一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法
【专利摘要】本发明公开了一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法，该方法包括以下步骤：获取并处理卫星数据，基于高分辨卫星影像对监控区域进行观测、判别和解译，提取建筑裸地在目标区域的空间分布并获取相应面积；提高建筑裸地提取精度，利用外业精度评估与内业精度审核算法，并结合相近时段航空影像等数据，提高裸地斑块的提取精度；测定颗粒物排放量，利用四维通量法模型测定排放因子，并根据排放因子和建筑裸地面积测算颗粒物排放量；评测污染物空间分布，利用插值法拟合生成建筑裸地颗粒物排放量空间分布。本发明融合地面监测信息和卫星遥感数据，能够有效地测算出目标区域建筑裸地颗粒物的空间分布，降低工作人员实地监测的难度，提高工作效率。
【专利说明】一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种建筑裸地大气颗粒物测算方法，特别的涉及一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法。
【背景技术】
[0002]2013年6月，国务院部署了大气污染防治十条措施，通过减少污染物排放、严控“两高”行业新增产能、大力推行清洁生产、加快调整能源结构、强化节能环保指标约束等准贝|J，力争到2017年在大气污染防治上取得显著成效。2014年新颁布的《北京市大气污染防治条例》中也提出，大气污染防治，应当以降低大气中的细颗粒物浓度为重点，坚持从源头到末端全过程控制污染物排放，严格排放标准，实行污染物排放总量和浓度控制，加快削减排放总量，并专门就“扬尘污染防治”对建设施工现场提出了具体说明与措施。《北京市2013年扬尘污染控制环境监察工作方案》的出台，以“控制扬尘污染，削减PM2.5 ”为核心，加大对扬尘污染问题的查处和曝光力度，突出加强对施工工地非道路机械尾气排放超标行为的处罚，进一步提高大气颗粒物污染控制效果。
[0003]根据环境空气污染源解析，地面扬尘是北京乃至全国主要城市颗粒物的重要来源之一。建筑施工活动是一类无组织扬尘污染源，具有很高的排放潜能，可以在短时间内严重影响当地的空气质量。扬尘排放量与施工操作水平、施工阶段、污染控制程度，以及气象条件有着密切关系。而在建筑裸地活动水平监测方面，由于其具有时空上的不确定性、随机性强等特点，其监测与计量一直是环境管理工作中的难点和重点，如何有效地测算出目标区域建筑裸地颗粒物的空间分布成为了一种新的技术需求。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法，该方法基于高分辨卫星影像对监控区域进行观测、判别和解译，获取并处理卫星数据，同时利用外业精度评估与内业精度审核算法，并结合相近时段航空影像等数据，提高裸地斑块的提取精度；利用四维通量法模型测定排放因子，并根据排放因子和建筑裸地面积测算颗粒物排放量；利用插值法拟合生成建筑裸地颗粒物排放量空间分布，并进行污染物空间分布评测。本发明能够有效地测算出目标区域建筑裸地颗粒物的空间分布，降低工作人员实地监测的难度，提高工作效率。
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤Si，获取并处理卫星影像数据，基于高分辨卫星影像对监控区域进行观测、判别和解译，提取建筑裸地在目标区域的空间分布；步骤S2，提高建筑裸地提取精度，利用外业精度评估与内业精度审核算法，并结合相近时段的航空影像数据光谱信息，提高裸地斑块的提取精度；步骤S3，测定大气颗粒物(TSP、PM10,PM2.5)排放量，利用四维通量法模型测定颗粒物排放因子，并根据排放因子和建筑裸地面积测算颗粒物排放量；步骤S4，评测污染物空间分布，利用插值法拟合生成建筑裸地颗粒物空间分布。
[0006]优选的,所述步骤SI中，卫星影像采用Quick-Bird卫星影像。
[0007]优选的，所述步骤SI中，原始卫星影像的多光谱和全色数据以国家标准航空影像为基础地图进行几何精纠正并进行数据融合。
