基于低空正射影像的村庄动态监测研究

高云华�┝跎荷� 王建雄 陈颖　边琳 郑宏刚

摘要：无人机遥感技术由于自身的优越性正被逐步推广应用。为探讨一种高效、快速对村庄土地利用变化进行监测的方法，从而获取村庄土地利用变化信息，本试验以高分辨率无人机所获取的正射影像为基础，通过对影像进行傅立叶变换提取变化信息，对比分析了云南省寻甸县泽铁村2015―2016年土地利用变化。结果表明：2015年，泽铁村农村宅基地分布零散，存在大量闲置、废旧房屋，基础设施建设落后，农村道路、沟渠分布不合理等造成严重的土地资源浪费；2016年，泽铁村建设用地显著增加，宅基地分布更加集中，閑置、废旧建筑已拆除，道路、坑塘、沟渠修建更加完善、布局更加科学，显著改善了“空心村”的现象。基于傅里叶变换对低空正射影像进行土地利用信息提取，能够快速有效地对村庄土地利用动态进行监测。

关键词：低空正射影像；土地利用变化；村庄；动态监测；无人机遥感技术

中图分类号：S127：F301.2 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2017）04-0138-05

Research on Village Dynamic Monitoring

Based on Low Altitude Orthophoto

GaoYunhua1，2， Liu Shanshan2，3， Wang Jianxiong3， Chen Ying1，2， Bian Lin2，3， Zheng Honggang1，2

（1.Engineering Research Center of Science and Technology of Land and Resources， Yunnan Agricultural University，

Kunming 650201， China； 2.College of Hydraulic Engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China；

3.Geographic Information System and Remote Sensing Laboratory， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China）

Abstract UAV remote sensing technology is being gradually applied because of its own superiority. In order to obtain the land use change information in village， one method was established based on the orthophoto images obtained by the high resolution UAV. Using the Fourier transform to extract the image information， the comparative analysis was conducted on Zetie Village， Xundian County， Yunnan Province， in 2015-2016. The results showed that in 2015， the rural homestead of Zetie Village was scattered； there were a lot of idle and waste houses； the infrastructure construction was backward， and the rural roads and ditches were irrational and so on. In 2016， the homestead significantly increased and its distribution was more concentrated； the idle and abandoned buildings had been demolished； the roads， pits and ditches were built more perfectly with more scientific layout， so the “hollow village” phenomenon was significantly improved. In conclusion， to extract the land use information through Fourier transform based on low-altitude orthoimage image could quickly and effectively monitor the land use dynamics of villages.

Keywords Low-altitude orthophoto； Land use change； Village； Dynamic monitoring；UAV remote sensing technology

随着农村城镇化进程的加快，土地资源日益紧张，大量闲置、废旧的房屋及落后的基础设施建设等带来的问题已经造成严重的土地资源浪费，村庄土地利用现状与发展方向引起越来越多人的关注[1-3]。及时、准确地掌握村庄土地利用现状与变化对政府决策以及各级土地管理部门对土地利用规划的实施起着至关重要的作用[4，5]。

遥感技术作为一种能够快速、高效获取地面信息的高科技技术手段深受人们喜爱，高分辨率卫星、航空遥感技术已在土地监测方面成功运用。影像空间分辨率影响着对影像地物的提取效果，空间分辨率越高，地物像元的纯净度以及轮廓清晰度越高，提取效果越好[6]。随着土地监测对影像提取效果要求的提高，低成本、机动灵活且具有更高的空间分辨率成为遥感技术的重要发展方向[7-11]。而日益成熟的无人机遥感技术迎合了这一需求，不仅能对土地利用变化进行快速高效、低成本的动态监测，还能获取更加丰富的空间信息和细节以及更突出的地物结构特征、纹理信息和分布情况[12-15]。无人机遥感技术的发展与应用可为今后对土地利用变化进行空间分析、动态监测等研究提供更丰富、实时、准确的信息。本研究通过将无人机获取的村庄低空正射影像进行傅立叶变换，提取了昆明市寻甸县泽铁村的土地利用分类边界信息，分析了该村庄的土地利用变化情况，可为今后村庄动态监测提供参考。

