基于高分辨率卫星影像的土地执法监测研究

侯小艳

摘   要：本文针对土地执法监察的业务需求，开展了基于国产高分卫星的遥感监测应用，设计了满足应用需求的信息提取算法和应用流程，生产出疑似违法新增建设用地信息产品。通过研究，初步验证了国产高分辨率遥感影像及其变化检测技术在土地执法监察业务中的应用可行性，对国产高分辨率卫星影像在国土行业的大规模综合应用提供了较好的示范。

关键词：高分辨率卫星影像  土地执法监测  建设用地提取

中图分类号：P237                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）11（b）-0040-02

与其他监测手段相比，遥感监测具有速度快、精度高、范围广等特点，能为国土资源管理工作提供基于事实影像的、可精确测量的以及可作为基础信息的土地利用动态监测结果。随着国家高分辨率遥感专项的稳步推进与实施，中国国产卫星的空间分辨率和质量都得到了极大提高，仅以民用光学卫星为例，目前在轨且应用较广泛的有资源1号-02C（ZY-1-02C）、资源3号（ZY3）、高分系列卫星等。这些国产卫星接收的影像数据无论从“质”上还是“量”上都有了很大提升，能在国土应用领域发挥重要的作用，但同时也要求我们针对国产卫星数据自身特点和应用需求发展适用的算法。

本文监察的目标是非法新增建设用地，是指实地已新增建设的非法用地，即最终输出信息应是变化后的土地利用类型为建设用地的未规划区域。而利用高分辨率遥感技术实施变化检测能有效地提高执法监测工作水平，并快速地完成新增建设用地的发现和违法查处。

1  研究区及数据源

本文选择福建省某区域作为实验区，总面积约1000km2。该地区近几十年来发展迅速，特别是辖区东部的城市化水平较高。随着城镇化进程的推进，该地区的土地类型变化问题更具特色，尤其是城乡结合部的生态安全面临着土地利用变化带来的严重威胁。这些特点使黄岩区成为理想的建设用地变化检测研究区域。

针对需求，本文收集了1期2013年年底的WorldView-2（WV2）影像（空间分辨率为0.5m），以及1期2018年覆盖该区域的GF-2卫星融合影像（空间分辨率为1m），形成了对主城区与城乡结合部等关键区域的多期覆盖监测。由于2期影像分辨率存在差异，在变化检测之前需先将0.5m分辨率的WorldView-2数据重采样至1m分辨率，以保持影像尺度的一致性;同时，针对2期影像的色彩差异，进行了色彩归一化处理。在辅助数据方面，收集和整理了历年农转用矢量数据（涵盖了通过规划审批、合法可建的地块图斑区域）。为了使收集的各类数据在地理位置上相互匹配，对上述多源数据进行了几何与正射校正、矢量与栅格、栅格与栅格配准等预处理。

2  非法新增建设用地提取方法

如图1所示，为快速地发现地表变化信息，首先使用不同时期的高分辨率遥感影像进行变化检测。针对高分辨率遥感影像地物细节丰富、光谱易混淆的情况，引入图像分割算法提取同质对象并以此作为最小检测单元，进而依据对象光谱与纹理特征来判断变化区域。得到变化图斑后，从第2时相影像中利用像元形状指数PSI、建筑物存在指数PanTex等构建建筑物的显著特征，筛选出PSI和PanTex特征均大于其均值的对象作为后时相影像上的建设用地疑似图斑;然后，与之前获取的变化区域进行叠加分析，提取同时满足“该区域发生变化”、“该区域在第2时相影像中的土地类型为建设用地”这2个条件的图斑作为疑似新增建设用地区域;最后，结合土地利用现状数据、规划部门的农转用矢量数据，筛选出最终的疑似违法新增建设用地，并交由执法人员实施室内核查、实地勘察以及违法处理。

整个提取流程是一个人机交互的应用实施过程。其中，利用计算机进行2期影像数据间的变化检测以及进一步的新增建设用地图斑自动提取必定存在一定的誤差。而从应用需求出发，为了尽可能降低漏检率，本文在变化检测步骤中设置了较大的二值化阈值参数，以尽可能避免目标靶区的遗漏;在此基础上，配合使用2013年土地利用矢量图以及2014—2017年的农转用矢量图进行虚警伪图斑的剔除;最后，结合人工目视检查和编辑等最终完成成果制图。也就是说，计算机自动检测生成的结果需要经过疑似图斑的室内排除以及人工后处理才能提供给业务部门，供其参考分析对应时间周期内的违法建设用地情况，并经实地验证后开展整治工作。

3  结果与讨论

在上述试验思路下，利用收集的数据集生成疑似违法新增建设用地图斑及中间文件。本文提取了合法变化图斑和疑似违法图斑，图斑面积不小于400m2，其中计算机自动提取图斑数共计5018个，合法变化图斑数852个，违法变化图斑数4166个;人工目视检查剔除伪图斑后图斑数减少为671个，其中合法变化图斑数289个，违法变化图斑数382个。整个流程中计算机自动检测的图斑结果含有较高的虚警率。造成大量伪图斑的原因是：（1）尽管2期影像做了必要的预处理，但在配准精度、辐射一致性、阴影遮挡等方面仍存在一定误差，进而传播至变化检测算法中导致虚警;（2）为了减少漏检率，在变化检测算法中设置了较大的二值化阈值参数，造成了一定量的虚警。为此，人工目视检查的后处理过程就显得很有必要。

尽管室内检测的精度仍有很大的改进余地，但这已很大程度上改善了其过往开展土地执法监察的被动局面，体现了相关技术在业务部门中的实际应用价值。

4  结语

从方法实现上看，本文算法仍有进一步的改进余地，在结果验证上也应更加定量化，这些都需要在日后的工作中逐步解决和日益完善;从应用需求上来看，由于流程中分割算法的参与，目前的图斑成果锯齿现象较严重，后续可进一步考虑生产更易为业务部门接受的图斑产品，从而使国产高分辨率数据能全面高质量地服务于土地执法监察应用。

参考文献

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