月度亚米级卫星影像在“两违”监测中的应用

肖 潇 李 峰 秦李斌 侯庆明

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

“两违”是违法用地和违法建设行为的简称。违法用地是指除合法用地、其他用地以外的,未经批准擅自进行非农建设、为实施非农建设而进行违法推填土及存在改扩建行为的用地。违法建设是指未依法取得建设工程规划许可证、临时建设工程规划许可证或者未按照许可内容进行建设的建设工程,以及逾期未拆除的临时建设工程。这两种行为在全国范围内均普遍存在,其造成的危害包括侵害公共资源、损害群众利益、破坏城市总体规划、制约经济发展和破坏社会公平等。因此,全国都在严厉打击“两违”行为,对“两违”行为采取“零容忍”的态度,坚决做到“早发现、早制止、早治理”“露头就打、出土就拆”。

目前,全国各地用于“两违”监测的技术方法有很多,常用的包括传统人工巡查、摄像头监控、街景图像对比、卫星影像对比等[1-5]。传统人工巡查方式发现“两违”图斑不但耗时耗力且主动性不高,目的性不强,存在难以到达的巡查死角、巡查不到位和遗漏。摄像头监控常用于基本农田的监测,其优势在于可以实现24 h的远程监控,但摄像头的布控和使用对场地要求较高,不适用于建筑密集的城区。街景图像对比则常用于城区“两违”监测,优势在于直观、清晰,但其获取成本较高,监测频率难以提高,且大型片区的内部难以监测。

随着卫星技术的迅猛发展,卫星影像的空间分辨率越来越高,覆盖频次也越来越高,在“两违”监测应用中的优势也越来越明显:一方面高分辨率卫星影像能提供更多细节信息,提高“两违”监测的准确度;另一方面提高监测频次有利于及时发现“两违”的苗头,真正实现“两违”的早发现、早上报、早处理,既节省不必要的资金浪费,又能发挥极佳的警示效应。本文以北京市为例,介绍了月度亚米级卫星影像在“两违”监测中的应用技术路线、技术关键点及具体的应用情况。

1 “两违”监测技术路线

1.1 总体技术路线

利用月度亚米级卫星影像开展“两违”监测的技术流程包括:原始卫星影像获取、正射影像图制作、新增“两违”疑似图斑内业提取、成果整理入库。

1.2 原始卫星影像获取

亚米级卫星影像常见的包括:0.8 m分辨率的北京二号、高分二号、高分七号和吉林一号,0.5 m分辨率的Pleiades和WorldView-2,0.3 m分辨率的WorldView-3等。为满足月度监测的要求,需要定制采购卫星影像数据。首先,选择合适数据源,编制拍摄计划。然后,在相关网站及时查询相关卫星拍摄情况,根据项目的质量要求筛选卫星影像,如遇到极端天气情况,采取应急预案措施,获取其他卫星数据源。最后,将L0级卫星影像加工生产成L1级卫星影像,并进行检查交付。

1.3 正射影像图制作

利用原始遥感影像和控制资料制作数字正射影像图(Digital Orthophoto Map, DOM)的主要步骤包括:数据整理、正射纠正、影像融合、影像重采样、图像增强处理、影像镶嵌、影像裁切和质量检查等。

1.3.1数据整理

数据整理包括准备数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)和平面控制数据、原始影像整理。平面控制数据包括控制点、已有的正射影像图等。原始影像整理一方面是对原始影像再次检查,看是否出现云覆盖、数据缺失、大范围光谱溢出、波段不匹配等问题,另一方面是在有影像重复覆盖的区域,优先选择使用分辨率较高、时相较新、无云雪覆盖的影像。

1.3.2正射纠正

正射纠正是在卫星影像上布设数量足够、均匀分布、有代表性的控制点,结合DEM数据和单景卫星影像的有理函数模型(Rational Polynomial Coefficient, RPC)参数,对影像同时进行倾斜改正和投影差改正,得到目标坐标系下满足空间位置精度要求的正射影像[6]。目前常见的专业软件(如PCI Geomatica、PixelGrid软件等)利用原始影像与参考DOM匹配出大量控制点,可实现批量遥感卫星影像的自动正射纠正。

1.3.3影像融合

影像融合是指将多源信道所采集到的关于同一目标的图像数据经过图像处理和计算机技术等,最大限度提取各自信道中的有利信息,最后综合成高质量的图像,以提高图像信息的利用率、改善计算机解译精度和可靠性、提升原始图像的空间分辨率和光谱分辨率,利于监测。制作DOM过程中的影像融合,输入是经过正射纠正的全色影像和多光谱影像,输出则是一幅高分辨率多光谱影像,既有和全色影像一样的高空间分辨率,又具有多光谱特征。

