顾及地形的铁塔视频优化选址方法—以广西贵港市覃塘区为例

顾及地形的铁塔视频优化选址方法—以广西贵港市覃塘区为例

张桂华1，2

1.广西自然资源调查监测院，广西  南宁 530219

    2.自然资源部北部湾经济区自然资源监测评价工程技术创新中心，广西 南宁 530219

[摘要]铁塔视频监测已成为自然资源监测监管体系的重要组成部分，可有效解决天-空遥感在自然资源监测监管中实时性不足、分辨率不足等问题，由于其监测范围受到复杂的地形及地表地物遮挡和成像时空间分辨率等约束，因此基于高精度地形进行成像有效性分析成为铁塔塔基优化选址的最为简单且适用的方法。本文以广西贵港市覃塘区为例研究铁塔塔基的选址，通过开展塔基优化选点关键技术研究，形成最终的塔基布局与选址优化方案，结果表明，在确保自然资源要素监测覆盖率前提下，优化后的塔基布局方案可以有效提高塔基视频监控建设的合理性，降低成本。

[关键词]铁塔视频；监测监管；视域分析；高精度地形；优化选址

铁塔视频监测相较于卫星或无人机的航空航天遥感，具有时空分辨率高、不受云层影响的优势，可有效作为连接地面观测网络与卫星图像的“桥梁”，解决二者时间、空间不匹配的问题，在跨时空尺度的实验方面起到了重要作用[1，2]。铁塔监测用于自然资源、生态环保监测等现状进行分析，提高自然资源综合监测所布设的塔基平台传感器投入应用之后采集数据的有效性，保证其数据质量，提升应用效率，确保关键自然资源要素有效视域监测。传统的城市安防等视觉传感网进行大规模遮挡分析时，通常利用目标区域的 DSM等地形数据对山体、树木、建筑等遮挡物进行建模，再结合通视分析来排除，成像时空间分辨率的控制通常使用成像时的径向距离来约束[2]。部分研究者会对塔基遥感相机进行标定与地理配准，并基于此进行塔基平台传感器位置姿态控制与规划[3]。

针对上述需求，本研究以贵港市覃塘区已经投入使用的广西铁塔视频监控系统中的相机参数、地形数据及实际图像作为实验数据，基于前人已有的研究基础，剖析了塔基遥感视频的成像过程及特点，分析了当目标区域较大、任务目标复杂时影响其数据质量的主要因素，并针对此构建了兼顾分析效率与准确性的实际覆盖范围解算方法，建立了针对不同应用需求的成像空间分辨率分级方法以明确其在不同区域内的成像能力，通过统计分析各分辨率等级应用的实际可覆盖范围对塔基平台遥感成像质量进行评估。本文给出了相应的评估方法和分析结果，方法和结果可作为未来系统优化的参考依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

覃塘区是广西贵港市的一个市辖区，地理位置为东经108°58′48″~109°18′，北纬22°48′~23°25′12″，位于贵港市西北部，西靠全市的西南通道，北至古樟乡的元金村，南抵大岭乡的古平村，东与港北区和港南区相壤，南与横县相连，西与宾阳县毗邻，北面与来宾市兴宾区、武宣县为邻。根据第七次人口普查数据，截至2020年11月1日零时，覃塘区常住人口为423747人。根据2021年年度变更数据，覃塘区行政区域面积135138.57公顷，2021年度主要地类数据情况，其中耕地46944.43公顷、园地3087.45公顷、林地61447.88公顷、草地920.52公顷、城镇及工矿用地11007.71公顷、交通运输用地1495.6公顷、水域及水利设施用地7673.87公顷、湿地48.1公顷、其他土地2513.01公顷。覃塘区农林牧渔业总产值年均增长4.66%。粮食播种面积每年稳定在57万亩以上、产量稳定在20万吨以上，是贵港乃至广西主要的粮食产区，其耕地的保护责任重大，亟需利用现代化监测手段解决 “田长制”动态监测监管难题，有效遏制耕地“非农化、非粮化”等会现象，严守耕地红线，持续保障粮食生产安全。此外，覃塘区辖区还有石灰石矿、金、银、镁、煤炭、硅藻土等20多种矿产资源。主要矿产资源有石灰岩矿和三水铝土矿。其中水泥用石灰岩查明资源储量5亿吨，远景资源储量30亿吨；三水铝土矿储量约2.22亿吨，矿产资源丰富，且利用较为粗放，极易出现盗采滥挖等现象，监测监管压力巨大。

