高分二号卫星数据在土地变更调查与遥感监测中的应用研究

浙江省土地勘测规划院 敖为赳 许调娟 王友富 王建锋 关 涛

高分二号卫星数据在土地变更调查与遥感监测中的应用研究

浙江省土地勘测规划院 敖为赳 许调娟 王友富 王建锋 关 涛

表1 试验区GF-2卫星数据清单

图1 技术流程图

F-2卫星（以下简称GF-2）是国家科技专项“高分辨率对地观测系统重大专项（民用部分）”首批启动研制的重要项目，为用户提供全色分辨率0.81米、多光谱分辨率3.24米、幅宽45千米的图像数据，满足多行业用户的应用需求，打破我国高分辨率对地观测数据长期依赖进口的局面。与以往研制的遥感卫星相比，GF-2卫星具有以下特点：①高分辨率+大幅宽；②高定位精度；③5至8年长寿命；④高国产化水平；⑤高整星姿态侧摆机动能力。全国土地变更调查与遥感监测工作根据各地土地利用变化特点、管理需要，以及遥感资料的保障能力，将全国划分为四类遥感监测工作区，浙江省为一类区，属于遥感监测重点地区，采用的影像数据源分辨率优于1米。GF-2卫星数据符合浙江省土地变更调查与遥感监测工作的影像数据分辨率要求，具备应用的基本条件，研究GF-2卫星数据在遥感监测中的应用，有助于推广国产遥感卫星数据应用，减轻对国外商用卫星数据的依赖。

一、数据来源与技术路线

（一）研究区域

浙江省奉化市位于浙江省东部，宁波市区南面。奉化地貌复杂，地势由西南向东北倾斜，分属宁绍平原、浙东丘陵和滨海港湾区。地形地貌复杂，土地利用类型丰富，代表性强，对研究华东地区的典型土地利用现状和变化类型比较具有参考意义。

（二）数据源

采用GF-2卫星1A级影像产品作为原始数据，其中包括分辨率为0.81米的PAN（全色影像）数据6景，波谱范围为0.45-0.90微米；分辨率为8m的PMS（多光谱影像）数据6景，波谱范围为0.45-0.52、0.52-0.59、0.63-0.69、0.77-0.89微米，数据格式以*.tiff格式存储，具体见表1。

该研究技术路线如图1，首先对GF-2相对辐射校正产品、前时相影像及DEM数据进行预处理，然后结合土地变更调查与遥感监测工作的业务流程，分别对各个流程环节（包括影像纠正、配准、融合、裁剪、DOM制作以及变化图斑提取等）进行试验，并对提取的变化图斑与国家土地变更调查与遥感监测工作中下发奉化地区监测图斑进行对比分析，对GF-2卫星数据在土地变更调查遥感监测中的适用性进行评价分析（见图1）。

表2 全色影像纠正残差

表3 多光谱影像配准残差

二、影像数据处理

本试验首先利用GF-2数据自带的RPC文件，以二调的DOM影像为基准图，参考1∶5万DEM数据，对全色影像纠正和多光谱影像配准操作。

（一）RPC参数校正

在影像数据生产中，对于卫星影像，为了消除地形投影差，卫星数据提供商一般会在产品中附加每张像片的轨道参数模型或RPC文件，以便确定卫星摄影或扫描时的传感器姿态和位置，作为消除地面高差投影差的理论依据。RPC（Rational Polynomial Cofficients）文件是数学意义的几何成像模型，它是结合传感器的物理参数和轨道参数，并经过若干地面控制点，经过复杂的计算所得到的变换系数矩阵，在这里它的实际意义就是相当于航空像片获得外方位元素后由共线方程建立起来的光束模型，然后利用DEM进行正射纠正。使用ENVI软件的MapOrthorectification Generic RPC and RSM功能，可以自动识别GF-2数据自带的RPC文件，利用RPC文件的校正参数，分别对全色和多光谱的影像数据进行正射校正，初步获得具有一定几何精度的影像。

（二）全色影像纠正及多光谱影像配准

以二调DOM影像为基准影像，对全色影像进行几何校正。通过在基准影像和待校正影像上选取一定数量的地面控制点对，并利用已经处理过的该影像范围内的DEM数据，对影像同时进行倾斜改正和投影差改正。该过程中最为重要的步骤为纠正控制点对的布设和选取，控制点的精度将直接影响到影像纠正的精度，所以要选择高精度的控制点，选取在影像上目标明显、能准确定位且相对基准影像没有发生变化的地物点，首先选在道路、田埂等接近正交的细小线状地物交叉处，其次选在能准确定位的拐角和线状地物交汇处。要求控制点尽量均匀分布，尽可能地控制整景影像，完成影像纠正与配准工作。纠正结果（表2）显示，配准平均纠正残差为1个像元左右，最大平均残差不超过两个像元，配准残差（表3）平均残差在0.5个像元以内，均符合影像数据产品生产要求。

