羅志東，劉二佳，齊 實，趙 院

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京；3.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京；4.林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，100083，北京)

土壤侵蝕是中國乃至世界的重大環(huán)境問題?？茖W(xué)及時監(jiān)測與評價土壤侵蝕狀況是進(jìn)行水土保持綜合治理的重要基礎(chǔ)，對政府科學(xué)決策、規(guī)劃制定、治理成效評估等工作具有重要的現(xiàn)實意義。遙感技術(shù)具有探測范圍廣、獲取信息快、信息含量大等優(yōu)勢，自20世紀(jì)70年代以來作為一種重要的技術(shù)手段，在土壤侵蝕普查以及水土流失動態(tài)監(jiān)測等工作中廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)等重大工程的實施，高分遙感數(shù)據(jù)成為主要的數(shù)據(jù)源在土壤侵蝕監(jiān)測與評價中普遍應(yīng)用。同時，高分遙感技術(shù)應(yīng)用還存在一些問題亟待解決，高分遙感信息提取自動化算法區(qū)域適用性差，遙感信息提取成果多期動態(tài)誤差波動性大，遙感信息提取與土壤侵蝕監(jiān)測與評價業(yè)務(wù)的融合集成性差，整體應(yīng)用效率不高，不能滿足當(dāng)前監(jiān)測全覆蓋、多頻次工作需要。目前，高分遙感在土壤侵蝕應(yīng)用領(lǐng)域研究主要是面向?qū)ο骩3-4]、機(jī)器學(xué)習(xí)[5-6]、深度學(xué)習(xí)[7]等信息提取方法或算法研究，在高分遙感與監(jiān)測業(yè)務(wù)融合、工程化應(yīng)用、整體提升效率方面研究還是空白。筆者重點(diǎn)針對高分遙感應(yīng)用上述難點(diǎn)問題以及土壤侵蝕監(jiān)測與評價的現(xiàn)實需求，引入系統(tǒng)工程學(xué)原理與方法，將遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤侵蝕監(jiān)測與評價工作作為一個整體來考慮，提出一種工程化應(yīng)用模式，以提升整體應(yīng)用效率和水平，滿足土壤侵蝕常態(tài)化、業(yè)務(wù)化和工程化應(yīng)用需要。

1 模式的系統(tǒng)工程學(xué)闡釋

1.1 工程化模式的內(nèi)涵

基于高分遙感技術(shù)開展土壤侵蝕監(jiān)測與評價，涉及高分遙感信息提取、其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、土壤侵蝕模型分析及其相應(yīng)的系統(tǒng)構(gòu)建、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境建設(shè)等多要素環(huán)節(jié)，其工程化模式構(gòu)建主要是基于系統(tǒng)工程學(xué)原理，將其作為一個系統(tǒng)進(jìn)行整體研究，系統(tǒng)梳理該系統(tǒng)現(xiàn)實問題及邏輯關(guān)系，將高分遙感技術(shù)與土壤侵蝕監(jiān)測與評價業(yè)務(wù)有機(jī)融合，按照整體化、規(guī)范化、流程化、定量化等原則和方法，合理構(gòu)建和配置系統(tǒng)相關(guān)組成要素，形成一套高效穩(wěn)定的工程化業(yè)務(wù)應(yīng)用模式。

1.2 工程化模式的主要特性

從系統(tǒng)工程學(xué)的角度說，任何系統(tǒng)都有些基本的性質(zhì)和特性[8]。根據(jù)土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測與評價工程化模式的內(nèi)涵，該模式具有5方面特性：1)整體性，在遙感信息提取、土壤侵蝕分析評價整個過程中人為經(jīng)驗參與、系統(tǒng)應(yīng)用、設(shè)備環(huán)境建設(shè)等需要保持整體的協(xié)調(diào)一致；2)穩(wěn)定性，遙感信息提取和業(yè)務(wù)分析評價等經(jīng)驗知識和方法保持相對穩(wěn)定，減少人為經(jīng)驗差異帶來的誤差和不確定性，保持土壤侵蝕監(jiān)測與評價成果的連續(xù)性和穩(wěn)定性；3)高效性，模式各環(huán)節(jié)的銜接轉(zhuǎn)換順暢、集成高效；4)量化性，可量化環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行定量化約束，使相應(yīng)環(huán)節(jié)量化、可控；5)實用性，模式各環(huán)節(jié)要素簡單實用、可操作性強(qiáng)。

