孫 濤 ，范福新 ，梁 藉 ，閆寶偉 ，付文博

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，100038，北京；3.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，430070，武漢）

水土保持生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)遙感分析

孫 濤1，2，范福新3，梁 藉3，閆寶偉3，付文博3

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，100038，北京；3.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，430070，武漢）

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感監(jiān)督管理往往需要通過(guò)大量遙感圖像人工標(biāo)注訓(xùn)練樣本，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練。為此，通過(guò)對(duì)大量遙感影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，結(jié)合實(shí)際建立了包括裸地、水泥地、森林等14種基本地類解譯標(biāo)志庫(kù)，并以此為基準(zhǔn)制作訓(xùn)練樣本。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的要素組成，探究了機(jī)場(chǎng)工程、涉水交通工程生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的地類組成規(guī)律，為后期深度學(xué)習(xí)模型的構(gòu)建提供可靠的約束條件與決策支撐。

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目；擾動(dòng)土提??；人工標(biāo)注；遙感解譯；組合規(guī)律

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型多、分布廣、部分分布在偏遠(yuǎn)山區(qū)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法周期長(zhǎng)、精度低、成本高，需要尋找一種新型監(jiān)測(cè)方法。衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地獲取大范圍地表信息，特別是隨著近年遙感技術(shù)快速發(fā)展，其信息提取精度越來(lái)越高，成本逐漸降低，操作更加簡(jiǎn)便，已成為首選的監(jiān)測(cè)方法。

由于人工提取遙感信息存在工作量大、成本高、效率低等問(wèn)題，需要采用一種更高效的遙感信息提取方法。近年，深度學(xué)習(xí)方法迅速發(fā)展并成功應(yīng)用于不同行業(yè)，不少學(xué)者也開(kāi)始將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在遙感影像信息提取之中并取得了良好效果。

將深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于圖信息提取的關(guān)鍵是建立水土保持生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目樣本庫(kù)，通過(guò)人工標(biāo)注的遙感圖像對(duì)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行監(jiān)督訓(xùn)練，使其能自動(dòng)識(shí)別并提取地表信息。本文對(duì)前期遙感圖像人工標(biāo)注過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型的地類組合規(guī)律進(jìn)行探究。

一、遙感解譯及人工標(biāo)注

在實(shí)現(xiàn)遙感圖像信息自動(dòng)提取之前需要進(jìn)行圖像的人工標(biāo)注，人工標(biāo)注過(guò)程就是人工解譯的過(guò)程。在人工解譯之前需要對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何校正、正射校正和圖像融合等處理，以增強(qiáng)影像清晰度、層次感、色彩飽和度及信息豐富度等，從而降低人工標(biāo)注的難度，提高標(biāo)注成果的可靠性。

1.遙感解譯

遙感解譯又稱圖像判譯、識(shí)別等，是指從遙感圖像中提取信息的過(guò)程。根據(jù)圖像特征的差異可以識(shí)別和區(qū)分不同的地物，這些典型的圖像特征被稱為圖像解譯標(biāo)志。遙感解譯標(biāo)志分為直接解譯標(biāo)志和間接解譯標(biāo)志。直接解譯標(biāo)志是指遙感圖像的幾何形狀、大小、色彩、色調(diào)、陰影等，可以通過(guò)這些特征直接判斷遙感圖像的類別。間接解譯標(biāo)志是指根據(jù)與之有聯(lián)系的其他地物在圖像上反映出來(lái)的特征，通過(guò)相關(guān)分析推斷出其性質(zhì)，間接推斷某一事物或現(xiàn)象的存在和屬性。

遙感解譯的方法主要包括：

（1）直判法

直判法是指根據(jù)不同地物在遙感圖像上直接顯示出的特征所建立的解譯方法。例如高速公路一般呈深灰色或者亮灰色，其邊界明顯、距離長(zhǎng)，寬度時(shí)有變化，但變化程度不大。

（2）邏輯推理法

邏輯推理法是指利用遙感圖像中地物間內(nèi)在聯(lián)系所表現(xiàn)出來(lái)的特征、間接對(duì)遙感圖像中地物的存在和屬性進(jìn)行判斷的一種方法。例如在判讀水系時(shí)，可以通過(guò)觀察水系的位置和形狀等來(lái)推理判別該水系是天然河道還是人工溝渠。

