劉安興,劉春光

（廣東省國土資源測繪院，廣州510000）

1 引言

高分七號衛(wèi)星作為我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)首顆民用亞米級光學傳輸型立體測繪衛(wèi)星，該衛(wèi)星于2019年11月3日在我國太原衛(wèi)星中心發(fā)射成功，標志著我國啟動實施的高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項打造的高空間分辨率、高時間分辨率、高精度觀測的天基對地觀測能力初步形成，該衛(wèi)星的發(fā)射可以有效打破我國地理信息產(chǎn)業(yè)上游的高分辨率立體遙感影像市場對國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴，不僅可以提供影像紋理特征清晰，光譜信息豐富的高分辨率立體衛(wèi)星數(shù)據(jù)，滿足我國民用1∶10 000 比例尺衛(wèi)星立體測圖的應用需求［1］，而且可以為我國在自然資源調(diào)查監(jiān)測、城鄉(xiāng)建設、交通運輸和防災減災、環(huán)境保護等方面提供強有力的地理信息數(shù)據(jù)保障。

為有效貫徹落實黨中央、國務院關于嚴格土地管理和調(diào)控的各項政策，實行最嚴格制度、最嚴密法治保護土地資源的精神，切實履行“兩統(tǒng)一”職責，作為自然資源管理部門，開展土地資源執(zhí)法監(jiān)測執(zhí)法監(jiān)測工作［2］，是充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術手段在土地資源利用動態(tài)監(jiān)管中的作用，加強土地執(zhí)法監(jiān)管，規(guī)范土地管理秩序的重大決策，可以有效遏制土地違法違規(guī)行為上升趨勢，切實實現(xiàn)對耕地資源的保護與監(jiān)管，促進土地資源的節(jié)約集約利用。

鑒于以上背景，本文從土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務工作需求出發(fā)，并結合土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務流程和標準，對高分七號數(shù)據(jù)應用的影像幾何糾正、影像融合質量和影像遙感解譯效果等進行分析評價，以科學、準確地評估該衛(wèi)星在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的應用前景。

2 試驗數(shù)據(jù)源

高分七號衛(wèi)星搭載的兩線陣立體相機可以獲取優(yōu)于0.8 m分辨率的全色立體影像和3.2 m分辨率的多光譜影像，其中多光譜影像包含4個多光譜波段。為測試高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的適應性，綜合考慮高分七號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域平原、丘陵和山區(qū)地形地貌兼顧，單景影像云霧覆蓋較少的特點，本研究選擇了兩景同軌的高分七號衛(wèi)星L2 級原始影像數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)，對其在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的應用效果進行評價，數(shù)據(jù)情況具體如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)列表Tab.1 List of experimental data

3 幾何糾正精度評價

在土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務中，影像經(jīng)過精糾正的幾何精度直接關系到被監(jiān)測對象和目標與實際地物位置差異和面積精度大小。為測試高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)正射影像的精度，本文在利用第三次全國土地調(diào)查正射影像作為平面參考，以測試區(qū)1∶10 000 比例尺DEM 數(shù)據(jù)作為高程控制資料基礎上，利用主流的商業(yè)影像處理軟件包括Erads、ENVI等，對測試區(qū)域原始影像進行正射處理，形成測試區(qū)域的數(shù)字正射影像成果。在此基礎上，為評價數(shù)字正射影像的幾何精度，在測試區(qū)域范圍內(nèi)分別從平地、丘陵地區(qū)和山地高山地區(qū)隨機選取25 個典型的地物點，并參考第三次國土調(diào)查數(shù)字正射影像標準規(guī)范，對比分析正射處理后的圖上坐標與地物點的實測坐標之間的平均誤差［3］，其中誤差計算方法見公式1，具體精度情況統(tǒng)計見表2所示。

其中，RMS為平面及接邊中誤差；Xi、Yi為隨機選取地物點的實測坐標值；X、Y為同名地物點正射影像糾正之后影像坐標值；n為隨機選取的地物點數(shù)量。

表2 高分七號衛(wèi)星正射影像平面及接邊中誤差統(tǒng)計Tab.2 Statistics of errors in the plane and edge of the orthophoto of the Gaofen-7 satellite