（三）影像融合、镶嵌、裁切

影像融合将低空间分辨率的多光谱图像或高光谱数据与高空间分辨率的单波段图像重采样，生成一幅高分辨率多光谱遥感图像，处理后的图像既有较高的空间分辨率，又具有多光谱特征。选用PCI软件的PANSHARP模块对配准后的影像做融合操作，为保证影像色彩质量，选择多光谱影像的全部四个波段作为参考波段。

本研究区奉化市含6幅GF-2影像数据，邻接影像之间有区域重叠。镶嵌操作采用ENVI软件的Mosaic工具完成。镶嵌过程中，注意调整影像叠放顺序，尽量将时相新、云量少、质量好的影像置于上层；在线状地物或地块边界等明显的分界线处选择镶嵌线，避免切割建筑物、田块等完整地物；以色彩丰富度较高的影像为基准对其他影像进行匀色。按奉化市辖区界线外扩1000米的缓冲区界线对镶嵌后的影像进行裁切，获得研究区DOM。

表4 各波段数据统计结果

三、影像数据质量评价

（一）定性评价

数据获取能力强，GF-2卫星使用控制力矩陀螺，配合采用了高效的控制定姿方案，具备更强的姿态控制能力，可使卫星整体围绕转动轴或是俯仰轴大角度侧摆，灵活实现对不同地面目标的观测，可在180秒内侧摆35度，重访周期只有5天。

GF-2卫星0.8米全色数据纹理清晰，地物界线明显，3.2米多光谱数据波段范围覆盖红、绿、蓝、近红外4个波段，在目视效果上，其光谱信息比较丰富色彩丰富，较为方便得到近似真彩色数据。

（二）定量评价

统计分析GF-2号与国内卫星GF-1、ZY-3卫星及国外SPOT-5全色和多光谱数据各波段的最大值、最小值、均值、标准差等特征量。最大值、最小值可间接反映影像灰度的分布范围，均值反映了影像中地物平均反射强度，标准差反映了影像信息量的大小，标准差越大说明影像所含的信息量越大。GF-2、GF-1和ZY-3的原始数据均为16位数据，从表4中可以看出，GF-2影像数据的影像灰度值分布范围最大，但均值不突出，表明GF-2影像数据的地物平均反射强度与ZY-3相似，且强于SPOT5数据，标准差数据表明GF-2数据的信息量较大，对地物的分辨能力优于其他数据。

波段间的相关程度影响着合成影像的信息量以及识别效果。相关系数越大信息重复越多，合成影像的信息也不会丰富；相关系数小，则波段间的重复信息少，合成影像的信息反映会较多。从表5GF-2数据内部各波段比较，可以看出GF-2数据第4波段与其它3个波段的相关数小于其它3个波段之间的相关系数，表明高分影像数据第4波段的独立性要好于其他波段；整体上看GF-2数据波段之间的相关系数相对其他数据较小。通过对比，GF-2数据各波段间的相关系数略小于ZY-3数据，大于SPOT-5数据，表明高分影像数据合成影像信息丰富度优于资源三号数据，但不及SPOT-5数据。

图2 影像融合示意图

（三）融合效果评价

GF-2数据可以获得0.8米全色和3.2米多光谱的融合影像，融合影像分辨率较高，影像细节清晰，地类间层次感较强，影像色彩接近自然真彩色，且融合影像色彩较丰富，融合效果整体较好（见图2）。由于原始数据部分区域模糊的原因，但仍有部分区域存在重影、模糊的现象（见图3）。

表5 GF-2波段数据相关分析结果表

图3 影像部分区域模糊现象

图4 典型变化监测图斑1（左：前时相无建设痕迹，右：后时相已建成）

图5 典型变化监测图斑2（左：前时相无建设痕迹，右：后时相堆土）

图6 典型变化监测图斑3

四、变化信息提取与评价

（一）变化图斑提取

在同一窗口中加载前时相的2013年变更调查与遥感监测工作中国家下发的1∶1万DOM数据和后时相 GF-2正射影像图，采用“拉窗帘”的方法，按照新增建设用地提取原则逐个查找变化图斑，勾绘图斑范围，再根据土地变更调查与遥感监测工作的技术要求，核对变化监测图斑属性，标注监测图斑类型，删去不合理的或者不够上图面积的变化监测图斑。提取的部分典型图斑如图4至图6所示。

本研究中，共勾绘变化图斑943个，总面积9317.4亩。删去不够上图面积的变化监测图斑后，共有图斑735个，总面积9257.0亩（详见表6）。

（二）变化图斑结果比对

将本次提取图斑与研究区2014年土地变更调查与遥感监测工作国土资源部下发监测图斑进行空间分析和属性比对，分析GF-2数据提取变化图斑的可行性。在同区域的国家下发的2014年遥感监测成果中，一共有664个图斑，总面积5047.6亩。

