遥感技术在天津市货运源头核查中的应用研究

蒋鑫涛 林时金 罗卿莉

(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072； 2.天津市公路事业发展服务中心，天津 300074)

1 概述

超载和超限是指货运车辆载货长度、宽度、高度和载货质量等超标的一种违法行为。一些企业及运输人员为了获取更多利益，会尽可能提高货车一次运输货物的装载量，从而导致超载超限现象的出现。超载、超限不仅严重危害公路安全运输，还会加剧路面及桥梁的损坏速度[1]。相关部门每年都要投入大量的人力、物力用于监管及维护。相较于直接惩处超载超限货车司机，加强货运源头监管工作针对性更强，可从根本上减少超载超限货车的数量，从而避免超载、超限带来一系列安全隐患[2]。

货运源头种类众多、数量庞大，且分别属于不同行业部门，其中，水泥、砂石等货运源头监管一直是薄弱环节。为有效对货运源头进行监管核查，实现从源头对超载超限现象进行打击，国内各省交管部门采取了不同的方法，云南省利用人工监管的方法对大型、重点货运源头派驻人员进场监督管理，对货运源头采用定期检查[3]；安徽省利用在源头附近出入口实施定点监测，实施定点监测可以实现对多个单位的监测[4]；湖南省利用建立重点货运源头的监管台账，同时引导源头单位安装称重和监控设备并接入治超信息管理平台[5]。

然而，现有已登记监管源头存在超载超限行为较少，而非法行为大多来源于相关信息较少的非法货运源头，对重点区域货运源头进行全面调查和监管很有必要[6]。遥感监测技术具有监测范围大、时效性强、受地面限制少等特点。将遥感监测技术应用于货运源头核查，可充分利用遥感技术优势，解决货运源头数量多、不易核查监管，部分非法源头隐蔽、不易确定位置信息等问题[7-8]。

2 研究区域及研究方法

2.1 研究区域

本次研究试验地点为天津市蓟州区，该区存在较为严重的超载超限现象，是天津市“治超”重点区域之一。蓟州区总面积为1 590 km2，试验区面积为951.59 km2，占全区总面积的59.76%，试验区内包含城区和山区。天津市蓟州区的遥感影像为9景全覆盖，取主要的4景进行数据处理工作。利用我国高分二号卫星(1 m，4景)获取天津市蓟州区的遥感影像[9]，试验区和遥感影像覆盖情况如图1所示。

2.2 正射影像制作

受传感器内部状态变化、外部状态及地表状况的影响，均会造成原始遥感影像的程度不同畸变和失真，无法直接用于分析。为使影像满足分析的要求，需对原始影像进行正射纠正、影像配准与融合、镶嵌等一系列操作，以制作相应的正射影像。正射影像流程如图2所示，实验获取的正射影像是具有正射投影性质和一定几何精度，并具有色调均匀饱满清晰、反差适中、现势性强、信息量完整丰富、易读取、数据结构简单便于量测、更新周期短、低成本高效率等优点[10-12]。制作的两期天津市蓟州区正射影像如图3所示。

图2 正射影像制作流程

图3 天津市蓟州区正射影像

2.3 解译标志建立

对制作的两期正射影像进行变化检测，采用直接比较法，对比两期影像获取地表地物变化情况[13]。为更好利用变化检测结果进行源头核查研究，需要使用货运源头对应的遥感解译标志用于解译分析。遥感解译标志能够帮助识别目标及其性质和相互关系[14]，在实现遥感人机交互工作中可发挥重要的参照作用。然而，目前尚无公开可用的货运源头遥感解译标志，基于变化区域在遥感影像上表现出的不同特征，结合变化区域周边环境分析，建立货运源头解译标志，再对变化的货运源头进行目视解译，解译标志见表1。

表1 货运源头类型解译标志

解译标志一般用于变化区域的分类，将确定的货运源头分为疑似开采点、沙石囤积点、大型建筑工地、疑似货运源头4大类。解译结果示意如图4所示。

2.4 遥感解译专题图制作

通过货运源头变化区域遥感解译的结果，进行专项图件制作，变化检测专题示意如图5所示，具体流程如下[15-16]。

图5 变化检测专题示意

(1)源头区域划分：根据区域影像的特征进行源头区域以及源头变化区域的勾勒。

(2)影像截取：选择合适尺寸合适角度截取源头区域的正射影像，包括较为详细的周边环境信息。

(3)图面整饰与出图：添加图名、图例、比例等要素，按相关要求进行图面的整饰，导出专项遥感解译结果。

2.5 样点数据分级方法

为更好利用遥感监测数据确定核查的优先级，有效提高核查效率。制定与本次研究目的相符的分级标准，对蓟州货运源头监测重点区选取的60个样点进行分级。

源头治超工作重心主要放在疑似货运源头、疑似开采点、沙石囤积点3类源头上。样点分为一到三级，用红色标签表示一级区域，蓝色标签表示二级区域，绿色标签表示三级区域。其中一级区域为发生较大变化且变化性质符合非法货运源头特征的区域，进行外业核查的优先级最高，样点分布情况如图6所示。

