地理国情监测中变化监测若干技术问题研究

程 滔，陈会仙

（1.国家基础地理信息中心，北京 100830；2.国家测绘地理信息局地图技术审查中心，北京 100830）

地理国情监测中变化监测若干技术问题研究

程 滔1，陈会仙2

（1.国家基础地理信息中心，北京 100830；2.国家测绘地理信息局地图技术审查中心，北京 100830）

针对地理国情监测中变化监测技术问题，从基于遥感数据的地表覆盖变化监测与地表形变监测两个方面展开研究，综合分析了各技术的发展现状和特点。结合地理国情监测使用的数据源以及地理国情普查构建的本底数据库成果优势，总结了各优化算法在地理国情监测中的应用模式和工艺流程，并提出了以分类前直接比较法进行地表覆盖变化监测和以小基线集差分干涉测量进行地表形变监测的技术路线，为地理国情相关监测工作提供技术参考。

地理国情监测；变化监测；地表覆盖；地表形变；空间分析

地理国情监测涉及的理论知识密集、技术融合度高，是测绘转型与遥感应用发展的新方向，为学科发展、理论研究和技术创新创造了新的空间和机遇，成为近年来的研究热点。地理国情监测从概念的提出，到项目逐步实施和稳步推进，已经越来越受到国内、外政府部门和研究学者的广泛关注，其影响力也在不断增强。在地理国情监测动态变化研究方面，遥感技术是最为经济有效的手段[1]，本文将主要讨论基于遥感数据的地表覆盖变化、地表形变等方面的监测技术。

1 遥感变化监测研究动态

1.1 地表覆盖变化监测

基于遥感数据的地表覆盖变化监测，从研究对象角度，可分为基于像素的变化检测和面向对象的变化检测；从数据处理过程角度，可分为分类后比较法和分类前直接比较法[2]。

基于像素的变化检测主要是利用各地表覆盖类型在遥感数据中丰富的光谱信息，计算每一个像素多个时相间的差异，从而提取变化信息。该方法适用于光谱分辨率高的遥感数据，在此条件下，其空间分辨率可以适当降低，如MODIS、TM等。李月臣[3]等采用TM、SPOT等遥感数据，利用不同时期影像光谱特征值差异提取了土地覆盖的变化区域、变化类型等信息。面向对象的变化检测是随着遥感数据空间分辨率的提高而诞生的新方法。它不仅利用了光谱信息，而且充分利用了高分辨率遥感数据纹理、形状等综合特征来提取变化信息。首先将遥感数据进行分割，计算各波段光谱异质性与形状异质性的综合特征值，设置一定的阈值，将遥感数据分割为若干对象；然后计算每个对象多个时相遥感数据间的差异，从而提取变化信息。该方法在高空间分辨率遥感数据中应用较多，如WorldView、IKONOS等。李亮[4]等使用QuickBird遥感数据进行实验，提出了一种基于时空关系的遥感影像变化检测及类型识别方法，通过影像分割获取图斑，利用面向对象的影像分类和图斑比较，获取变化检测结果。

分类后比较法是运用统一的分类体系，对多时相遥感数据中的每一时相数据进行单独分类，通过比较分类结果直接提取地表覆盖的变化信息。该方法简单明晰，可直接确定地表覆盖变化发生的类型，但无法探测存在于某一种地表覆盖类型内部的细微变化，且每一单独分类中的误差在空间比较过程中会被进一步放大。分类前直接比较法是通过对不同时相遥感数据的光谱差异进行直接分析，探测出像素或对象的细微变化。该方法可避免分类后比较法中分类误差累积对变化检测精度的影响。

现有的地表覆盖变化检测主要使用距离指数、相似性指数等来比较特征差异，并在具体实现过程中，根据遥感数据和其他专题数据的丰富程度，增加必要的维度信息，通过设置变化检测指标阈值，判断区域地表覆盖类型是否发生变化[5]。