1.2 数据来源介绍

   塔基在平面空间上选址主要是结合自然资源监测监管业务需求，综合考虑地形地貌、河流、道路和建设用地分布及自然资源要素分布，重点参考耕地分布情况，结合铁塔视频视域有效距离及组网监测需求，并利用高分辨率地形数据，确定塔基适宜区域[4]。分析过程中用到的数据主要包括：布设区域行政区划、道路（县道以上等级）、河流、耕地、建设用地、NASA ALOS DEM（12.5米）分辨率数字高程模型、第三次国土调查成果数据等。其中，道路数据包括县道、省道、国道、高速公路、普通铁路和高速铁路；河流数据主要为覃塘区境内的蒙公河、郁江、云表江、武思江等；NASA ALOS DEM从NASA EARTHDATA网站上获取。

2 数据准备及处理方法

2.2 选址分析与数据

将所有数据统一平面基准、高程基准和投影基准，其中平面基准采用2000 国家大地坐标系（CGCS2000）；高程基准采用1985国家高程基准；地图投影采用高斯-克吕格投影，按3°分带，投影面为参考椭球面，投影中央子午线为108°。同时利用布设行政区划数据将所有数据进行裁切处理，以便后期处理。

2.2.1 制作坡度数据

将准备好的DEM数据加载到ArcGIS软件，利用Slope工具，把裁切后的DEM数据快速生成坡度数据。

2.2.2 制作距离数据

根据综合监测监管确定要求中对城镇开发边界外延2公里以内、县道以上重点路段两侧200米以内、主要河流重点河段两侧500米以内等进行重点监测设计，利用道路数据、河流数据、耕地数据和建设用地数据等（三调数据提取），利用ArcGIS软件中欧氏距离工具测量每个像元重要地物类型的直线距离（像元中心至像元中心的距离），将道路、河流、耕地等重要监测对象矢量数据设置为输入栅格数据，输入的栅格大小统一设置为30米。同时需要注意在“环境”选项中“处理范围”一栏中勾选“与区域面范围一致”，根据布设行政区划数据范围生成矩形栅格成果，需要继续提取与布设行政区划面一致的栅格范围，所以需要按掩膜工具提取。

      河流距离图                道路距离图              耕地距离图

2.3 归一化处理

对生成的坡度数据和道路距离数据、河流距离数据、建设用地距离数据和耕地距离数据等进行指标归一化处理。采用极差标准化方法对以上各指标数据进行标准化处理，利用Pyhon以极差标准方法对数据进行归一化处理，正负指标标准化的公式为[5]：

正向指标：                （1）

负向指标：                 （2）

式（1）、式（2），为栅格数据第i行第j列栅格的标准值；为栅格数据第i行第j列栅格的实际值；和为栅格数据的最大值和最小值。其中坡度、道路距离、河流距离和耕地距离指标数据为负向指标，即塔址选定区域越靠近监测效果越好。建设用地由于会遮挡铁塔视域，所有越远越好，故建设用地距离数据则为正向指标。

2.4 优化选址分析  

对于铁塔适宜区域评价时，根据数据相关度不同，采用互补准则：系统的各控制变量之间可相互弥补其不足时，通常按期权重因子进行融合分析，确定最终适合评价结果，按照监测重要性，通过多次测试，确定最终权重因子值为：

利用ArcGIS软件栅格计算器进行综合计算，运算语句为：(Slope.tif×0.3+河流距离.tif×0.05+道路距离.tif×0.05+建设用地距离.tif×0.2+耕地距离.tif×0.4),即可计算得到塔基适宜建设指数图层。

