高分二号卫星数据在新增建设用地监测中的应用分析

王忠武 刘顺喜 戴建旺 尤淑撑 沈均平 李芬

(1 中国土地勘测规划院，北京 100035)(2 北京中色测绘院有限公司，北京 100012)



高分二号卫星数据在新增建设用地监测中的应用分析

王忠武1刘顺喜1戴建旺1尤淑撑1沈均平1李芬2

(1 中国土地勘测规划院，北京 100035)(2 北京中色测绘院有限公司，北京 100012)

选择内蒙古包头市青山区、白云矿区和赤峰市元宝山区作为典型试验区，以韩国多用途卫星-3(Kompsat-3)数据提取结果作为参考，开展高分二号(Gaofen-2)卫星数据在新增建设用地监测中的应用分析。试验结果表明：基于高分二号卫星数据的新增建设用地监测图斑属性精度，新增建设用地占用耕地、非耕农用地图斑面积精度，以及最小可监测图斑面积，基本满足土地利用动态遥感监测业务相关规范要求。建议开展高分二号卫星的常态业务测控，提高卫星数据对大区域连片的有效覆盖能力，满足土地应用对完整行政辖区覆盖的要求，为充分发挥卫星的应用效益奠定基础。

高分二号卫星；新增建设用地监测；属性精度；面积精度；最小图斑面积

1 引言

高分二号(Gaofen-2)卫星是高分辨率对地观测系统重大专项(民用部分)首批启动研制的重要项目，于2014年8月19日11点15分由长征-4B运载火箭在太原卫星发射中心成功发射，标志着我国民用遥感卫星真正进入了亚米级“高分时代”[1]。高分二号卫星搭载2台全色多光谱相机，每台相机可提供幅宽不低于23 km、空间分辨率优于1 m/4 m的全色多光谱影像，可为土地利用动态监测、矿产资源调查、城乡规划监测评价、交通路网规划、森林资源调查、荒漠化监测等行业和首都圈等区域应用提供服务支撑。

高分二号卫星作为国产亚米级分辨率卫星，进一步丰富了土地利用变化新增建设用地监测的自主数据源。根据土地资源遥感调查监测技术流程，开展高分二号卫星数据的土地利用/土地覆被和新增建设用地监测能力应用与分析，评估该数据现状与变化信息提取能达到的精度水平[2-6],可为后续土地业务规模化应用提供有力的技术指导。本文选择典型试验区，以韩国多用途卫星-3(Kompsat-3)数据提取结果作为参考，结合土地利用动态遥感监测相关技术规范，分析了高分二号卫星数据用于新增建设用地监测的属性精度、面积精度、最小可监测图斑面积等，可为高分二号卫星数据在土地利用动态遥感监测业务的规模化应用提供参考。

2 试验区及基础数据情况

2.1 试验区

截至2014年12月17日，高分二号卫星发射后近4个月，由于卫星数据状态稳定时间较短，本文根据卫星数据覆盖情况选取内蒙古包头市青山区、白云矿区和赤峰市元宝山区作为试验区。青山区地处包头市中部，大青山南麓的土默川平原西北部，地势平坦、北高南低，总面积272.50 km2。白云矿区地处蒙古高原南部，位于阴山之北的乌兰察布草原西北部，境内东部、北部为高原丘陵，南部、西部为延绵起伏的草原，中部城区地段为凹地，总面积247.89 km2。元宝山区位于内蒙古自治区东部，属燕山山脉延伸部分，低山丘陵较多，西北间有固定和半固定沙丘，地势西南高、东北低，总面积943.89 km2。青山区共接收到4景数据，有效覆盖面积93%；白云矿区共接收到2景数据，有效覆盖面积97%；元宝山区共接收到4景数据，有效覆盖面积64%。试验区高分二号卫星数据具体覆盖情况见图1(红线圈出区域)，所有行政辖区都未实现有效数据全部覆盖。

图1 试验区高分二号卫星数据覆盖情况Fig.1 Gaofen-2 satellite data coverage map of typical experiment areas

