譚杰峻，畢永清，周從斌

(1.西藏自治區(qū)水土保持局，西藏 拉薩 850000；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.四川省川建勘察設(shè)計(jì)院，四川 成都 610000)

我國(guó)是世界上水土流失較為嚴(yán)重的國(guó)家之一，水土流失面積達(dá)到294.91萬(wàn)km2[1]。西藏地區(qū)作為我國(guó)重要的生態(tài)屏障，地質(zhì)構(gòu)造特殊，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失十分嚴(yán)重。近年來(lái)越來(lái)越多的人為活動(dòng)，擾動(dòng)地表植被、破壞表層土壤，加劇了西藏地區(qū)的水土流失，因此加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)管、預(yù)防水土流失是十分重要的。

為有效監(jiān)管生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，各級(jí)水行政部門(mén)需要對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目活動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)查，掌握活動(dòng)位置、范圍大小，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)違法情況。在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中，最重要的是要獲得生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目活動(dòng)中不同地表擾動(dòng)類(lèi)型的面積和范圍[2]。傳統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管的方法以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主，然而西藏地區(qū)地表擾動(dòng)范圍大的項(xiàng)目多為采礦工程，分布范圍廣，占地面積大，且呈零散分布，加之高原地區(qū)環(huán)境惡劣，監(jiān)督執(zhí)法部門(mén)人員難以抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督檢查，而高分辨率遙感技術(shù)的應(yīng)用，可在不抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的情況下識(shí)別地表狀況，獲得地表擾動(dòng)面積及擾動(dòng)圖斑數(shù)量。

目前，越來(lái)越多的水土保持工作者對(duì)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用進(jìn)行了探討[2-4]，但對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目地表擾動(dòng)范圍的提取及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的探討較少。針對(duì)高分辨率遙感影像主要是采用面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)方法進(jìn)行信息提取，王少軍等[5]采用面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)方法，對(duì)黃石市大冶鐵礦區(qū)進(jìn)行尾礦堆的提取；羅開(kāi)盛等[6]采用面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)方法對(duì)湖北省土地覆被變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得分類(lèi)精度較高的土地覆被圖；康芮等[4]使用基于面向?qū)ο蟮淖兓O(jiān)測(cè)方法對(duì)施工期新增的裸地和不透水地面進(jìn)行提取。由于面向?qū)ο蠓诸?lèi)中，地物主要是根據(jù)光譜、形狀、紋理等特征及相鄰地物之間的空間關(guān)系進(jìn)行提取，因此特征的選擇非常重要。

作者在對(duì)各地物進(jìn)行特征分析的基礎(chǔ)上，對(duì)影像分割對(duì)象選擇及分類(lèi)規(guī)則建立進(jìn)行研究，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度分析及評(píng)價(jià)，以期為西藏地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目地表擾動(dòng)區(qū)的監(jiān)測(cè)和信息提取提供理論和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)區(qū)和數(shù)據(jù)源

1.1 試驗(yàn)區(qū)的確定

試驗(yàn)區(qū)位于29°36′～29°48′N(xiāo)、91°33′～91°48′E的西藏自治區(qū)墨竹工卡縣境內(nèi)。屬高原溫帶半干旱季風(fēng)性氣候區(qū)，土壤以高山草甸土為主，發(fā)育程度低，石礫化、沙化嚴(yán)重，植被覆蓋度低，生態(tài)環(huán)境脆弱。

該試驗(yàn)區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目以采礦工程為主，主要有驅(qū)龍銅礦、知不拉銅多金屬礦和甲瑪?shù)V區(qū)，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)主要有露天采場(chǎng)、地下采場(chǎng)、工業(yè)場(chǎng)地、礦區(qū)道路、廢石場(chǎng)、表土堆存場(chǎng)等防治分區(qū)。采礦工程對(duì)地表擾動(dòng)面積大、分布廣且類(lèi)型多樣，易造成嚴(yán)重的水土流失。

