吉林一号高分辨率影像在城市管理中的应用

文| 朱济帅 邓广 田德宇 李海霞 胡永利 吴泰琦

1.海南长光卫星信息技术有限公司

2.长光卫星技术有限公司

3.吉林省卫星遥感应用技术重点实验室

4.海南聚能科技创新研究院

关键字：城市管理；高分辨率影像；应用场景

一、引言

随着我国城市的快速发展，城市管理已经成为一个重要且需要长期面对的问题。当前城市在发展的过程中面临以下问题：一是城市建设追求规模扩张，节约集约程度不高，违法违规建筑屡禁不止；二是近岸海域环境破坏、内陆河湖岸线不断破坏等环境问题突出；三是城市资源管理方法、管理手段滞后，非法采砂采矿层出不穷；四是自然资源管理、监控手段不足，破坏农田、林地行为时有发生[1-2]。针对以上问题，遥感技术作为一种在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知的探测技术，能够快速、准确地获取城市发展建设的有关信息[3]，既可获取城市宏观全貌和综合数据，又可获取城市街区的微观图像和基础数据，全面、高效、实时地揭示城市的发展变化，为城市管理部门提供决策支持。高空间分辨率影像数据可以满足细节管理要求，清晰反映地面地物结构、形状和纹理等比较细小的信息，在城市精细化管理中具有重要地位。高分辨率遥感卫星的城市应用已经成为国际潮流。美国、欧洲、以色列、印度、日本等主要国家和地区纷纷推出了自己的商业化高空间分辨率遥感卫星系统[4]。我国的卫星星座建设也紧随其后，特别是2014年以来，国务院正式发布了鼓励社会各类资本投资指导意见，欢迎各类社会资本投资中国的卫星商业发射、卫星应用等有关领域，我国的高空间分辨率卫星星座建设得到快速发展。吉林一号卫星星座自2015年10月“一箭四星”发射以来，已成功发射9次，在轨卫星数量达16颗。吉林一号卫星星座的拍摄覆盖能力逐渐满足用户需求，并已在农林生产、环境监测、智慧城市、地理测绘、土地规划等各领域提供了及时的遥感信息服务。

二、吉林一号高分辨率卫星概况

目前在轨的吉林一号高分辨率卫星共计13颗，最高分辨率如表1所示。吉林一号高分辨率卫星具有分辨率高、成像谱段多、重访时间短、具备快速机动能力、幅宽大等特点，其中红旗一号-H9宽幅型卫星可获取幅宽大于136km的推扫影像。

表1 吉林一号高分辨率卫星概况

三、城市管理高分辨率影像应用

1.“两违”管理

违法建筑、违法用地（以下简称“两违”）的治理是社会治理工程中的一项艰巨任务，为有效遏制“两违”行为，切实维护城乡土地和建设管理秩序，加快推进生态文明建设[5]，利用吉林一号高分辨率卫星星座对研究区域进行了大范围、高频次、持续性的监测，获取多期亚米级卫星遥感影像，通过辐射定标、大气校正、几何校正等算法进行遥感数据预处理，采用先进的深度学习算法及人工交互方式，提取建筑物的位置、数量、面积等信息，结合已有规划数据，通过空间标准化处理和叠加分析，获取建筑物变化信息，进而得到了城乡“两违”建筑的分布、数量、面积等信息产品。通过吉林一号卫星星座可以针对市县域级范围形成月度覆盖的监测频次，如图1所示是海南省文昌市会文镇在2019年9月和10月的影像，结合历史影像对比分析和与多规合一数据、土地利用现状数据进行综合分析，分别获得9月新增疑似违法建筑图斑5个，其中落入总规林地内的1个；10月新增疑似违法建筑图斑8个，其中落入总规林地内的4个。

图1 会文镇2019年9月和10月新增疑似违法建筑图斑

同时借助信息化软件手段对个人建房（含修缮）审批监管、批后建设监管、群众两违举报、工作人员巡查发现、举报核查认定、违建处置反馈、督察监管、责任追究、数据统计分析等环节进行全程信息化管理，做到责任有据可查、工作成效清晰明了，提高“两违”监管工作效率和管理水平。

