筏式养殖区高分辨率遥感监测技术规范

【主要技术内容】 1 范围 本文件规定了海水筏式养殖区高分辨率遥感监测的基本要求、数据准备及处理、养殖区信息提取、数据复核与精度评价、监测产品制作等内容。 本文件适用于海水藻类和贝类筏式养殖区高分辨率遥感监测工作。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 15968 遥感影像平面图制作规范 GB/T 18316 数字测绘成果质量检查与验收 DB37/T 4518 河湖水域岸线遥感监测技术规范 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 解译标志 interpretation key 在遥感图像上能具体反映和判别地物或现象的影像特征，分为直接解译标志和间接解译标志。 注：直接解译标志包括色调或颜色、阴影、大小、形状、纹理和图案等；间接解译标志则包括位置和组合。 3.2 筏式养殖区监测 raft culture area monitoring 对海水藻类和贝类筏式养殖区的分布、面积、时空变化等的监测。 3.3 辐射定标 radiometric calibration 将数字量化亮度输出值(DN)和其所对应视场中的辐射亮度值之间建立定量关系，以消除或纠正辐射 误差而引起的影像辐射畸变。 3.4 大气校正 atmospheric correction 消除或减弱卫星遥感影像在获取时在大气传输中因吸收或散射作用引起的辐射畸变。 [来源：GB/T 14950-2009，5.191] 3.5 归一化水体指数 normalized difference water index(NDWI) 定义为绿光波段反射率与近红外波段反射率之差与之和的比值。 3.6 区域网平差 block adjustment 在立体区域网或平面区域网内量测一定数量的连接点和像控点，通过平差计算，获取卫星影像定向 参数的过程。 [来源：GB/T 40766-2021，3.14] 3.7 海陆分离 sea-land segmentation 将图像中的陆地区域进行遮蔽或移除，满足后续工作仅作用于海洋区域而不对陆地区域进行任何处 理的要求。 3.8 投影变换 projection transformation 将一种地图投影点的坐标变换为另一种地图投影点的坐标的过程。 [来源：GB/T 14911-2008, 4.45] 3.9 精度评价 accuracy evaluation 正确分类的像元数量与像元总数的比值即为提取精度，通常利用准确率（Precision）、召回率 （Recall）和F值（Precision和Recall的调和平均数）3个常用的精度指标来进行养殖区提取结果的精 度检验。 4 缩略语 下列缩略语适用于本文件。 GNSS 全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System） NDWI 归一化水体指数（Normalized Difference Water Index） 5 基本要求 5.1 工作内容 筏式养殖区遥感监测工作内容包括筏式养殖区提取、面积统计、养殖区时空变化监测等。 5.2 技术流程 筏式养殖区遥感监测技术流程包括数据准备及处理、养殖区信息提取、数据复核与精度评价、监测 产品制作等，基于高分辨率遥感影像的筏式养殖区遥感监测流程见图1。 5.3 资料准备 搜集山东省渔业统计年鉴、监测区海域使用权属数据、相关网站及学者发布的养殖区公开数据集等。 5.4 坐标系统 筏式养殖区遥感监测的大地基准应采用2000国家大地坐标系，投影采用高斯-克吕格投影，高程基 准应采用1985国家高程基准，深度基准采用当地理论最低潮面。 5.5 调查手段 筏式养殖区遥感监测应与现场GNSS实地调查、无人机航拍及走访调研手段密切配合，同一监测区采 用多种技术方法取得的监测成果数据，应相互对比、验证及修正后综合利用。 5.6 计量单位 长度单位采用米（m），结果保留两位有效数字；面积计算单位采用平方千米（km2）,结果保留两 位有效数字；小数进位采用四舍五入方法。 5.7 监测成果 遥感监测成果应包括筏式养殖区提取结果、现场调查及复核数据、筏式养殖区时空变化图件等。 6 数据准备及处理 6.1 影像数据选择 具体要求如下： a) 选择空间分辨率优于 2.5m 的星载多光谱遥感影像数据，应包含蓝、绿、红、近红外四个波段。 b) 根据监测目的确定遥感数据年份，结合各养殖种类的生长周期，综合选取地物特征明显的影 像数据，且影像成像时间与现场调查时间前后间隔不应大于 7d。 c) 云量覆盖面积少于 5%，且重点监测区无云覆盖。 d) 影像层次丰富、色彩清晰、色调均匀、反差适中。 e) 数据不存在条带、斑点噪声、行丢失等。 6.2 调查数据准备及质量要求 6.2.1 数据准备 6.2.1.1 进行走访调研，熟悉监测区的筏式养殖区分布，获取筏式养殖区统计数据。 6.2.1.2 选择筏式养殖区分布比较密集、典型地区，确定调查路线图，进行样点布设、外业底图勾绘、 样区描述、实地拍摄。 6.2.1.3 样区、样点布设的方式、数量及空间分布依据监测范围来确定。将一养殖亩划定为一个样区， 样区根据水深及离岸距离均匀分布，且数量不少于 20 个。每个监测区样点数量不少于 50 个，样点之间 至少间隔 500m（同一个样区除外）。样点应覆盖所有养殖区类型，且在监测区内尽可能均匀分布。 6.2.1.4 利用 GNSS 对样点中心进行定位，并进行样区描述性记录及实时拍摄记录，记录内容包括样区 位置、筏式养殖种类、养殖方式、生长周期、面积及拍摄时间等。在各个样区内选取面积不等的筏式养 殖区单元，总量不少于 20 个，利用 GNSS 沿养殖区外边界进行实地踏勘一周，获取实测养殖区单元外边 界范围（参见附录 A）。 6.2.2 质量要求 6.2.2.1 选取与遥感影像获取时间相近的时段进行调查，外业调查数据定位误差不超过 1 个像元。 