高分多模卫星建设用地遥感监测分析评价

何芸 尤淑撑 栗敏光 李巍巍 许庆领

(1 自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048)(2 自然资源部重庆测绘院，重庆 401120)

随着城市化进程快速发展，耕地“非农化”、“非粮化”现象严重[1-2]，违法违规占用耕地甚至永久基本农田进行开发建设的行为时有发生。通过对建设用地现状及动态变化情况开展持续监测，可以有效保护和管理自然资源，保障粮食和耕地安全[3]。基于遥感手段开展建设用地监测目前已经在技术和方法上取得了一些成果[4-7]，然而由于卫星影像分辨率限制，在建设用地精细分类等方面仍存在一些瓶颈。2018年自然资源部组建后，基于其“两统一”职责，迫切需要依托高分辨率卫星影像持续跟踪建设用地变化及利用情况，为国土空间规划[8-9]、智慧城市管理，生态文明建设[10]提供基础支撑，更好的实现山、水、林、田、湖、草生态修复和保护。

高分多模卫星作为我国首颗民用分辨率优于0.5 m同时具有多种敏捷成像模式的光学遥感卫星，具有高分辨率、敏捷机动的特征，高分多模卫星的发射成功，实现了国产0.5 m分辨率数据的自给自足，为建设用地精细监测监管提供高分辨率基础数据。该卫星具备多种成像模式，利用高分辨率光学相机的灵活成像能力和卫星星体的敏捷姿态机动能力，满足用户关注分散的小块目标的探测需求，为城市重点地物获取和城市与建筑风貌管理提供支持；同轨多角度/立体成像模式可以用于获取目标区域的立体像对，为建设用地高度分析、三维重建提供参考[11]。高分多模卫星包括“1+8”谱段，除了传统遥感卫星的4个多光谱波段外，还新增加了紫、黄边、红边和近红外2这4个波段，光谱信息丰富。通过多波段组合，有效辅助建设用地要素提取和高度识别等业务应用。

为充分研究高分多模卫星在建设用地遥感监测分析评价方面的应用潜力，本文结合高分多模卫星特点，在已有应用调查成果基础上，针对我国自然资源监测监管和国土空间规划需求，开展系统研究分析，并在建设用地提取、建筑物用途精细分类以及建筑物高度分类中得到具体应用实践。

1 研究方法

高分多模卫星建设用地遥感监测利用高分多模0.5 m全色影像和2 m多光谱影像，在辐射定标、正射校正、点云匹配、影像融合等影像预处理基础上，获取数字正射影像图(DOM)、数字表面模型(DSM)及数字高程模型(DEM)产品，参考地面调查数据以及已有成果数据辅助开展建设用地图斑提取，基于DOM 实现了 建设用地调查、建筑物用途精细分类，基于DEM开展了建筑物高度识别，并利用已有参考数据对提取成果进行精度评价。总体技术过程如图1所示。

图2显示了高分多模原始影像及融合影像对比效果，明显可以看出融合后的高分多模影像纹理清晰，地物边缘细腻，更易于开展建设用地遥感监测应用。

图2 高分多模卫星融合影像产品示意图Fig.2 GFDM-1 satellite fusion image

利用高分多模卫星立体全色影像像对，进行影像定向和点云匹配，生产5 m格网的DSM数据(见图3)，然后构建立体模型，并参考正射影像，在立体环境下进行自动滤波和人工编辑工作，主要对地表房屋、植被进行滤波降高，生成5 m格网的DEM，最后基于DSM和DEM进行栅格运算生成建筑物高度栅格图。

图3 高分多模卫星DSM产品示意图Fig.3 GFDM-1 satellite DSM product

2 高分多模卫星建设用地遥感监测

建设用地类型精细识别和高度分类是城市建设、空间规划及自然资源科学化管理中必不可少的部分。高分多模卫星具备0.5 m高分辨率对地观测能力，为资源环境精细化调查管理提供了支持，可以实现对建设用地多尺度、多维度、多层次的监测监管。高分多模卫星发射以来，在建设用地调查监测方面开展了多种试验，利用高分多模卫星影像不仅可以根据用途精细化识别建设用地类别，同时基于立体成像生成的DSM数据可以辅助建筑物高度提取，为城市化发展提供强有力支撑。

2.1 测试数据

本文选用五景高分多模数据开展建设用地遥感监测，影像区域包括甘肃省甘州区新墩镇局部街区及北京市怀柔区庙城镇局部街区，测区内包括住宅小区、商业写字楼、影剧院、学校教学楼、厂房、变电站、道路等多种类型。研究所选用的测试数据见表1。