（3）對(duì)比法

對(duì)比法是指將遙感圖像中未知的地物與已經(jīng)確定的地物進(jìn)行對(duì)比，從而分析判斷出該未知地物的類型及屬性。在對(duì)比分析時(shí)，需要保證兩者處于相同的條件下。

2.人工標(biāo)注

人工標(biāo)注也叫人工解譯或者目視解譯，是指解譯人員利用專業(yè)知識(shí)，在已建立解譯標(biāo)志庫(kù)的基礎(chǔ)上，采用直判法等解譯方法，點(diǎn)繪出地類邊界，劃分地類從而進(jìn)行信息提取的過(guò)程。在人工標(biāo)注之前需要建立地類解譯標(biāo)志庫(kù)。人工標(biāo)注是監(jiān)督學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本的主要制作方式，基于深度學(xué)習(xí)的遙感信息提取模型的訓(xùn)練需要大量監(jiān)督學(xué)習(xí)樣本，為使模型參數(shù)最優(yōu)，得到良好的結(jié)果，往往前期需要制作大量人工標(biāo)注樣本。

表1 地類解譯標(biāo)志庫(kù)

表2 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目組合規(guī)律分析表

表3 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目主要擾動(dòng)地類組成表

人工標(biāo)注需要明確區(qū)分地類，通過(guò)對(duì)比前后不同時(shí)期、同一地區(qū)遙感影像圖的地類，發(fā)現(xiàn)并提取地表擾動(dòng)信息。通過(guò)對(duì)大量遙感影像的統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合實(shí)際走訪調(diào)研獲取的地類信息，按照出現(xiàn)的頻率及必要性，將地類劃分為裸地、建筑物、水泥地、農(nóng)田及草地、其他、停車(chē)場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、道路、陰影、羊腸小道、樹(shù)木、水體、渣土及煤堆、云或濃霧共14類。對(duì)上述14種地類的顏色、形狀和紋理等直接解譯標(biāo)志進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立地類解譯標(biāo)志庫(kù)，如表1所示。

在地類解譯標(biāo)志庫(kù)建立之后，借助解譯軟件，在直譯法等解譯方法的輔助下，對(duì)遙感圖像進(jìn)行人工標(biāo)注解譯，獲取遙感圖像的地類信息。其中人工標(biāo)注工作的開(kāi)展使用本團(tuán)隊(duì)自行開(kāi)發(fā)的遙感監(jiān)督學(xué)習(xí)標(biāo)注軟件。

該軟件主要由菜單欄、工具欄、活動(dòng)窗口和快捷工具欄等組成。在進(jìn)行人工標(biāo)注時(shí)，先載入遙感圖像，圖像將顯示在活動(dòng)窗口中；然后根據(jù)具體需求對(duì)遙感圖像進(jìn)行縮放，在已經(jīng)建立的地類解譯標(biāo)志庫(kù)之上，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，調(diào)用各種工具對(duì)遙感圖像進(jìn)行分類，點(diǎn)繪出各個(gè)地類的邊界，從而實(shí)現(xiàn)遙感影像的信息提取。

標(biāo)注分類過(guò)程實(shí)際是對(duì)不同地類進(jìn)行賦值的過(guò)程。在點(diǎn)繪地類邊界進(jìn)行標(biāo)注時(shí)，已經(jīng)自動(dòng)將點(diǎn)繪邊界范圍內(nèi)的地類賦予了所對(duì)應(yīng)數(shù)值，將遙感圖像轉(zhuǎn)化為了數(shù)字圖像。

二、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目組合規(guī)律分析

根據(jù)2017年9月水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心發(fā)布的《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術(shù)規(guī)定》（征求意見(jiàn)稿），生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目被劃分為公路工程、鐵路工程、機(jī)場(chǎng)工程、火電工程、水利樞紐工程、堤防工程、露天煤礦、工業(yè)園區(qū)工程、房地產(chǎn)工程、其他行業(yè)項(xiàng)目等36大類，在每個(gè)大類之下又細(xì)分不同小類，如公路工程就包括高速公路、國(guó)道、省道、縣道、鄉(xiāng)村道路等，露天煤礦包括露天開(kāi)采的煤礦工程及其配套的洗選工程、排土場(chǎng)、矸石場(chǎng)等。