利用ArcGIS重分类工具，按照阈值进行二值化分类（不同区域值不同），确定最终合适建设的区域范围。然后栅格转多边形，利用Raster to Polygon工具，快速提取宜建区范围矢量多边形数据。接着对多边形进行简化，利用Simplify Polygon工具，将宜建区多边形进行简化，其中Maximum Allowable Offset设置为500米。然后对多边形按面积均分，在QGIS软件中，利用Polygon pider插件，按照铁塔视频视域有效范围面积S=，根据经验，r值约为2千米，故S=12.5平方千米。最终确定中心点（塔基位置），利用Feature to Point工具，快速提取所有均分多边形的中心点。提取视域覆盖范围，利用上步提取的中心点按照2千米进行缓冲区分析，获得覆盖布设行政区划自然资源要素监测所内需要新建的塔基93个及其大致范围。

图一 铁塔优化前后建设点对比图

3 结果分析

根据覃塘区2021年年度变更数据，该区2021年末耕地面积为46944.43公顷，园地面积为3087.45公顷，采矿用地为889.58公顷。覃塘区全区按多边形面积均分需要建设铁塔133座，通过归一化处理、耦合协调分析、多边形面积均分等方法减少并优化县区内山区、耕地破碎分散及建成区周边等地区铁塔布局，确定最终需要建设铁塔仅93个，节约减少铁塔塔基建设约30%。同时，进一步利用铁塔监测范围与土地利用数据进行分析，发现落入铁塔视频监测范围的耕地面积为38739.38万公顷，覆盖率达到82.52%；园区面积为2298.42公顷，覆盖率达到74.44%；采矿用地面积为652.90公顷，覆盖率达到73.39%。结果表明，优化后的塔基布局方案可以有效提高塔基视频监控建设的合理性，生产成本大大减少，自然资源重点要素均已达到70%以上。

铁塔监测主要地类如下：

4  结语

  从自然资源综合监测要求出发，主要对耕地、园地、采矿用地等土地利用类型监测监管，需要利用铁塔视频快速发现地表地类变化情况，铁塔视域范围的关键是铁塔塔基的优化选址。本研究针对耕地流失严重、园地非法占用、矿山盗采滥采等现象，通过开展塔基优化选点关键技术研究，提出塔基视频监测方式对覃塘区的主要自然资源要素进行监测，特别是集中连片耕地、园地、采矿用地等重点监测对象。实验表明，通过归一化处理、耦合协调分析、多边形面积均分等方法进行的塔基优化选址关键技术研究，形成了最终的塔基布局与选址优化方案，其中，耕地覆盖率达到82.52%，园地覆盖率达到74.44%，采矿用地覆盖率达到73.39%。优化后的塔基布局方案可以有效提高塔基视频监控建设的合理性，生产成本大大减少。铁塔视频监测有望在“田长制”、变更调查、自然资源监测、卫片执法监督、耕地卫片监督等业务应用，拓展在规划管控、耕地保护、用途管制、土地节约集约利用、矿产资源管理、督察执法等自然资源管理领域的深度应用。

[参考文献]

[1]张毅，吉波，阮婧.基于塔基视频监控的自然资源智能感知模式实践和思考[J].国土资源信息化，2021（5）：8-14.

[2]欧庚，周良辰，林冰仙，等.塔基遥感视频监控有效性评估方法[J].地球信息科学学报，2022，24（1）：165-175.

[3]Ahamed T, Tian L, Jiang Y S, et al. Tower remote-sensing system for monitoring energy crops; image acquisition and geometric corrections[J].Biosystems Engineering，2012,112(2):93-107.DOI:10.1016/j.biosysteseng.2012.03.003.

[4]方陆明,柴红玲,唐丽华,等.基于DEM的视频可视域提取算法[J]. 北京林业大学学报,2010,32(3):27-32.

[5]翁敏，李霖，苏世亮.空间数据分析案例实验教程[M].北京：科学出版社，2019.7.