張 雯

（上海市測(cè)繪院，上海 200063）

[1]。2013—2015年全國(guó)開展了第一次地理國(guó)情普查工作，查清了我國(guó)“山水田林湖草”的現(xiàn)狀，精確、權(quán)威、翔實(shí)的普查數(shù)據(jù)，客觀反映了我國(guó)資源環(huán)境和國(guó)情國(guó)力的本底狀況[2]。2016年開始地理國(guó)情進(jìn)入常態(tài)化監(jiān)測(cè)。由于我國(guó)幅員遼闊，每年動(dòng)態(tài)更新是一項(xiàng)任務(wù)艱巨的工作，特別是對(duì)于更新變化較快的城市化地區(qū)，如何快速提高地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的生產(chǎn)效率，是一項(xiàng)值得深入思考和研究的問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多變化監(jiān)測(cè)方面的研究，但主要是針對(duì)某一特定要素，比如紋理鮮明的耕地、光譜特征明顯的水域、有規(guī)則形狀的房屋建筑等等[3-4]。由于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度要求高、要素類別多，特別是高密度城市化區(qū)域，更是對(duì)自動(dòng)解譯模式的變化監(jiān)測(cè)提出了更高的要求[5]。另一方面，為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，在數(shù)據(jù)實(shí)際更新生產(chǎn)中一般采用人工目視解譯的方式，對(duì)比識(shí)別兩期影像發(fā)生的變化，這種方式精度高，但僅通過(guò)兩期影像對(duì)比識(shí)別，效率較低[6-7]。一般來(lái)說(shuō)，地表覆蓋的變化通常都伴隨著高程的變化，將二維地理空間信息的變化識(shí)別轉(zhuǎn)化為三維立體空間，借助DSM的高程值輔助變化監(jiān)測(cè)，可以快速、高效地完成變化監(jiān)測(cè)提取。因此，本文提出了基于DSM的地理國(guó)情變化監(jiān)測(cè)方法，驗(yàn)證DSM差分法的可行性，同時(shí)針對(duì)冗余率較高的問(wèn)題，提出了優(yōu)化方法，以期提高地表覆蓋分類變化識(shí)別的精度和效率，從而提高地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的應(yīng)用廣度。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 變化監(jiān)測(cè)原理

數(shù)字表面模型（DSM）是城市地理空間信息的重要組成部分，包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型，表達(dá)了最真實(shí)的地面起伏情況。理論上，利用兩期不同時(shí)相的DSM進(jìn)行差分（式1），通過(guò)高程變化即可快速監(jiān)測(cè)出地表覆蓋的變化區(qū)域。

這種變化監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單、易懂，且生產(chǎn)技術(shù)流程較為成熟，一般測(cè)繪地理信息部門均可生產(chǎn)。但在應(yīng)用實(shí)踐中，直接利用DSM差分?jǐn)?shù)據(jù)作為地表覆蓋變化監(jiān)測(cè)成果，對(duì)噪聲的抗干擾性不強(qiáng)，從遙感影像到DSM數(shù)據(jù)處理過(guò)程中都存在一定誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的冗余數(shù)據(jù)[8]。

1.2 優(yōu)化方法

DSM差分出現(xiàn)誤差主要有兩方面原因：一是兩期影像的像主點(diǎn)、攝影比例尺不同等，會(huì)造成DSM的偏移，直接影響差分結(jié)果；二是因自然自然季節(jié)性的交替變化，如植被自然生長(zhǎng)造成樹冠變化、水面高低變化等。針對(duì)需要大范圍、自動(dòng)化、高效率快速監(jiān)測(cè)的地表覆蓋區(qū)域，本文提出了利用多閾值差分法進(jìn)行優(yōu)化，綜合DSM差分的形狀指數(shù)和高度差閾值，快速定位疑似變化區(qū)域。

（1）分形維數(shù)

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)變化發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注的是有人工痕跡的變化，不包括自然季節(jié)性變化。因此針對(duì)第二類誤差，可利用景觀生態(tài)學(xué)中的分形維數(shù)指數(shù)來(lái)對(duì)DSM差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行篩選，自動(dòng)過(guò)濾一些植被高低、水面變化等噪聲數(shù)據(jù)[9-10]。

分形維數(shù)是不同空間尺度形狀復(fù)雜性的反映，一般來(lái)說(shuō)，人為因素造成的變化幾何形狀較為規(guī)整。D表示該圖斑的分形維數(shù)，P代表周長(zhǎng)，A代表面積。分形維數(shù)取值一般在1-2之間，其值越接近1，則斑塊形狀越規(guī)律，或者說(shuō)斑塊幾何形狀越簡(jiǎn)單，表明受到人工影響的程度越大，符合地表覆蓋變化監(jiān)測(cè)的要求；反之，其值越接近2，斑塊形狀就越復(fù)雜，受人為影響的程度越小，極有可能為噪聲數(shù)據(jù)。