2.2 数据准备

1)基础数据

采用的基础数据包括平面和高程控制资料、前时相数据。平面控制资料为2013年度全国土地利用变更调查监测与核查工程基础底图。其中：青山区基础底图为“快鸟”(Quickbird)卫星影像生产的0.5 m遥感影像图；白云矿区基础底图为世界观测-1(Worldview-1)卫星生产的0.5 m遥感影像图；元宝山区为“快鸟”、地球眼-1(Geoeye-1)等卫星生产的0.5 m遥感影像图。高程控制资料为先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(ASTGTM)的30 m数字高程模型(DEM)，约能达到1∶50 000数字高程模型精度要求[7]。前时相数据与平面控制资料一致，均为全辖区0.5 m遥感影像图。

2)参考数据

2014年度全国土地利用变更调查监测与核查工程中，青山区、白云矿区、元宝山区均采用韩国多用途卫星-3高分辨率影像进行新增建设用地提取。该卫星于2012年5月18日成功发射，轨道高度为685 km，能提供空间分辨率为0.7 m的全色数据和2.8 m的多光谱数据，幅宽约为17.5 km。将基于该卫星的0.7 m/2.8 m全色多光谱数据作为后时相，对比基础数据中各试验区前时相数据提取的新增建设用地图斑作为真值参考，评价基于高分二号卫星数据新增建设用地监测成果。

3)高分二号卫星数据预处理

青山区、白云矿区、元宝山区的数据为高分二号卫星2014年10月23日-2014年11月10日接收的高分辨率全色/多光谱数据，具体信息见表1。利用平面和高程控制资料，对高分二号卫星数据进行配准、融合、正射纠正、镶嵌、调色等处理，生成青山区、白云矿区、元宝山区的后时相遥感影像图。

表1 高分二号卫星试验数据清单

注：PMS1和PMS2指全色多光谱相机1和2。

3 分析方法

3.1 主要技术指标

新增建设用地监测主要技术指标要求[8-10]如下。

(1)新增建设用地类型(见表2)。

(2)最小可监测图斑面积：针对0.5～1.0 m分辨率影像，最小可监测图斑面积为0.3亩。

(3)属性精度：新增建设用地图斑属性精度优于85%。

(4)面积精度：新增建设用地及其占用耕地、非耕农用地图斑面积精度优于80%。

表2 新增建设用地类型

3.2 分析过程

新增建设用地监测具体分析过程如图2所示。①利用高分二号卫星融合影像制作的后时相遥感影像图叠加前时相遥感影像图，采用人机交互的方式提取新增建设用地图斑及其占用耕地、非耕农用地、未利用地和其他地类情况。②利用韩国多用途卫星-3融合影像制作的后时相遥感影像图叠加前时相遥感影像图，采用人机交互的方式提取新增建设用地图斑及其占用耕地、非耕农用地、未利用地和其他地类情况。③将步骤②中获得的结果作为评价参考数据，对基于高分二号卫星数据提取的新增建设用地图斑进行评价。评价指标包括图斑的属性精度、面积精度及最小可监测图斑。属性精度主要评价正确图斑数量占总提取图斑数量的比例。面积精度主要采用按照新增建设用地类型评价的方式，评价不同变化类型的单个图斑面积中误差和平均差异程度。最小可监测图斑面积为新增建设用地图斑的最小面积。

图2 分析过程Fig.2 Workflow of analysis

4 结果与分析

青山区共提取新增建设用地图斑595块：类型

一图斑74块，类型二图斑41块，类型三图斑92块，类型四图斑388块。白云矿区共提取新增建设用地图斑171块：类型一图斑0块，类型二图斑16块，类型三图斑56块，类型四图斑99块。元宝山区共提取新增建设用地图斑531块：类型一图斑66块，类型二图斑147块，类型三图斑159块，类型四图斑159块。

4.1 属性精度评价

按照新增建设用地类型划分为4种类型，对全部图斑进行属性精度评价。新增建设用地图斑提取属性精度统计见表3。青山区提取的新增建设用地图斑正确数568块，平均属性精度为95.46%。白云矿区提取的新增建设用地图斑正确数160块，平均属性精度为93.57%。元宝山区提取的新增建设用地图斑正确数463块，平均属性精度为87.19%。可知，新增建设用地监测属性精度达到了87.19%以上，满足新增建设用地图斑属性精度优于85%的指标要求。

