韋燕燕，張子平

(1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院，河南焦作 454003; 2.國土資源部信息中心，北京 100812)

1 引言

隨著SPOT－5、IKONOS和Quick Bird等高分辨率衛(wèi)星遙感影像的不斷發(fā)展，使得利用衛(wèi)星遙感影像廣泛應(yīng)用于更新土地利用現(xiàn)狀圖，利用高分辨率衛(wèi)星影像成為土地利用變更調(diào)查的一種重要的手段，保證了土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)源的現(xiàn)勢(shì)性和及時(shí)性。采用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行土地利用調(diào)查，主要是利用衛(wèi)星遙感影像的地物光譜特征的特性，發(fā)揮其對(duì)地類判別的優(yōu)勢(shì)，以多時(shí)相、多源遙感數(shù)據(jù)為變化信息源［1］。

IKONOS(伊科諾斯)衛(wèi)星于1999年9月24日送入太空，成為世界上商業(yè)遙感衛(wèi)星中第一顆提供高分辨率的衛(wèi)星。IKONOS衛(wèi)星的成功運(yùn)行，開拓了一個(gè)全新的、迅速的、物美價(jià)廉的、實(shí)時(shí)精確的獲得最新地物目標(biāo)基礎(chǔ)信息的途徑，它不僅可以提供分辨率達(dá)1 m的高清晰度的衛(wèi)星影像，而且樹立了商業(yè)化衛(wèi)星影像的全新標(biāo)準(zhǔn)［2］。IKONOS衛(wèi)星由于其高空間分辨率，廣泛用于土地調(diào)查中，對(duì)IKONOS衛(wèi)星用于1∶1萬土地利用現(xiàn)狀調(diào)查可行性研究的文獻(xiàn)目前比較多，但是對(duì)其最小可以識(shí)別的各個(gè)地類的最小圖斑面積精度還有待研究。遙感影像分辨率的提高，使得對(duì)最小圖斑面積的研究越來越有意義，在土地利用中最小圖斑面積不僅關(guān)系著各地類的綜合面積，而且也客觀反映地物現(xiàn)狀之間的分布規(guī)律，是土地利用調(diào)查和管理中不可缺少的重要部分。從大量文獻(xiàn)中看到，目前針對(duì)最小圖斑上圖面積的研究?jī)H限于在土地利用數(shù)據(jù)縮編和制圖綜合時(shí)，對(duì)小面積圖斑的舍棄，并沒有基于不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)方面最小上圖圖斑面積的研究。土地是國家的基礎(chǔ)，關(guān)系著國計(jì)民生，遙感技術(shù)在土地利用調(diào)查中發(fā)揮著越來越重要的作用，對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)最小圖斑面積的研究不論從其重要性還是必要性上，都已經(jīng)迫在眉睫。

本文基于遙感影像的光譜特征和高空間分辨率的特點(diǎn)，運(yùn)用圖斑面積的相對(duì)誤差對(duì)IKONOS遙感影像最小識(shí)別的地類圖斑面積精度進(jìn)行研究。

2 研究區(qū)概況

新鄉(xiāng)市地處河南省北部，南臨黃河，與省會(huì)鄭州、古都開封隔河相望;北依太行，與鶴壁、安陽毗鄰;西連旅游城市焦作，與晉東南接壤;東接油城濮陽，與魯西相連，是豫北的經(jīng)濟(jì)和交通中心，中原城市群城市之一。新鄉(xiāng)市總面積8249 km2，總?cè)丝?91萬，市區(qū)面積422 km2，市區(qū)人口120萬，建成區(qū)114 km2，轄三市、五縣、四區(qū)以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、新鄉(xiāng)西工區(qū)、新鄉(xiāng)工業(yè)園區(qū)、新鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、平原新區(qū)，共有108個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和20個(gè)街道辦事處。新鄉(xiāng)市地處黃河、海河兩大流域，平原占地總面積78%，土地肥沃、光熱充沛，新鄉(xiāng)地處北緯35°18'，東經(jīng)113°54'屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬寒夏熱，秋涼春早，年平均氣溫14℃;7月最熱，平均27.3℃ ;1月最冷，平均0.2℃。是豫北的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心［3］。