2 模式的總體框架

該模式主要包括工程化綜合知識庫、信息提取算法集、應(yīng)用集成3個核心要素：基于水土保持區(qū)劃和縣級行政區(qū)劃并行融合的空間管理框架體系，將業(yè)務(wù)與專家知識進(jìn)行規(guī)范和固化，構(gòu)建高分遙感樣本、遙感信息提取算法與參數(shù)、土壤侵蝕監(jiān)測評價業(yè)務(wù)參數(shù)等分類型分區(qū)域知識庫體系；針對不同的高分遙感信息提取目標(biāo)對象，分區(qū)域建立以模型與算法為核心的信息提取算法集，獲取針對相應(yīng)區(qū)域特點(diǎn)的相對穩(wěn)定的算法控制參數(shù)，輔助專家知識與后處理軟件工具集，形成一套規(guī)范、固化、可重復(fù)應(yīng)用的高分遙感信息快速提取方法體系；以綜合知識庫構(gòu)建和信息提取算法集為核心，實現(xiàn)知識庫和信息提取算法應(yīng)用軟件工具化，將土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測與評價各環(huán)節(jié)作為整體，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)和基礎(chǔ)信息設(shè)施設(shè)備環(huán)境等相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)集成。這3個系統(tǒng)要素之間相互聯(lián)系、相互互動、相互支撐、緊密融合，形成工程化應(yīng)用不可分割的有機(jī)整體。模式總體框架如圖1所示。

圖1 模式總體框架圖Fig.1 General framework diagram of the mode

3 模式的構(gòu)建要素與實現(xiàn)路徑

3.1 工程化綜合知識庫模式構(gòu)建

工程化綜合知識庫模式構(gòu)建采用美國學(xué)者霍爾(A. D. Hall)提出的系統(tǒng)工程方法論三維結(jié)構(gòu)體系[9]，根據(jù)前文分析的工程化模式內(nèi)涵特性，梳理和抽象知識庫的業(yè)務(wù)對象及其知識類型，按照土壤侵蝕監(jiān)測與評價組織管理需要，確定和形成綜合知識庫空間結(jié)構(gòu)體系。工程化綜合知識庫架構(gòu)如圖2所示。

3.1.1 空間管理框架 考慮到縣級行政區(qū)劃通常作為中國水土保持行業(yè)管理單元，參照全國水土保持區(qū)劃與水土保持重點(diǎn)防治區(qū)劃，搭建以水土保持區(qū)劃(融合水土保持重點(diǎn)防治區(qū)劃)和縣級行政區(qū)劃相結(jié)合的“雙層融合構(gòu)架”知識庫框架，實現(xiàn)知識庫對象及其知識的存儲、調(diào)用、檢索與更新。

3.1.2 對象指標(biāo)框架 根據(jù)土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測與評價業(yè)務(wù)應(yīng)用需求與業(yè)務(wù)應(yīng)用流程，知識庫可劃分遙感類對象指標(biāo)和非遙感類對象指標(biāo)。遙感類對象指標(biāo)是指基于高分遙感影像進(jìn)行信息提取的土壤侵蝕評價指標(biāo)，主要包括土地利用類型、植被類型及植被覆蓋狀況和水土保持治理措施等。非遙感類對象指標(biāo)是指與土壤侵蝕評價緊密相關(guān)的非遙感手段獲取的對象指標(biāo)，主要包括坡度坡長、土壤類型及土壤可蝕性、侵蝕動力和水土保持管理等指標(biāo)。

