卫星遥感立体成像地形信息提取技术在土地变更调查中的应用研究

卢文娟

（上饶市自然资源局广丰分局，江西 上饶 334000）

0 引言

近年来，随着城市化加速发展，对土地的需求量不断增加，对土地调查技术要求进一步扩增。虽然传统遥感技术具备检测范围大和动态检测等优点，在基础测绘和地形勘察等领域经常使用［1］。但随着经济发展，传统技术成像费用高，周期长，数据处理慢等缺点逐渐凸显，无法满足现代测绘勘察的高需求［2］。由于高分辨率的遥感影像具有形状清晰和纹理丰富以及获取数据方便等优势，因此在土地、环保、气象和林业等领域被广泛应用［3］。研究将卫星遥感成像信息提取技术用于第三次全国土地变更调查，以上饶镇为试验区，通过SPOT6 卫星遥感系统获取数据，采用人工目视解译方法进行影像信息提取。研究将验证卫星遥感立体成像地形信息提取技术在土地变更调查中的实用性，并为土地变更调查提供一种更加可行的方案。

1 基于卫星遥感成像地形信息提取技术的研究

1.1 卫星遥感系统

以第二次土地调查结果为基础，依据《国务院关于开展第三次全国土地调查的通知》的相关规定，进行第三次全国土地调查，获取我国土地更详细数据。第三次全国土地调查利用卫星遥感成像，采用人工目视解译方法对地形信息进行提取，掌握国家土地使用现状和土地资源变化的准确数据。根据掌握的数据，进一步完善土地相关制度，满足空间规划需求。

我国高分辨率的卫星遥感领域正在逐渐发展，目前卫星遥感系统相比于之前卫星遥感，在分辨率、目标三维定位和数据获取等领域都有极大提高，并且对数据的分析和处理安全性也更高。卫星遥感器成像是光学遥感信息的获取过程，主要是通过收集地面目标位、反射太阳光和辐射远红外线的形式来获得地面信息的。电磁辐射从辐射源到遥感器过程中，通过大气时，与大气的互相作用可以被认为是体效应，与地表的相互作用则是与地表或浅层地表的表面效应［4］，遥感信息获取过程如图1所示。

图1 光学遥感成像示意图

由图1 可知：太阳光穿过大气层射向地面目标物，地面目标物将一部分光辐射通过大气层反射回去。地面目标物反射回去的光和大气层散射的光辐射被光学成像遥感器接收。遥感器接收光辐射之后，转化成电信号，经过数据处理得到目标物的图像。正射影像与线划图相比，其所载信息更加丰富且图像更直观，细节表达更加清楚。

由于遥感影像与参照系统中的目标物特征有所不同，原始影像具有变形误差，需采用正射影像消除几何畸变后的影像［5］。最后在校正过的影像上进行分割剪辑，参照地理要素和制图要素等注记整理成正射影像图，获得土地变更结果。

为了提高图像信息提取质量，在提取前先对收集资料进行初步处理，建立辅助解译标志。以上饶镇为研究对象，采用遥感影像分辨率为8 m 的SPOT6 型卫星遥感图像为数据源。卫星所获取的图像由于纹理清晰分辨率高，能准确地反映大部分地类的质地、色彩和形状，符合人眼对自然界物质的观察［6］。因此选择在ArcGIS 软件中进行人工目视解译，作为上饶镇内业解译方式。

1.2 基于卫星遥感系统信息提取技术

几何畸变是指在传感器空间姿态、中心投影和地面地形起伏3 个因素影响下，扫描线引起像点的位移［7］。高分辨率的遥感卫星影像多为中心投影，一般采用堆扫式成像方式，其中，偏移误差采用多项式方法进行校正，共线方程如式（1）所示：

式中：Δh为地面点相对高度差值，单位为km；f为摄影焦距，单位为mm；H为卫星离地面高度，单位为km；θ为成像入射角，单位为°。在堆扫式成像过程中，像点位移只在扫描方向，不存在于飞行方向，所以dx= 0。由于卫星轨道高度H极大，与Δh代表地面点相对高度差值相比，产生的投影差几乎可以忽略。然而当Δh值很大时，无法忽略产生的像点位移，就需要用数字高程模型来进行校正。

遥感影像在获取的时间和气象条件不同，同类地物在影像上的表现不同，可能给解译过程造成误差。为了避免影像信息的误判，需要土地外业实地调查，以土地外业调查结果作为真值，对影像地类进行标定，建立遥感影像解译判读标准。卫星遥感影像解译面积与土地外业调查地类面积差异值评价如式（2）所示：

式中：D为卫星遥感影像解译面积与土地外业调查地类面积的差值，单位为km；Sw为外业调查地类面积，单位为km2；Ss为卫星遥感影像解译面积，单位为km2。Ss与Sw二者面积差异度如式（3）所示：

