遙感監(jiān)測(cè)信息提取質(zhì)量控制研究

趙 熙，尹衛(wèi)軍，柴 華，高 婷

(1.陜西省自然資源信息中心，西安 710082； 2.中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，西安 710199)

0 引言

開(kāi)展遙感監(jiān)測(cè)信息提取工作，查清陜西省各類自然資源家底和變化情況，可為科學(xué)編制國(guó)土空間規(guī)劃、逐步實(shí)現(xiàn)山水林田湖草的整體保護(hù)與系統(tǒng)修復(fù)及綜合治理、保障國(guó)家生態(tài)安全提供基礎(chǔ)支撐，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家治理體系和治理能力現(xiàn)代化提供服務(wù)保障[1]。加快建立自然資源統(tǒng)一調(diào)查、評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)制度，健全自然資源監(jiān)管體制，說(shuō)明生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)由理性認(rèn)識(shí)走向量化實(shí)踐，由分類管理走向體系治理。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)因有時(shí)序性、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，具備服務(wù)監(jiān)測(cè)工作的天然優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于自然資源、礦產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)中[2]。

遙感監(jiān)測(cè)是掌握自然資源變化情況的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，遙感信息監(jiān)測(cè)能有效監(jiān)管國(guó)土利用變化情況，快速識(shí)別并獲取變化情況，是有效識(shí)別耕地和基本農(nóng)田非糧化與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、批而未用、生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)的重點(diǎn)地類變化狀況等的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。目前，各地對(duì)國(guó)土資源的開(kāi)發(fā)利用需求越來(lái)越大，違法用地問(wèn)題較為突出，如何依法合理、節(jié)約集約利用國(guó)土資源，遏制違法違規(guī)破壞、浪費(fèi)國(guó)土資源，及時(shí)預(yù)防與制止違法勘察、違法開(kāi)采、未批先建、批而未用、私自改變土地用途等違法行為，是國(guó)土資源監(jiān)管亟需解決的問(wèn)題[3]。有效監(jiān)管國(guó)土利用變化情況，快速識(shí)別并獲取變化信息，能有效保護(hù)和利用國(guó)土資源。而遙感監(jiān)測(cè)信息提取的數(shù)據(jù)成果是自然資源各項(xiàng)管理及政府管理工作的重要基礎(chǔ)依據(jù)，通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)信息提取，可及時(shí)、快速發(fā)現(xiàn)自然資源管理中存在的問(wèn)題，準(zhǔn)確分析原因，深入揭示發(fā)展變化趨勢(shì)，著力支撐解決問(wèn)題，以較強(qiáng)的基礎(chǔ)性和時(shí)效性發(fā)揮引領(lǐng)性、保障性作用，為自然資源全要素的利用、調(diào)度、決策、規(guī)劃、治理提供了科學(xué)依據(jù)[4]。

遙感監(jiān)測(cè)信息提取主要是利用同一區(qū)域上一年度和本年度兩個(gè)不同時(shí)相的遙感影像，使用人工影像比對(duì)或計(jì)算機(jī)人工智能自動(dòng)比對(duì)方法，對(duì)遙感影像進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)，提取遙感影像變化信息，形成監(jiān)測(cè)圖斑。監(jiān)測(cè)圖斑主要包含新增建構(gòu)筑物、耕地變化、園地變化、林地變化、草地變化、濕地變化、水域及其他變化等8種變化類型，提取的成果質(zhì)量是保證成果準(zhǔn)確、高效應(yīng)用的生命線，故而質(zhì)量控制應(yīng)滲透到數(shù)據(jù)整個(gè)生存期的各個(gè)環(huán)節(jié)[5]。介紹了遙感監(jiān)測(cè)信息提取過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量控制的方法和技術(shù)手段，為遙感監(jiān)測(cè)信息提取成果提供了保障，也為遙感監(jiān)測(cè)信息提取工作提供了參考。

