3S技术在湖南省月度卫片执法遥感监测中的应用

谭思源 彭庆荣 谭 浬

(湖南省第二测绘院, 湖南 长沙 410119)

0 引言

为贯彻落实党中央用最严格制度、最严密法治保护自然资源的精神,切实全面履行自然资源“两统一”职责,全面聚焦山水林田湖草生命共同体的保护任务,及时发现各类违法违规行为,有效遏制耕地非农化、非法采矿等各类自然资源违法行为,做到早发现、早制止、严查处,维护自然资源开发利用和保护秩序,2020年初,湖南省自然资源厅优化提升自然资源执法监察工作和技术模式,在季度卫片执法的基础上提出了月度卫片执法的工作思路。

近年来,“3S”技术得到了突飞猛进的发展,在土地资源管理领域被广泛地应用,“3S”技术是遥感技术(remote sensing,RS)、地理信息系统(geographic information system,GIS)和全球定位系统(global positioning system,GPS)的统称。“3S”技术发展为湖南省月度卫片执法遥感监测提供了新的技术手段,有效贯彻了“优化提升自然资源执法监察工作和技术模式”的指导思想。本文基于分辨率为“0.5～2 m”国产卫星影像,对全省各县区开展一月一周期的监测,采用“智能解译+人工目视”方式发现并提取可疑图斑;采用地理信息技术基于行政区划、永久基本农田保护区、生态保护红线等数据对图斑属性自动化输入,最终形成任务包下发给地方执法工作人员进行外业核查;我院开发的“易采”调查系统,具备网络世界里可以连接到主机的电脑端口(personal computer，PC)和移动端;PC端提供数据、任务管理等功能,可实现核查成果便捷整理、导入导出等功能,辅助执法工作人员对成果的高效管理与汇总;移动端基于GPS技术可实现快速准确定位,并协助执法人员在各类数据之间浏览与对比,极大地提高了卫片执法工作效率。

1 技术路线

基于国产常见0.5～2 m分辨率卫星,如高分一号、高景一号等,按月对湖南全省范围进行数据采集、外参数解算、正射纠正、影像融合、图像增强、镶嵌等一系列处理,得到该月度影像底图。对比上年度变更调查影像,提取占地面积超过666.67 m的变化图斑。根据基本农田保护界线、生态保护红线、建设用地审批数据等,对变化图斑进行违法情况分类、去除伪变化等工作。利用地理信息技术实现图斑属性信息自动化输入与监测图斑信息自动生成。监测图斑导入“易采”调查系统,可实现内业数据、任务管理、成果导入导出与外业核查、拍照举证等工作畅通无阻的管理流程,如图1所示。

图1 技术路线图

2 遥感技术的应用

2.1 遥感影像的获取

根据湖南省月度卫片执法遥感监测工作要求,市辖区确保1 m或优于1 m分辨率的影像覆盖,县辖区优先采用1 m分辨率影像、2 m分辨率影像进行补充。本监测工作遥感影像主要来自国产常见卫星,包括：高分一号、高分二号、高景一号等,分辨率各有高低,如高分一号、资源卫星等分辨率为2 m,高分二号、吉林一号等分辨率为1 m,高景一号分辨率为0.5 m。合适的影像分辨率以及广泛的影像获取途径,基本可以满足湖南省各个县、区“月发现、月预警、月处置”的监测需求。

2.2 遥感影像的制作

对获取的卫星影像进行外参数解算、正射纠正、影像融合、图像增强、镶嵌等一系列处理。通常来说,遥感影像要具备高精度的平面位置,需要野外获取高精度像控点进行校准。此方式在月度监测的时间要求下难以实现,而湖南为推进全省不动产登记工作于2015年制作的0.2 m分辨率数字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、数字高程模型(digital elevation model,DEM)以及湖南省第二测绘院在以往工作中积累的海量的像控点为解决此问题提供了基础,结合卫星影像远程过程调用(remote procedure call，RPC)参数,利用区域网平差法进行外参数解算,对影像进行正射纠正处理,使得遥感影像在平面精度上有了保证。

为了提高月度卫片图斑提取工作的准确性,需要对全色和多光谱影像进行融合,使得融合后的影像减少了光谱失真,色彩更加明亮,细部纹理更加清晰。影像融合采用的是Pansharp方法,该方法是通过最小二乘法计算原始多光谱影像与全色影像及融合后多光谱影像与全色影像灰度值关系的最佳拟合,并用统计方法解决融合过程中的标准化和自动化问题。在上述基础上,经过消噪、去薄雾、去条带、匀色等图像增强以及镶嵌、裁剪等工作,得到覆盖全省的DOM,作为当月变化图斑提取的后时相影像(图2)。

图2 监测图斑提取工作底图(后时相影像)