6.2.2.2 对数字测绘成果及电子图的相关要求，按照 GB/T 18316 执行。 6.3 遥感影像处理 6.3.1 影像预处理 遥感影像需经过辐射定标、大气校正、图像融合、影像镶嵌与裁剪等预处理，其质量要求按照GB/T 15968执行。 6.3.2 区域网平差 在进行影像校正时，运用多源遥感数据自动处理系统，通过区域网平差自动选取陆地及海上控制点。 每景影像控制点选取数量最少应保证四角加中间布控且分布均匀。 6.3.3 海陆分离 利用海岸线数据对遥感影像进行掩膜处理可实现海陆分离，也可以利用归一化水体指数(NDWI)进行 海陆分离。根据多期遥感影像的NDWI值，如果NDWI大于零，则为水体区域。NDWI计算公式为： ???????? = ????????????????????? ????????????+???????? ··································································· (1) 式中： RGreen—绿光波段反射率； RNIR —近红外波段反射率。 7 养殖区信息提取 7.1 基本要求 筏式养殖区遥感监测信息提取工作流程包括建立解译标志、遥感解译、筏式养殖区信息提取及面积 统计、动态监测。对矢量数据的拓扑检查，应保证面状矢量数据无重叠。 7.2 建立解译标志 7.2.1 遥感影像解译前，应根据监测内容、遥感影像特征（分辨率、时相、色调等）、外业调查结果 等建立遥感解译标志。 7.2.2 根据遥感影像特征（色调、亮度、纹理、形状等）与地物间的相关关系，结合收集和实地调查 的养殖区分布数据，建立解译标志（参见附录 B）。 7.2.3 遥感解译标志应具有代表性、稳定性，且尽量覆盖所有筏式养殖区类型。 7.3 信息提取 7.3.1 养殖区类型 近海筏式养殖区主要分为藻类筏式养殖区和贝类筏式养殖区，藻类筏式养殖区主要养殖海带、紫菜、 龙须菜等，贝类筏式养殖区主要养殖扇贝、牡蛎、鲍等。 7.3.2 养殖区提取方法 养殖区提取可采用目视解译法、面向对象分类法及深度学习算法等，详见附录C。 7.3.3 藻类筏式养殖区提取 结合实地调研数据，按照筏式养殖区纹理、形状等特征及空间分布情况进行提取。藻类筏式养殖区 可以区分为海带养殖区、紫菜养殖区等。 7.3.4 贝类筏式养殖区提取 去除海水背景及藻类筏式养殖区，得到贝类筏式养殖区分布范围，结合实际调查数据判断贝类筏式 养殖区中不同养殖种类的空间分布。 7.4 动态监测 7.4.1 动态监测内容 筏式养殖区遥感动态监测内容应包括：面积变化量、面积变化速率、筏式养殖区新增与腾退情况等。 7.4.2 监测周期 根据各养殖类型的生长周期，每1~2年开展一次监测工作。 7.4.3 动态监测方法 7.4.3.1 面积变化速率 用一定时期内养殖区面积的年均变化百分比来表示养殖区的变化强度，即养殖区面积变化速率。计 算公式为： ?????????? =????????? /????(?????) × 100% ······························································(2) 式中： ARCmn——监测时段内，养殖区面积的年均变化速率； Am——监测年养殖区的统计面积； An——本底年养殖区的统计面积。 7.4.3.2 养殖区时空变化分析 提取监测时段内筏式养殖区分布矢量数据，运用叠加分析工具，获取养殖区新增与腾退区域，运用 统计工具，计算新增与腾退面积，并绘制筏式养殖区时空变化遥感监测图（参见附录D）。 8 数据复核与精度评价 8.1 数据复核内容 数据复核内容按照DB37/T 4518执行。 8.2 数据复核方法及要求 8.2.1 可采用现场人工复核或无人机航拍的方式，利用移动数据采集终端，通过实地调研、拍摄照片 等方式进行现场核查并做好记录（参见附录 A）。 8.2.2 筏式养殖区面积及分布范围等可通过搜集实地调查的历史统计数据、年鉴资料进行复核。 8.2.3 应综合考虑信息提取成果重要程度、分布等因素，采用抽样方法选取复核样本。复核样本应包 含信息提取成果中的全部类型，并应在空间上分布均匀。 8.2.4 现场复核及复核样本的数量要求按照 DB37/T 4518 执行。 8.3 精度评价 根据公式（3）~（5）计算准确率（Precision）、召回率（Recall）和F值，各指标值不小于85% 为合格。 ?????????????????? = ????/(???? + ????)·····························································(3) ???????????? = ????/(???? + ????)································································(4) ?? = 2(?????????????????? × ????????????)/(?????????????????? + ????????????) ·········································(5) 式中： TP——正确提取的养殖区像素数； FP——未被提取的养殖区像素数； FN——被错误识别提取的养殖区像素数。 9 监测产品制作 9.1 监测产品内容 监测产品包括专题图和监测报告。专题图包括筏式养殖区分布信息以及监测区基础地理信息要素。 监测报告包括监测海域概况、数据来源、现场调查、精度评价、筏式养殖区时空变化情况、问题及建议等。 9.2 专题图 专题图应按照GB/T 15968执行，形成监测区筏式养殖区高分辨率遥感监测专题图（参见附录D）。 9.3 监测报告 采用遥感影像处理软件或地理信息系统软件对监测区筏式养殖区面积进行量算统计，面积以km2为 单位，结果保留两位有效数字。通过数据汇总分析，编制监测报告。