1.2 數(shù)據(jù)源

采用國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目地表擾動(dòng)區(qū)的信息提取，影像為2014年12月獲取的空間分辨率為2 m的全色影像和8 m的多光譜影像，包括3個(gè)可見(jiàn)光和1個(gè)紅外波段。根據(jù)墨竹工卡縣的地理特征和高分一號(hào)衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)特征，影像處理主要包括正射校正和影像融合等預(yù)處理，本研究選擇Gram-Schmidt融合方法進(jìn)行影像融合，融合后的影像能充分保留多光譜影像的光譜信息和高空間分辨率全色影像的空間信息[7]。

2 面向?qū)ο蟮牡乇頂_動(dòng)圖斑提取

2.1 地物特征分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)查及此次的研究目的，將研究區(qū)內(nèi)地物分為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建成區(qū)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)、居民區(qū)、水體、耕地、河灘地、植被、自然裸地(裸巖、石礫、裸地)、雪地等類(lèi)型。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)指項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，會(huì)造成水土流失的所有區(qū)域，包括采礦場(chǎng)、棄渣場(chǎng)、尾礦、未硬化的道路、中轉(zhuǎn)場(chǎng)等，還包括有苫蓋措施的擾動(dòng)區(qū)；生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建成區(qū)是指生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中已經(jīng)建成的區(qū)域，包括建好的房屋、工程設(shè)施及硬化道路等；自然裸地包括植被覆蓋度極低的裸地和凍融侵蝕等形成的裸巖和石礫。

一般正處于擾動(dòng)期的地表在影像上反射率較高，植被覆蓋度低，其光譜特征與其他因素造成的裸地相似。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究范圍內(nèi)分布有大面積由凍融侵蝕、風(fēng)蝕等自然因素造成的石礫、裸巖及自然裸地。其他地物類(lèi)型在光譜特征、幾何特征上具有較為明顯的差異，因此對(duì)擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行信息提取的難度主要在如何區(qū)分與擾動(dòng)地塊有相似特征的自然裸地上。根據(jù)分布規(guī)律、光譜特征、紋理特征分別選取亮度、高程、對(duì)比度和自定義特征對(duì)與擾動(dòng)區(qū)具有相似特征的河灘地、裸巖、石礫和雪地進(jìn)行特征分析(圖1)。

圖1 不同地物特征分析

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)對(duì)河灘地、裸巖、石礫、雪地和擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行樣本點(diǎn)的選取，統(tǒng)計(jì)各樣本點(diǎn)所在分割圖斑的特征值。在選擇各類(lèi)型的樣本點(diǎn)時(shí)，要使樣本點(diǎn)均勻分布，且樣本點(diǎn)盡量包括所有的類(lèi)型。參與統(tǒng)計(jì)的共有290個(gè)樣點(diǎn)，其中河灘地50個(gè)樣點(diǎn)、裸巖82個(gè)樣點(diǎn)、石礫30個(gè)樣點(diǎn)、雪地28個(gè)樣點(diǎn)、擾動(dòng)區(qū)100個(gè)樣點(diǎn)。

由亮度特征可知，雪地亮度值主要在500～800之間，與52%的擾動(dòng)區(qū)相混合，因此單獨(dú)使用亮度特征無(wú)法將非擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行剔除，可將此特征與其他特征相結(jié)合用于雪地和河灘地的提取。在高程特征中，河灘地分布于3 000～4 000 m的范圍，在高程5 500 m以上的區(qū)域，主要為裸巖和石礫，而擾動(dòng)區(qū)主要分布于高程為4 000～5 500 m范圍內(nèi)，因此利用高程值可以將河灘地和部分裸巖及石礫剔除。在對(duì)比度特征中，裸巖主要分布于對(duì)比度小于0.5的范圍內(nèi)，占樣本點(diǎn)的比例為70.73%，在此范圍內(nèi)擾動(dòng)區(qū)占比為8%，因此可以利用對(duì)比度進(jìn)行裸巖的提取。在自定義特征中，雪地主要分布在-0.1～-0.05范圍內(nèi)，占抽樣點(diǎn)的89.29%，擾動(dòng)區(qū)占23%，可利用此特征對(duì)雪地進(jìn)行提取，并結(jié)合亮度特征、空間特征提取誤分為雪地的擾動(dòng)區(qū)。