[0008]优选的，所述步骤SI与步骤S2之间还有步骤S11，参考前一年或当年其他卫星拍摄的影像，对步骤Si中的裸地解译结果进行对比判别。
[0009]优选的，所述步骤S2中，建筑裸地采用人机交互解译，提取出五种处于不同施工阶段的建筑裸地斑块，包括拆迁平整阶段、土石方阶段、主体施工阶段、主体完工未绿化阶段和其他裸地。
[0010]优选的，所述步骤S2中，从卫星影像中提取五类建筑裸地斑块，并分别计算五类斑块面积，所述五类建筑裸地斑块分别处于如下阶段:
[0011](I)拆迁平整阶段，指处于房屋拆迁及土地平整阶段的土地；
[0012](2) 土石方阶段，指处于挖土阶段及地基完成之前的建筑施工用地；
[0013](3)主体施工阶段，指处于地基施工完成与建筑主体封顶之间的建筑施工用地；
[0014](4)主体完工未绿化阶段，指房屋主体施工完成与小区未完成绿化或硬化之间的建设用地，并包括周边与该建筑施工相关的裸地；
[0015](5)其他裸地，指一年内未变化并无植被覆盖的裸地，
[0016]进一步的，所述步骤S2中还包括步骤S21，对以上建筑裸地斑块随机抽样，抽样数量为Nn，并对抽样出的建筑裸地斑块进行野外实地核查，建筑裸地斑块的总数量为N，得到非建筑裸地斑块数量Ne，计算得到建筑裸地斑块误判率A ，置信区间设置为95%，在
Pe大于5%的情况下，重新进行步骤S2。
[0017]优选的，所述步骤S21中，针对建筑裸地的特点并根据各区域地理分布特征，建筑裸地斑块随机抽样包括以下原则:
[0018](I)覆盖所有建筑裸地类别；
[0019](2)尽可能多的涉及不确定图斑。
[0020]优选的，所述步骤S3中，需要分别测定五类建筑裸地的颗粒物排放因子。
[0021]优选的，所述步骤S3中，基于排放因子，进一步测算每个建筑裸地斑块的TSP、PMltl、PM2.5 排放量。
[0022]优选的，所述步骤S4中，提取建筑裸地斑块几何中心点之后，根据TSP、PM10, PM2.5排放量，在地理信息系统软件ARCGIS支持下，利用普通克里格空间插值法，分别插值生成建筑裸地颗粒物排放量的空间分布图。
[0023]可选的，所述步骤S4中，建筑裸地颗粒物排放量的空间分布图通过液晶显示屏显
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[0024]本发明提出的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法，能够有效地测算出目标区域建筑裸地颗粒物的空间分布，降低工作人员实地监测的难度，提高工作效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1显示了本发明可选实施例的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法；
[0026]图2显示了本发明优选实施例的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法；
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0028]图1显示了本发明可选实施例的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法。
[0029]如图1所示，本发明涉及一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法，包括以下步骤:
[0030]步骤S1:利用卫星拍摄地面图像，获取卫星遥感影像信息；
[0031]利用Quick-Bird卫星拍摄地面，以得到卫星图像。
[0032]步骤S2:对所获取的卫星影像进行精校正；
[0033]步骤S3:对所拍摄的卫星图像进行观测、判别和解译，将建筑裸地在所述卫星图像上提取出来，并计算出建筑裸地的面积；
[0034]步骤S4:对建筑裸地大气颗粒物排放量进行测算。