2.河道蓝线管理

蓝线是指城市规划确定的江河、湖、水库、渠和湿地等城市地表水体保护和控制的地域界线[6]。利用吉林一号高分辨率卫星影像对河道蓝线内生态资源变化情况进行监测分析，能够详实地掌握水资源现状、河道破坏情况、河道“四乱”问题和区域生态环境状况，为水安全监管、水生态环境修复治理提供重要数据支撑。

研究区为伊通河流域的河道周边200m范围内，南起南溪湿地公园，北至北湖湿地公园，河道长度约为27km，流域面积约为54.08km2。利用2016年6月20日和2016年9月19日两期影像，结合分类后变化检测方法对蓝线范围的生态资源变化情况进行监测分析。根据流域实地情况，将生态资源划分为人工设施、植被、水体和裸土四大类型，分析研究区在3个月内的地物转移情况，转移地物主要集中在裸土与植被之间（见图2）。其中，裸土依次转换为人工设施、植被和水体的面积分别为2.27、5.59和0.65 km2，裸土转换为植被的区域主要集中在北湖科技区，转换为人工设施的区域主要集中在南部新城；植被依次转换为裸土、人工设施和水体的面积分别为1.21、1.20和0.83 km2，植被转换为水体的区域主要是因为水量增大，河道内的植被被水覆盖；水体依次转换为裸土、人工设施和植被的面积分别为0.19、0.08和1.90 km2，水体转换为植被的区域主要集中在北部，其中连片区域是因为该区域为水稻种植区；人工设施依次转换为裸土、植被和水体的面积分别为1.12、2.51和0.24 km2，其中人工设施转换为裸土的区域主要集中在南部新城，主要是因为该区域为伊通河治理工程重点地域，拆迁的人工设施较多。

图2 2016年6月20日至2016年9月19日伊通河流域生态资源变化情况

3.采砂采矿管理

图3 会文镇2019年9月和10月疑似违法采砂采矿图斑

非法采砂、采矿流动性强，隐蔽性高，人员背景复杂，情况多变，因此打击难度大、强度高。通过吉林一号卫星星座可以针对市县域级范围形成月度覆盖的监测频次，图3是海南省文昌市会文镇在2019年9月和10月的影像，结合历史影像对比分析，分别获得9月新增疑似违法采砂采矿图斑2处，范围扩大1处，共计3处；10月新增疑似违法采砂采矿图斑2处，范围扩大1处，共计3处。第一时间有效提取疑似违法堆沙、采砂点和采矿点，向执法员推送疑似非法采砂采矿的位置以及其他信息供核查和整改。实现快速（第一时间发现疑似图斑）、广域（文昌全境覆盖）、可靠（天、地共同取证）的监管，为依法打击非法采砂采矿专项行动提供先进技术保障，大幅度提高工作效率。

4.水产养殖区管理

我国是世界第一水产养殖大国，也是世界唯一的养殖产量超过捕捞产量的国家，而且目前水产养殖规模仍在继续快速增长中。在为满足世界水产品需求做出巨大贡献的同时，我国的水产养殖正面临着水环境状况日益恶化、社会舆论监督、政策与法规监控及水产品品质要求日益提高等各方面的压力，水产养殖日益成为当前研究热点之一。

由于海岸带陆域范围内水产养殖的便利性和经济性，大量养殖塘建设在海岸带生态保护区域内，养殖塘内氮磷超标的废水经暗管直接排入海里，海防林地被不法侵占，造成生态环境的极大破坏。而遥感具有探测范围广、获取资料速度快、周期短、时效性强、成本低、经济效益大等优点。近年来，随着遥感技术的发展，多平台、多种类、多分辨率的遥感数据为水产养殖信息获取提供了契机，利用遥感影像可以快速识别和定位养殖塘，包含每个养殖塘的边界轮廓信息，并且含有具体的地理信息。

