孫婕文，閆亭廷

（寧夏回族自治區(qū)遙感調(diào)查院，寧夏銀川 750100）

在大數(shù)據(jù)時代背景下，遙感技術(shù)及海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用使空間信息技術(shù)得到迅速發(fā)展[1]。專業(yè)的遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺在海洋碳通量研究[2]、鄉(xiāng)村建設(shè)[3]、軍民融合[4]等方面得到了廣泛的應(yīng)用，一些省份甚至建立了集海岸帶、農(nóng)林、旅游、城市環(huán)境等領(lǐng)域于一體的遙感大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用服務(wù)平臺，大力推動了數(shù)字化建設(shè)[1]。

隨著生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快，及時、準(zhǔn)確地獲取區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境信息，建立相關(guān)的遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，對于后期進(jìn)行相關(guān)綜合性研究，協(xié)助環(huán)保等部門及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題并進(jìn)行針對性的環(huán)境治理具有重要意義[5]。劉洪霞等[6]構(gòu)建了荒漠生態(tài)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)資源平臺，整合與挖掘荒漠生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，為荒漠化治理提供了幫助；樊俊梅等[7]基于遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建了草原生態(tài)大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，為治理與修復(fù)草原生態(tài)環(huán)境提供了幫助。本文在寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，對其地表水體智能提取工具及地表水體提取實(shí)例進(jìn)行了介紹。本研究對加強(qiáng)地表水環(huán)境監(jiān)督工作，防治水污染，保障人民身體健康具有重要意義。

1 寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺概況

在“十三五”加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)和加快“美麗寧夏”建設(shè)關(guān)鍵期的背景下，構(gòu)建寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（高分遙感數(shù)據(jù)分發(fā)共享服務(wù)系統(tǒng)）的目的在于實(shí)現(xiàn)多源影像數(shù)據(jù)查詢、分發(fā)服務(wù)，為影像獲取和共享提供有力的保障[8]。

寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和交互層組成。其中，基礎(chǔ)層用于在基礎(chǔ)設(shè)施層面整合計(jì)算資源、存儲資源；數(shù)據(jù)層主要保障系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲以及提??；支撐層是數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的中間介質(zhì)，用于依托標(biāo)準(zhǔn)、申請流程、安全架構(gòu)等保障數(shù)據(jù)安全和應(yīng)用層功能的實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)服務(wù)和數(shù)據(jù)分發(fā)共用服務(wù)；交互層是系統(tǒng)資源的具體體現(xiàn)，通過窗口對話實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互。

寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的主要功能包括查詢?yōu)g覽功能、申請下載功能、數(shù)據(jù)管理功能、統(tǒng)計(jì)分析功能、環(huán)境因子自動提取功能及配置管理功能。該平臺能夠提供高分系列遙感衛(wèi)星影像、無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)及其他多源遙感數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)個人需求進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)檢索并獲取相關(guān)電子文件資料；用戶有下載需求時，在線提交申請，等待后臺審批，獲得相應(yīng)的下載權(quán)限。此外，該平臺能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理、統(tǒng)籌與分析，后臺可以利用其實(shí)現(xiàn)用戶分級管理。寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的重要特色在于其能夠?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境專題因子進(jìn)行自動提??；對地表水體進(jìn)行提取時，用戶可以利用指定好的遙感影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在線矢量提取，以便于進(jìn)行后續(xù)的研究工作。

2 地表水體信息提取

2.1 深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具

深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具具備工程管理、視圖瀏覽、矢量采集、矢量編輯、成果導(dǎo)出等基本功能，為信息提取產(chǎn)品的生產(chǎn)、矢量化結(jié)果提供全面的技術(shù)支撐，同時依托于大量樣本數(shù)據(jù)的深度訓(xùn)練，具備將光譜、紋理、形態(tài)及與相鄰對象的空間關(guān)系等低層特征抽象成遙感地物信息高層特征模型的拓展能力，實(shí)現(xiàn)對地表水體的自動化提取。用戶可以根據(jù)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表水體的自動提取，此外還可以根據(jù)自己的數(shù)據(jù)需求，采用手勢引導(dǎo)的方法半自動識別水體范圍和邊界。深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具由6 個模塊構(gòu)成，分別為深度學(xué)習(xí)要素提取模塊、工程管理模塊、視圖瀏覽模塊、矢量采編模塊、屬性編輯模塊和成果導(dǎo)出模塊。