（2）高程值包裹法

水面的變化監(jiān)測(cè)是DSM差分法的難點(diǎn)之一。由于水面在整體上無(wú)論是顏色和紋理，都基本保持一致，所以很難準(zhǔn)確計(jì)算水面的高程值，從而導(dǎo)致水面上的DSM差分?jǐn)?shù)據(jù)不準(zhǔn)確，出現(xiàn)大量的冗余數(shù)據(jù)。因?yàn)?，本文提出高程值包裹法?duì)水面數(shù)據(jù)進(jìn)行專題處理。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，水面位置的DSM存在局部小范圍內(nèi)高程值變化劇烈的特點(diǎn)，且通常呈現(xiàn)較小的負(fù)值，距離河岸或陸地越遠(yuǎn)的位置其高程變化程度越大，因此可以通過(guò)設(shè)定一定范圍內(nèi)，對(duì)DSM差分高程變化劇烈的區(qū)域，作為噪聲數(shù)據(jù)予以剔除，提升數(shù)據(jù)的精度。

1.3 精度評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證地表覆蓋變化快速監(jiān)測(cè)的精度，本文選取了有效識(shí)別率和冗余率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，分別用以反映變化監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和干擾項(xiàng)噪聲的情況。

有效識(shí)別率反映了監(jiān)測(cè)技術(shù)方法發(fā)現(xiàn)真實(shí)變化的比例，具體公式如式3。Ei代表i變化的有效識(shí)別率，TBi代表i變化空間區(qū)域的真值，YBi代表i疑似變化的空間區(qū)域，⌒代表空間交集。

冗余率反映了該監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的噪聲比例，具體公式如式4。Ri代表i變化的冗余率。如果有效識(shí)別率高，但冗余率過(guò)高，仍會(huì)影響變化解譯的質(zhì)量，難以滿足生產(chǎn)應(yīng)用需求。因此，需綜合有效識(shí)別率和冗余率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)及數(shù)據(jù)

本文以上海市全域約7000 km2作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，基于數(shù)碼航測(cè)手段獲取了2015年和2016年兩期DSM數(shù)據(jù)。上海作為超大型城市，具有城市更新頻率快、精細(xì)化管理要求高等特點(diǎn)，對(duì)地表覆蓋的快速變化監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的需求和應(yīng)用實(shí)踐意義，也可為其他城市開展相關(guān)工作提供借鑒和參考意義。

將兩個(gè)不同時(shí)段的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，獲得101萬(wàn)個(gè)圖斑“疑似變化區(qū)域”，藍(lán)色代表高差為正，即兩期數(shù)據(jù)對(duì)比，高度有所增加，紅色代表高差為負(fù)，即兩期數(shù)據(jù)對(duì)比，高度降低，局部區(qū)域數(shù)據(jù)如圖1所示。從圖中可以看出，直接進(jìn)行DSM差分，其中偽變量噪聲數(shù)據(jù)較多，即冗余率高。

圖1 DSM原始差分成果Fig.1 The original result of DSM differential

為了驗(yàn)證優(yōu)化的分類精度情況，獲取了同時(shí)相兩期地理國(guó)情監(jiān)測(cè)地表覆蓋數(shù)據(jù)，如圖2所示。該數(shù)據(jù)來(lái)源于人工目視解譯航空正射影像，且經(jīng)過(guò)質(zhì)檢驗(yàn)收，可靠性強(qiáng)，精度高，利用相交獲取空間相同但屬性不同的圖斑，作為2015年至2016年的變化區(qū)域的“真值”，全市共獲取了15萬(wàn)個(gè)變化圖斑。

圖2 地理國(guó)情地表覆蓋數(shù)據(jù)Fig.2 Land cover data of geographical conditions

分別計(jì)算兩份數(shù)據(jù)的分形維數(shù)，DSM差分?jǐn)?shù)據(jù)中，隨著分形維數(shù)的增加，圖斑數(shù)量先增加后減少，101萬(wàn)個(gè)“疑似變化圖斑”中65.65%的圖斑分布在1至1.4之間，說(shuō)明幾何形狀分布不均勻，包括了自然和人工造成的變化，有較多的噪聲數(shù)據(jù)。而地理國(guó)情地表覆蓋變化數(shù)據(jù)，隨著分形維數(shù)的增加，圖斑數(shù)量逐漸減少，50%的圖斑分布在1-1.1之間，說(shuō)明“真正變化圖斑”幾何形狀相對(duì)規(guī)整，這與地理國(guó)情監(jiān)測(cè)主要針對(duì)人工因素造成變化的情況相一致。具體分布情況如圖3所示。