基于遥感数据的地表覆盖变化监测，在遥感数据处理方面均需进行如下处理：①对基础资料进行处理，主要对遥感数据、控制资料以及DEM数据进行处理，统一数学基础，为遥感数据后续处理提供完整、可靠的基础资料；②遥感数据地形纠正，利用获取的控制资料，结合处理后的DEM数据，对不同时相的遥感数据进行地形纠正；③不同时相遥感数据配准，以单一时相遥感数据为基础，对其他时相遥感数据进行配准；④地表覆盖变化发现，采用变化发现算法从纠正、配准后的不同时相遥感数据中提取地表覆盖变化信息；⑤变化信息统计、分析，利用变化发现的结果，统计、分析变化地物的类型、范围、面积等。

很多学者将以上多种方法进行综合、交叉应用，相互补充和验证，取得了较好的效果，这也是基于遥感数据的地表覆盖变化监测的发展趋势。

1.2 地表形变监测

卫星雷达的不断发射，为InSAR技术的应用提供了丰富的数据源。近些年，InSAR技术被广泛应用于地表形变场探测、速度场探测和地形制图等领域，在地震形变、地面沉降、山体滑坡等研究中取得了很多重要的应用成果[6-7]。然而，常规InSAR技术也存在局限性，主要表现为时间去相干和空间去相干因素导致SAR图像对同名像素之间相干性大幅降低，使得适合于作干涉处理的SAR图像对数量受到很大限制。因此，研究学者提出了一些新的算法，以解决常规InSAR技术存在的问题。具有代表性的有Ferretti A等提出的永久散射体InSAR（PSInSAR）算法，该算法主要利用永久散射体目标在空间基线距的长度超过临界基线距的情况下也能保持相干的特性，充分利用长基线距的干涉图像对，最大限度地提高数据的利用率，实现InSAR技术对低相干区的地表形变监测。Ferretti A最初利用PSInSAR算法来监测意大利Ancona地区的滑坡形变。该地区地表比较稳定，年平均运动速度小于10 mm，但时间去相干较严重，研究中共使用了34景ERS数据，得出结论为：该地区滑坡不稳定体上PS点的运动速度约为3 mm/year[8-9]。

随着对PSInSAR算法研究的深入，研究学者在PSInSAR算法理论的基础上，提出了一种更为高效的地表形变监测算法，即小基线集干涉测量（SBASInSAR）算法。该算法的核心思想是利用小基线干涉像对组合，增大单一主影像条件下干涉纹图的数目，降低空间失相干对干涉纹图的影响。其与PSInSAR算法的主要区别在于，它所需要的SAR数据数量稍少一些，且主影像不止一个，这样有利于增大干涉纹图数目，缩短SAR数据获取周期。SBAS-InSAR算法也是目前InSAR技术监测地表形变的研究热点和发展趋势。Casu F[10]等于2005年利用SBAS-InSAR算法测量了意大利Naples湾和美国LosAngeles的地表形变，并与常规方法进行了比较，证明了其优势。

基于高相干性散射体的InSAR地表形变监测，在SAR遥感数据处理方面均需进行如下处理：①时间序列SAR数据配准；②干涉处理；③输入外部DEM，对数据进行差分干涉处理；④获取时间序列差分干涉纹图系列；⑤时间相干性估算；⑥对高相干性散射体点进行相位解缠；⑦建立分析模型，得到实验区形变信息，包括形变量、形变速率等[11]。

2 应用模式建议

地理国情监测是一项综合性强、理论水平高、技术面广的项目，在地理国情变化发现、统计、分析技术体系的构建过程中，需要针对地理国情监测使用的数据源以及在地理国情普查阶段建成的本底数据库的内容与特点，研究技术实现的难点，评估各项技术在地理国情监测的适用性，制定相应的工艺流程和技术应用模式。