3 地理信息技术的应用

3.1 监测图斑提取

根据湖南省月度卫片执法遥感监测工作要求,提取的监测图斑分为新增线性地物、新增建(构)筑物、新增推填土、新增乡村旅游用地、新增光伏用地、新增高尔夫球场、毁林、开山、填湖9个类别;监测图斑提取面积为666.67 m,666.67 m以下不提取,而在0.5～2 m分辨率的正射影像上分辨面积为666.67 m的上述图斑变化是完全可行的。

目前,遥感影像变化图斑提取的方法有3种：计算机自动解译,计算机自动解译+人工目视解译及完全目视解译。计算机自动解译,提取图斑速度快,前、后时相影像变化发现率高,缺点是准确率不高,伪变化提取较多,并且图斑的边界范围划定误差较大;而人工目视解译准确率高,图斑范围划定准确,但速度慢,漏检率相对计算机自动解译要高。为了确保月度卫片执法遥感监测的即时性与遏制违法事件发生的有效性,监测图斑的提取采用计算机自动解译与人工目视解译双管齐下的方式,既能提高图斑提取速度,又能提高图斑提取的准确率。湖南省第二测绘院自主研发的“核图宝”智能解译系统,基于前、后时相影像的变化特性,能有效提取疑似监测图斑,提取的疑似图斑由人工逐一核实,去除伪变化,得到初步监测图。自动提取的图斑正确率可达60%,大幅提高了工作效率。人工目视解译采用ArcGIS软件的卷帘工具判读前、后时相影像的纹理、光谱特征变化,提取9种监测图斑。为降低监测图斑漏检率,使用“创建渔网”Arctool建立长与宽均为500 m的格网作为图斑提取最小工作单元。在人工目视解译过程中,遇到边界划定不准的自动解译图斑,及时对其边界进行调整与修改。

3.2 图斑属性信息的输入

上述工作提取的初步监测图斑仅有监测图斑坐标、面积及周长属性,执法外业中直接使用存在一些障碍,如监测图斑土地权属不详、占用耕地面积不详、是否占用基本农田或位于生态保护红线内不明等,故需要对初始监测图斑进行属性信息的输入。属性的输入主要用到以下几类参考数据：

(1)行政界线数据。主要来自第三次国土调查,包括市、县(区)、乡镇(街道)、村(社区)的行政界线。

(2)土地管理信息数据。包括集体土地所有权确权数据、生态保护红线、基本农田保护范围、全省建设用地审批数据库、土地整理开发与增加挂钩项目数据、全省土地供应数据库、全省控制性详细规划数据库等。

得益于湖南省近年来土地管理数据的数字化建设以及2018年全省存量数据2000大地的坐标系转换工作,使得上述数据均为坐标统一的矢量数据或数据库。利用ArcGIS的模型构建器制作“属性自动化输入工具”,可将属性信息输入至初步监测图斑中。该工具的制作是根据所需输入的属性信息,利用ArcGIS“叠加分析”中的“标识”工具多次嵌套而成,并利用“字段删除”工具去除经多次标识成果后的无用属性字段,最终得到监测图斑成果(图3)。

基于输入的属性和影像对监测图斑成果进行二次判读,根据属性进行筛选,去除部分伪变化图斑,如已合法审批建设用地、已审批的耕地开发项目等,采用“县级行政区代码+图斑提取年月+图斑顺序号”对图斑进行编号,得到最终有效的外业核查监测图斑。

图3 属性自动输入工具ArcGIS模型构建器图

3.3 监测图斑信息生成

监测图斑信息包括监测图斑前、后时相截图和监测图斑信息的汇总表格文件,方便地方执法工作人员对监测图斑信息的浏览与熟悉。由于涉及的监测图斑数量多,如采用纯人工的方式对监测图斑前、后时相影像截图以及监测信息汇总,势必消耗大量的人力、物力及时间。本文基于ArcGIS模型构建器制作“监测图斑信息自动生产工具”,自动逐监测图斑裁剪前、后时相影像见图4(b)、图4(c),并以图斑属性信息为基础生成监测图斑信息汇总表格,见图4(f),三者共同存储在以“监测编号”命名的文件夹中，见图4(e)。该工具的工作原理是在迭代每个监测图斑的基础上,单独求取每个图斑包络面,再进行缓冲处理,得到缓冲面作为裁剪前、后时相影像的范围见图4(a),同时,通过监测图斑属性信息形成该图斑的信息汇总表。监测图斑信息可导入由湖南省第二测绘院开发的“易采”外业调查系统中进行浏览,极大地方便外业执法工作的进行。