圖3 變化圖斑分形維數(shù)數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖Fig.3 Statistical comparison of fractal dimension distribution of variation pattern

2.2 快速監(jiān)測(cè)精度評(píng)價(jià)

首先，對(duì)直接利用DSM差分獲取的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)?？傮w上，兩期DSM數(shù)據(jù)差分后對(duì)地表覆蓋分類的有效識(shí)別率為74.32%。按照地理國(guó)情監(jiān)測(cè)地表覆蓋十大類，分布統(tǒng)計(jì)各類別的有效識(shí)別率。從圖4可以看出，房屋建筑（區(qū)）、林地和人工堆掘地的有效識(shí)別率較高，均超過(guò)了80%，裸露地表、耕地等識(shí)別率較低，未超過(guò)50%，說(shuō)明DSM差分法識(shí)別地表覆蓋分類變化具有一定的可行性，但不同類別之間精度差距較大。

圖4 DSM變化監(jiān)測(cè)地表覆蓋有效識(shí)別率統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistical chart of effective identification rate of land cover under change monitoring

為了進(jìn)一步分析各類別內(nèi)部之間變化監(jiān)測(cè)的有效識(shí)別率，借利用矩陣計(jì)算 類到 類的有效識(shí)別率（紅色填充代表有效識(shí)別率超過(guò)50%，綠色填充代表低于50%），如表1所示。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)各類別內(nèi)部之間的轉(zhuǎn)換有效識(shí)別率有一定的差異。涉及高差變化的，有效識(shí)別率相對(duì)較高，如房屋建筑（區(qū)）與人工堆掘地、林地與裸露地表、構(gòu)筑物與水面之間；但地類變化高差不明顯的，有效識(shí)別率相對(duì)較低，如裸露地表與草地、耕地與水面之間，說(shuō)明利用DSM輔助變化監(jiān)測(cè)對(duì)于特定地類轉(zhuǎn)換的效果較好，適用于專題性變化識(shí)別。

表1 DSM變化監(jiān)測(cè)有效識(shí)別率統(tǒng)計(jì)分析矩陣 （單位：%）Table 1 DSM change monitoring effective identification rate statistical analysis matrix

再?gòu)娜哂嗦蔬M(jìn)行分析，DSM差分變化監(jiān)測(cè)的冗余率為82.99%，噪聲較多。在輔助變化監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)給生產(chǎn)作業(yè)造成一定的干擾。

利用分形維數(shù)和高程值包裹法對(duì)DSM差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。首先，利用高程值包裹法對(duì)水面上的DSM偽變量予以剔除。設(shè)置一定的閾值，選擇局部區(qū)域內(nèi)DSM差分高程變化劇烈的區(qū)域，如圖5所示，填充部分即為水面上的DSM差分偽變量，通過(guò)高程值包裹法可以有效的剔除部分噪聲數(shù)據(jù)。

圖5 水面專題DSM差分變化監(jiān)測(cè)Fig.5 Differential change monitoring of river thematic based on DSM

再利用分形維數(shù)對(duì)DSM差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)一步篩選，如圖6所示。從圖中可以看到，隨著分形維數(shù)的減少，冗余率可以有效減少，但同時(shí)有效識(shí)別率也會(huì)降低，在圖斑的分形維數(shù)小于1.5時(shí)，有效識(shí)別率和冗余率基本趨于穩(wěn)定，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，可根據(jù)精度需求選擇合適的臨界值，優(yōu)化DSM數(shù)據(jù)。

2.3 專題監(jiān)測(cè)應(yīng)用

“上海2035”提出建設(shè)全球城市目標(biāo)，針對(duì)土地資源緊約束和建設(shè)用地“負(fù)增長(zhǎng)”的要求，上海加大新增建設(shè)用地計(jì)劃與集中建設(shè)區(qū)外減量化規(guī)模的關(guān)聯(lián)力度，確?？偭挎i定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如何高效地對(duì)全市范圍的土地利用變化信息，尤其是對(duì)全市減量復(fù)墾區(qū)域進(jìn)行復(fù)墾評(píng)估以及對(duì)耕地保護(hù)實(shí)施監(jiān)管，是當(dāng)前自然資源和規(guī)劃管理部門的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。本研究利用分形維數(shù)和高程值包裹法作為輔助決策手段對(duì)上海市土地利用日常巡查項(xiàng)目中某個(gè)研究區(qū)耕地保護(hù)專題進(jìn)行了快速有效識(shí)別地表變化應(yīng)用。

