何蕓 尤淑撐 栗敏光 李巍巍 許慶領(lǐng)

(1 自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048)(2 自然資源部重慶測繪院，重慶 401120)

隨著城市化進(jìn)程快速發(fā)展，耕地“非農(nóng)化”、“非糧化”現(xiàn)象嚴(yán)重[1-2]，違法違規(guī)占用耕地甚至永久基本農(nóng)田進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的行為時有發(fā)生。通過對建設(shè)用地現(xiàn)狀及動態(tài)變化情況開展持續(xù)監(jiān)測，可以有效保護(hù)和管理自然資源，保障糧食和耕地安全[3]?；谶b感手段開展建設(shè)用地監(jiān)測目前已經(jīng)在技術(shù)和方法上取得了一些成果[4-7]，然而由于衛(wèi)星影像分辨率限制，在建設(shè)用地精細(xì)分類等方面仍存在一些瓶頸。2018年自然資源部組建后，基于其“兩統(tǒng)一”職責(zé)，迫切需要依托高分辨率衛(wèi)星影像持續(xù)跟蹤建設(shè)用地變化及利用情況，為國土空間規(guī)劃[8-9]、智慧城市管理，生態(tài)文明建設(shè)[10]提供基礎(chǔ)支撐，更好的實現(xiàn)山、水、林、田、湖、草生態(tài)修復(fù)和保護(hù)。

高分多模衛(wèi)星作為我國首顆民用分辨率優(yōu)于0.5 m同時具有多種敏捷成像模式的光學(xué)遙感衛(wèi)星，具有高分辨率、敏捷機(jī)動的特征，高分多模衛(wèi)星的發(fā)射成功，實現(xiàn)了國產(chǎn)0.5 m分辨率數(shù)據(jù)的自給自足，為建設(shè)用地精細(xì)監(jiān)測監(jiān)管提供高分辨率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星具備多種成像模式，利用高分辨率光學(xué)相機(jī)的靈活成像能力和衛(wèi)星星體的敏捷姿態(tài)機(jī)動能力，滿足用戶關(guān)注分散的小塊目標(biāo)的探測需求，為城市重點地物獲取和城市與建筑風(fēng)貌管理提供支持；同軌多角度/立體成像模式可以用于獲取目標(biāo)區(qū)域的立體像對，為建設(shè)用地高度分析、三維重建提供參考[11]。高分多模衛(wèi)星包括“1+8”譜段，除了傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星的4個多光譜波段外，還新增加了紫、黃邊、紅邊和近紅外2這4個波段，光譜信息豐富。通過多波段組合，有效輔助建設(shè)用地要素提取和高度識別等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

為充分研究高分多模衛(wèi)星在建設(shè)用地遙感監(jiān)測分析評價方面的應(yīng)用潛力，本文結(jié)合高分多模衛(wèi)星特點，在已有應(yīng)用調(diào)查成果基礎(chǔ)上，針對我國自然資源監(jiān)測監(jiān)管和國土空間規(guī)劃需求，開展系統(tǒng)研究分析，并在建設(shè)用地提取、建筑物用途精細(xì)分類以及建筑物高度分類中得到具體應(yīng)用實踐。

1 研究方法

高分多模衛(wèi)星建設(shè)用地遙感監(jiān)測利用高分多模0.5 m全色影像和2 m多光譜影像，在輻射定標(biāo)、正射校正、點云匹配、影像融合等影像預(yù)處理基礎(chǔ)上，獲取數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)及數(shù)字高程模型(DEM)產(chǎn)品，參考地面調(diào)查數(shù)據(jù)以及已有成果數(shù)據(jù)輔助開展建設(shè)用地圖斑提取，基于DOM 實現(xiàn)了 建設(shè)用地調(diào)查、建筑物用途精細(xì)分類，基于DEM開展了建筑物高度識別，并利用已有參考數(shù)據(jù)對提取成果進(jìn)行精度評價?？傮w技術(shù)過程如圖1所示。

圖2顯示了高分多模原始影像及融合影像對比效果，明顯可以看出融合后的高分多模影像紋理清晰，地物邊緣細(xì)膩，更易于開展建設(shè)用地遙感監(jiān)測應(yīng)用。

圖2 高分多模衛(wèi)星融合影像產(chǎn)品示意圖Fig.2 GFDM-1 satellite fusion image

利用高分多模衛(wèi)星立體全色影像像對，進(jìn)行影像定向和點云匹配，生產(chǎn)5 m格網(wǎng)的DSM數(shù)據(jù)(見圖3)，然后構(gòu)建立體模型，并參考正射影像，在立體環(huán)境下進(jìn)行自動濾波和人工編輯工作，主要對地表房屋、植被進(jìn)行濾波降高，生成5 m格網(wǎng)的DEM，最后基于DSM和DEM進(jìn)行柵格運(yùn)算生成建筑物高度柵格圖。