目前影像融合的方法较多,包括相位恢复(Gram-Schmidt)变换法[7]、高通滤波(High-pass filter, HPF)法[8]、超分辨率贝叶斯(PanSharpening)法[9]和UNB Pansharp法[10]等。针对不同卫星影像,可以选择不同的融合方法,融合后影像应色彩自然、层次丰富、反差适中,影像纹理清晰,无影像发虚和重影现象。

1.3.4影像重采样

融合后影像分辨率与全色波段影像分辨率相同,若不同卫星源的分辨率不一致,则需要对影像进行重采样,保证影像分辨率一致,才能顺利进行后续的影像镶嵌。

1.3.5图像增强处理

图像增强是为了增强图像中的有用信息,针对给定图像的应用场合,改善图像的视觉效果[11]。在制作DOM过程中,图像增强主要是为了消除影像在获取过程中外部因素(如摄影时间、光照条件、曝光差异、大气条件、摄影角度以及地物属性等)导致影像内部和影像之间出现的亮度分布不均匀和色彩差异,并尽量恢复地物的自然真彩色,避免颜色失真。目前图像增强方法有很多,常见的有手工匀光匀色、利用样片进行匀光匀色、全局匀光匀色等,这些方法在效果、效率上各有长处,工作量也不相同,在实际过程中,应根据影像的数据源和具体情况,选择合适的方法,或将各种方法组合使用,以达到满意的效果。

1.3.6影像镶嵌

影像镶嵌是将两幅或多幅影像拼在一起,构成一幅整体影像。参与镶嵌的影像需保证相邻影像的重叠精度与色调一致性。镶嵌前对影像进行重叠检查,景与景间重叠限差应符合要求。镶嵌时应尽可能保留分辨率高、时相新、云雾量少、质量好的影像。选取镶嵌线对影像进行镶嵌,保证镶嵌处无地物错位、模糊、重影和晕边现象。

1.3.7影像裁切

通常原始影像的范围会大于实际作业区,因此需要对镶嵌后的影像进行裁切,得到目标区影像。

1.3.8质量检查

DOM的质量检查内容包括:空间参考系、平面位置精度(平面位置中误差、影像接边精度)、格式一致性、时间现势性、影像质量、表征质量和附件质量[12-13]。检查方法包括核查分析、对比分析和实地检验。

1.4 新增“两违”疑似图斑内业提取

首先,根据“两违”的定义,确定影像上的变化类型及具体提取规则。

新增违法用地疑似图斑,反映在影像上特征为非建设用地出现建设特征的变化,具体类型如表1所示。

表1 新增违法用地疑似图斑变化类型

新增违法建设疑似图斑,反映在影像上特征为建设用地上出现的新增建设,具体类型包括新增房屋建设、房屋改扩建、建设过程中的新增建筑及工地。

利用前后两期卫星影像进行对比,发现符合上述变化类型的图斑,提取出来,并填写相应的属性值。为保证图斑的准确性和完整性,需对提取的图斑进行两级检查。

1.5 新增“两违”疑似图斑外业核实

通过外业对新增“两违”疑似图斑的现场核实,明确图斑的实际情况,全面了解图斑“在哪里、有多少、干什么用”的问题,为执法人员进行“两违”执法提供准确的参考依据和辅助执法资料。首先,将外业核实所需要的软硬件环境进行配置,参考资料进行整合处理,为外业核实做好准备。然后,根据图斑的所在位置,利用全球卫星导航系统(Global Positioning System,GPS)导航定位等辅助参考信息,到达现场,进行现场情况的核实和记录。确认影像提取的变化图斑是否与现场情况一致,如一致则直接进行信息填写和照片拍摄,若不一致则以现场实际情况进行图斑边界的标绘。记录的信息包括建设地点、建设单位、建设内容、建设层数和面积等。最后,进行内业照片整理、属性挂接与检查等工作,保证每一个图斑都有对应的外业信息。

1.6 成果整理入库

将正射影像图、新增“两违”疑似图斑台账表、变化位置截图、外业照片等成果进行整理和质量检查,更新入数据库中,提交给执法人员,由执法人员最终确定是否违法并开展执法工作。

2 “两违”监测技术关键点

利用月度亚米级卫星影像开展了“两违”监测应用的技术关键点如下。

2.1 多源卫星影像同步采集,保障更高分辨率、更高频次卫星数据全覆盖

高分辨率、高频次的卫星影像能更加全面地监测“两违”情况。一方面,高分辨率卫星影像能提供更多细节信息,提高“两违”监测的准确度,依赖亚米级分辨率影像,才能实现北京四环内违法建设图斑的上图面积为25 m2,真正做到“两违”零容忍。另一方面,月度监测的高频次有利于及时发现“两违”的苗头,真正做到露头就打、出土就拆,既节省不必要的资金浪费,又能发挥极佳的警示效应。