通過(guò)以上分析可知，對(duì)每種地物類(lèi)型均不能使用單一的特征進(jìn)行區(qū)分，要進(jìn)行相應(yīng)特征的組合，確定適當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行提取。使用光譜或紋理特征均無(wú)法很好地將石礫地提取出來(lái)，通過(guò)對(duì)影像的觀察，可知石礫地均分布在坡度較陡的地方且面積非常小，據(jù)此將其剔除。此外，擾動(dòng)區(qū)不是單獨(dú)存在的裸地，一般與道路連接，因此在進(jìn)行擾動(dòng)區(qū)提取的過(guò)程中，空間特征也是一個(gè)非常重要的特征。

2.2 影像分割

在進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)提取時(shí)，考慮到試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地物類(lèi)型多樣，在信息提取的過(guò)程中若只使用單一的分割尺度，生成影像對(duì)象的時(shí)候，容易造成過(guò)度分割和欠分割。為了滿(mǎn)足對(duì)不同地物的提取，需要針對(duì)不同的地物，進(jìn)行相應(yīng)尺度的分割。在進(jìn)行多尺度分割之前需要確定參與分割的波段數(shù)及其權(quán)重、均質(zhì)性因子及多尺度分割參數(shù)。

一般情況下多尺度分割方法是利用遙感影像的光譜特征和形狀特征進(jìn)行分割，考慮到相鄰像元的空間分布關(guān)系，將紋理特征影像、植被指數(shù)影像融入分割對(duì)象當(dāng)中，可獲得區(qū)域一致性更好的分割對(duì)象[8]。

不同的分割尺度形成不同的影像對(duì)象層，對(duì)應(yīng)不同地物的提取。根據(jù)本試驗(yàn)?zāi)康?，在eCongnition軟件上進(jìn)行影像分割，通過(guò)一定的試驗(yàn)，結(jié)合人為主觀目視判斷的方法，選擇適當(dāng)?shù)姆指畛叨?。為了找到最佳的分割結(jié)果，本研究通過(guò)設(shè)置多組不同分割參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)比分割結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)分割尺度、形狀因子、緊致度設(shè)置為80、0.8、0.5，可以很好地將尾礦壩、大面積植被分割出來(lái)；參數(shù)設(shè)置為55、0.3、0.8時(shí)，道路、水體分割較好；參數(shù)設(shè)置為35、0.3、0.7時(shí)對(duì)居民區(qū)建筑分割效果較好(圖2)。

圖2 不同尺度地物分割結(jié)果

2.3 分類(lèi)規(guī)則的設(shè)定

對(duì)影像進(jìn)行多尺度分割后，影像變成了對(duì)象集，在此基礎(chǔ)上對(duì)地物進(jìn)行分類(lèi)，本研究采用模糊分類(lèi)法，通過(guò)建立規(guī)則集進(jìn)行分類(lèi)。由于研究區(qū)為高原地區(qū)，地形高差大，因此在分類(lèi)規(guī)則中加入高程和坡度因子。