2.2 智能提取工具界面

寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具界面見圖1。該界面由菜單欄、工具欄、TOC（地圖內(nèi)容表）、狀態(tài)欄組成。

圖1 寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具界面

菜單欄包括“系統(tǒng)”“常規(guī)”“影像分析”“變化發(fā)現(xiàn)”“專題要素提取”“半自動提取”“矢柵編輯”“矢量采編”“屬性編輯”“成果導(dǎo)出”“質(zhì)量檢查”“工具”“幫助”等功能菜單，用戶可在菜單欄中選擇需要的功能；工具欄為常用功能的快捷工具按鈕，可根據(jù)用戶需要進(jìn)行定制顯示，在工具欄的空白區(qū)域點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，彈出自定義工具欄列表，用戶可根據(jù)需要勾選工具欄顯示的功能項(xiàng)；TOC（地圖內(nèi)容表）用來控制矢量、影像等數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、加載、顯示、編輯等操作；狀態(tài)欄顯示軟件當(dāng)前操作狀態(tài)及對象選擇狀態(tài)等信息。

2.3 地表水體信息提取

城市地表水體由自然和人工水體構(gòu)成，它是城市環(huán)境必不可少的自然資源，是城市生態(tài)環(huán)境重要影響因素之一，并對城市公共健康和人們的生活環(huán)境產(chǎn)生了一定影響[9]。近年來，為了加強(qiáng)地表水環(huán)境監(jiān)督工作，防治水污染，保障人民身體健康，國家環(huán)保部門頒布了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]。另外，寧夏回族自治區(qū)為了加強(qiáng)河湖管理和保護(hù)，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，根據(jù)有關(guān)法律、行政法規(guī)，結(jié)合區(qū)內(nèi)實(shí)際，于2019年7月17日召開的寧夏回族自治區(qū)第十二屆人民代表大會常務(wù)委員會第十三次會議中，通過了《寧夏回族自治區(qū)河湖管理保護(hù)條例》。因此利用基于寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具進(jìn)行地表水體的提取，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提升人民健康水平具有深遠(yuǎn)意義。

本次研究利用寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具實(shí)現(xiàn)地表水體的提取。具體步驟為：首先，選擇相應(yīng)調(diào)查地區(qū)的高分一號、高分二號遙感影像數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行矢量標(biāo)注；其次，通過自主化瓦片樣本制作工具，設(shè)置瓦片裁切大小為1 280×1 280，重疊范圍為600，開展瓦片樣本數(shù)據(jù)制作與挑選工作，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練；再次，訓(xùn)練結(jié)束后，挑選未參與訓(xùn)練的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表水體自動提取，并驗(yàn)證深度學(xué)習(xí)模型的精度；最后，在野外進(jìn)行實(shí)地踏勘及樣本采集，驗(yàn)證深度學(xué)習(xí)模型采集結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用示范

3.1 研究區(qū)

大武口區(qū)隸屬于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，西鄰賀蘭山脈，區(qū)域性降水條件及集水條件好，年均降水量高達(dá)430 mm，具備一定的水源涵養(yǎng)功能和地表水資源儲量，并且有星海湖、南沙海、浴山潭等湖泊及第二農(nóng)場渠引黃灌溉干渠，目標(biāo)明顯，因此選擇大武口區(qū)作為地表水體遙感自動提取的示范區(qū)域。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中，影像數(shù)據(jù)為覆蓋任務(wù)區(qū)的高分影像數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)對象為影像中的地表水體。用于研發(fā)地表水體自動化提取技術(shù)的影像數(shù)據(jù)為覆蓋寧夏地區(qū)地表水體主要分布區(qū)域的影像，對所有的影像數(shù)據(jù)要進(jìn)行自動化提取實(shí)驗(yàn)及深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。影像數(shù)據(jù)源的分辨率為1 m 和2 m，采集時間在2017年10月至2019年3月之間，總數(shù)據(jù)量為209.11 GB。地表水體影像數(shù)據(jù)均勻分布于研究區(qū)，用于進(jìn)行地表水體深度學(xué)習(xí)自動化提取研究的高分影像無云霧遮擋，影像重疊度高，質(zhì)量較好，適于進(jìn)行遙感深度學(xué)習(xí)自動化提取研究。

