管鴻智，林麗靖，黃榮珍*，黃國敏，萬鴻宇，李相璽，萬小星，田魏龍

（1.南昌工程學(xué)院 江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌，330099；2.江西省水利技術(shù)中心，江西 南昌，330009）

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感影像解譯標(biāo)志運(yùn)用的范圍愈加廣泛、標(biāo)志庫的構(gòu)建也顯得越發(fā)必要。阿麗娜[1]建立了新疆策勒縣地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯標(biāo)志庫，歸納了災(zāi)害點(diǎn)發(fā)育程度的空間分布特征及規(guī)律，并分析出當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害的主控因素。于浩等[2]人建立了遼寧農(nóng)居建筑物結(jié)構(gòu)類型的遙感解譯標(biāo)志庫，為房屋建筑資料收集提供了一種新的思路。凌峰等[3]基于四川、安徽、內(nèi)蒙古、山西、北京和青海等區(qū)域生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感影像建立了其擾動(dòng)圖斑解譯標(biāo)志。因解譯標(biāo)志受限于區(qū)域氣候、地域植被類型、施工階段、影像來源等因素[3]，從生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感監(jiān)督管理的實(shí)際需求出發(fā)，同時(shí)為了加快江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息化工作的建設(shè)步伐，建立完整且符合本省實(shí)際的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目解譯標(biāo)志庫已成為當(dāng)務(wù)之急[4，5]。本文基于分層分類特征對遙感影像進(jìn)行提取和探究，構(gòu)建江西省的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感解譯標(biāo)志庫，以期為我省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感解譯效率和精度的提高提供支撐，并為其它省份建立生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目解譯標(biāo)志庫提供借鑒。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型多、分布范圍廣，受不同區(qū)域地形、地貌以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響，呈現(xiàn)出片狀或零星分布的特點(diǎn)，加之不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型的實(shí)際建設(shè)需求，其空間分布以及形態(tài)特征的獨(dú)特性更加突顯。

2019年，江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域遙感監(jiān)管現(xiàn)場復(fù)核工作共提取擾動(dòng)圖斑16 364個(gè)，現(xiàn)場復(fù)核（含新發(fā)現(xiàn)）圖斑18 061個(gè)，占比110.37%。其中，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)圖斑10 366個(gè)。2020年，江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域遙感監(jiān)管現(xiàn)場復(fù)核工作共提取擾動(dòng)圖斑6 451個(gè)，現(xiàn)場復(fù)核（含新發(fā)現(xiàn)）圖斑7 040個(gè)，占比109.13%。其中，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)圖斑3 548個(gè)。

在近兩年的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域遙感監(jiān)管復(fù)核中，常出現(xiàn)同一類型項(xiàng)目遙感影像特征不同、不同類型項(xiàng)目遙感影像特征相同等諸多問題，因此，有效解決此類問題對于提高判別精度和工作效率顯得尤為必要和迫切。

2 技術(shù)路線

此次項(xiàng)目參照水利部水土保持監(jiān)測中心發(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》（征求意見稿）及《水土保持監(jiān)測實(shí)施方案（2017-2020）》，共建立3套34類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感影像解譯標(biāo)志庫。

2.1 前期資料準(zhǔn)備

2.1.1 影像來源及預(yù)處理

本項(xiàng)目選擇分辨率優(yōu)于2.5m且具有藍(lán)、綠、紅、近紅外光等多光譜波段的高分一號（GF-1）及哨兵-2衛(wèi)星的遙感影像，衛(wèi)星基本參數(shù)見表1。

表1 衛(wèi)星基本參數(shù)

在獲取衛(wèi)星遙感影像圖后，對其進(jìn)行預(yù)處理以保證圖像的清晰度、層次感、色彩飽和度、信息豐富度等，預(yù)處理過程包括幾何校正、圖像融合、圖像鑲嵌等，預(yù)處理軟件為SNAP及ENVI。

2.1.2 資料搜集

前期搜集資料包括江西省2020年生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目概況、水利部和江西省、市、縣級批復(fù)的水土保持方案情況、江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息化監(jiān)管工作開展情況等。以上資料主要來源于江西省水利廳、江西省水利科學(xué)院及全國生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)等。通過相關(guān)資料查詢，可大致了解項(xiàng)目區(qū)內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的主要類型、數(shù)量及分布。

2.2 解譯標(biāo)志庫的建立

2.2.1 技術(shù)原理

建立解譯標(biāo)志庫是面向遙感解譯的必要條件。遙感解譯又分為直接解譯和間接解譯兩類。直接解譯是當(dāng)目標(biāo)地物信息足夠豐富時(shí)（如顏色、色調(diào)、形狀、陰影、紋理、大小等），能夠直接反應(yīng)和表現(xiàn)目標(biāo)地物信息的遙感圖像的各種特征，進(jìn)而直接判別遙感影像上的目標(biāo)地物。間接解譯是當(dāng)目標(biāo)地物信息不夠豐富時(shí)，通過借助它們與某些地物之間的關(guān)聯(lián)（如目標(biāo)地物與其相關(guān)特征、周圍環(huán)境的關(guān)系等），間接反映和表現(xiàn)目標(biāo)地物信息的遙感影像的各種特征，目標(biāo)地物與成像時(shí)間的關(guān)系等，進(jìn)而間接判別遙感影像上的目標(biāo)地物[5]。