表3 不同新增建设用地类型的属性精度

4.2 面积精度评价

按照新增建设用地类型划分为4种类型，各随机抽取10块图斑进行面积精度评价，不同变化类型属性精度统计见表4。青山区提取的新增建设用地图斑面积精度优于89.66%，白云矿区提取的优于89.72%，元宝山区提取的优于92.86%。可见，新增建设用地监测不同变化类型的面积精度达到了89.66%以上，满足新增建设用地及其占用耕地、非耕农用地图斑面积精度优于80%的指标要求。

表4 不同新增建设用地类型的面积精度

4.3 最小可监测图斑面积评价

青山区监测的新增建设用地最小图斑面积为0.2亩，白云矿区监测的为0.2亩，元宝山区监测的0.1亩，如图3所示(红线圈出区域)。可见，新增建设用地最小可监测图斑面积能达到0.2亩，满足最小可监测图斑面积0.3亩的指标要求。

注：后时相影像为高分二号卫星融合影像。图3 最小监测图斑Fig.3 Minimum monitoring plot area

4.4 总体评价

基于高分二号卫星数据开展了青山区、白云矿区和元宝山区的新增建设用地监测属性精度、面积精度和最小可监测图斑的应用分析。试验结果表明：新增建设用地监测图斑属性精度基本达到85%以上，新增建设用地及其占用耕地、非耕农用地、未利用地和其他地类图斑面积精度能达到85%以上，新增建设用地最小可监测图斑面积能达到0.2亩，满足土地利用动态遥感监测业务相关技术规范要求[8-10]。但是，总体来说，卫星数据大区域连片覆盖能力还略显不足，难以满足土地应用领域对完整行政辖区覆盖的要求。

5 结束语

基于高分二号卫星数据开展新增建设用地监测的属性精度、面积精度和最小可监测图斑面积，能满足土地利用动态遥感监测业务相关技术规范要求，说明高分二号卫星数据可用作0.5～1.0 m监测区的数据源。同时也应看到，高分二号卫星对土地应用领域基本监测区的完整行政辖区的覆盖能力还有待提高。因此，为充分发挥高分二号卫星的应用效益，建议开展卫星常态业务测控，提高卫星数据对大区域连片覆盖的有效覆盖能力，满足土地应用领域对完整行政辖区覆盖的要求。本次评价以应用韩国多用途卫星-3数据提取的新增建设用地图斑作为参考数据，因此新增建设用地监测精度会受到一定程度的影响，实际应用效果还要在后续规模化应用中进一步验证。

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(编辑：夏光)

Analysis of New Constructed Land Monitoring by Using Gaofen-2 Satellite Imagery

WANG Zhongwu1LIU Shunxi1DAI Jianwang1YOU Shucheng1SHEN Junping1LI Fen2

(1 China Land Surveying and Planning Institute,Beijing 100035,China) (2 Beijing CNNC Institute of Surveying and Mapping Co.,Ltd.,Beijing 100012,China)

With Qingshan and Baiyunkuang District,Baotou City,and Yuanbaoshan District,Chifeng City,Inner Mongolia Autonomous Region as typical testing areas individually,the ability of Gaofen-2 satellite images to monitor new constructed land is analyzed,compared to those of Kompsat-3.The results show that the attribution accuracy of new constructed land monitoring,the area accuracy of cultivated land occupation and non-cultivated agricultural land occupation,as well as the minimum area of monitored plot can meet the regulatory requirements of land use dynamic monitoring project.It is suggested to carry out normal satellite TT&C according to the applications and to improve the data-acquirement capability in large area,in order to meet the requirement of covering the whole county in land remote sensing application,and to get its full benefit.

Gaofen-2 satellite；new constructed land monitoring；attribution accuracy；area accuracy；minimum plot area

2015-01-09；

2015-03-08

国土资源公益性行业科研专项“资源一号02C卫星土地应用关键技术研究及推广”(201411119),高分辨率对地观测系统重大专项“高分国土资源遥感应用示范系统(一期)”(04Y30B01-9001-12/15)

王忠武，男，副研究员，从事土地资源遥感调查监测与评价、国产卫星发展应用研究工作。Email：wangzhongwu@mail.clspi.org.cn。

TP751

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.020