(a)监测图斑信息生成工具Arcgis模型构建器图

(b)监测图斑前时相影像截图 (c)监测图斑后时相影像截图

(d)乡镇所有监测图斑汇总文件夹 (e)监测图斑信息汇总文件夹

(f)监测图斑信息表

3.4 “易采”调查系统

执法外业工作常需前与后两期影像对比、图斑信息快速获取、相关数据的参考等操作,地理信息系统在此类强交互的流程中有得天独厚的优势。湖南省第二测绘院开发的“易采”调查系统是标准的GIS系统,其突出特点是把GIS技术与专业应用领域的技术紧密结合起来。该调查系统包括PC端和移动端。PC端提供设备管理、用户管理、数据管理、数据浏览、任务管理等功能;移动端可以是平板或手机,配合桌面端导入的正射影像图(前与后两时相)、监测图斑矢量数据、参考矢量数据、调查任务,可快速实现各数据之间的叠加、浏览与对比,可根据实际情况需要,导入多期历史影像,掌握监测图斑的变化过程。此外,移动端支持卫星定位,可用于记录监测图斑外业核查路线,以及实时拍照举证,存储照片拍摄角度及位置,支持图斑属性与图形修改,草图快速绘制等编辑功能。移动端调查成果最终由桌面端汇总导出,实现数据保密的同时,生成外业执法成果数据库。

4 GPS技术的应用

4.1 手持RTK对违法图斑的现场测量

违法活动是一个持续的过程,从卫星影像的拍摄到外业核查的时间内一直处在变化之中。现场情况可能与影像显示特征存在差异,所以在外业核查中需要利用RTK快速实现违法现场测量。载波降位实时动态差分定位(real-time kinematic,RTK),是GPS新技术发展的典范,网络RTK实时即可达到厘米级精度。在外业测量中,利用RTK技术采集违法范围边界特征点、转折点等关键点的三维坐标数据;经内业处理,将各关键点依次连接成线,得到违法现场准确范围,供后续工作分析利用。同时,在缺少像控点且高分辨率DOM与DEM现势性不够的区域,利用RTK技术精准采集适量的像控点,用于卫星影像校正处理,补充像控点库。

4.2 多旋翼RTK版无人机现场取证与倾斜摄影

在执法外业工作中,需要拍摄照片、视频对违法现场进行举证,而处置违法矿山开采、土地整治不到位等违法活动时,通常违法面积较大,违法现场难以到达。要实现违法取证全面性及便捷性,使得引入无人机航摄十分必要。多旋翼无人机对起降场要求低,随用随飞,无视地形障碍,从空中俯瞰提供全面的视角,操作便捷、效率高。内业阶段即可根据影像资料设置航点或航线,也可现场根据无人机遥控端地图设置航点。通过提前设置无人机在每个兴趣点的高度、方向、云台角度、速度等参数,可实现自动化取证。同时,具备RTK功能的无人机搭载单镜头便可实现倾斜摄影,利用其拍摄的照片进行三维建模,可在内业搭建违法现场三维场景,为相关部门执法工作开展提供帮助。

4.3 “易采”移动端外业核查

在“易采”调查系统移动端通过移动设备GPS导航定位功能,结合导入的遥感正射影像,可以准确自我定位,并快速导航至需核查的图斑位置。在没有明显标志物的野外,移动端位置的即时显示功能有效提高了内业提取的监测图斑与现场情况的对比核实效率。外业执法工作人员可通过移动端进行现场拍照举证及记录核查情况,拍照点和记录点均已通过GPS定位获得其位置坐标,该坐标值作为照片或信息与图斑的关联主键。地方执法工作人员自主发现的违法情况,也可通过移动端的GPS定位和图形绘制编辑功能,对现场情况进行绘制与记录,最终在桌面端汇总至监测图斑数据库中。

5 结束语

本文基于湖南省月度卫片执法遥感监测工作,阐述了3S技术在该项工作中的具体应用,包括：多源的“0.5～2 m”分辨率卫星数据获取、制作与处理,月度卫片监测图斑的提取与图斑属性信息快速输入,“易采”外业调查系统的运用等技术方法。通过这些技术的使用,实现了月度卫片遥感监测工作“月发现、月预警、月处置”的工作目的。值得注意的是,本监测工作的基石是卫星遥感数据,而湖南连绵的雨期会对该月份遥感数据的效果造成负面影响,主要表现为大面积云雾遮盖,从而无法进行前、后时相影像对比;所以后续工作雨期来临之际,需要提前拓宽卫星遥感数据收集渠道,不局限于国产卫星数据的收集,加大卫星遥感数据采购量,确保前、后影像数据无虞。

目前,本工作在湖南全省已开展15个月,实践证明，本工作能及时、快速地发现土地违法活动,指导外业执法,为遏制湖南省土地违法活动提供了可行、有效的技术手段。