圖1 質(zhì)量控制流程圖Fig.1 Flow chart of quality control

1 研究方法

1.1 建立解譯樣本

根據(jù)區(qū)域自然地理、地形地貌特征、植被類型及土地利用結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律與耕作方式等情況，建立典型地類解譯樣本[6]。根據(jù)成果要求，在不同地形地貌地區(qū)選取有典型代表性的、特征意義的圖斑作為樣本。解譯樣本應(yīng)為單一地物類型，特征統(tǒng)計(jì)值應(yīng)與該地物類型的整體分布情況一致，以人工勾繪的方式進(jìn)行樣本采集，樣本圖斑的純度盡可能大。明確樣本數(shù)據(jù)內(nèi)容，采集屬性信息、樣本屬性信息、樣本影像、樣本矢量及其特征值，保證樣本數(shù)據(jù)的完整性，建立解譯樣本庫(kù)。樣本應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)各典型區(qū)域覆蓋、全地類覆蓋，選取時(shí)可參考陜西省土地利用現(xiàn)狀、陜西省地形情況及外業(yè)實(shí)地調(diào)研情況等進(jìn)行相關(guān)地物類型的樣本采集。樣本數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，選用目視解譯經(jīng)驗(yàn)豐富的采集員，保證所采集的樣本在質(zhì)量、數(shù)量、空間分布上滿足要求。解譯樣本有助于作業(yè)人員在解譯過(guò)程中的準(zhǔn)確判讀。

圖2 建立影像解譯樣本流程圖Fig.2 Flow chart of the establishment of sample explanation by the images

1.2 進(jìn)行過(guò)程質(zhì)量控制

作業(yè)過(guò)程的質(zhì)量控制是項(xiàng)目質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，實(shí)行“個(gè)人自查，組內(nèi)互查，質(zhì)檢核查”三級(jí)檢查方式進(jìn)行質(zhì)量控制，充分利用質(zhì)檢軟件、先進(jìn)技術(shù)設(shè)備等方式，以確保核查成果的客觀、真實(shí)。作業(yè)員完成監(jiān)測(cè)圖斑提取后，進(jìn)行逐圖斑的自查，做到所有圖斑100%自查；自查完成后，作業(yè)員相互質(zhì)檢進(jìn)行監(jiān)測(cè)圖斑的全面檢查；公司級(jí)質(zhì)量檢查部門(mén)對(duì)互查完成的監(jiān)測(cè)圖斑再次進(jìn)行抽查。監(jiān)測(cè)圖斑質(zhì)量檢查內(nèi)容主要包括圖形精度、屬性精度和面積精度，檢查數(shù)據(jù)項(xiàng)的值是否符合值域范圍要求，值間的關(guān)系是否符合規(guī)定的邏輯關(guān)系；是否按要求建立拓?fù)潢P(guān)系，建立的拓?fù)潢P(guān)系是否正確；數(shù)據(jù)與實(shí)際工作是否合理，如共邊、空洞等；圖斑界線精度是否符合要求；監(jiān)測(cè)圖斑類型是否正確，圖斑特征是否正確；監(jiān)測(cè)圖斑是否符合上圖面積要求(對(duì)于部分面積較小且可明確判定類型的圖斑可不限于最小上圖面積)；監(jiān)測(cè)圖斑提取是否存在遺漏或錯(cuò)提問(wèn)題；監(jiān)測(cè)圖斑勾繪是否合理；圖斑表達(dá)是否規(guī)范；監(jiān)測(cè)圖斑信息記錄表是否規(guī)范；監(jiān)測(cè)圖斑、圖斑屬性和信息記錄表是否一致。

作業(yè)前期，嚴(yán)格制定項(xiàng)目作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，選取一定數(shù)量經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)人員對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行試驗(yàn)性生產(chǎn)，總結(jié)作業(yè)流程中的疏漏和錯(cuò)誤并進(jìn)行修正，形成切實(shí)可行、操作性強(qiáng)的一套作業(yè)流程；作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行兩次抽檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的問(wèn)題，形成補(bǔ)充文檔進(jìn)行下發(fā)；作業(yè)完成后進(jìn)行人員互檢，彌補(bǔ)因個(gè)人經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題造成的重大缺失。

一是制定作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。具體內(nèi)容為：規(guī)定信息提取所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；規(guī)定信息提取使用的軟件；規(guī)定成果數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)和命名規(guī)則；規(guī)定成果的屬性選擇方式，避免手動(dòng)填寫(xiě)的屬性錯(cuò)漏或出現(xiàn)非法字符；規(guī)定字段填寫(xiě)要求，并附參照表；規(guī)定圖斑邊線的采集精度；規(guī)定最小上圖面積；規(guī)定按照網(wǎng)格從上至下進(jìn)行圖斑提?。贿M(jìn)行拓?fù)錂z查，修改面重疊及微小面問(wèn)題。