1 数据获取

1.1 研究区概况

以昆明市寻甸县泽铁村为试验区，地理坐标为东经103°08′～103°11′、北纬25°31′～25°33′，地处昆曲绿色经济带（即昆明-曲靖绿色经济示范带，将建成带动全省、面向全国、辐射东南亚和南亚周边国家和地区的农产品物流集散中心、农产品精深加工中心、绿色食品生产加工中心、农业博览会展中心和特色优势农产品研发推广中心，以引领全省绿色经济和高原特色农业大发展），村庄总面积为14.51 hm2。该村庄近几年土地利用动态变化较大：原来闲置、废旧的宅基地被拆除、规划重建；农村道路与排水沟渠被整改重新布局；农村公共服务设施和基础设施修建更加完善；水塘最大化扩建等。本研究监测内容主要包括农村宅基地建设、农村道路建设、水利设施等地类的利用变化。

1.2 影像获取

本研究利用F1000电动无人机对试验区泽铁村共进行了两次航拍，第一次于2015年3月10日完成，第二次于2016年7月5日完成，具体飞行参数见表1。该无人机主要采用EPO和碳纤维复合材料加工而成，重量轻，强度大，可通过手抛实现无遥控器自动起飞，回收方式为无遥控器自动滑降或自动伞降。传感器设备以索尼α5100数码相机为主，也可以搭载光学胶片相机、成像光谱仪等。该系统具有几个突出的特点：①可低空、低速飞行，获取高分辨率垂直影像、倾斜影像，地面分辨率可达10 cm；②操作简便，任务设备易安装，安全性能高；③不需要專门的起降场地；④适用于城区和地形复杂地区飞行。

1.3 数据预处理

数据预处理流程为：拼接配准→点云数据→三角网格→纹理映射→三维模型→正射投影→纠正匀色→裁剪修饰。对航拍得到的初始影像数据先拼接配准，然后由影像生成点云数据，得到密集点云数据后，构建三角网格，在此基础上进行纹理的映射，便可以得到真彩色的三维模型，再选择投影的基准面，将模型进行正射投影，即可获得初始的正射影像图[16]。为了使正射影像图的精度变得更高，还需要对初始的正射影像图进行纠正、匀色以及图幅的裁剪和整体的图廓整饰等处理。经过预处理后得到泽铁村的低空正射影像如图1、图2所示，各地物边界比较清晰规则，村边园地、耕地、林场等清晰可辨。

2 影像数据处理

根据国土资源部《第二次全国土地调查土地分类》文件，将泽铁村土地利用现状进行二级类划分，主要划分为农村宅基地、农村道路、沟渠、坑塘水面、绿地5种土地利用类型。由于成像机制的原因，遥感图像往往带有一些噪声，尤其是高分辨率遥感图像具有更丰富的信息，噪声也更多，这些噪声在图像分析时通常显示出许多信号杂点，可以通过滤波处理减小或消除无关的噪声信号对图像处理分析的影响。本试验采用基于傅立叶变换的巴特沃思滤波器进行高通滤波，从而增强影像。

2.1 图像变换

傅立叶变换被广泛应用于影像数据的平滑处理、边缘增强、纹理分析、去噪声、数字水印、特征提取等过程中，以进一步提取图像特征。傅立叶变换的物理意义是将图像的灰度分布函数变换为频率分布函数。图像的频率代表的是图像中灰度变化的剧烈程度，是灰度在平面空间上的梯度。其逆变换则是将图像的频率分布函数变换为灰度分布函数[17]。图像在计算机中是以数学矩阵的形态存储着，其信号均为二维，故可通过连续两次的一维离散傅立叶变换（或反变换）来求得二维离散傅立叶变换。

2.1.1 正向变换

2.1.2 滤波器处理 这些二维信号，经过傅立叶变换可以从空域转换到频域，然后可以在频域中对图像进行平滑、锐化等增强操作[18]。在频域中可以采用低通滤波进行平滑，高通滤波进行锐化。图像频谱低通滤波在消除噪声的同时也可能滤除某些边界对应的频率分量，导致图像边界变得模糊；相反，高通滤波则让高频分量顺利通过，同时削弱低频分量，从而增强图像的细节，锐化图像。常用的频域高通滤波器有巴特沃斯（Butter-worth）高通滤波器。

巴特沃思滤波器的传递函数为：

2.2 土地利用类型边界信息提取

进行高通滤波之后的影像，边缘显著增强，纹理更加清晰。在此基础上结合GIS数据处理技术提取各类用地的边缘信息，得到各类用地的矢量数据以及土地利用分类图（图5、图6）。

2.3 监测数据对比分析

2015年，泽铁村5种地类共提取到405个图斑，包括农村宅基地斑块393个，农村道路斑块10个，坑塘水面斑块1个，沟渠斑块1个；2016年，泽铁村5种地类共提取到357个图斑，包括农村宅基地斑块331个，农村道路斑块17个，坑塘水面斑块1个，沟渠斑块8个（表2）。