3.1.3 知識內(nèi)容框架 按照知識庫對象指標(biāo)的知識表現(xiàn)形式，知識內(nèi)容可分為樣本知識、方法知識、參數(shù)知識和模型知識等。樣本知識包括高分遙感影像、對象圖片、對象遙感特征、業(yè)務(wù)特征及分布規(guī)律知識等。方法知識主要包括各遙感類對象指標(biāo)遙感信息提取的算法、方法集，非遙感類對象指標(biāo)分析計算的算法方法等。參數(shù)知識包括對象指標(biāo)遙感信息提取或分析計算過程中研究和試驗獲取的參數(shù)值或范圍。模型知識主要指各類土壤侵蝕分析評價模型。

3.2 工程化遙感信息提取算法模式構(gòu)建

在確定土壤侵蝕高分遙感指標(biāo)因子的分類體系的基礎(chǔ)上，確定信息識別提取的算法，綜合時間、難度、效率、精度等綜合效用，根據(jù)對象指標(biāo)的總體分布規(guī)律及內(nèi)在關(guān)系的認(rèn)知程度，綜合遙感和非遙感的決策函數(shù)，輔以專家知識和分類參數(shù)等手段，構(gòu)建合理的分層邏輯決策樹，對高分遙感圖像中的各個對象指標(biāo)進(jìn)行逐層的識別和歸類提取。工程化信息提取模式如圖3所示。

圖2 工程化綜合知識庫三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Three-dimensional structure map of engineering comprehensive knowledge base

圖3 工程化信息提取模式圖Fig.3 Drawing of engineering information extraction pattern

3.2.1 高分遙感信息分類體系構(gòu)建 充分考慮土壤侵蝕機(jī)理和不同土壤侵蝕高分遙感指標(biāo)因子的貢獻(xiàn)，兼顧遙感影像分辨率、制圖精度和比例尺，依據(jù)土地類型、植被、地形、水土保持措施等綜合特征，遵循多級性、獨(dú)立性、開放性、統(tǒng)一性原則，建立一套滿足適用于高分遙感信息提取和土壤侵蝕野外調(diào)查工作的土壤侵蝕高分遙感指標(biāo)因子分類體系。該分級系統(tǒng)采用3級分類結(jié)構(gòu)：一級分類和二級分類適用于全國尺度范圍，以實現(xiàn)分類數(shù)據(jù)的比較、協(xié)同和共享；三級分類是在二級分類的基礎(chǔ)上靈活擴(kuò)展的，適用于不同尺度和對象的研究。

3.2.2 分類目標(biāo)特征及算法體系構(gòu)建 通過詳細(xì)分析目標(biāo)對象的光學(xué)物理屬性、形狀信息、紋理特征、空間位置等方面的特征，確定不同分類對象的信息提取算法。分類算法包括遙感信息算法和非遙感信息算法。通過對高分遙感影像各波段進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算、導(dǎo)數(shù)運(yùn)算、代數(shù)變換、時頻變換以及色度變換等，對分類對象的均值、方差、灰度比、亮度等進(jìn)行統(tǒng)計，對紋理、形狀等空間維特征進(jìn)行分析，使得類間距離最大，類內(nèi)距離最小，形成能準(zhǔn)確反映出待分類目標(biāo)的特征光譜子集和空間子集，增強(qiáng)分類性能、提高分類精度。由于高分遙感影像的復(fù)雜性，僅依靠光譜信息和空間信息很難獲得滿意的分類精度，因此需要充分挖掘區(qū)域分類對象的空間分布、空間拓?fù)?、空間關(guān)系和地物時相分布規(guī)律等地學(xué)知識和關(guān)系特征方面的非遙感信息算法，并將其融合至遙感信息提取過程。