二是過(guò)程質(zhì)量控制。作業(yè)初期，對(duì)作業(yè)員信息提取的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，匯總漏提取的類型，并進(jìn)行補(bǔ)充培訓(xùn)。陜西省地域狹長(zhǎng)，分為陜北高原、關(guān)中平原、秦巴山地等3個(gè)地貌區(qū)，各個(gè)區(qū)域的主要變化類型各不相同。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，關(guān)中地區(qū)主要漏提取類型為農(nóng)用地之間變化，具體原因?yàn)楦麍@林之間影像特征不明顯，類型模糊；秦巴山區(qū)主要漏提取類型為原山區(qū)宅基地已經(jīng)滅失的，具體原因?yàn)樯絽^(qū)樹(shù)木較高，容易遮擋，有時(shí)難以分辨；陜北高原主要問(wèn)題為窯洞錯(cuò)提取為林地或草地，具體原因?yàn)楦G洞在影像上特征不明顯，不易判讀。

三是AI自動(dòng)解譯的正確率檢查。目前，遙感信息提取與變化檢測(cè)的主要手段還是靠人工目視解譯[7]，工作量大，效率低，人工成本高。關(guān)于遙感影像變化信息提取的研究很多，在不同程度上取得了一定的研究成果，RS Matrix是一款基于深度學(xué)習(xí)算法的遙感影像全場(chǎng)景智能解譯平臺(tái)軟件，可基于相同區(qū)域的兩期影像或影像與矢量，自動(dòng)檢測(cè)并提取特定地類的變化圖斑位置和范圍等?；诖塑浖膽?yīng)用需要使用大量的變化圖斑樣本庫(kù)，無(wú)法在項(xiàng)目最初開(kāi)展時(shí)使用。本研究試訓(xùn)練了建設(shè)用地的自動(dòng)解譯，將陜西省分為陜北地區(qū)、關(guān)中地區(qū)和陜南地區(qū)，使用分區(qū)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行AI訓(xùn)練，進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯用以輔助人工判讀，檢查人工漏提取的圖斑，如圖2、3，紅色圖斑為人工提取的變化圖斑，綠色圖斑為AI自動(dòng)提取的變化圖斑，使用AI自動(dòng)解譯輔助人工進(jìn)行變化圖斑提取，可大大減少建設(shè)用地的漏提取。

經(jīng)檢查，變化圖斑提取階段漏提的主要類型為城鎮(zhèn)村周邊新增建設(shè)用地漏提取，山區(qū)因移民搬遷拆除的農(nóng)村宅基地漏提取，耕地與園林地之間的變化漏提取。變化圖斑錯(cuò)提的主要類型為錯(cuò)將園地整體歸類為耕地，錯(cuò)將河面歸類為推土區(qū)，錯(cuò)將大棚歸類為永久型建筑。屬性錯(cuò)漏的主要類型為居民點(diǎn)誤標(biāo)注在非建設(shè)用地上，寬度誤標(biāo)注在非線狀地物上。拓?fù)鋯?wèn)題主要為監(jiān)測(cè)圖斑之間的面重疊。

圖3 自動(dòng)解譯與人工提取圖斑(前期)Fig.3 Automatic explanation and manual spot extraction(early stage)

圖4 自動(dòng)解譯與人工提取圖斑(后期)Fig.4 Automatic explanation and manual spot extraction(post stage)

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量控制

依據(jù)要求的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)及建庫(kù)規(guī)范，根據(jù)監(jiān)測(cè)圖斑提取的初步結(jié)果，開(kāi)展遙感監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，必須嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)規(guī)范、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)要求，主要步驟包括數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方案設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理、拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建、面積計(jì)算、數(shù)據(jù)檢查與入庫(kù)等[8]。遙感監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)完成后，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查方法管理中，通過(guò)人工與軟件相結(jié)合的方式，保證信息質(zhì)量檢查的高效、準(zhǔn)確、靈活[9]，主要檢查內(nèi)容為監(jiān)測(cè)編號(hào)是否唯一，后時(shí)相是否根據(jù)實(shí)際填寫(xiě)，中心點(diǎn)XY坐標(biāo)是否計(jì)算正確，小數(shù)點(diǎn)位數(shù)是否正確等，建庫(kù)成果是否能正確打開(kāi)，成果坐標(biāo)是否正確；新提取的推土區(qū)是否與原數(shù)據(jù)庫(kù)推土區(qū)重疊；道路及溝渠是否都標(biāo)有寬度；邏輯一致性，是否將新增建構(gòu)筑物屬性標(biāo)注在原數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)用地上，是否將新增耕地標(biāo)注在原數(shù)據(jù)庫(kù)耕地上，是否將新增園地標(biāo)注在原數(shù)據(jù)庫(kù)園地上，是否將新增林地標(biāo)注在原數(shù)據(jù)庫(kù)林地上，是否將新增草地標(biāo)注在原數(shù)據(jù)草地上，是否將新增濕地標(biāo)注在原數(shù)據(jù)庫(kù)濕地上，是否將新增水域標(biāo)注在原數(shù)據(jù)庫(kù)水域上；小面和破碎圖斑。