[0035]这里需要补充说明的是，所谓观测、判别和解译，现阶段采用人工目视解译，在电脑上将卫星图像中的建筑裸地提取出来，这里的提取方法为沿着卫星图像中的建筑裸地的周边用划线(勾边)的方法将该建筑裸地的轮廓勾画出来即可，最终形成一个个的建筑裸地斑块。
[0036]除了上述提取方法，也可以通过电脑自动提取，通过电脑自动识别黄色和褐色，并结合影像的纹理、图斑的大小、不同波段组合后影像的分布特征等，并将这些颜色自动标注出来，然后人工进行筛查，通过此种方法可大大加快解译速度，同时降低了工作难度，提高工作效率。
[0037]此外，还需说明的是，还可以在步骤I的过程中，同时调取前一年拍摄的或当年其他卫星拍摄的卫星影像。
[0038]进一步的，在步骤S2的解译和识别过程中，可以参照其他卫星图像与卫星图像(Quick-Bird卫星拍摄地面图像，标注建筑裸地的卫星图像)进行对比，为工作人员人工判断不同类型建筑裸地提供依据。
[0039]所说的其他卫星可以包括WV01、WV02、GE等卫星，或者采用高分辨率航空影像。
[0040]此时得到了所有的建筑裸地斑块，计算出每个建筑裸地斑块的面积(地图面积)。[0041 ] 步骤S4中，建筑裸地大气颗粒物排放量的测定:利用Flux-FDM法或四维通量法模型对排放因子进行测定，并根据排放因子和建筑裸地的面积测算大气颗粒物排放量。
[0042] 这里说的Flux-FDM法参照《建筑施工扬尘排放因子定量模型研究及应用》一文，发表于《中国环境科学》2009年，第29期，6卷，567-573页，在此不再赘述。
[0043]四维通量法模型参照《四维通量法施工扬尘排放模型的建立与应用》一文，发表于《环境科学》2009年第30卷第4期，在此不再赘述。
[0044]通过排放因子，进一步测算每个建筑裸地斑块的TSP、PM10, PM2.5的数值。
[0045]这里需要解释的是，排放因子包括TSP排放因子、PMltl排放因子和PM2.5排放因子，所以根据排放因子可分别算出每个建筑裸地斑块的tsp、pm1(1、pm2.5的数值。
[0046]本发明具体实施例中，以北京为例。
[0047]遥感监测主要采用2012年8月-10月北京市平原区Quick-Bird卫星影像，参考2010年和2011年冬季QB、WV01、WV02、GE等影像。原始影像所有的多光谱和全色数据都以国家标准航空影像为基础地图进行精纠正。平原地区多光谱数据精度纠正误差不超过0.5个像元，全色数据精度纠正误差在I个像元以内。同时保证进行融合处理的多光谱和全色影像数据相互匹配误差不超过I个像元。平原区建筑裸地监测满足1: 10000比例尺要求，满足1: 10000比例尺下视觉无偏差，图斑属性及边界精度达90%以上；然后对建筑施工用地面源进行解译和识别，其中最小上图面积为800平方米，生产比例尺为1: 6000到I: 7000，检查比例尺满足1: 10000条件下边界没有明显差错。
[0048]根据建筑裸地变化的实际情况，将2012年建筑裸地分为拆迁平整阶段、土石方阶段、主体施工阶段、主体完工未绿化阶段和其他裸地五种状态。并在解译标识的指导下，提取得到5种建筑裸地斑块。
[0049]北京市建筑裸地核查范围覆盖全市16个区县，共选取核查点位100个，拍摄数码照片395幅。根据建筑裸地本身特点，外业路线及抽样点多分布在平原区。整个抽样路线一共涉及100个点，误判率为2 %，漏判率为O ;精度评估抽样检查结果显示北京市建筑裸地监测信息提取抽样精度在95%以上，估计精度符合项目要求精度。
[0050]内业核查中，对建筑裸地成果图斑进行随机抽样，抽样率为5% (95%的置信区间)，分别对成果图斑的属性精度、边界精度进行检验。通过抽样精度验证，平原区建筑施工裸地成果属性精度为98.3 %，边界精度为97.1 %，总体精度为95.3%，达到了精度要求。
[0051]表1.抽样精度评估表
[0052]
专题矢量总斑样本数抽样属性正属性精边界正边界精总体成果块数量 率确数量度 确数量度 精度北京市建
3425 172 5% 169 98.3% 167 97.1% 95.3%
筑裸地
[0053]利用高分遥感影像数据提取了北京市建筑裸地斑块。2012年北京市平原区建筑裸地面积总共为140.77km2，占全市总面积的0.86%，占平原区面积的2.00%。平原区建筑裸地斑块数总量为3441个,平均斑块面积为0.06km2。
