥感影像增强效果对比(16 m分辨率，2016年2月8日成像)

图5 Landsat 8遥感影像增强效果对比(30 m分辨率，2015年3月18日成像)

3 真彩色增强影像在生产建设项目监管中的应用

卫星遥感技术是生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的重要技术手段，卫星遥感影像是开展生产建设项目水土保持监管的重要基础数据。真彩色增强影像可以作为生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的标准影像，广泛应用于监管的各个工作环节[6]。

(1)在水土流失防治责任范围上图中的应用。通常收集到的生产建设项目水土流失防治责任范围图为纸质图或CAD图，缺乏地理坐标信息，不能直接进行数字化上图工作。利用经正射校正和地理配准的真彩色增强影像，在遥感影像和防治责任范围图中选择相匹配的特征控制点，对防治责任范围图进行地理配准，得到具有准确地理坐标信息的图件后，再对防治责任范围边界进行数字化处理，从而得到可与生产建设项目扰动范围矢量图进行空间叠加分析的防治责任范围矢量图。

(2)在遥感解译标志库建立中的应用。建立全国不同地域、不同项目类型、不同建设阶段、不同影像源的生产建设项目遥感解译标志库，对于生产建设项目水土保持“天地一体化”监管工作的推广应用意义重大。我国国土范围广，南北方、东西部和不同季相的地物影像特征差异较大，为了便于推广应用，要求遥感解译标志库所采用的遥感影像标准统一、信息丰富、色彩自然，从而能有效降低地域和季相不同造成的地物特征差异，而真彩色增强影像能够很好地满足上述要求，可以用于建立生产建设项目遥感解译标志库。

(3)在水土保持状况解译中的应用。真彩色增强影像信息丰富、层次分明、纹理细节明显、色彩自然易识别，可用于不同尺度的生产建设项目水土保持状况遥感解译，适用于面向对象计算机自动分析与人机交互式解译等各种解译方法，满足生产建设项目扰动范围和水土保持措施解译对不同空间尺度遥感影像的信息增强要求。

(4)在水土保持现场调查中的应用。目前生产建设项目水土保持现场调查方法有移动采集设备作业法和纸质图表作业法，真彩色增强影像可以满足这两种现场调查作业方法的需要。真彩色增强影像色彩自然、信息丰富、地物特征明显，可作为现场调查图件和移动采集设备的影像底图，便于室内解译成果与现场实际情况的对比分析，有助于现场调查工作的高效开展。

(5)在监管成果制图与系统管理中的应用。真彩色增强影像是生产建设项目水土保持“天地一体化”监管成果图制作的优秀遥感影像底图。采用真彩色增强影像制作的成果图可视性强、信息丰富、地物特征明显，同时采用真彩色增强影像能够提升各级监管信息系统对生产建设项目水土保持“天地一体化”监管成果的应用展示效果。

4 结 语

面对生产建设项目水土保持“天地一体化”监管对遥感影像的具体需求，未进行信息增强处理的遥感影像存在地域和季相特征差异大、色彩不自然、波段相关性高、地物“同物异谱”和“异物同谱”现象突出等问题，难以满足生产建设项目监管对遥感影像使用的需要，因此有必要对遥感影像进行信息增强处理。本研究采用融合增强方法对真彩色影像进行信息增强。经信息增强后的真彩色增强影像，色彩自然、符合人的视觉习惯，具有信息丰富、层次分明、细节突出、季相差异小等优点，并且突出了植被、建筑、水域、裸露地表和扰动地表等目标对象的影像特征，影像质量和色彩效果明显优于增强前的遥感影像，可以作为生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的标准影像，广泛应用于水土流失防治责任范围上图、遥感解译标志库建立、水土保持状况解译、水土保持现场调查、监管成果制作与系统管理等监管工作的各个环节。

[1] 刘震.总结经验 开拓创新 不断推进水土保持监督管理工作新发展[J].中国水土保持,2010(3):1-3.

[2] 李智广,王敬贵.生产建设项目“天地一体化”监管示范总体实施方案[J].中国水土保持,2016(2):14-17.

[3] 王广杰,周介铭,杨存建,等.基于不同算法的遥感影像融合分析[J].四川师范大学学报:自然科学版,2011,34(2):255-259.

[4] 李国,张俊,龚志辉.彩色遥感影像色彩保持直接线性增强方法[J].地理空间信息,2012,10(5):47-49.

[5] 陈春华,苏逸平,邹崇尧.WorldView-2遥感影像融合方法实验研究[J].地理空间信息,2013,11(6):72-74.

[6] 邝高明,亢庆,刘超群.基于高分辨率遥感和GIS的生产建设项目监管技术及示范[J].人民珠江,2016,37(4):97-101.

(责任编辑 李杨杨)

水利部预算项目(1261620610102)；水利部综合事业局拔尖人才培养专项资金研究项目(20150608-01)

TP79；S157

A

1000-0941(2016)11-0013-04

刘超群(1980—)，男，湖南新宁县人，高级工程师，硕士，主要从事水利遥感应用与水土保持等研究工作。

2016-09-26