3.2.3 分層決策樹模式構(gòu)建 基于區(qū)域各類別地物的分布特征，分析土壤侵蝕高分遙感因子的表現(xiàn)形式，依據(jù)優(yōu)選模型，參照專家的經(jīng)驗規(guī)則知識，提出土壤侵蝕高分遙感因子提取的分層決策樹的構(gòu)造方式。該方式是按照層次模式把高分遙感數(shù)據(jù)集一級級向下細(xì)分，在每個分支子集中重復(fù)建立下層結(jié)點(diǎn)和分支，形成最佳邏輯的決策樹。結(jié)點(diǎn)的選取需要綜合評價技術(shù)難度、時間耗損、分類精度等指標(biāo)，獲取研究者滿意的分類策略或者分類層次。為確定每個提取目標(biāo)的最優(yōu)方案，根據(jù)風(fēng)險決策理論[10]，依據(jù)多屬性效用函數(shù)理論[9]，以分類分層法為基礎(chǔ)，以決策者的最大期望值為目標(biāo)，構(gòu)建土壤侵蝕高分遙感因子提取的優(yōu)選模型。在綜合評判和決策過程中，準(zhǔn)則層權(quán)重的確定是其中一個重要環(huán)節(jié)。根據(jù)信息具有粒度的思想，基于方根法[11]來科學(xué)定義準(zhǔn)則層的重要性，最后得到有利于正確評價和決策的綜合權(quán)重。最后，利用專家知識，按照表1對其滿意度進(jìn)行劃分，以期獲得綜合效益值，進(jìn)而獲取最優(yōu)的分類層次。其表達(dá)式為：

E(A)=max [E(Ai)]；

(1)

(2)

表1 滿意度賦值表

3.2.4 工程化修正模式構(gòu)建 通過分類算法直接提取的結(jié)果中存在孔穴、孤島，甚至存在接邊錯誤、拓?fù)鋯栴}、錯提、漏提、圖斑破碎、邊界錯誤等問題，因此需要對分類結(jié)果進(jìn)行分類結(jié)果修正，進(jìn)一步提高分類結(jié)果的精度。工程化修正模式首先對分類算法直接提取的數(shù)據(jù)問題進(jìn)行分類，對不同問題采取不同的技術(shù)方法手段進(jìn)行修正，相應(yīng)的修正算法和技術(shù)手段實現(xiàn)軟件工具化，進(jìn)行批處理，提高修正處理的速度和效率。

3.3 工程化綜合集成模式構(gòu)建

通過統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化設(shè)計構(gòu)架，將實現(xiàn)土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測與評價工作的應(yīng)用功能軟件、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息設(shè)施等要素集成到相互連通、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，實現(xiàn)集中、高效、便利的一體化集約化應(yīng)用。

3.3.1 工程化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成模式 為提高土壤侵蝕分析評價效率，滿足土壤侵蝕定期、不定期動態(tài)分析評價需求，必須做好高分遙感及提取指標(biāo)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的融合集成。融合集成方式主要基于大數(shù)據(jù)和云計算的理念和方法，通過建立統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)體系，基于統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)管理平臺，按照集中式或分布式數(shù)據(jù)庫模式，實現(xiàn)多源多期次海量高分遙感數(shù)據(jù)之間、遙感數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間、過程數(shù)據(jù)與成果數(shù)據(jù)之間的有機(jī)集成，減少土壤侵蝕分析評價過程中各類數(shù)據(jù)資源之間匹配、轉(zhuǎn)換、銜接等處理時間，提升工程化應(yīng)用效率。

3.3.2 工程化應(yīng)用功能集成模式 土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測與評價全環(huán)節(jié)、全流程的軟件工具化及功能集成是提高監(jiān)測與評價分析效率，實現(xiàn)工程化推廣應(yīng)用的必要手段。應(yīng)用功能主要包括遙感數(shù)據(jù)管理、遙感數(shù)據(jù)處理、分析提取、土壤侵蝕模型分析評價以及知識庫管理系統(tǒng)等方面。集成方式主要有搭建式、配置式、插件式等，可采用1種或多種集成開發(fā)模式進(jìn)行靈活集成，滿足功能集成的靈活性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性，并為功能復(fù)用、調(diào)用和互操作提供有效手段。

3.3.3 工程化基礎(chǔ)環(huán)境集成模式 基礎(chǔ)環(huán)境集成主要包括計算機(jī)基礎(chǔ)軟件處理工具平臺，例如遙感處理工具、GIS分析工具、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，硬件環(huán)境平臺主要包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)備份等設(shè)備以及數(shù)據(jù)交互和信息傳輸為依托的網(wǎng)絡(luò)綜合集成。基礎(chǔ)環(huán)境集成方式在傳統(tǒng)的集成方式基礎(chǔ)上，可根據(jù)實際條件，建立和部署到安全、隔離的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，通過“云”模式的存儲計算實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的并行處理，提升基礎(chǔ)環(huán)境集成的效率和水平。

