【论文精选】基于系统工程学的土壤侵蚀高分遥感监测与评价工程化模式

基于高分遥感技术开展土壤侵蚀监测与评价，涉及高分遥感信息提取、其他基础数据处理、土壤侵蚀模型分析及其相应的系统构建、基础设施环境建设等多要素环节，其工程化模式构建主要是基于系统工程学原理，将其作为一个系统进行整体研究，系统梳理该系统现实问题及逻辑关系，将高分遥感技术与土壤侵蚀监测与评价业务有机融合，按照整体化、规范化、流程化、定量化等原则和方法，合理构建和配置系统相关组成要素，形成一套高效稳定的工程化业务应用模式。

该模式主要包括工程化综合知识库、信息提取算法集、应用集成3个核心要素：基于水土保持区划和县级行政区划并行融合的空间管理框架体系，将业务与专家知识进行规范和固化，构建高分遥感样本、遥感信息提取算法与参数、土壤侵蚀监测评价业务参数等分类型分区域知识库体系；针对不同的高分遥感信息提取目标对象，分区域建立以模型与算法为核心的信息提取算法集，获取针对相应区域特点的相对稳定的算法控制参数，辅助专家知识与后处理软件工具集，形成一套规范、固化、可重复应用的高分遥感信息快速提取方法体系；以综合知识库构建和信息提取算法集为核心，实现知识库和信息提取算法应用软件工具化，将土壤侵蚀高分遥感监测与评价各环节作为整体，对基础数据、应用软件系统和基础信息设施设备环境等相关环节进行有机集成。这3个系统要素之间相互联系、相互互动、相互支撑、紧密融合，形成工程化应用不可分割的有机整体。模式总体框架如下图所示。

模式总体框架图

工程化综合知识库模式构建采用美国学者霍尔(A. D. Hall)提出的系统工程方法论三维结构体系，根据前文分析的工程化模式内涵特性，梳理和抽象知识库的业务对象及其知识类型，按照土壤侵蚀监测与评价组织管理需要，确定和形成综合知识库空间结构体系。工程化综合知识库架构如下图所示。

工程化综合知识库三维结构图

三维结构框架具体阐述如下：

空间管理框架

考虑到县级行政区划通常作为中国水土保持行业管理单元，参照全国水土保持区划与水土保持重点防治区划，搭建以水土保持区划(融合水土保持重点防治区划)和县级行政区划相结合的“双层融合构架”知识库框架，实现知识库对象及其知识的存储、调用、检索与更新。

对象指标框架

根据土壤侵蚀高分遥感监测与评价业务应用需求与业务应用流程，知识库可划分遥感类对象指标和非遥感类对象指标。遥感类对象指标是指基于高分遥感影像进行信息提取的土壤侵蚀评价指标，主要包括土地利用类型、植被类型及植被覆盖状况和水土保持治理措施等。非遥感类对象指标是指与土壤侵蚀评价紧密相关的非遥感手段获取的对象指标，主要包括坡度坡长、土壤类型及土壤可蚀性、侵蚀动力和水土保持管理等指标。

 知识内容框架

按照知识库对象指标的知识表现形式，知识内容可分为样本知识、方法知识、参数知识和模型知识等。样本知识包括高分遥感影像、对象图片、对象遥感特征、业务特征及分布规律知识等。方法知识主要包括各遥感类对象指标遥感信息提取的算法、方法集，非遥感类对象指标分析计算的算法方法等。参数知识包括对象指标遥感信息提取或分析计算过程中研究和试验获取的参数值或范围。模型知识主要指各类土壤侵蚀分析评价模型。

为验证本研究提出的模式的应用效果，结合国家重点研发计划资助项目、高分水利遥感应用示范系统等课题，利用课题建立的工程化应用平台和高分一号2m分辨率的夏季影像，选取陕西省横山县进行了示范应用实践。横山县土地总面积4333km²，属于典型的农牧交错带，植被覆盖以草原和灌木丛为主，分布少量林地和园地，水土流失强度大，水土保持治理措施主要以林草措施、梯田整地和淤地坝为主。参照已经建立的遥感知识库，在研究区构建了包括耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、水域、交通运输用地、其他用地等8个一级类，以及梯田、裸地、沙地、水土保持林、水土保持种草等12个二级类的分类体系。分析目标地物的光谱属性、形状信息、纹理特征、空间位置等方面的特征，获得不同分类目标的算法及其特点，在此基础上构建分类方案的比选模型，确定满意的分类策略。最终确定的比选模型的表达式为

式中：A_i为提取的某一种方案；E₁，E₂，E₃分别为时间耗损、分类精度、技术难度的期望值。

通常，在植被覆盖较多的地区，先区分水域及非水域，再区分植被和非植被，然后再进行其他地类的提取。而在陕北农牧交错带，由于植被的光谱信息相对较弱，不容易与其他地类区分；因此在提取的过程中，从根节点开始进行水域和非水域的分离，后期的分类顺序、算法分裂准则以及结点的个数需根据比选模型确定。本模式解决了图斑琐碎且分类精度低的问题，因此精度可达到“非常满意”的级别，时间耗损达到“满意”，对于有一定知识经验的人而言技术难度也可以达到“满意”，综合效益为2.9。按照上述的分类策略，对各地物目标进行提取，总体分类精度87.58%，高于85%的精度评价标准，经过工程化修正模式工具，分类精度达到95%，横山县土壤侵蚀监测与评价整体工作效率提升了2-3倍。实践表明：该模式的设计与应用提升了高分遥感信息提取稳定性，保证了监测与评价流程的一体化，提高了整体工作效率。

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