新鄉(xiāng)市地處中原腹地，太行山脈以東，黃河以北，地勢(shì)既有平坦的平原，又有太行余脈，地形比較適合本文的研究，并且人多地少，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，土地利用變化頻繁。新鄉(xiāng)市2007年完成了數(shù)字航測(cè)土地利用調(diào)查，因此，選擇該研究區(qū)，以航測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以更加全面的進(jìn)行精度分析，得到更可靠的論證。

3 研究區(qū)數(shù)據(jù)

IKONOS遙感衛(wèi)星提供分辨率達(dá)1 m的高清晰度的衛(wèi)星影像，軌道高度在681 km的高空，重訪周期為3天［4］。

實(shí)驗(yàn)采用的遙感影像數(shù)據(jù)為IKONOS數(shù)據(jù)1 m分辨率，R、G、B三波段真彩色，接收時(shí)間為2006年9月8日，無云覆蓋，色彩豐富，紋理清晰，無明顯噪聲、斑點(diǎn)和壞線。色調(diào)均勻，反差適中數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

圖1 IKONOS遙感影像(1 m分辨率)

4 數(shù)據(jù)處理

IKONOS影像數(shù)據(jù)為為2006年9月8日成像的1 m真彩色數(shù)據(jù)，只有藍(lán)、綠、紅三個(gè)波段;用于進(jìn)行遙感影像幾何校正的控制點(diǎn)，采用水平定位精度達(dá)亞米級(jí)的Trimble XRS差分GPS野外實(shí)測(cè)，經(jīng)過后差分處理后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精度達(dá)的厘米級(jí)。遙感影像配準(zhǔn)的方法有很多種，多項(xiàng)式糾正是其中一種比較簡(jiǎn)單、快速、實(shí)用的方法，可以有效實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的處理。但是它對(duì)于復(fù)雜地形來說不易使用，難以保證復(fù)雜地形的影像糾正精確度［5］。所以，本文對(duì)2006年IKONOS影像的糾正，以糾正好的SPOT－5全色影像為基礎(chǔ)，利用二次多項(xiàng)式分區(qū)進(jìn)行糾正。遙感影像的分區(qū)控制點(diǎn)盡量均勻分布，并且選取易識(shí)別的特征地物，保證遙感影像配準(zhǔn)的精確度。通過對(duì)圖像進(jìn)行二次多項(xiàng)式幾何校正，每個(gè)控制點(diǎn)的中誤差都控制在1個(gè)像元之內(nèi)，滿足遙感影像糾正的要求。

5 研究方法

5.1 地類判讀精度評(píng)定

實(shí)際工作中，有很多種方法都可以用于評(píng)價(jià)計(jì)算解譯的精度，本文采用的是抽樣法和誤差矩陣法。即任意抽樣選取研究區(qū)的地類圖斑，根據(jù)所得數(shù)據(jù)與同期航測(cè)數(shù)據(jù)相比較、解譯結(jié)果建立誤差矩陣分析，解譯結(jié)果精度即專業(yè)人員判讀精度，其具體計(jì)算方法如下［6］:

式中，P為判讀精度;Bi為地類判讀正確的圖斑數(shù);Aj為地類的圖斑總數(shù)。

5.2 面積精度的評(píng)定

進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)面積精度誤差分析，對(duì)比法是比較常用和實(shí)用的方法。因此，本研究也采用此方法。所謂對(duì)比法就是按照地類和空間分布均勻的原則，于矢量數(shù)據(jù)中抽樣選取一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的航測(cè)數(shù)據(jù)，以一定的指標(biāo)評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)的誤差，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。

研究所用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為相對(duì)面積精度，公式如下［7］:

其中，Zi為圖斑面積相對(duì)精度，Ai為樣本圖斑面積，Bi為航測(cè)數(shù)據(jù)圖斑面積(視為真值)。

6 數(shù)據(jù)分析

6.1 地類判讀精度的分析

由于不同的土地利用類型有其固有的利用狀態(tài)，例如，耕地、園地等大片連續(xù)，旱地、苗圃等零碎分散，交通用地縱橫交錯(cuò)，居民點(diǎn)零散，獨(dú)立工礦集中以及河流水面的帶狀交錯(cuò)分布等等，這些都是影響不同土地利用類型圖斑大小，形狀的條件。因此，不同的土地利用類型，基于遙感影像的圖斑的解譯精度就有所不同，對(duì)不同地類圖斑判讀的準(zhǔn)確度亦不同。