圖3 高分多模衛(wèi)星DSM產(chǎn)品示意圖Fig.3 GFDM-1 satellite DSM product

2 高分多模衛(wèi)星建設(shè)用地遙感監(jiān)測

建設(shè)用地類型精細(xì)識別和高度分類是城市建設(shè)、空間規(guī)劃及自然資源科學(xué)化管理中必不可少的部分。高分多模衛(wèi)星具備0.5 m高分辨率對地觀測能力，為資源環(huán)境精細(xì)化調(diào)查管理提供了支持，可以實現(xiàn)對建設(shè)用地多尺度、多維度、多層次的監(jiān)測監(jiān)管。高分多模衛(wèi)星發(fā)射以來，在建設(shè)用地調(diào)查監(jiān)測方面開展了多種試驗，利用高分多模衛(wèi)星影像不僅可以根據(jù)用途精細(xì)化識別建設(shè)用地類別，同時基于立體成像生成的DSM數(shù)據(jù)可以輔助建筑物高度提取，為城市化發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐。

2.1 測試數(shù)據(jù)

本文選用五景高分多模數(shù)據(jù)開展建設(shè)用地遙感監(jiān)測，影像區(qū)域包括甘肅省甘州區(qū)新墩鎮(zhèn)局部街區(qū)及北京市懷柔區(qū)廟城鎮(zhèn)局部街區(qū)，測區(qū)內(nèi)包括住宅小區(qū)、商業(yè)寫字樓、影劇院、學(xué)校教學(xué)樓、廠房、變電站、道路等多種類型。研究所選用的測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 建設(shè)用地遙感調(diào)查測試數(shù)據(jù)表Table 1 Test data of construction land extraction

2.2 建設(shè)用地類型識別

建設(shè)用地分布位置、輪廓和空間布局是建設(shè)用地遙感調(diào)查最為核心的內(nèi)容。高分多模衛(wèi)星的高分辨率特性使其紋理清晰、光譜真實、信息豐富，對于建設(shè)用地類型識別具有明顯優(yōu)勢。甘肅省甘州區(qū)為甘肅省張掖市市政府所在地，位于河西走廊中部，近年來，甘州區(qū)依托生態(tài)資源穩(wěn)步推進(jìn)張掖濱河新區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)，國土空間面貌日新月異。以甘肅省甘州區(qū)為測試區(qū)域，基于自動提取和人工解譯相結(jié)合手段，利用2020年11月高分多模衛(wèi)星影像開展建設(shè)用地遙感調(diào)查。圖4和圖5為試驗區(qū)建設(shè)用地提取結(jié)果。與現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比對分析，建筑物提取準(zhǔn)確率為98.76%，道路提取準(zhǔn)確率為96.64%。高分多模融合影像可以準(zhǔn)確識別建筑物、道路等建設(shè)用地位置、數(shù)量和面積等信息，為城市規(guī)劃提供綜合信息依據(jù)。

圖4 測試區(qū)域建設(shè)用地提取成果(整體)Fig.4 Extraction results of construction land in test area (overall)

圖5 測試區(qū)域建設(shè)用地提取成果(局部)Fig.5 Extraction results of construction land in test area (partial)

2.3 建筑物精細(xì)分類

隨著城市建設(shè)的加快，在國土空間規(guī)劃以及城市老舊改造等需求下，需要進(jìn)一步掌握建筑物精細(xì)類別。傳統(tǒng)實地調(diào)查，耗費人力多、所用時間長，迫切需要利用遙感手段獲取建筑物精細(xì)化信息。在此背景下，中、低空間分辨率的遙感影像已經(jīng)不能滿足要求，需要更高空間分辨率的影像進(jìn)行深層次的數(shù)據(jù)分析。利用高分多模衛(wèi)星從功能角度對建筑物進(jìn)行細(xì)化分類，提取結(jié)果表明：高分多模衛(wèi)星可以精細(xì)識別居住建筑、公共建筑、工業(yè)建筑等不同用途類別的建筑物。居住建筑一般呈塊狀，數(shù)量多且獨立連片，識別度較高；工業(yè)建筑大多為長條形，屋頂為藍(lán)色或白色，位于道路附近；公共建筑一般在住宅周圍，占地面積較大。分類結(jié)果表明高分多模衛(wèi)星可以識別各種不同用途類別的建筑物，包括住宅小區(qū)、學(xué)生宿舍等居住建筑，行政辦公樓、商業(yè)寫字樓、影劇院、學(xué)校教學(xué)樓等公共建筑，大體量的廠房、小體量的變電站等工業(yè)建筑。表2和圖6給出了建筑物精細(xì)分類結(jié)果，統(tǒng)計各個用途類別建筑物的數(shù)量和占比，分析發(fā)現(xiàn)：甘肅省甘州區(qū)測試區(qū)域建筑物從數(shù)量上以居住建筑為主，占試驗區(qū)總圖斑個數(shù)的46.58%，而公共建筑所占面積最大，占地0.56 km2。