通過自主化瓦片樣本制作工具，設(shè)置提取地表水體的瓦片裁切大小為1 280×1 280，重疊范圍為600，共形成5 354 對地表水體瓦片樣本數(shù)據(jù)集以支撐深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。地表水體影像瓦片和標(biāo)簽瓦片的樣本數(shù)據(jù)示例見圖2。

圖2 地表水體瓦片樣本示例

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于5 354 對瓦片樣本數(shù)據(jù)，本文通過地表水的深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練，獲取了大武口區(qū)的地表水體提取圖斑結(jié)果。從影像數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，大武口區(qū)的地表水資源主要集中在大武口區(qū)東南平原一帶，以星海湖為主。開展地表水體遙感深度學(xué)習(xí)自動化提取研究將對水資源分布的空間監(jiān)測提供重要的可視化依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

3.4 提取精度

隨機(jī)選取2 景高分一號影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型提取精度驗(yàn)證。以大武口區(qū)地表水深度學(xué)習(xí)自動提取圖斑分布結(jié)果為示范，見圖3，左側(cè)為大武口區(qū)地表水體的原始影像，右側(cè)為大武口區(qū)地表水深度學(xué)習(xí)自動提取圖斑分布結(jié)果，圖斑輪廓有明顯白色邊界。

本次大武口區(qū)地表水體深度學(xué)習(xí)模型提取精度為88.56%，平均正檢率為82.2%，平均誤檢率為17.8%，平均漏檢率為10%，能夠滿足后續(xù)工作需求。

3.5 野外樣本采集

從覆蓋大武口區(qū)的影像深度學(xué)習(xí)自動化提取的圖斑中隨機(jī)抽取40 個地表水體圖斑，分2 期進(jìn)行野外實(shí)地樣本采集與驗(yàn)證，并對樣本進(jìn)行記錄。第1 期時間為2019年6月，主要是為目標(biāo)地物自動化提取實(shí)驗(yàn)采集解譯樣本；第2 期時間為2020年6月，主要是在深度學(xué)習(xí)自動化提取系統(tǒng)優(yōu)化后，對目標(biāo)地物的自動化提取效果進(jìn)行驗(yàn)證與評估，經(jīng)過野外驗(yàn)證，優(yōu)化后提取正確率為90%。

樣本采集以大武口區(qū)興民村揚(yáng)水渠附近（坐標(biāo)：106.409 933°E，39.051 364°N）的地表水體為例，圖4為深度學(xué)習(xí)自動化提取的地表水體圖斑，圖5 為現(xiàn)場蓄水池照片?，F(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果表明，基于寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺深度學(xué)習(xí)自動化提取的地表水體與實(shí)際結(jié)果相符。

圖5 現(xiàn)場蓄水池

4 結(jié)論

（1）基于寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的地表水體信息提取通過深度學(xué)習(xí)智能化信息提取工具得以實(shí)現(xiàn)。在寧夏回族自治區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，實(shí)現(xiàn)地表水體的自動化提取，對加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、提升人民健康水平具有深遠(yuǎn)意義。

（2）本次研究選擇具備一定水源涵養(yǎng)功能和地表水資源儲量的大武口區(qū)作為示范區(qū)，基于高分一號和高分二號影像數(shù)據(jù)，通過寧夏遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺地表水體信息提取工具對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化提取實(shí)驗(yàn)及深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。結(jié)果表明，大武口區(qū)地表水體深度學(xué)習(xí)模型提取精度為88.56%，平均正檢率為82.2%，平均漏檢率為10%，實(shí)地踏勘驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

（3）寧夏遙感大數(shù)據(jù)平臺的地表水體提取與應(yīng)用是一次成功的國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)區(qū)域應(yīng)用及成果轉(zhuǎn)化，提高了特定地物遙感解譯的效率和精度，對區(qū)域環(huán)境監(jiān)測和質(zhì)量評估提供了遙感技術(shù)支撐，并且能夠改善人民的居住環(huán)境，提升城市整體形象，加強(qiáng)地表水環(huán)境監(jiān)督工作，防治水污染，保障人民身體健康。