從以上統(tǒng)計分析結果可知，利用GF7 號衛(wèi)星影像開展正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)，正射影像產(chǎn)品在平地、丘陵地區(qū)的平面精度和接邊精度均優(yōu)于山地、高山地區(qū)，且數(shù)字正射影像成果的平面精度和接邊精度完全符合土地資源執(zhí)法監(jiān)測中1∶5 000 比例尺正射影像的平面精度和接邊限差精度要求。

4 影像融合質量分析

高分七號作為亞米級光學衛(wèi)星，其影像的融合效果和質量直接關系到影像在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中的應用效果。為對比分析不同融合算法之間的效果，尋求適合高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合處理的最優(yōu)融合方法，本文分別采用主流的融合算法，主要包括主成分變換（PCA）、 纓帽變換（Brovey）、乘法變換（Multiplicative）、超分辨率貝葉斯法（Pansharp2）和高通濾波（HPF）等，并結合定量數(shù)理統(tǒng)計特征的評價方法［4］，分別對各融合效果的最小值、最大值、均值、標準差、信息熵等指標進行分析評價不同融合影像的效果。其中，均值反映融合影像的光譜保真度，融合前后影像對應波段均值變化小，光譜保真性能越好；標準差反映融合影像不同波段灰度相對于灰度平均值的離散程度，標準差越大，包含的信息就越大；信息熵是衡量影像信息豐富程度的重要指標，熵值越高，說明融合影像信息越豐富［5］，不同融合方法數(shù)理統(tǒng)計結果見表3。

表3 不同融合方法數(shù)理特征統(tǒng)計Tab.3 Statistics of mathematical characteristics of different fusion methods

從不同的融合方法均值、標準差和信息熵值等定量分析指標對比分析可知，經(jīng)過超分辨率貝葉斯法（Pansharp2）融合處理后的影像，各波段的最大值、均值、標準差和信息熵等都優(yōu)于其他融合方法，說明PanSharp2 融合后的影像亮度高，視覺效果好，且包含的信息量較多，影像的光譜信息較豐富，相對于其他的融合方法效果更好。因此，在土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務過程中，為尋求最優(yōu)的影像融合的效果，建議采用Pansharp2 融合方法對高分七號衛(wèi)星影像進行融合處理。

5 土地執(zhí)法監(jiān)測地物解譯能力評價

為測試高分七號衛(wèi)星正射影像在土地資源執(zhí)法監(jiān)測中地物解譯能力，根據(jù)土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務工作提取的內(nèi)容，結合土地執(zhí)法監(jiān)測對新增變化圖斑提取的業(yè)務流程與標準，本文利用測試區(qū)域的高分七號正射影像作為后時相，以同區(qū)域、同周期、同級別分辨率的GF2 號正射影像為前時相，通過對比前后時相影像，以人機交互的方式進行地物解譯，并根據(jù)解譯結果從圖斑的屬性精度、面積精度和最小可識別圖斑等指標，全面分析評價高分七號在土地執(zhí)法監(jiān)測中的地物解譯能力，其中土地執(zhí)法監(jiān)測變化圖斑分類標準如表4所示。

表4 土地資源執(zhí)法監(jiān)測變化圖斑提取分類標準Tab.4 Standards for extraction and classification of land resources law enforcement monitoring change

（1）最小識別圖斑及屬性精度

衛(wèi)星影像的最小可識別圖斑指標是指衛(wèi)星影像能夠識別并提取的不同地物的最小面積，是反映衛(wèi)星影像地物解譯能力的重要指標；圖斑的屬性精度主要是反映提取的變化圖斑在去除偽變化圖斑之后，真實變化圖斑數(shù)量與提取的圖斑總數(shù)量之間的差異。根據(jù)土地資源執(zhí)法監(jiān)測變化圖斑提取標準［6-8］，本文基于高分七號衛(wèi)星影像分別提取測試區(qū)域不同類型圖斑，并結合實地調(diào)查的成果對提取的最小可識別圖斑面積和圖斑屬性精度進行評價。其中，不同類型的圖斑屬性精度見公式（2），不同圖斑的屬性精度和可識別圖斑面積如表5所示。

