文|鄭琎琎 徐強(qiáng) 李治 喬志遠(yuǎn)

1.中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心 2.水利部小浪底水利樞紐管理中心 3.中國(guó)四維測(cè)繪技術(shù)有限公司

表1 高景一號(hào)衛(wèi)星星座載荷技術(shù)參數(shù)

三、高分衛(wèi)星遙感技術(shù)庫(kù)區(qū)監(jiān)管應(yīng)用

1.庫(kù)區(qū)高分辨率遙感影像底圖制作

高分辨率遙感影像底圖為開展庫(kù)區(qū)“清四亂”“清網(wǎng)箱”監(jiān)測(cè)和信息提取提供了關(guān)鍵本底影像數(shù)據(jù)。制作庫(kù)區(qū)高分辨率影像底圖包括衛(wèi)星成像編排、數(shù)據(jù)獲取與篩選、正射校正與鑲嵌處理等主要步驟。小浪底水庫(kù)夾在兩山之間，呈東西狹長(zhǎng)走勢(shì)，東西跨度約110km，高景星座的4 星聯(lián)合組網(wǎng)拍攝與敏捷成像能力為實(shí)現(xiàn)研究區(qū)范圍一月一次的全覆蓋采集提供了保障。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行質(zhì)量檢查和篩選，并控制庫(kù)區(qū)整體云量低于10%。由于高分辨率衛(wèi)星遙感影像底圖的平面位置精度直接影響到后續(xù)信息提取圖斑定位的準(zhǔn)確性以及多期影像之間的套合，采用外業(yè)測(cè)繪的方式獲取平面和高控制點(diǎn)進(jìn)行正射校正，制作庫(kù)區(qū)每月一期的高分辨率正射影像底圖，如圖1 所示。

圖1 庫(kù)區(qū)月度0.5m 分辨率正射影像底圖

2.水位淹沒線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

水位是水庫(kù)日常管理中的重要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)庫(kù)區(qū)水位淹沒線進(jìn)行月度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有助于了解水庫(kù)水位在一定時(shí)間范圍內(nèi)的變化情況，并有效支持庫(kù)區(qū)水域和岸線的日常巡查，從而對(duì)水庫(kù)水資源進(jìn)行有效管理。由于小浪底水庫(kù)范圍較大，0.5m 高分辨率遙感衛(wèi)星難以用一景影像或者同一時(shí)間成像條件下的多景影像進(jìn)行覆蓋，以及庫(kù)區(qū)內(nèi)不同斷面河流流速差異較大，使得不同斷面攜帶泥沙量差異較大，從而導(dǎo)致庫(kù)區(qū)內(nèi)水體的影像光譜信息差異較大，致使全局訓(xùn)練的分類模型或者選擇的閾值分割方法難以獲取高精度的水位淹沒線提取結(jié)果。針對(duì)此問題，研究了一種分區(qū)范式的對(duì)象級(jí)特征聯(lián)合水位淹沒線自動(dòng)提取方法，通過(guò)構(gòu)建影像分區(qū)，建立各自分區(qū)的支持向量機(jī)（SVM）機(jī)器學(xué)習(xí)模型，解決由于影像成像差異帶來(lái)的提取精度低的問題。首先根據(jù)水庫(kù)區(qū)域的遙感影像重疊區(qū)差異度最小原則生成數(shù)據(jù)鑲嵌線，構(gòu)建鑲嵌影像分區(qū)；在基于重采樣后的數(shù)字高程模型、遙感鑲嵌影像、歸一化水體指數(shù)和歸一化植被指數(shù)構(gòu)建聯(lián)合特征數(shù)據(jù)集合，并通過(guò)影像分割獲取特征集對(duì)象；最后人工采集少量水體和非水體樣本，獨(dú)立訓(xùn)練每個(gè)影像分區(qū)的SVM機(jī)器學(xué)習(xí)模型，并對(duì)相應(yīng)分區(qū)內(nèi)的影像進(jìn)行水體提取，獲取水位淹沒線提取結(jié)果。應(yīng)用此方法提取了2019 年至今的月度水庫(kù)水位淹沒線，為庫(kù)區(qū)管理和巡查提供了支撐。圖2 是庫(kù)區(qū)水位淹沒線2020 年月度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)專題圖。

圖2 庫(kù)區(qū)水位淹沒線2020 年月度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)專題圖