4 模式的應(yīng)用案例分析

為驗證本研究提出的模式的應(yīng)用效果，結(jié)合國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項目、高分水利遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)等課題，利用課題建立的工程化應(yīng)用平臺和高分一號2 m分辨率的夏季影像，選取陜西省橫山縣進(jìn)行了示范應(yīng)用實踐。橫山縣土地總面積4 333 km2，屬于典型的農(nóng)牧交錯帶，植被覆蓋以草原和灌木叢為主，分布少量林地和園地，水土流失強(qiáng)度大，水土保持治理措施主要以林草措施、梯田整地和淤地壩為主。參照已經(jīng)建立的遙感知識庫，在研究區(qū)構(gòu)建了包括耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、水域、交通運(yùn)輸用地、其他用地等8個一級類，以及梯田、裸地、沙地、水土保持林、水土保持種草等12個二級類的分類體系。分析目標(biāo)地物的光譜屬性、形狀信息、紋理特征、空間位置等方面的特征，獲得不同分類目標(biāo)的算法及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建分類方案的比選模型，確定滿意的分類策略。最終確定的比選模型的表達(dá)式為

maxE(Ai)=0.4E1(Ai)+0.4E2(Ai)+0.2E3(Ai)。

(3)

式中：Ai為提取的某一種方案；E1，E2，E3分別為時間耗損、分類精度、技術(shù)難度的期望值。

通常，在植被覆蓋較多的地區(qū)，先區(qū)分水域及非水域，再區(qū)分植被和非植被，然后再進(jìn)行其他地類的提取。而在陜北農(nóng)牧交錯帶，由于植被的光譜信息相對較弱，不容易與其他地類區(qū)分；因此在提取的過程中，從根節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行水域和非水域的分離，后期的分類順序、算法分裂準(zhǔn)則以及結(jié)點(diǎn)的個數(shù)需根據(jù)比選模型確定。本模式解決了圖斑瑣碎且分類精度低的問題，因此精度可達(dá)到“非常滿意”的級別，時間耗損達(dá)到“滿意”，對于有一定知識經(jīng)驗的人而言技術(shù)難度也可以達(dá)到“滿意”，綜合效益為2.9。按照上述的分類策略，對各地物目標(biāo)進(jìn)行提取，總體分類精度87.58%，高于85%的精度評價標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過工程化修正模式工具，分類精度達(dá)到95%，橫山縣土壤侵蝕監(jiān)測與評價整體工作效率提升了2～3倍。實踐表明：該模式的設(shè)計與應(yīng)用提升了高分遙感信息提取穩(wěn)定性，保證了監(jiān)測與評價流程的一體化，提高了整體工作效率。

5 結(jié)論與討論

筆者針對高分遙感技術(shù)在土壤侵蝕監(jiān)測與評價工作的問題與不足，將整個工作環(huán)節(jié)作為一個系統(tǒng)工程進(jìn)行研究，構(gòu)建了一種土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測與評價工程化模式。該模式重點(diǎn)通過知識庫構(gòu)建、遙感信息提取算法、應(yīng)用集成3個環(huán)節(jié)要素的業(yè)務(wù)化工程化的梳理與構(gòu)建，來有效提升土壤侵蝕監(jiān)測與評價工作的整體效率和水平。通過在陜西省橫山縣的示范應(yīng)用成效表明，該模式可滿足土壤侵蝕監(jiān)測與評價業(yè)務(wù)效能提升的需要，具有較強(qiáng)的實用性。

該模式屬于一種綜合集成性模式，隨著模式應(yīng)用的不斷完善，以及高分遙感信息提取、大數(shù)據(jù)分析以及云計算等技術(shù)的深入發(fā)展，該模式應(yīng)用效能的提升會更加明顯。該模式可在全國開展的水土保持動態(tài)監(jiān)測工作中進(jìn)行試點(diǎn)推廣，進(jìn)而在全國土壤侵蝕普查和水土流失生態(tài)安全預(yù)警等領(lǐng)域中全面應(yīng)用。