2.1 本底数据库

地理国情监测使用的数据源为高分辨率遥感数据，一般具有蓝、绿、红、近红外4个波段，具备构建NDVI、NDWI等指标的条件。

基于高分辨率遥感数据的地理国情普查本底数据库，将在第一次全国地理国情普查中建成，主要包括遥感影像数据、精细化DEM数据、地表覆盖数据、地理国情要素数据、元数据、遥感解译样本数据等，各类数据均具有相应的元数据，并以栅格、矢量、数据表等形式存储，能够为变化信息提取提供丰富的本底数据。

2.2 地表覆盖变化监测

本文在研究过程中，开展了大量实验工作，通过比较基于不同分辨率的遥感数据（30 m分辨率TM、5 m分辨率RapidEye、1．88 m分辨率WorldView2、1 m分辨率航片等）、不同地域（城市、山区）、不同地表覆盖类别（水域、植被、建筑区等）的变化检测方法发现，分类前直接比较法在变化检测方面具有很好的适用性，在监测地表覆盖变化方面具有很好的应用潜力，能够全面地发现可疑变化信息。

因此，在地理国情监测项目中，可采用分类前直接比较法进行地表覆盖变化信息的提取。在技术流程方面，结合本底数据库中的遥感影像数据、精细化DEM数据以及地表覆盖数据，可先对新时相遥感数据进行正射纠正等预处理；然后将其与本底数据库中的遥感影像数据进行精确配准，通过二者的对比分析，设计变化检测指标及阈值，得到地表覆盖变化发生的空间位置，从而缩小新时相遥感数据的分类范围；再将其与本底数据库中的地表覆盖数据进行空间叠置分析，可得到变化发生的类型信息。技术流程如图1所示。

图1 地表覆盖变化监测技术流程图（分类前直接比较法）

地理国情监测使用的数据源较多，可根据实际情况，对该方法和技术流程进行优化，如增加NDVI、NDWI等维度信息，增强异质性，以满足实际需要。

2.3 地表形变监测

地表形变的诱发因素很多，如地震、滑坡、泥石流等自然地质灾害以及地下工程建设、地下矿产开采、地下水破坏等人为因素。目前，PSInSAR算法在地表形变监测中已经产生了社会效益；然而，由于高分辨率雷达数据价格昂贵，PSInSAR算法一般至少需要25期数据才能得到可靠的计算结果，且计算速度较慢，因此只能在极少区域得到应用，无法全面铺开。而SBAS-InSAR算法融入了PSInSAR算法思想，且能在15期左右数据积累的条件下，计算得到可靠的结果。因此，在地理国情监测项目中，可采用SBAS-InSAR算法进行地表形变信息获取；当数据积累到更多时，可采用PSInSAR算法进行监测，从而能够兼顾效率与效益，形成适用的监测模式。SBAS-InSAR算法监测地表形变的技术流程如图2所示。

图2 地表形变监测技术流程图（SBAS-InSAR算法）

SBAS-InSAR算法在地表形变监测方面表现出较好的适用性，能在地理国情监测中发挥重要作用。本文归纳总结的技术方法，可为地理国情监测项目相关监测工作提供参考。

3 结 语

地理国情监测与人们日常生活和社会经济发展密切相关，监测内容涉及测绘地理信息行业的多个方面，所使用的技术均为各领域近年来研究得到的最先进、最可靠的成果。本文分析了各技术的发展现状与特点，总结了各优化算法在地理国情监测中的应用模式和工艺流程；并结合地理国情监测在普查阶段构建的本底数据库资源，提出了以分类前直接比较法进行地表覆盖变化监测和关于小基线集差分干涉测量进行地表形变监测的技术路线，为地理国情相关监测工作提供了技术参考。

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P237

B

1672-4623（2017）01-0005-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.002

程滔，硕士研究生，高级工程师，主要从事地理国情监测技术研究、地表覆盖信息提取与变化监测方法研究、摄影测量与遥感影像数据处理与应用开发等工作。

2015-09-11。

项目来源：地理国情监测专项资助项目（12-ZX-Z02-46）；地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目（2014NGCM08）。