在分類(lèi)過(guò)程中，參與特征計(jì)算的主要有光譜特征、形狀特征、紋理特征等。光譜特征主要包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)影像特征和地物類(lèi)別，非擾動(dòng)區(qū)相對(duì)于擾動(dòng)區(qū)在紋理特征上對(duì)比度較小，且亮度低于一般的擾動(dòng)區(qū)，擾動(dòng)區(qū)地表無(wú)植被覆蓋，且擾動(dòng)痕跡明顯，因此使用紋理特征的對(duì)比度結(jié)合亮度和植被指數(shù)的組合可以將人工地物完全提出。礦區(qū)道路的形狀特征較為明顯，所以選用長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)度特征進(jìn)行提取，并使用亮度特征區(qū)分硬化和非硬化道路。尾礦壩在影像上呈黑白兩色顯示，白色壩體在近紅外具有高反射率，黑色壩體具有規(guī)則的形狀，且與白色壩體相鄰，因此使用近紅外波段均值、形狀指數(shù)特征進(jìn)行尾礦庫(kù)壩體的提取。礦區(qū)建筑具有明顯的形狀特征，因此采用NDVI和矩形匹配特征進(jìn)行提取。耕地主要分布在坡度較緩、海拔相對(duì)較低的地方，與居民區(qū)相鄰，形狀特征明顯，使用坡度信息和形狀指數(shù)進(jìn)行提取。河灘地與水系相鄰，且分布在海拔相對(duì)較低、坡度平緩的地區(qū)，可使用坡度特征與高程特征并結(jié)合與水的位置關(guān)系進(jìn)行提取。居民區(qū)主要由房屋和細(xì)小道路組成，房屋成片或獨(dú)立存在，與耕地相鄰，在影像上紋理特征較為明顯，因此使用紋理特征和與耕地的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行居民地的提取。

在進(jìn)行信息提取時(shí)，在一個(gè)對(duì)象層次上很難將所有地物提取出來(lái)，需要在不同的對(duì)象層上進(jìn)行相應(yīng)對(duì)象的提取，影像對(duì)象可以充分利用相鄰對(duì)象、父對(duì)象、子對(duì)象信息。擾動(dòng)區(qū)地物類(lèi)型復(fù)雜多樣，在進(jìn)行地物提取時(shí)，采用分層逐步提取的方法，先將與擾動(dòng)區(qū)特征差異較大的地物提取出來(lái)，再逐步組合特征進(jìn)行非擾動(dòng)區(qū)的剔除，最后獲得擾動(dòng)區(qū)提取結(jié)果。本研究先在分割尺度較大的第一個(gè)對(duì)象層進(jìn)行植被、尾礦壩、水體及擾動(dòng)區(qū)的提取，后在分割尺度為55的第二個(gè)對(duì)象層上進(jìn)行礦區(qū)建筑、耕地、道路、河灘地和裸巖的剔除，最后在分割尺度為35的對(duì)象層上進(jìn)行居民點(diǎn)、雪地和部分裸巖的剔除，分層提取結(jié)果如圖3所示。

2.4 結(jié)果分析

為定量分析生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)提取結(jié)果的精度，結(jié)合谷歌影像和實(shí)地考察資料對(duì)研究區(qū)進(jìn)行目視解譯，以手動(dòng)勾繪的擾動(dòng)區(qū)圖斑作為參考，分析面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法提取擾動(dòng)區(qū)的精度。將分類(lèi)結(jié)果與目視解譯結(jié)果的矢量圖層轉(zhuǎn)為像元大小為2的柵格影像，采用混淆矩陣的精度評(píng)價(jià)方法，對(duì)2014年擾動(dòng)區(qū)提取結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，如表1。

表1 2014年擾動(dòng)區(qū)提取評(píng)價(jià)

2014年正確提取擾動(dòng)區(qū)的像元數(shù)為2 533 510，正確率為83.7%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法可有效提取擾動(dòng)信息，能夠滿(mǎn)足對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需要。

3 基于遙感的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管的主要任務(wù)是了解生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擾動(dòng)地表和防治責(zé)任范圍變化情況，掌握生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持工作動(dòng)態(tài)。監(jiān)管指標(biāo)主要有擾動(dòng)地塊邊界、擾動(dòng)地塊面積、擾動(dòng)變化類(lèi)型、擾動(dòng)圖斑類(lèi)型、擾動(dòng)合規(guī)性及建設(shè)狀態(tài)。