表2 甘州區(qū)測試區(qū)域建筑物用途分類統(tǒng)計表Table 2 Statistics of building use classification in Ganzhou test area

圖6 甘州區(qū)測試區(qū)域建筑物用途分類提取成果圖Fig.6 Results of building use classification extraction in Ganzhou test area

2.4 建筑物高度分類

北京市懷柔區(qū)位于北京市東北部遠(yuǎn)郊，被定位為首都文化科技高端產(chǎn)業(yè)新區(qū)和國際會議新區(qū)，兼具城鄉(xiāng)二元特征，建筑垂直結(jié)構(gòu)差異顯著。為測試高分多模立體數(shù)據(jù)輔助建筑物高度識別效果，利用2021年1月高分多模衛(wèi)星北京懷柔地區(qū)立體數(shù)據(jù)生產(chǎn)DSM及DEM產(chǎn)品，從而獲取了建筑物高度柵格圖(見圖7)，在此基礎(chǔ)上對建筑物高度進(jìn)行細(xì)化分類提取。圖8展示了按照建筑物高度差異將建筑物要素劃分為低層建筑、多層建筑和高層建筑的效果。統(tǒng)計各個高度類別建筑物的數(shù)量和占比，結(jié)果見表3。分類結(jié)果表明：高分多模衛(wèi)星立體數(shù)據(jù)可用來輔助建筑物高度判別，區(qū)分建筑物為低層建筑、多層建筑或高層建筑；北京市懷柔區(qū)測試區(qū)域建筑物垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為低層建筑分布數(shù)量和面積最大占比，面積約占建筑物總面積72.55%；低層建筑和多層建筑混合分布在測區(qū)中南部分，高層建筑集中分布在測區(qū)北部，呈長窄條狀。

圖7 懷柔區(qū)測試區(qū)域建筑物高度柵格圖Fig.7 Grid map of building height in Huairou test area

圖8 懷柔區(qū)測試區(qū)域建筑物高度分類提取成果圖Fig.8 Results of building height classification in Huairou test area

表3 懷柔區(qū)測試區(qū)域建筑物高度分類統(tǒng)計表Table 3 Statistical results of building height classification in Huairou test area

2021年3月24日利用手持激光測高儀實地測量懷柔測試區(qū)域15個建筑物高度，分別均勻選取了低層建筑、多層建筑與高層建筑(見圖9)，并將測量結(jié)果與分類結(jié)果進(jìn)行對比，其中13個建筑物高度類別判斷準(zhǔn)確，分類精度為86.67%。

圖9 懷柔區(qū)測試區(qū)域建筑物高度實地測量圖Fig.9 Field survey of building height in Huairou test area

3 結(jié)束語

在新型城鎮(zhèn)化背景下，為了科學(xué)有效管理我國自然資源，需要對建設(shè)用地開展遙感監(jiān)測應(yīng)用分析評價。根據(jù)時代的需要，對于建設(shè)用地遙感調(diào)查已經(jīng)由單一的數(shù)量、質(zhì)量向精細(xì)化調(diào)查監(jiān)管轉(zhuǎn)變。本文以甘肅省甘州及北京市懷柔測試區(qū)為研究區(qū)域，綜合利用高分多模衛(wèi)星平面以及立體數(shù)據(jù)，開展了建設(shè)用地識別、建筑物用途精細(xì)分類以及高度分類試驗。研究結(jié)果表明：高分多模衛(wèi)星由于其高分辨率、多譜段、多種成像模式等特征，可以在建設(shè)用地遙感調(diào)查監(jiān)測及精細(xì)識別中發(fā)揮重要作用。由于衛(wèi)星發(fā)射時間較短，在建設(shè)用地遙感調(diào)查監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用還有待深入。隨著衛(wèi)星輻射校正、幾何定位等工作開展優(yōu)化，高分多模衛(wèi)星將會提供更為可靠的影像數(shù)據(jù)，為我國城市科學(xué)監(jiān)管、土地利用調(diào)查、糧食安全、災(zāi)害應(yīng)急評估方面提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐保障。