通过吉林一号卫星星座可以针对市县域级范围形成月度覆盖的监测频次，图4是海南省文昌市会文镇在2019年9月和10月的影像，结合历史影像对比分析，利用基于实例分割的遥感影像养殖塘检测方法，分别获得9月露天水产养殖区共计6060处；10月露天水产养殖区共计5864处，从图像分析可知，露天水产养殖区分布在沿海区域；由于海水水产养殖的不规范化，导致尾水肆意乱排，在政府的引导和治理下，有序关停196处水产养殖区，同时水产养殖区正在向集中化和规模化发展，摸清区域的水产养殖区的空间分布可为养殖塘监管、保护海岸带生态环境提供决策支撑和依据。

图4 会文镇2019年9月和10月露天水产养殖区分布

5.住宅地产选址管理

住宅地产的开发建设是许多房地产开发商的重要盈利项目，在住宅地产项目的开发建设过程中，项目选址是其中的关键一环，不仅影响到项目的投入，也很大程度决定了项目的收益。房地产开发商对于某个住宅地产项目的选址通常都是依据行业经验来决定，主观性、片面性较强。

以高分辨率卫星为基础，结合土地利用规划图、土地利用现状图、分期开发规划图、道路交通规划图、公共交通规划图、基础教育设施规划图、居住区级公共服务设施规划图、建筑高度控制图、开发强度控制图等数据，综合考虑指标的可操作性与科学性，并与房地产行业相关专家商讨后，使用层次分析法（AHP），确定了包括地质条件、地形条件、配套设施、基础设施、区域价值、生态环境及拆迁成本等11个准则层、包括与污染源距离、绿地面积、与水域距离、地块面积、建筑高度、容积率、土地利用现状类型、拆迁建筑面积等34个指标层，建立海口市海秀片区住宅地产开发建设选址的评价模型。根据海口市海秀片区控制性详细规划修编中的分期开发规划图，选择“近期开发(2018-2025)”的地块，提取可用于住宅地产开发建设的“住宅用地”、“商业住宅混合用地”、“商业办公住宅混合用地”地块，共计18个，作为研究对象。分析结果如图5所示，位于椰海大道与海榆中线交界处、万达广场对面的地块，最适合地产开发商进行竞标，而位于南海大道周边的地块，由于地块较小、拆迁成本高等原因，在同等条件下不适于开发商进行竞标。

图5 住宅地产选址结果

6.城市建筑物限高管理

根据太阳高度角、太阳方位角、卫星高度角及卫星方位角之间的关系，可利用阴影与建筑之间的关系，估算建筑物高度[7]。根据阴影的形状特征、光谱特征及空间特征信息，自动化地从遥感影像中提取阴影区域，并计算阴影长度。图6为基于吉林一号高分辨率影像提取的阴影区域，建筑物的阴影可完整准确地提取出来，为建筑物高度估算奠定基础。

图6 2016年6月20日建筑物阴影提取结果

对阴影提取的建筑物高度与收集到的关于研究区的一些信息可进行精度验证。由图7可知，利用建筑物的阴影对建筑物高度进行估算的结果与理论楼高的整体趋势是一致的，除了11、17、20、47、50五栋建筑物的误差大于4m之外，其他建筑物的高度误差都控制在4m以内。因此，利用建筑物阴影进行建筑物高度估算是可行的，可以为城市三维建模及城市限高等方面工作提供支撑。

图7 建筑物估算高度与理论楼高的分布情况

四、总结

高分辨率卫星影像是辅助城市发展决策的重要帮手，结合长光卫星技术有限公司现有技术，利用卫星广域覆盖快速响应能力和全域详查的技术优势，通过影像的快速处理分析和智能解译，在自然资源普查、城市部件普查、城市规划监管、生态环境评价、城市空间形态演变、城市绿化建设、灾后救援等多方面进行全方位的监测，将有效补充现有监测手段，将常规的点位监测形式，拓展为对研究区面域监测，使城市管理从空间尺度和时间尺度都取得了极大进步，为城市规划设计提供精确的科学依据，为推动城乡一体化发展、生态文明建设及智慧城市的建设提供重要支撑。