兰乔加利福尼亚州水务区（以下简称Rancho Water）为超过15万名居民提供服务，覆盖面积达100,000英亩，包括特曼库拉市、穆列塔市的部分地区和河滨县的非建制地区。该地区位于洛杉矶东南部，其供水和废水处理服务通过39个水库进行分配，水源来自自然水源和设施处理水。 根据加利福尼亚州水资源部（简称DWR）的规定，Rancho Water在其日常运营中应遵守可持续用水的职责。然而，在干旱时期，会遵循更严格的要求。2023年初就是这种情况，当时Rancho Water的服务区——与该州的大部分地区一样——面临着长期水量低降和反复出现干旱状况的后果，而气候变化加剧了这种情况。这些情况凸显了水务机构迫切需要更明智地使用水资源，并为更频繁和持续的供水受限做好准备。 为了响应水资源保护法规，并为即将到来的水价研究做好准备，该地区启动了一个项目，旨在识别其服务区域内的非功能性草坪区域。此外，分析还旨在确定与各种土地覆盖类型相关的用水需求，这些类型被细分到各个地块内部。 为了支持整个区域的土地覆盖分类和灌溉区域测量图的制作，Rancho Water与位于加利福尼亚州拉古纳山的DCSE公司签订了合同，该公司是海克斯康的HxGN Content Program的转售合作伙伴。DCSE是一家提供工程、GIS和IT咨询服务的公司，专注于为公用事业和政府机构开发水资源、废水处理和可持续解决方案。该公司在2023年春季启动了Rancho Water项目。 加利福尼亚州水资源可持续性工作涉及与各级公民的互动，住宅房主在这些活动中发挥着重要作用。 由于私人住宅，尤其是那些有草地的住宅，是主要的用水者，因此计算过程的重点是识别和测量每个单户住宅地块的树木、草皮、水池、屋顶、裸露土地、不透水表面（例如车道、露台）和人造草皮的面积。此信息用于制定浇水时间表，甚至为房主管理草皮更换和回扣计划。 此外，该地区还需要识别非功能性草坪区域，这些通常是商业和工业场所中分车带和广场上的装饰性草地。与住宅物业中的庭院不同，非功能性草坪除了美观之外没有特定用途。这些区域对于州内的土地覆盖测量和保护工作至关重要，因为最近的立法禁止使用饮用水来灌溉这些区域，即使在非干旱条件下也是如此。 DCSE公司曾参与过类似的加利福尼亚州水资源部授权项目，并且知道如何根据以前的经验进行土地覆盖计算。对于早期的类似任务，该公司从美国农业部获得了免费的图像数据。此四波段 （RGBN） 栅格数据集由航空采集创建，可提供 60 厘米的空间分辨率。 DCSE公司的遥感分析师们运用了机器学习分类模型来处理这些免费数据，以区分所需的土地覆盖类型。这个过程以平均94%的准确率识别出了预期的土地覆盖类别。然而，当科学家们仔细审查结果时，他们发现了一个难题：草坪和树木之间的区分度不高，分类准确率平均在85%到93%之间。这种混淆主要是由于健康草坪和落叶树在光谱特征上的相似性导致的误分类。 图1.当使用60厘米分辨率的航空影像（左）生成土地覆盖地图（右）时，模型将树木错误地分类为草地。（来源：DCSE公司） 图2.通过利用15厘米分辨率的航空影像和高程数据，图1中被误分类的树木得到了正确的分类，而且像装饰性草坪这样的狭窄草坪区域也展现出了更细致的细节（来源：DCSE公司）。 “这些结果还算不错，但并不是非常好，尤其是从地块层面来看，”DCSE公司的遥感部门经理Tarlan Razzaghi博士说，“将灌溉草坪和树木合并为一个类别，实际上符合DWR的要求，但有些地区希望将草坪/草皮单独作为一个类别。” Rancho Water希望精确测量草坪面积，这主要有两个重要原因。首先，这项分析使该地区能够识别出有资格获得财政援助的客户，帮助他们移除物业上的草坪，并将其替换为适应当地气候的植物，以支持本地生态系统。草坪更换计划根据所更换草坪的面积来确定激励金额。其次，为了预期遵守禁止灌溉非功能性区域的州法规，该地区需要这类区域的准确测量数据作为工作依据。 由于Rancho Water对土地覆盖分类的精度要求较高，DCSE公司选择处理来自 HxGN Content Program计划的更高质量的数据集。这个庞大的高分辨率航空影像和高程数据集在2022年刷新了整个加利福尼亚州，由于仅在高太阳角度、雾霾/无云条件下进行空中采集，因此在大面积地理区域内具有时间一致性和高精度。 图3.与使用60厘米分辨率的影像（左）相比，使用15厘米分辨率的影像（右）的土地覆盖分类更加精确 。（来源：DCSE公司） DCSE公司为了满足Rancho Water对土地覆盖分类精度的高要求，选择了使用海克斯康提供的更高质量的数据集。这些数据集包括了15厘米分辨率的四波段航空正射影像和15厘米的数字表面模型（DSM）。科学家们应用了相同的分类模型，通过正射影像中的光谱特征来区分不同的类别。此外，他们还创建并应用了基于DSM数据的高度过滤器，通过DSM中的高度来区分草坪和树木，其中以5英尺作为区分阈值。 "使用HxGN Content Program提供的15厘米分辨率航空影像和15厘米数字表面模型（DSM），草坪和树木分类的准确率均超过了96%，"Razzaghi博士说。"此外，当使用海克斯康更详细15厘米的影像与免费的60厘米数据相比，土地覆盖类别和地表面积测量的精度也得到了提高。" 图4.该模型使用DSM数据应用了高度过滤器，其中黄色区域显示5英尺以下的土地覆盖，绿色区域显示大于5英尺。（来源：DCSE公司） “通过使用海克斯康提供的高分辨率影像和高程数据，我们能够准确地进行分类和测量，这不仅满足了州政府的要求，同时也为我们的用水客户提供了公平合理的服务。”Rancho Water的GIS协调员Liviu Rosu说道。 DCSE公司通过矢量和电子表格的形式向Rancho Water提供了分类数据。他们将所有结果都整理到了单个地块多边形的图层。当这些数据输入到该地区的GIS应用中时，分类和测量值会与特定的房产地址相匹配。此外，该地区还能够将非住宅地块上的草坪类别归类为非功能性草坪。 “正如Rancho Water项目所展示的，增强可持续性是海克斯康为全球关键行业构建解决方案的首要任务，”海克斯康地理空间内容解决方案总裁John Welter表示，“我们的目标是让客户通过释放数据的潜力，更智能地利用地球资源，使其价值更大化。” 海克斯康的HxGN Content Program采用徕卡CountryMapper航摄仪，它是一款混合型测量系统，集成了大幅面量测型相机和高性能激光雷达单元，能够同时获取多种地理空间数据，大幅缩短数据采集时间，降低成本并减少碳排放。该系统通过可在单个架次内完成影像和激光点云采集，并通过徕卡HxMap软件高效生产数据，提供全面的二维和三维地理空间数据解决方案，满足正射影像、林业监测、水资源管理和基础设施管理等多种应用需求。