图6 样点分布情况

首先对已有的源头数据进行筛选，本次研究重点目标为非法的货运源头，大型建筑工地一般不涉及非法的开采活动，统一定为第三级；开采面积减少的区域存在开采活动的概率较小，这些区域也列为三级。数据筛选中，变化率超过60%以及变化面积超过10 000 m2的样点。计算过程中，新增变化区域记变化率为100%，开采施工痕迹消失区域记变化率记为-100%。

筛选结束后，再对剩余数据进行分级，分级标准结合变化率和绝对变化面积数据，对两组数据进行加权计算，通过比较加权的结果进行分级，内容如下。

(1)归一化去量纲

对序列x1，x2，…，xn进行变换，其中，x1，x2，…，xn为不同样点对应的数据，n∈[1，60]，有

(1)

其中yn∈[0，1]，为对应数据去量纲后的结果。将变化率和绝对变化面积分别代入xn，对变化率和绝对变化面积进行归一化去量纲，得到对应的去量纲序列。

(2)加权计算

变化率去量纲序列表示为an；绝对变化面积去量纲序列表示为bn；通过两者数据重要性分析，重要性大的权重大，并将去量纲后的序列乘以两者各自的权重，相加后得到新的序列cn，通过实验分析确定变化率权重取0.2，绝对面积变化权重取0.8，得到最终加权公式，即

cn=0.2an+0.8bn

(2)

(3)分级

对序列c1，c2，…，cn进行降序排序，结合实际工作需要，取cn>0.025的为一级，0.025>cn>0.010的为二级，cn<0.010的为三级。

3 监测结果统计与分析

3.1 遥感影像解译结果及分析

天津市蓟州区货运源头监测情况见表2，由表2可知， 2020年货运源头现状的数量共变化8个，其中，大型建筑工地共增加4个，沙石囤积点共减少2个，疑似开采点共增加2个，新增货运源头共6个。

表2 蓟州货运源头类型分布及变化情况统计

天津蓟州重点区货运源头变化情况如表3所示，其中沙石囤积点变化23处，疑似开采点变化19处，大型建筑工地变化16处，疑似货运源头2处。另外，货运源头新增8处，非货运源头变疑似开采点2处，非货运源头变沙石囤积点2处，非货运源头变大型建筑工地4处。货运源头减少4处，分别为沙石囤积点变为非货运源头3处，大型建筑工地变为非货运源头1处。

表3 重点区货运源头变化类型统计

2019～2020年，天津市蓟州区货运源头各类型面积变化率统计情况如表4所示，其中疑似开采点面积变化小于50%的有14处，面积变化介于50%～100%之间1处，面积变化超过100%的有 3处，新增疑似开采点2处。沙石囤积点面积变化小于50%的有 11处，面积变化介于50%～100%之间的有2处，面积变化超过100%的有5处，沙石囤积点类型减少的有3处，新增沙石囤积点2处。大型建筑工地面积变化小于50%的有9处，面积变化介于50%～100%之间的有2处，大型建筑工地类型减少1处，新增大型建筑工地4处。疑似货运源头面积变化超过100%的有1处。

表4 货运源头各类型面积变化率统计

各种类型样点中，面积发生变化的占比最大，其中相对原先面积减少的共13处，相对于原先面积增加的共35处。根据图表特点分析，开采施工范围逐渐减小，开采施工痕迹逐渐消失的区域为货运源头的概率较低，根据两期影像获取的信息确定新增以及开采施工面积增加的大概率为近期发生工业活动的区域。

对沙石囤积点以及大型建筑工地变化情况进行分析，认为城区楼房建设工程数量增加引起沙石使用量增长，从而导致对应两个源头点数量增加。利用遥感就技术进行对货运源头初步核查，可对货运源头有较为充分的了解，再确定核查的优先级以及可供选择的核查目标，结合需求现状分析确定核查目标的性质和存在非法行为的可能性，以避免盲目核查带来损失。

3.2 监测点分级结果及分析

基于上文提出的分级方法以及分级标准，对蓟州区重点区域选取的60个货运源头样点进行分级。首先对选取监测点数据进行变化率计算，再对变化率和变化面积变化情况基于设定值进行筛选，筛选结果如图7所示。

图7 重点区货运源头综合统计

结合上述筛选情况，对每个监测点的变化率以及变化面积进行归一化加权计算，并对最终计算结果按照分级标准进行分级，共有10个一级样点，15个二级样点以及35个三级样点。重点区不同类别货运源头等级分布情况如图8所示。一级货运源头主要集中沙石囤积点和疑似开采点。其中，疑似开采点大部分为山区属于人工不易监管的地段，对应监测点存在非法的开采行为概率较大。实际核查工作中，应当首先考虑对该类一级样点进行核查，制定相关方案并采取有效措施，从而实现治超的目的。

图8 重点区货运源头等级分布统计

4 结论

以天津市蓟州区货运源头为研究对象，实现遥感监测技术在货运源头核查中的应用。通过变化检测掌握重点区的货运源头整体情况，确定货运源头现状以及季度变化情况；建立货运源头的解译标志实现变化区域详细分类；基于分类结果建立符合项目要求的分级标准，以及确定核查优先级；利用遥感监测全面、高效的优势，确定部分位置偏僻、难以发现的非法开采点以及非法货运源头单位。研究表明，遥感检测应用于货运核查能有效减少相关部门人力、物力以及财力的支出，提高执法效率和准确度。