2.2.2 建立過程

根據(jù)江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的分布特點(diǎn)，通過實(shí)地調(diào)查分析，共建立了3套34類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感影像解譯標(biāo)志庫（因2020年江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域遙感監(jiān)管現(xiàn)場復(fù)核工作未包含核電工程及油氣開采工程，故未建立這兩類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感影像解譯標(biāo)志），如表2所示。內(nèi)容包括無人機(jī)航拍實(shí)景圖、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感影像圖、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目相關(guān)信息等。

表2 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感解譯標(biāo)志庫簡要信息表

2.2.3 野外驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)解譯標(biāo)志庫建立過程的科學(xué)性及規(guī)范性，隨機(jī)抽取2020年江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域遙感監(jiān)管現(xiàn)場復(fù)核工作圖斑20個(gè)，基于已建立的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感影像解譯標(biāo)志庫，進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證以確定生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的類別及相關(guān)特征描述，驗(yàn)證結(jié)果及特征均與已建立的解譯標(biāo)志庫相符。

3 結(jié)果分析

3.1 影像差異性

解譯標(biāo)志庫在建立過程中，同一類型的不同項(xiàng)目，在遙感影像中所呈現(xiàn)的特征各不相同，這給后期的人工標(biāo)注并進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的工作帶來了巨大困擾[5]。下面以其它小型水利工程為例介紹影像差異性。

江堤加固項(xiàng)目位于江西省贛州市唐江鎮(zhèn)中洲壩附近，其影像特征為幾何特征不明顯，呈長條狀，色調(diào)以暗灰色為主，紋理不規(guī)則、不集中，靠近水系，影像結(jié)構(gòu)粗糙。

圖1 其它小型水利工程擾動(dòng)圖斑解譯標(biāo)志（江堤加固）

圖2 其它小型水利工程擾動(dòng)圖斑解譯標(biāo)志（污水處理廠）

污水處理廠項(xiàng)目位于江西省贛州市贛縣區(qū)西坑河附近，其影像特征為幾何特征不明顯，呈塊狀，色調(diào)呈土黃色或淡綠色，紋理規(guī)則、集中，靠近水系，影像結(jié)構(gòu)均一。

以上兩個(gè)項(xiàng)目雖屬于同一生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型，但影像特征極不相似，無法抽象出兩個(gè)項(xiàng)目的共同影像特征。影像差異性解決的關(guān)鍵在于提取影像所具有的顯著且獨(dú)有特征。

3.2 影像相似性

解譯標(biāo)志庫在建立過程中，不同類型的不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，會(huì)顯示出相同的遙感影像特征（如幾何特征、顏色）。下面以公路工程及鐵路工程為例介紹影像相似性。

G36國道項(xiàng)目位于江西省吉安市萬安縣枧頭鎮(zhèn)附近，其影像特征為幾何特征明顯，呈長條狀，色調(diào)呈暗青色，紋理規(guī)則集中，離主城區(qū)較遠(yuǎn)，影像結(jié)構(gòu)均一。

京九線項(xiàng)目位于江西省吉安市泰和縣中棚村附近，其影像特征為幾何特征明顯，呈長條狀，色調(diào)呈銀白色，紋理規(guī)則集中，離主城區(qū)較遠(yuǎn)，影像結(jié)構(gòu)均一。

以上兩個(gè)項(xiàng)目的影像特征極為相似，都具有共同且顯著的特征，但屬于不同類型的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，無法進(jìn)行直接解譯。

3.3 時(shí)空互斥性

圖3 公路工程擾動(dòng)圖斑解譯標(biāo)志（國道）

圖4 鐵路工程擾動(dòng)圖斑解譯標(biāo)志（京九線）

解譯標(biāo)志庫在建立過程中，由于衛(wèi)星遙感圖像與現(xiàn)場實(shí)景航拍存在時(shí)間上的不一致性，遙感影像圖與實(shí)景航拍圖的拍攝日期不對應(yīng)造成了實(shí)景圖與遙感影像存在顯著差異。下面以露天非金屬礦為例介紹時(shí)空互斥性。

由于該項(xiàng)目的遙感影像獲取日期與無人機(jī)實(shí)景航拍圖像獲取日期不一致，導(dǎo)致同一項(xiàng)目多處出現(xiàn)較大差異。如圖5所示，遙感影像圖與實(shí)景航拍圖相比，其形狀、顏色、輪廓、周邊地物構(gòu)成均存在較大差異。

圖5 露天非金屬礦擾動(dòng)圖斑解譯標(biāo)志（陶土礦）

4 改進(jìn)方案與建議

4.1 加強(qiáng)幾何以及色彩特征的協(xié)同分析

幾何特征作為遙感影像最直接的表現(xiàn)屬性之一。

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的幾何特征千差萬別，如條狀（公路工程、鐵路工程等）、塊狀（火電工程、房地產(chǎn)項(xiàng)目等）等。關(guān)于幾何特征的屬性提取，可以直接通過人工判別的方式進(jìn)行提取。對于一些幾何特征不明顯、圖像邊界不清晰的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)先進(jìn)行疑似推斷結(jié)果標(biāo)記后，與色彩分析結(jié)果相互對照后確定其類型。