FME(Feature Manipulate Engine)是由加拿大Safe Software公司推出的一套完整的訪問(wèn)空間數(shù)據(jù)的解決方案。FME Workbench進(jìn)行質(zhì)量檢查的核心是轉(zhuǎn)換器，以圖形形式放置在可視化圖形界面，將源數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換器和目標(biāo)數(shù)據(jù)連接起來(lái)構(gòu)成數(shù)據(jù)流，從而完成對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查。在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行質(zhì)量檢查時(shí)，可使用FME質(zhì)檢模板對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一是監(jiān)測(cè)圖斑數(shù)據(jù)海量，且在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中不可避免出現(xiàn)微小面、重疊面、屬性規(guī)范性和邏輯一致性的問(wèn)題，這給成果質(zhì)量檢查帶來(lái)了巨大的壓力，因此在深入分析和研究的基礎(chǔ)上采用了FME技術(shù)，進(jìn)行初步成果的質(zhì)量自動(dòng)檢查，提高了遙感監(jiān)測(cè)信息提取的質(zhì)檢效率，保障了成果的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。主要采用FME Workbench讀模塊、轉(zhuǎn)換器、寫(xiě)模塊構(gòu)建質(zhì)檢模板，通過(guò)各轉(zhuǎn)換器先進(jìn)的算法和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)圖斑的批量化檢查，在大大提高檢查效率的同時(shí)，彌補(bǔ)了人工檢查效率低、易錯(cuò)漏的不足，滿足了遙感監(jiān)測(cè)信息提取數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查要求。

1.4 監(jiān)測(cè)成果質(zhì)量控制

成果提交前，對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行最終質(zhì)量檢查，具體內(nèi)容為：遙感監(jiān)測(cè)信息提取成果匯交包文件夾內(nèi)容、命名及格式是否正確；成果文件組織結(jié)構(gòu)是否規(guī)范；批次成果管理及成果交接清單等是否準(zhǔn)確、規(guī)范；監(jiān)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)表、工作報(bào)告、分析報(bào)告內(nèi)容與格式是否規(guī)范及完整。

2 研究成果

本研究最終形成了陜西省遙感監(jiān)測(cè)信息提取工作中各個(gè)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)方案，為有效監(jiān)管國(guó)土利用變化情況、快速識(shí)別并準(zhǔn)確提取變化信息提供了有力支撐。利用遙感影像快速、同步、大范圍監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約了大量的人力物力，減少了地面監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高了土地使用監(jiān)管能力，有效監(jiān)測(cè)項(xiàng)目用地的進(jìn)展和自然資源全要素的使用情況，保證了國(guó)土利用數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)勢(shì)性，完成了陜西省不同區(qū)域的地類解譯樣本集、作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、過(guò)程質(zhì)量控制指導(dǎo)書(shū)及數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量成果指導(dǎo)書(shū)。

3 結(jié)語(yǔ)

做好質(zhì)量管理是非常重要的[10]。項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)要求進(jìn)行質(zhì)量控制。質(zhì)量檢查過(guò)程中，僅依靠人工檢查工作量大，容易遺漏，可采用軟件結(jié)合人工檢查的方式進(jìn)行質(zhì)量控制。介紹了遙感監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制的各個(gè)環(huán)節(jié)，分析了自動(dòng)解譯軟件和FME質(zhì)檢模板在質(zhì)量控制中的應(yīng)用，可為土地變更、國(guó)情監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目的質(zhì)量控制提供參考。