两年间比较，①2016年农村宅基地斑块数明显减少，占地面积比例从13.30% 提高到17.44%，主要是闲置、废旧房屋修整，住宅地质量更高，人均住宅面积显著提高。②农村道路斑块数2016年增加7个，占地面积比例从7.44% 提高到9.61%，表明交通水平更加完善。③沟渠斑块数由2015年的1个增加到2016年的8个，占地面积比例从0.27% 提高到1.69%，表明生活用水随意排放的问题得以解决，生活环境明显改善。④水塘最大化扩建，占地面积比例从2015年的8.06% 提高到2016年的8.34%，可为生活、农业等提供更多的用水。⑤其他占地面积比例从2015年的70.97%减少到2016年的63.02%，经过实际考察，减少的大部分为未利用的空地，绿地很少有改变，这有利于提高村庄土地利用效率和人们生活水平，促进经济发展。

3 讨论与结论

3.1 无人机遥感影像在农村土地利用变化监测方面应用具有巨大的优势和广阔的前景，与其他遥感技术相比，具有灵活机动、高效快速、成本低、分辨率高等优点，获取的影像通过基于傅立叶变换的滤波后，纹理及边界信息增强，结合GIS数据处理技术提取后效果更好。无人机遥感技术的发展与应用可为今后对土地利用变化进行空间分析、动态监测等研究提供更丰富、实时、准确的信息。

3.2 本研究结果表明：2015年泽铁村存在农村宅基地建设分散、大量土地闲置、基础设施建设落后且布局不合理、生活用水无处排放等一系列问题。2016年泽铁村很大程度上改善了空心化的现象，农村宅基地分布集中，闲置、废旧建筑房屋拆除重新规划，道路与沟渠修建完善、布局科学，水塘得到进一步扩建。

3.3 本试验区的地块面积较小，低空正摄影像所获取的分辨率较高，各类用地轮廓清晰可辨，监测效果较好。但对于地势复杂、面积较大、土地利用类型复杂的地区，这种方法的适用性还需进一步研究。

参 考 文 献：

[1] 龙花楼. 论土地整治与乡村空间重构[J]. 地理学报，2013，68（8）：1019-1028.

[2] 刘彦随， 刘玉， 翟荣新. 中国农村空心化的地理学研究与整治实践[J]. 地理学报，2009，64（10）：1193-1202.

[3] 刘彦随，刘玉. 中国农村空心化问题研究的进展与展望[J]. 地理研究，2010，29（1）：35-42.

[4] 黄福奎. 论遥感技术在土地利用动态监测中的应用[J]. 中国土地科学，1998，12（3）：22-25.

[5] 李天峻，阎君，李伯衡. 遥感综合时空信息在土地利用动态监测中的应用概述[J]. 国土资源遥感，1997（2）：39-42.

[6] 汪权方，许纪承，陈媛媛，等. 遥感影像空间分辨率对居民地信息提取的影响[J]. 资源科学，2012，34（1）：159-165.

[7] 刘淑慧. 无人机正射影像图的制作[D]. 南昌：东华理工大学，2013.

[8] 冯圣峰. 无人机正射影像无缝拼接的研究[D]. 南昌：东华理工大学，2013.

[9] 魏涌，毕凯. 低空无人机航摄系统在正射影像制作中的应用[J].铁道勘察，2014（2）：17-19.

[10]荆平平. 无人机影像获取与信息提取应用研究[D]. 北京：中国地质大学，2014.

[11]赵翔.基于无人机航摄DOM生成技术的研究与应用[D]. 南昌：东华理工大学，2015.

[12]臧克，孙永华，李京，等. 微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用[J]. 自然灾害学报，2010，19（3）：162-166.

[13]李德仁，李明. 无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J]. 武汉大学学报，2014，39（5）：506-513.

[14]程昌秀，严泰来，朱德海，等. 土地利用动态监测中GIS与RS一体化的变更地块判别方法[J].自然资源学报，2001，16（4）：387-389.

[15]马瑞升，孙涵，林宗桂，等. 微型无人机遥感影像的纠偏与定位[J]. 南京气象学院学报，2005，28（5）：632-639.

[16]赵明泽，申兴旺，郭明，等. 基于低空摄影测量的高精度数字正射影像图生成[J]. 工程勘察，2016（4）：45-50.

[17]王文發，刘彦保. 傅立叶变换用于图像处理时的特性分析[J]. 延安大学学报（自然科学版），2006，25（3）：22-24.

[18]高向东，赵传敏，白天翔，等. 傅立叶变换在熔池图像特征提取中的应用[J]. 焊接学报，2008，29（8）：13-16.