式中：P為地類圖斑屬性判讀精度；Bi為地類圖斑屬性判讀正確的圖斑數(shù)；Ai為提取的地類圖斑總數(shù)。

表5 不同變化類型圖斑最小可識別面積及屬性精度Tab.5 The smallest recognizable area and attribute accuracy of different change types

通過對不同變化類型圖斑的最小可識別圖斑面積和屬性精度結果分析可知，基于高分七號衛(wèi)星影像開展土地資源執(zhí)法監(jiān)測，不同類型的圖斑的屬性判別精度均可以保持在93%以上，說明高分七號衛(wèi)星的解譯標志清晰，完全可以滿足土地資源執(zhí)法監(jiān)測最小圖斑面積和屬性精度的要求。

（2）地類圖斑面積精度評價

地類圖斑的面積精度主要是反映高分七號衛(wèi)星影像勾繪的圖斑面積與地物真實面積之間的差異大小，為測試高分七號地類圖斑的精度，本測試對變化圖斑1至變化圖斑4分別隨機抽取10個數(shù)量真實變化圖斑，變化圖斑5 隨機抽取3 個圖斑，對比同級別的高分二號、高景一號衛(wèi)星正射影像圖斑的面積差異，分別計算圖斑面積與實測地物圖斑的真實面積，分析對比統(tǒng)計不同土地資源執(zhí)法執(zhí)法監(jiān)測中不同變化圖斑類型的平均面積精度。其中，不同變化圖斑的面積精度見公式3，不同類型圖斑的地類圖斑精度對比見表6。

式中：Zi為地類圖斑的面積精度；Ai為地類圖斑的圖上面積；Bi為地類圖斑實測面積。

表6 土地資源執(zhí)法監(jiān)測不同正射影像地類圖斑面積精度統(tǒng)計Tab.6 Accuracy statistics of the area of different orthophotos in land resource law enforcement monitoring

通過對比分析高分七號衛(wèi)星影像與同級別的高分二號、高景一號衛(wèi)星影像的圖斑面積精度可知，高分七號衛(wèi)星影像的面積精度明顯優(yōu)于高分二號，且略低于高景一號衛(wèi)星。但是總體上看，高分七號在土地執(zhí)法監(jiān)測不同變化圖斑的平均面積精度與真實圖斑地物的差異均保持在90%以上，由此可以說明高分七號衛(wèi)星在土地資源執(zhí)法監(jiān)測地物解譯方面，能夠有效提取出符合土地資源執(zhí)法監(jiān)測要求的各類圖斑，人工提取可識別度高，且整體面積精度誤差較小。

6 結束語

本文高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾何糾正精度、影像融合質量和在土地資源執(zhí)法監(jiān)測變化信息發(fā)現(xiàn)中地物解譯能力等進行了分析評價，結果表明：

利用GF7 號衛(wèi)星影像開展數(shù)字正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)，其數(shù)字正射影像成果的幾何精度較好，完全可以滿足土地資源執(zhí)法監(jiān)測中1∶5 000 比例尺數(shù)字正射影像的平面精度和接邊限差精度要求；影像融合效果方面，利用PanSharp2 融合后的影像的光譜信息較豐富，且影像亮度高，視覺效果好，且包含的信息量較多，相對于其他的融合方法，效果更好；在土地資源執(zhí)法監(jiān)測地物解譯能力方面，通過對不同變化類型圖斑的最小可識別圖斑面積和屬性精度結果分析可知，基于高分七號衛(wèi)星影像開展土地資源執(zhí)法監(jiān)測，不同類型的變化圖斑完全可以滿足執(zhí)法監(jiān)測最小圖斑面積要求，同時其屬性判別精度可以保持在93%以上；在面積精度方面，高分七號衛(wèi)星影像的面積精度明顯優(yōu)于高分二號，且略低于高景一號衛(wèi)星，但是總體上看，高分七號在土地執(zhí)法監(jiān)測不同變化圖斑的平均面積精度與真實圖斑地物的差異均保持在90%以上。由此可以說明，高分七號衛(wèi)星在土地資源執(zhí)法監(jiān)測地物解譯方面，完全可以滿足土地資源執(zhí)法監(jiān)測業(yè)務應用要求。