圖6 分形維數(shù)優(yōu)化后的DSM變化監(jiān)測(cè)精度對(duì)比圖Fig.6 Fractal dimension of the optimized DSM change monitoring accuracy comparison chart

通過(guò)上文的技術(shù)路徑，結(jié)合常態(tài)化開展的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作，充分利用了研究區(qū)DSM數(shù)據(jù)、遙感影像等，選取圖斑的分形維數(shù)為1.5，通過(guò)地表高程和影像分析，可以快速發(fā)現(xiàn)地表覆蓋變化信息，如圖7所示，黃色線框表示自動(dòng)識(shí)別的兩期影響變化情況。從研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，利用DSM差分技術(shù)，通過(guò)地表高程變化，可以快速提取地表覆蓋分類變化信息，尤其對(duì)于房屋建筑、人工堆掘地等相關(guān)專題變化信息，有著較高的識(shí)別精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍區(qū)域土地的快速監(jiān)測(cè)。再結(jié)合土地審批規(guī)劃數(shù)據(jù)，開展研究區(qū)土地減量化復(fù)墾實(shí)施評(píng)估及農(nóng)用地違章建筑監(jiān)測(cè)工作。

此方法相比土地管理執(zhí)法部門通過(guò)人工巡查以及舉報(bào)等方式進(jìn)行減量化核查、日常違法用地、違規(guī)建設(shè)的監(jiān)督管理中，在高效性優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，可根據(jù)精度需求選擇合適的臨界值，優(yōu)化DSM數(shù)據(jù)黃線部分差分偽變量，剔除部分噪聲數(shù)據(jù)，與目視影像解譯相比，該研究方法在隱蔽性較強(qiáng)區(qū)域以及存在已久的違法和違規(guī)巡查盲區(qū)有較大的準(zhǔn)確度優(yōu)勢(shì)。

圖7 耕地專題快速變化監(jiān)測(cè)Fig.7 Rapid change monitoring of cultivated land

3 結(jié)論與討論

從計(jì)算機(jī)視覺(jué)角度來(lái)說(shuō)，有參考的人工識(shí)別效率，必然是高于主觀判斷識(shí)別的效率。本文以超大型城市上海市作為研究區(qū)，采用兩期DSM的差分?jǐn)?shù)據(jù)為研究對(duì)象，通過(guò)精度評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了DSM可以作為生產(chǎn)識(shí)別的參考數(shù)據(jù)，特別是對(duì)涉及高差變化的房屋建筑、人工堆掘地等地類具有較好的監(jiān)測(cè)效果。同時(shí)，針對(duì)DSM冗余率較高的問(wèn)題，分別從幾何形狀和高度閾值兩個(gè)方面，提出了利用多閾值差分法進(jìn)行優(yōu)化，綜合DSM差分的形狀指數(shù)和高度差閾值，快速定位疑似變化區(qū)域，在保證有效識(shí)別率的前提下，消減識(shí)別的冗余度，從而提高地理國(guó)情地表覆蓋分類變化監(jiān)測(cè)精度，提升數(shù)據(jù)更新生產(chǎn)效率。

本研究結(jié)合上海地區(qū)特點(diǎn)，將二維地理信息在空間分辨率較高的優(yōu)勢(shì)同高分辨率影像、DSM和地理矢量信息等多源數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了部分專題的常態(tài)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用，如基本農(nóng)田監(jiān)測(cè)、土地減量化監(jiān)測(cè)等，將快速變化監(jiān)測(cè)的分析結(jié)果提交規(guī)土相關(guān)部門進(jìn)行土地監(jiān)管執(zhí)法及評(píng)估管理。除了基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)外，近來(lái)年國(guó)家和各省份都陸續(xù)開展了各項(xiàng)專題監(jiān)測(cè)。雖然各專項(xiàng)的監(jiān)測(cè)范圍、內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)均不一致，但均會(huì)應(yīng)用到變化監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法，一般常規(guī)的生產(chǎn)方法都是利用兩期影像對(duì)比、發(fā)現(xiàn)變化、信息提取再統(tǒng)計(jì)分析的過(guò)程。因此，利用DSM輔助變化監(jiān)測(cè)得到的變化區(qū)域數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)變化類型進(jìn)行分類，再根據(jù)各專題的應(yīng)用需求不同進(jìn)行提取，使得一次變化識(shí)別成果服務(wù)于多個(gè)專項(xiàng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，減少重復(fù)對(duì)比影像的工作，實(shí)現(xiàn)“一次發(fā)現(xiàn)，多種用途，專題提取，綜合應(yīng)用”。