[0054]利用四维通量法模型得到的北京市TSP的施工排放因子，并根据TSP、PM1(I与PM2.5的比例关系(PM2.5/PM1CI和PM2.5/TSP的平均值分别为55%和29% )，分别得到相应的排放因子为0.492kg/m2/30d、0.260kg/m2/30d、0.143kg/m2/30d,该研究采用该类排放因子测算扬尘排放量。
[0055]根据颗粒物排放因子计算得到:全市TSP、PM10和PM2.5的排放量分别是31.53万吨、16.66万吨、9.16万吨。无论是哪种颗粒物的排放量，在城市发展新区与城市功能拓展区中均有较高的份额，两区合计达到85%以上，生态涵养发展区、城市功能核心区的排放量则普遍较小。
[0056]图2显示了本发明优选实施例的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法。
[0057]如图2所示，一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法，包括以下步骤:
[0058]步骤SI，获取并处理卫星影像数据，基于高分辨卫星影像对监控区域进行观测、判别和解译，提取建筑裸地在目标区域的空间分布。
[0059]所述卫星影像采用Quick-Bird卫星影像。
[0060]所述原始卫星影像的多光谱和全色数据以国家标准航空影像为基础地图进行几何精纠正并进行数据融合。
[0061]所述步骤SI与步骤S2之间还有步骤S11，参考前一年或当年其他卫星拍摄的影像，对步骤SI中的裸地解译结果进行对比判别。
[0062]步骤S2，提高建筑裸地提取精度，利用外业精度评估与内业精度审核算法，并结合相近时段的航空影像数据光谱信息，提高裸地斑块的提取精度。
[0063]其中，建筑裸地采用人机交互解译，提取出五种处于不同施工阶段的建筑裸地斑块，包括拆迁平整阶段、土石方阶段、主体施工阶段、主体完工未绿化阶段和其他裸地，所述以上五种阶段定义如下:
[0064](I)拆迁平整阶段，指处于房屋拆迁及土地平整阶段的土地；
[0065](2) 土石方阶段，指处于挖土阶段及地基完成之前的建筑施工用地；
[0066](3)主体施工阶段，指处于地基施工完成与建筑主体封顶之间的建筑施工用地；
[0067](4)主体完工未绿化阶段，指房屋主体施工完成与小区未完成绿化或硬化之间的建设用地，并包括周边与该建筑施工相关的裸地；
[0068](5)其他裸地，指一年内未变化并无植被覆盖的裸地；
[0069]从卫星影像中提取以上五类建筑裸地斑块，并分别计算五类斑块面积。
[0070]所述步骤S2中还包括可选步骤S21，对以上建筑裸地斑块随机抽样，抽样数量为Nn,并对抽样出的建筑裸地斑块进行野外实地核查,建筑裸地斑块的总数量为N，得到非建筑裸地斑块数量Ne，计算得到建筑裸地斑块误判率A = γ-，置信区间设置为95 %，在Pe大
η
于5%的情况下，重新进行步骤S2。
[0071]所述步骤S21中，针对建筑裸地的特点并根据各区域地理分布特征，建筑裸地斑块随机抽样包括以下原则:
[0072](I)覆盖所有建筑裸地类别；
[0073](2)尽可能多的涉及不确定图斑。
[0074]步骤S3，测定大气颗粒物(TSP、PM1C1、PM2.5)排放量，利用四维通量法模型测定颗粒物排放因子，并根据排放因子和建筑裸地面积测算颗粒物排放量。
[0075]所述步骤S3中，需要分别测定五类建筑裸地的颗粒物排放因子。
[0076]所述步骤S3中，基于排放因子，进一步测算每个建筑裸地斑块的TSP、PM1(1、PM2.5排放量。
[0077]步骤S4，评测污染物空间分布，利用插值法拟合生成建筑裸地颗粒物空间分布。
[0078]所述步骤S4中，提取建筑裸地斑块几何中心点之后，根据TSP、PM10, PM2.5排放量，在地理信息系统软件ARCGIS支持下，利用普通克里格空间插值法，分别插值生成建筑裸地颗粒物排放量的空间分布图。
[0079]应当理解的是，本发明的上述【具体实施方式】仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