式中：α为面积差异度。以无人机影像为对照组，收集上饶镇无人机遥感平台的图像数据作为对照组，通过对比分析，评价卫星遥感成像地形信息提取技术在土地变更调查中的优势。无人机遥感影像的内业解译原则与卫星遥感影像解译原则相同。将分辨率为0.2 m 的无人机影像与其他数据进行对比，总差异面积值如式（4）所示：

式中：Sh为行业解译地类面积，单位为km2；Dz为Sh减去的差值，单位为km。Dz除以土地外业调查地类面积就是解译精度，解译精度如式（5）所示：

式中：δ为解译精度。

2 卫星遥感成像地形信息提取技术实验结果分析

选择上饶镇作为试验区，试验区域面积为20.16 km2，对该区域的卫星遥感影像和无人机遥感影像进行内业解译，然后进行土地外业调查。2022年9 月期间，外业实地调查建立上饶镇标志点312个，包含一级地类物别10 个，二级地类物别22 个，以满足实验评价的要求。根据分辨率为8 m 的SPOT6 型卫星遥感影像数据，数学基础采用1985国家高程基准，国家2000 大地坐标系。设施农用地和建设用地最小上图面积为200 m2，农用地最小上图面积为400 m2，其他地类最小上图面积为600 m2。结合上饶遥感影像特点，采用人工目视解译的方法进行卫星遥感立体成像地形信息提取。试验区土地利用现状卫星影像行业解译结果如图2 所示。

图2 上饶市卫星影像数据解译结果图

由图2 可知：卫星遥感影像解译后划分图斑为303 块，其中，园地和耕地所占比例最多，林地和草地相邻。基于试验区土地利用现状卫星影像行业解译结果，叠加卫星遥感正射影像，通过与数据库对比分析，提取图斑图层。通过数字外业调查地图，土地外业调查后，对行业解译结果进行修改，得到土地外业调查解译结果如图3 所示。

图3 土地外业影像数据解译结果图

由图3 可知：土地外业调查影像数据解译结果相比于卫星遥感影像数据解译结果更加清晰。将图4 中的其他用地解译为园地和建设用地，并将之前混淆的园地和建设用地更正过来。然后对无人机影像进行行业解译，其结果如图4 所示。

图4 无人机影像数据解译结果图

由图4 可知：无人机影像数据解译一共划分了286 块图斑，从图中可以很明显地看出，无人机影像相比于卫星影像，林地和草地的区分度较小。卫星遥感影像内业解译与无人机解译差异如图5 所示。

图5 无人机遥感影像解译与卫星遥感影像解译的差异图

由图5 可知：卫星遥感影像内业解译与无人机解译差异最大的地类是草地以及水域2 个地类。为了验证卫星遥感影像内业解译的准确性，将无人机遥感影像内业解译和土地外业调查结果进行对比分析。土地外业调查图斑20.16 km2，实际变化面积为1.38 km2，行业判读错面积为0.89 km2，行业解译正确率为95.6%。

将卫星解译地类面积、外业调查解译地类面积以及无人机解译地类面积进行对比，其结果如图6 所示。

图6 三种影像解译地类面积对比图

由图6（a）图和（d）图可知：耕地和草地解译结果差异度较小，由图6（g）图和（e）图可知：其他用地和建设用地差异度较大。以土地外业调查结果为真值，比较卫星遥感系统与无人机系统差异。耕地的卫星遥感影像解译结果与真值的差异值为3.14 %，差异较小；而耕地的无人机影像解译结果与真值的差异值为10.42%，差异较大。由此可知，卫星遥感影像具有较高分辨率，影像纹理特征辨别度高。

3 结语

为了提高第三次土地变更调查中地类影像的信息提取精度，此次研究基于卫星遥感影像成像原理，利用信息提取技术，同时采用无人机影像作为对照组，完成对土地外业实地调查解译结果的修改。测试实验结果显示，卫星遥感影像解译后划分图斑为303 块，无人机影像解译后划分图斑为286块，相比于无人机影像，卫星遥感影像数据解译结果更加具体和清晰。耕地的卫星遥感影像解译结果与真值的差异值为3.14%；而耕地的无人机影像解译结果与真值的差异值为10.42%。卫星遥感系统耕地的解译结果与真值的差异较小，由此可知卫星遥感影像具有较高分辨率，影像纹理特征辨别度高。此次研究基于Spot6 卫星遥感成像的地形信息提取技术对土体变更调查错误率较低，精度较高且使用方便。应用在土地变更调查工作中，可以提高地类判读的准确性和内业信息提取，同时缩短工期，减少后续工作如外业调查和内外部修改的工作量，提高土地调查效率。但考虑地形分类因素还不够全面，后续研究将引入更多的影响因素。