为保证每月原始卫星影像既符合质量要求,又能覆盖工作区范围,需制定严密的多源卫星影像同步采集计划,以及极端天气情况下(如雨季、雾霾等)的应急预案措施。在天气较差情况下,同一区域可能需要多次拍摄才能获取较为理想的影像数据。

2.2 利用卫星影像自动化批处理和影像质量快速改进技术,保证DOM制作效率和质量

原始卫星影像采集后,在保证成果质量的前提下提高DOM制作效率,尤为重要,既可以提高“两违”监测的时效性,也可以拓宽卫片DOM的应用服务范围。

为提高卫星影像处理速度,充分利用卫星影像自动化批处理和影像质量快速改进技术,可实现以下几点:(1)自动采集、优化影像的控制点和同名点,进行正射纠正,特殊情形下加入少量人工干预以提高纠正精度;(2)在有理函数纠正模型参数不准的情况下,从控制点中反算RPC参数,确保正射纠正精度;(3)快拼影像的快速计算,可提前用于内业提取新增“两违”疑似变化图斑;(4)针对影像雾霾、云、雪覆盖等问题,在专业软件自动云检测与雾去除、全局匀光匀色的基础上,结合人工匀色经验,利用人机交互方式进行整体或局部影像增强及质量改进,最大程度确保DOM成果展示和信息提取效果。

2.3 自主研发软件,实现内外业协同快速、精准现场核查

为提高外业效率,可在外业手持pad上自主研发软件,将待核验“两违”地块、影像资料、房屋数据以及地形图等大量辅助核验参考空间数据导入软件中,实现快速查询、自动面积计算、图形编辑及定位等功能,满足基于移动端“两违”现场核实的高效检索、自动计算、精准定位和协同作业的要求,实现内外业协同快速、精准现场核准。

3 北京市应用情况

2013年3月28日以来,按照北京市委市政府的要求,全市开展了严厉打击违法用地违法建设专项行动。为进一步严格控制新增违法用地和违法建设,从2018年起,北京市规划和自然资源委员会将土地卫片执法工作由之前的按季度4期/a,提升为按月度12期/a,属全国首例。

根据“两违”执法的业务需求,北京市以月度为周期采集覆盖全市的高分辨率卫星数据,卫星影像类型包括北京二号、Pleiades、高分二号、吉林一号和SPOT6/7,其中SPOT6/7仅极端天气情况下应急采用。利用原始卫星影像制作正射影像图,在此基础上开展内业变化图斑提取、外业调查核实和成果入库工作。相比于自然资源部和其他省市的卫片执法工作,北京市项目改进点在于:(1)提高监测频次,做到每月全北京市无死角监测,属全国首例;(2)提高卫星影像分辨率,采用亚米级卫星影像,处于全国领先水平;(3)以更细的尺度、更严格的标准提取新增疑似“两违”变化图斑,北京市四环内上图面积为25 m2,四环至六环上图面积为100 m2,真正做到“两违”零容忍;(4)采用“双排查”方式,一方面生产中利用多期卫星影像、多层参考矢量和工程证等专题数据进行作业,提高提取精度;另一方面数据整理中利用一会三函、重点工程等多种专题数据进行整理排查,最终得到精确的新增疑似“两违”图斑数据,提高准确率。项目的成果如图1～2和表2所示。

图1 北京市DOM及新增疑似“两违”分布示例图[审图号:京S(2021)023号]

图2 新增疑似违法建设图斑示例

表2 北京市2018—2020年新增“两违”疑似图斑分区统计 单位：个

项目为规划和国土资源执法提供了及时、客观的数据支撑,进一步强化对新增违法用地、新增违法建设以及闲置土地的查处力度,降低执法成本,提升执法工作的力度和水平。

4 结束语

本文研究了利用月度亚米级卫星影像开展“两违”监测应用的方法,以北京市为例介绍了具体应用情况,并总结了技术关键点。利用高空间分辨率、高频次卫星影像可以有效提高“两违”监测的准确性和时效性,内业变化检测和外业核查相结合的方式可为“两违”执法提供更为客观准确的数据基础和决策依据。通过采集多源卫星影像数据、制定应急拍摄预案、运用海量卫星影像批处理和影像质量快速改进技术、自主研发外业软件等方式,可以有效保证“两违”监测工作的质量,提高“两违”监测工作的效率。本文研究成果对全国各省市卫片执法工作具有示范性作用。

在“两违”监测应用中,还可以从以下两方面加以改进:一是探索雷达卫星在建筑物高度变化识别上的应用,二是探索人工智能技术在“两违”变化检测中的应用。