在人工標(biāo)注過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)某些類別的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在地類組成上具有一定規(guī)律，例如在標(biāo)注的遙感影像圖上，機(jī)場(chǎng)工程總是由建筑物和大片水泥地組成，其中在運(yùn)營(yíng)中機(jī)場(chǎng)的水泥地上總會(huì)停留一定數(shù)量的飛機(jī)，這些特征在遙感影像圖中容易識(shí)別。為此，將部分具有典型地類組成規(guī)律的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到表2中所示規(guī)律。

由上述內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型，其地類組成及分布存在一定規(guī)律，發(fā)現(xiàn)并挖掘這些規(guī)律，能為后期基于深度學(xué)習(xí)的違法生產(chǎn)項(xiàng)目自動(dòng)識(shí)別模型構(gòu)建提供可靠約束條件與決策支撐（表3）。

三、結(jié) 論

①生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目地類解譯標(biāo)志庫(kù)根據(jù)大量遙感圖像地類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在基本滿足遙感圖像分類的需求下，劃分了14個(gè)基本地類，這些基本地類并不能完全表示出所有遙感影像地類信息，需要結(jié)合不同實(shí)際需求對(duì)基本地類劃分做出相應(yīng)調(diào)整。

②在探索生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目組合分析時(shí)，需要統(tǒng)計(jì)分析遙感圖像中具體表現(xiàn)出的信息，因此沒(méi)有考慮像涉水交通工程中的隧道等無(wú)法在遙感圖像上直接獲取信息的類別。

③信息產(chǎn)業(yè)類項(xiàng)目中基地建設(shè)工程與社會(huì)事業(yè)類項(xiàng)目中學(xué)校建設(shè)工程等區(qū)別不大、容易混淆，其地類組成規(guī)律相似，在此次規(guī)律分析中剔除了這些極易混合的類別。

④由于不同類別中的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在實(shí)際中也是千差萬(wàn)別，因此統(tǒng)計(jì)的規(guī)律存在與某些個(gè)別生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目有出入的情況。

[1]亢慶,等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”動(dòng)態(tài)監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)體系[J].中國(guó)水土保持,2016(11).

[2]李智廣,王敬貴.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目“天地一體化”監(jiān)管示范總體實(shí)施方案[J].中國(guó)水土保持,2016(2).

[3]黨楊梅,等.SPOT5影像目視判讀在土地利用類型更新中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2009,32(2).

[4]楊博,劉義.農(nóng)業(yè)遙感影像目視解譯技術(shù)要點(diǎn)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2008(4).

[5]柴利全.城市規(guī)劃中遙感圖像目視解譯方法及影響因素分析[J].中外建筑,2013(6).

[6]凌峰,等.基于高分辨率遙感影像的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)圖斑解譯標(biāo)志的建立[J].中國(guó)水土保持,2016(11).

Studies on remote-sensing disturbance analysis for soil and water conservation projects

Sun Tao,Fan Fuxin,Liang Ji,Yan Baowei,Fu Wenbo

In-depth learning process is necessary for management of remote-sensing monitoring that normally requires intensive training with a great deal of remote-sensing images and sampling of manually annotation.Therefore,statistical observation should be conducted for a large number of remote-sensing images,together with interpretation symbol library including 14 land types of bare land,cement floor and forest etc.,which may be used as baseline for training samples.On the basis of the above,key components of production and construction project are evaluated in detail,so as to explore the formation rule of land type for airport or water-related transport.It can provide a reliable base for decision making and understanding of restrict conditions in the later establishment of study model.

project under construction and production;disturbed soil extraction;manually annotation;remotesensing interpretation;combinational law

TP753

B

1000-1123（2017）20-0038-03

2017-09-18

孫濤，教授級(jí)高級(jí)工程師。

北京市科技計(jì)劃課題 “北京市水土保持遙感技術(shù)應(yīng)用研究與示范”（Z161100001116102），水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)-北京市智慧水務(wù)綜合管理平臺(tái)研究與建設(shè)項(xiàng)目（2017ZX07104）。

責(zé)任編輯 董明銳