在研究區(qū)挑取樣本數(shù)據(jù)，并通過判讀和實(shí)地檢核，由式(1)得到IKONOS遙感影像的地類圖斑判對(duì)率如表1所示。

IKONOS遙感影像地類圖斑判對(duì)率 表1

由表1可知，在IKONOS遙感影像上地類圖斑的最大精度為98%，最小的精度91%，平均精度95%。

6.2 面積精度的分析

在實(shí)驗(yàn)區(qū)抽樣選擇樣本數(shù)據(jù)，并與已有的航測(cè)數(shù)據(jù)(視為真值)相比較。由于本文是基于最小識(shí)別圖斑的研究，所以在樣本數(shù)據(jù)中選擇小面積圖斑并且分層抽取。本文根據(jù)具體情況將數(shù)據(jù)分成6個(gè)檔次，如表2所示。

樣本數(shù)據(jù)面積表 表2

根據(jù)各個(gè)地類的光譜特性、分布規(guī)律和幾何形狀規(guī)律，以及遙感數(shù)據(jù)的波段特性，可知每個(gè)地類的判讀度是不同的。在本研究區(qū)中，居民地與周圍地物反差較大，形狀不規(guī)則，紋理較粗，顏色灰白，呈點(diǎn)狀分布，周圍一般有道路、部分臨近城市的居民地周圍有大棚，其背景地物主要是耕地，比較容易判易讀。耕地有較為規(guī)則的幾何形狀，紋理較細(xì)，呈暗綠色或灰綠色，呈片狀分布，并有明顯的田埂和溝渠，判讀也比較容易。植被是遙感圖像中反映最直接的信息。它在可見光的綠波段有反射峰，在藍(lán)光和紅光波段有反射谷，在近紅外至短波紅外區(qū)域，由于細(xì)胞間隙和葉片細(xì)胞對(duì)電磁波的多重反射，使反射綠迅速上升，形成一個(gè)高平臺(tái)。不同植被在短波紅外和近紅外波段的差異比較明顯，但是在可見光波段內(nèi)的反射率差異很小。由于其紋理和色調(diào)的原因，林地、園地、草地容易混淆，個(gè)別時(shí)候與耕地也不好區(qū)分。下面針對(duì)研究區(qū)典型地類的面狀圖斑進(jìn)行分析，詳見圖2、圖3、圖4關(guān)于面積精度趨勢(shì)的分析。

圖2 IKONOS衛(wèi)星影像城鎮(zhèn)村及工礦用地地類面積精度趨勢(shì)

圖3 IKONOS衛(wèi)星影像耕地園地地類面積精度趨勢(shì)

圖4 IKONOS衛(wèi)星影像有林地、草地其他地類面積精度趨勢(shì)

由圖2、圖3、圖4可知，IKONOS衛(wèi)星影像上城鎮(zhèn)村及工礦用地的小圖斑面積在接近270 mm2時(shí)，精度基本趨于穩(wěn)定，都在90%以上。耕地園地的小圖斑面積在接近300 mm2時(shí)，都在90%以上。林地草地其他用地面積在350 mm2時(shí)，精度滿足90%。由以上可得IKONOS衛(wèi)星影像解譯的最小面積如表3所示。

IKONOS遙感影像最小解譯面積 表3

7 結(jié)論

全國第二次土地調(diào)查的技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的最小上圖圖斑面積為:城鎮(zhèn)村及工礦用地4 mm2，耕地、園地6 mm2，林地、草地其他用地 15 mm2，在 1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖上的相應(yīng)圖斑分別為:400 m2、600 m2、1500 m2?？梢奍KONOS遙感影像的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國土地調(diào)查最小圖斑面積精度的要求，完全可以用于土地調(diào)查。但是隨著遙感精度的提高，作者認(rèn)為國家關(guān)于最小上圖圖斑面積的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，應(yīng)該隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展和遙感影像空間分辨率的提高而提高。而具體最小上圖圖斑面積多大才算合適，牽涉到人眼分辨率、地圖負(fù)載量、地類權(quán)重等因素，需要進(jìn)一步詳細(xì)研究。

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