表6 变化图斑面积分级信息表单位：亩/个

由于本次勾绘图斑过程中，没有叠加临时用地数据层，故而勾绘的过程中没有对往年“临时用地”中仍保持原状（9A）及在原基础上进一步扩建、加高等进一步规模扩大（9B）的类型进行勾绘。除去2014年遥感监测部下发图斑中的9A和9B类图斑后，对剩余的637个图斑与本项目勾绘的735个图斑进行了叠加分析，结果显示，2014年遥感监测图斑中有534个图斑在本次专题勾绘的图斑中有体现，其余图斑在本次专题勾绘的图斑层中未体现。另外，本次专题勾绘的图斑层中431个图斑在2014年遥感监测图斑中未体现。对勾绘图斑和2014年遥感监测图斑进行空间叠加，取其相交区域，通过统计可得，两个图层相交区域面积为3795.9亩，占勾绘图斑总面积的40.7%，占2014年遥感监测图斑总面积的77.1%。

（三）变化图斑比对结果分析

由勾绘图斑和2014年遥感监测图斑的对比分析结果可知，两个图斑层存在一定比例的相同范围，也存在一定差异。总体上说，本研究采用GF-2数据勾绘的图斑在个数和面积上均大于部下发遥感监测图斑，对遥感监测图斑的覆盖度较好，覆盖率在个数上为83.8%，在面积上为77.1%，仍存在一定差异，经过对差异图斑分析，产生这种状况的原因主要有以下三个方面。

1.后时相DOM的数据分辨率不同

本研究采用的前时相数据与2014年遥感监测工作相同，但后时相的DOM数据源不同。本项目的后时相数据采用的是GF-2数据，分辨率为0.8米，根据影像处理的技术要求，最终上图的最小监测图斑面积为0.6亩。2014年遥感监测部下发的后时相数据有3种卫星数据，其中绝大部分是P1卫星数据，P1卫星分辨率为0.5米，对应的最小监测图斑面积为0.6亩；少量有云部分采用了TH1和02C卫星，分辨率为2米，最小上图面积为1亩。

本研究采用的后时相DOM数据与2014年遥感监测部下发的后时相数据的影像分辨率处于相同数量级，最小监测图斑面积要求一致。经统计2014年遥感监测图斑中面积为0.6亩的最小监测图斑共10个，均在本次勾绘图斑中有所体现。

2.后时相数据的时相不同

遥感影像只能记录静态的某一时刻某一区域的特征，不同时相的遥感影像反应的地物特征不同。体现在两个方面：同一地物在不同季节可能有不同的特征表现，植被表现尤为明显；随时间变化，地物本身已经发生变化，相应的遥感影像反应的地物也就不同。本项目采用的DOM的时相为2015年1月。2014年遥感监测部下发的DOM的时相为2014年10月和2014年11月。随着时间的推移，原有的部分建设用地可能被拆除，同时有新的建设用地产生，根据不同时相的DOM勾绘的监测图斑必定会有差异，这个差异与地区的社会经济发展程度密切相关。

由于存档影像数据有限，本项目采用的后时相数据晚于2014年遥感监测部下发的DOM数据，造成提取的变化图斑与遥感监测图斑不完全一致。

3.人工目视解译存在一定的主观性

目前遥感监测图斑勾绘主要还是采用人工目视解译。目视解译较大程度上依赖作业人员的经验，具有一定的主观性。不同作业人员对同一地物的判读会存在一定的差异，勾绘图斑的范围也会存在差异。同时，不同的作业人员在目视解译过程中也存在着漏提误提的情况。判读不一致及漏提误提也会导致最终的监测图斑数量和面积不一致。但这种情况影响的主要是小图斑提取及部分图斑勾绘范围存在差异，对提取的变化图斑总面积和变化图斑属性影响较小。

五、结论

通过GF-2卫星数据在浙江省奉化市土地变更调查与遥感监测工作的应用研究，对GF-2卫星数据质量与土地利用变化信息提取结果进行分析评价。结果表明，GF-2卫星数据影像纠正精度较高，影像内部畸变小；影像数据信息量较大，对地物的分辨能力强，波段间的相关程度低，波段间的重复信息少，合成影像信息丰富；融合影像效果好，能较清晰的表现地物纹理信息，且具有丰富的地物细节信息，边界清晰易判，无明显扫描痕迹噪声；应用GF-2卫星数据提取的土地利用变化图斑符合遥感监测成果要求且数据生产难度低，能够替代国外高分辨率卫星数据应用于一类区年度土地变更调查与遥感监测工作。