3.遙感監(jiān)測(cè)圖斑提取與分析

根據(jù)水利部明確全國(guó)河湖“清四亂”專項(xiàng)行動(dòng)問題認(rèn)定及清理整治標(biāo)準(zhǔn)的通知[3]，結(jié)合庫(kù)區(qū)“清網(wǎng)箱”監(jiān)管需求，為便于遙感影像監(jiān)測(cè)圖斑統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)地核查和復(fù)查，基于0.5m 分辨率遙感影像進(jìn)行特征分析，建立了庫(kù)區(qū)水域和岸線的“清四亂”“清網(wǎng)箱”圖斑分類體系和解譯標(biāo)志。

水庫(kù)岸線遙感監(jiān)測(cè)圖斑分為亂建、亂推、亂采、亂占4 大類，其中亂建包括新增建設(shè)、建設(shè)加建、建設(shè)拆除3 類，分別表示房屋、道路等人工建筑物、構(gòu)筑物的新建、持續(xù)建設(shè)和拆除狀態(tài)；亂堆包括新增堆放、堆放擴(kuò)大、堆放減少3 類，分別表示棄土、棄渣、固定廢棄物等新增傾倒、堆放區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大、堆放清理的狀態(tài)；亂采包括新增開采、開采增加和開采減少3 類，分別表示新增的采砂、取土等，以及開采的持續(xù)進(jìn)行和開采逐步修復(fù)的狀態(tài)；亂占包括新增圍墾、圍墾擴(kuò)大、圍墾拆除、新增魚塘、魚塘擴(kuò)建、魚塘拆除6 類，分別表示農(nóng)作物種植、農(nóng)業(yè)大棚、養(yǎng)殖魚塘等的圍墾新建、擴(kuò)大圍墾和建設(shè)范圍、恢復(fù)與拆除的狀態(tài)。圖3 為基于前后時(shí)相0.5m分辨率影像建立的水庫(kù)岸線“清四亂”遙感監(jiān)測(cè)圖斑解譯標(biāo)志。

圖3 水庫(kù)岸線“清四亂”圖斑解譯標(biāo)志（每組左圖為前時(shí)相，右圖為后時(shí)相）

水庫(kù)水域“清網(wǎng)箱”圖斑分類體系分為抬網(wǎng)、筏釣平臺(tái)、迷魂陣和攔河網(wǎng)4 類。抬網(wǎng)包括小型抬網(wǎng)和大型抬網(wǎng)，形狀為“口”字形或“田”字形，一般用竹竿、木棍、鋼管連接，每側(cè)有浮筒或塊狀泡沫塑料，分布在河道岸邊和溝岔內(nèi)；筏釣平臺(tái)形狀以“口”字為主，部分為“田”字形，有鐵皮（藍(lán)頂或紅頂）房屋，周圍分布有框架，一般分布在溝岔內(nèi)；迷魂陣呈傘狀或蘑菇形狀，用粗繩、小型浮漂串聯(lián)，一般在岸邊；攔河網(wǎng)呈長(zhǎng)條狀，有兩片攔河網(wǎng)攔在河中，一般從河的兩岸下網(wǎng)。圖4 為水庫(kù)水域“清網(wǎng)箱”圖斑解譯標(biāo)志。

圖4 水庫(kù)水域“清網(wǎng)箱”圖斑解譯標(biāo)志

基于庫(kù)區(qū)每月一期高分辨率遙感影像底圖數(shù)

圖6 庫(kù)區(qū)衛(wèi)星遙感監(jiān)察系統(tǒng)及其應(yīng)用

四、結(jié)語(yǔ)與展望

高分辨率遙感衛(wèi)星正射影像底圖及在其基礎(chǔ)上提取的庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)圖斑、水位淹沒線可為水庫(kù)巡查、詳查、核查和整改復(fù)查提供月度完整的遙感影像本底數(shù)據(jù)、疑似線索的類型、位置、面積以及與周邊環(huán)境關(guān)系情況信息；開發(fā)庫(kù)區(qū)遙感監(jiān)察系統(tǒng)可有效整合地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水庫(kù)監(jiān)察業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，為加強(qiáng)庫(kù)區(qū)監(jiān)管提供了重要的信息支持和技術(shù)手段。目前庫(kù)區(qū)遙感監(jiān)測(cè)圖斑線索主要采用人工識(shí)別的方式提取，存在效率不高、人工判讀差異較大的問題。針對(duì)此問題，未來(lái)可利用人工智能識(shí)別技術(shù)，建立庫(kù)區(qū)“清四亂”“清網(wǎng)箱”樣本庫(kù)，研究和實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)遙感監(jiān)測(cè)圖斑的自動(dòng)化提取，以提高效率，減少人工。