【权利要求】
1.一种融合地面监测与卫星影像的建筑裸地大气颗粒物测算方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤Si，获取并处理卫星影像数据，基于高分辨卫星影像对监控区域进行观测、判别和解译，提取建筑裸地在目标区域的空间分布； 步骤S2，提高建筑裸地提取精度，利用外业精度评估与内业精度审核算法，并结合相近时段的航空影像数据光谱信息，提高裸地斑块的提取精度； 步骤S3，测定大气颗粒物(TSP、PM1C1、PM2.5)排放量，利用四维通量法模型测定颗粒物排放因子，并根据排放因子和建筑裸地面积测算颗粒物排放量； 步骤S4，评测污染物空间分布，利用插值法拟合生成建筑裸地颗粒物空间分布。
2.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤SI中，卫星影像采用Quick-Bird卫星影像。
3.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤Si中，原始卫星影像的多光谱和全色数据以国家标准航空影像为基础地图进行几何精纠正并进行数据融合。
4.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤SI与步骤S2之间还有步骤S11，参考前一年或当年其他卫星拍摄的影像，对步骤SI中的裸地解译结果进行对比判别。
5.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤S2中，建筑裸地采用人机交互解译，提取出五种处于不同施工阶段的建筑裸地斑块，包括拆迁平整阶段、土石方阶段、主体施工阶段、主体完工未绿化阶段和其他裸地，其中: (1)拆迁平整阶段，指处于房屋拆迁及土地平整阶段的土地； (2)土石方阶段，指处于挖土阶段及地基完成之前的建筑施工用地； (3)主体施工阶段，指处于地基施工完成与建筑主体封顶之间的建筑施工用地； (4)主体完工未绿化阶段，指房屋主体施工完成与小区未完成绿化或硬化之间的建设用地，并包括周边与该建筑施工相关的裸地； (5)其他裸地，指一年内未变化并无植被覆盖的裸地， 从卫星影像中提取以上五类建筑裸地斑块，并分别计算五类斑块面积。
6.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤S2中还包括步骤S21，对以上建筑裸地斑块随机抽样，抽样数量为Nn，并对抽样出的建筑裸地斑块进行野外实地核查，建筑裸地斑块的总数量为N，得到非建筑裸地斑块数量Ne，计算得到建筑裸地斑块误判率尺=}，置信区间设置为95%，在匕大于5%的情况下，重新进行步骤S2。
7.根据权利要求6所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤S21中，针对建筑裸地的特点并根据各区域地理分布特征，建筑裸地斑块随机抽样包括以下原则: (1)覆盖所有建筑裸地类别； (2)尽可能多的涉及不确定图斑。
8.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤S3中，需要分别测定五类建筑裸地的颗粒物排放因子。
9.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤S3中，基于排放因子，进一步测算每个建筑裸地斑块的TSP、PM1(1、PM2.5排放量。
10.根据权利要求1所述的融合地面监测与卫星影像的建筑裸地颗粒物测算方法，其特征在于:所述步骤S4中，提取建筑裸地斑块几何中心点之后，根据TSP、PM1(1、PM2.5排放量，在地理信息系统软件ARCGIS支持下，利用普通克里格空间插值法，分别插值生成建筑裸地颗粒物排放量的空间分布图。
【文档编号】G01N21/84GK104198342SQ201410425346
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】李令军, 赵文慧, 姜磊 申请人:北京市环境保护监测中心