色彩特征是遙感影像的另一標(biāo)志性表現(xiàn)屬性，通常不同的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型的色彩表現(xiàn)各異，如機(jī)場工程在遙感影像上通常表現(xiàn)為深灰色、露天煤礦在遙感影像上通常表現(xiàn)為深黑色等。色彩分析通常用于區(qū)分色彩差別顯著的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在剛開工時(shí)都要擾動(dòng)地面，如場地平整，此時(shí)遙感影像均呈現(xiàn)為當(dāng)?shù)赝寥涝?，江西表層土一般為紅壤或紅棕壤。項(xiàng)目在建設(shè)過程中逐漸成型，同一類型的共同特征也逐步展現(xiàn)，此時(shí)可利用專業(yè)圖像處理軟件如MIX、Adobe Photoshop進(jìn)行色彩過濾，為進(jìn)一步分類做好前期工作。

在進(jìn)行人工訓(xùn)練樣本制作的過程中，幾何特征分析與色彩分析必須相互搭配使用，通常先進(jìn)行色彩分析，再進(jìn)行幾何特征分析（生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目幾何特征的區(qū)別往往大于色彩的區(qū)別）。幾何特征及色彩特征分析是進(jìn)行分層分類特征提取的重要前提，屬于前置分類基本判別依據(jù)，對其規(guī)律性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有利于提高分層分類特征提取的準(zhǔn)確性及高效性，縮短人工訓(xùn)練樣本的制作周期，提升人工訓(xùn)練樣本的針對性。

4.2 增加位置以及周邊地類構(gòu)成特征分析

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目因其工程特性需要而處于不同位置且周邊地類構(gòu)成規(guī)律差異明顯（如江西風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目通常位于山區(qū)、周邊地類構(gòu)成單一通常為樹木；城市軌道交通工程通常位于城區(qū)、周邊地類構(gòu)成通常為建筑物等）[6]，所處位置分析與周邊地類組成分析屬于間接分類基本判別依據(jù)，與遙感影像本身所具有的屬性關(guān)聯(lián)度不大，因此應(yīng)放在幾何特征分析及色彩分析之后，作為一種輔助歸類判別手段。

4.3 項(xiàng)目分層分類特征提取分析

分層分類特征提取，是將具有相似或相同功能的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型進(jìn)行歸類，形成一級分類，共分為交通類、電力類、水利類、礦產(chǎn)類、油氣類、加工生產(chǎn)類、城建類、其它產(chǎn)業(yè)類共8類[6]。依靠前期幾何特征分析、色彩分析、所處位置分析、周邊地類構(gòu)成分析后建立的結(jié)果歸類庫，挑選出符合要求的一級分類，根據(jù)不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型的各項(xiàng)顯著差異進(jìn)行再分類，以此推斷出所解譯目標(biāo)地物的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型，如表3所示。分層分類特征提取的關(guān)鍵在于尋找同處一級分類內(nèi)不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類型的各項(xiàng)顯著差異，從而達(dá)到減少再分類的次數(shù)、提高結(jié)果高效性及科學(xué)性的要求。

表3 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目分層分類特征提取

5 討 論

解決影像差異性及影像相似性的關(guān)鍵在于找到與之相匹配的、帶有目的性的提取方案，分層分類特征提取的引入，可以對目標(biāo)影像進(jìn)行精確剖解及分析，以此來區(qū)別于其它項(xiàng)目。對于時(shí)空互斥性問題，建議項(xiàng)目所在地相關(guān)部門對項(xiàng)目建設(shè)單位加強(qiáng)監(jiān)督管理，并要求

其定期上傳項(xiàng)目現(xiàn)狀航拍圖，縮小遙感影像與項(xiàng)目實(shí)際情況之間的差距，以此來消除時(shí)空互斥性問題。

分層分類特征提取操作的前提是對預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行幾何特征分析、色彩分析、所處位置分析及周邊地類構(gòu)成分析，以此來減小分層分類工作的難度[3]。

在2020年江西省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感影像解譯標(biāo)志庫建立的過程中，利用分層分類特征提取選擇了20個(gè)圖斑進(jìn)行驗(yàn)證，正確率達(dá)到98%，證明了分層分類特征提取在通常情況下的實(shí)用性及科學(xué)性。

分層分類特征提取在一些特殊情況下具有較大的局限性，如其它城建工程中的城市公園建設(shè)工程與社會(huì)事業(yè)類項(xiàng)目中的旅游部門建設(shè)項(xiàng)目，二者在幾何特征、色彩、所處位置及周邊地類構(gòu)成方面具有高度相似性，無法利用分層分類特征提取進(jìn)行判斷，必須實(shí)地考察加以確定其類型。在這一點(diǎn)上，分層分類特征提取有待完善和優(yōu)化。