表1 建设用地遥感调查测试数据表Table 1 Test data of construction land extraction

2.2 建设用地类型识别

建设用地分布位置、轮廓和空间布局是建设用地遥感调查最为核心的内容。高分多模卫星的高分辨率特性使其纹理清晰、光谱真实、信息丰富，对于建设用地类型识别具有明显优势。甘肃省甘州区为甘肃省张掖市市政府所在地，位于河西走廊中部，近年来，甘州区依托生态资源稳步推进张掖滨河新区的规划与建设，国土空间面貌日新月异。以甘肃省甘州区为测试区域，基于自动提取和人工解译相结合手段，利用2020年11月高分多模卫星影像开展建设用地遥感调查。图4和图5为试验区建设用地提取结果。与现有调查结果进行比对分析，建筑物提取准确率为98.76%，道路提取准确率为96.64%。高分多模融合影像可以准确识别建筑物、道路等建设用地位置、数量和面积等信息，为城市规划提供综合信息依据。

图4 测试区域建设用地提取成果(整体)Fig.4 Extraction results of construction land in test area (overall)

图5 测试区域建设用地提取成果(局部)Fig.5 Extraction results of construction land in test area (partial)

2.3 建筑物精细分类

随着城市建设的加快，在国土空间规划以及城市老旧改造等需求下，需要进一步掌握建筑物精细类别。传统实地调查，耗费人力多、所用时间长，迫切需要利用遥感手段获取建筑物精细化信息。在此背景下，中、低空间分辨率的遥感影像已经不能满足要求，需要更高空间分辨率的影像进行深层次的数据分析。利用高分多模卫星从功能角度对建筑物进行细化分类，提取结果表明：高分多模卫星可以精细识别居住建筑、公共建筑、工业建筑等不同用途类别的建筑物。居住建筑一般呈块状，数量多且独立连片，识别度较高；工业建筑大多为长条形，屋顶为蓝色或白色，位于道路附近；公共建筑一般在住宅周围，占地面积较大。分类结果表明高分多模卫星可以识别各种不同用途类别的建筑物，包括住宅小区、学生宿舍等居住建筑，行政办公楼、商业写字楼、影剧院、学校教学楼等公共建筑，大体量的厂房、小体量的变电站等工业建筑。表2和图6给出了建筑物精细分类结果，统计各个用途类别建筑物的数量和占比，分析发现：甘肃省甘州区测试区域建筑物从数量上以居住建筑为主，占试验区总图斑个数的46.58%，而公共建筑所占面积最大，占地0.56 km2。

表2 甘州区测试区域建筑物用途分类统计表Table 2 Statistics of building use classification in Ganzhou test area

图6 甘州区测试区域建筑物用途分类提取成果图Fig.6 Results of building use classification extraction in Ganzhou test area

2.4 建筑物高度分类

北京市怀柔区位于北京市东北部远郊，被定位为首都文化科技高端产业新区和国际会议新区，兼具城乡二元特征，建筑垂直结构差异显著。为测试高分多模立体数据辅助建筑物高度识别效果，利用2021年1月高分多模卫星北京怀柔地区立体数据生产DSM及DEM产品，从而获取了建筑物高度栅格图(见图7)，在此基础上对建筑物高度进行细化分类提取。图8展示了按照建筑物高度差异将建筑物要素划分为低层建筑、多层建筑和高层建筑的效果。统计各个高度类别建筑物的数量和占比，结果见表3。分类结果表明：高分多模卫星立体数据可用来辅助建筑物高度判别，区分建筑物为低层建筑、多层建筑或高层建筑；北京市怀柔区测试区域建筑物垂直结构表现为低层建筑分布数量和面积最大占比，面积约占建筑物总面积72.55%；低层建筑和多层建筑混合分布在测区中南部分，高层建筑集中分布在测区北部，呈长窄条状。

图7 怀柔区测试区域建筑物高度栅格图Fig.7 Grid map of building height in Huairou test area

图8 怀柔区测试区域建筑物高度分类提取成果图Fig.8 Results of building height classification in Huairou test area

表3 怀柔区测试区域建筑物高度分类统计表Table 3 Statistical results of building height classification in Huairou test area

2021年3月24日利用手持激光测高仪实地测量怀柔测试区域15个建筑物高度，分别均匀选取了低层建筑、多层建筑与高层建筑(见图9)，并将测量结果与分类结果进行对比，其中13个建筑物高度类别判断准确，分类精度为86.67%。

图9 怀柔区测试区域建筑物高度实地测量图Fig.9 Field survey of building height in Huairou test area

3 结束语

在新型城镇化背景下，为了科学有效管理我国自然资源，需要对建设用地开展遥感监测应用分析评价。根据时代的需要，对于建设用地遥感调查已经由单一的数量、质量向精细化调查监管转变。本文以甘肃省甘州及北京市怀柔测试区为研究区域，综合利用高分多模卫星平面以及立体数据，开展了建设用地识别、建筑物用途精细分类以及高度分类试验。研究结果表明：高分多模卫星由于其高分辨率、多谱段、多种成像模式等特征，可以在建设用地遥感调查监测及精细识别中发挥重要作用。由于卫星发射时间较短，在建设用地遥感调查监测领域应用还有待深入。随着卫星辐射校正、几何定位等工作开展优化，高分多模卫星将会提供更为可靠的影像数据，为我国城市科学监管、土地利用调查、粮食安全、灾害应急评估方面提供强有力的数据支撑保障。