本研究選擇西藏自治區(qū)墨竹工卡縣進(jìn)行監(jiān)管示范，墨竹工卡縣境內(nèi)的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目主要有電力工程、堤防工程、井采金屬礦及露天金屬礦等類(lèi)型，以礦山開(kāi)采為主。露天采礦工程對(duì)地表擾動(dòng)面積大，范圍廣，會(huì)造成嚴(yán)重的水土流失。利用高分一號(hào)衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，包括分辨率為2 m全色波段和8 m多光譜影像。

圖3 擾動(dòng)區(qū)分層提取結(jié)果

時(shí)相分別為2014年12月和2016年12月。將擾動(dòng)圖斑與防治責(zé)任范圍進(jìn)行疊加分析，確定擾動(dòng)圖斑的合規(guī)性，發(fā)現(xiàn)2014年擾動(dòng)圖斑共有181個(gè)，其中合規(guī)的有118個(gè)，超出防治責(zé)任范圍的有61個(gè)，地點(diǎn)變更的有2個(gè)；2016年擾動(dòng)圖斑共有208個(gè)，合規(guī)圖斑有139個(gè)，超出防治責(zé)任范圍的有80個(gè)，地點(diǎn)變更的有2個(gè)。

通過(guò)對(duì)兩期生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擾動(dòng)圖斑影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及變化分析，可得兩期擾動(dòng)圖斑數(shù)量和擾動(dòng)圖斑變化情況，見(jiàn)表2。

表2 擾動(dòng)圖斑變化情況

通過(guò)對(duì)擾動(dòng)圖斑變化情況的分析，可發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)圖斑在2016年新增的面積達(dá)到了661.44 hm2，變化圖斑主要分布在驅(qū)龍、甲瑪和知不拉礦區(qū)。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，利用遙感技術(shù)開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)管，已在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛開(kāi)展。筆者以西藏地區(qū)墨竹工卡縣生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)為例，對(duì)人為擾動(dòng)區(qū)的提取進(jìn)行了研究，并選擇區(qū)域進(jìn)行監(jiān)管應(yīng)用。在利用高分辨率遙感影像進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)的提取時(shí)，分割尺度、特征選擇、分類(lèi)規(guī)則及地物分類(lèi)順序都對(duì)分類(lèi)結(jié)果有非常重要的影響。

本研究在考慮西藏地區(qū)獨(dú)特的地表環(huán)境在影像上的表現(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，首先對(duì)區(qū)內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)與其他具有相似特征的地物采用抽樣統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行特征分析，獲得了它們?cè)诟魈卣鞯姆植挤秶瑸榈匚锓诸?lèi)時(shí)特征的選擇提供了依據(jù)。為獲得較好的分類(lèi)對(duì)象，將紋理特征和植被指數(shù)特征影像作為分割對(duì)象，并通過(guò)分割尺度試驗(yàn)，確定了3個(gè)分割尺度。首先在分割尺度為80的情況下提取了擾動(dòng)區(qū)、水體、植被、尾礦壩，在分割尺度為55時(shí)對(duì)上一層分為擾動(dòng)區(qū)的對(duì)象進(jìn)行道路、礦區(qū)建筑、耕地、河灘地和裸巖的提??；其次在分割尺度為35的對(duì)象層中，繼續(xù)對(duì)上一層分為擾動(dòng)區(qū)的對(duì)象進(jìn)行居民地、雪地和自然裸地的提取，最終獲得2014年及2016年生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)區(qū)的提取結(jié)果。對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度分析，發(fā)現(xiàn)此方法的提取結(jié)果精度較高。該分類(lèi)結(jié)果可為西藏地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管提供精度較高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，西藏地形地貌復(fù)雜多樣，該方法適用于海拔較高、植被覆蓋度較低的區(qū)域，對(duì)于海拔較低、植被覆蓋度高的區(qū)域還需要探討。