面向?qū)ο笮畔⑻崛〉墓残约夹g(shù)研究

魏金明，吳闖，仲偉政

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013)

面向?qū)ο笮畔⑻崛〉墓残约夹g(shù)研究

魏金明?，吳闖，仲偉政

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013)

面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒ㄒ殉蔀楦叻直媛蔬b感影像信息提取研究的熱點(diǎn)，許多學(xué)者利用該方法對(duì)遙感影像進(jìn)行分類和信息提取，并取得了很好的效果。但目前還沒有人對(duì)其共性技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。本文總結(jié)了面向?qū)ο蟮倪b感影像信息提取通用技術(shù)流程，并對(duì)其中的共性技術(shù)如影像分割、特征定義及選取、影像分類等做以相關(guān)的介紹。

面向?qū)ο螅恍畔⑻崛?；高分辨率；影像分割；影像分?/p>

1 引 言

遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是高分辨率遙感影像的大量出現(xiàn)，大大推動(dòng)了遙感數(shù)據(jù)在多個(gè)行業(yè)部門的廣泛應(yīng)用。高分辨率遙感影像提供了比中低分辨率遙感影像更多的信息(紋理、形狀、拓?fù)涞?。針對(duì)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，一些學(xué)者提出了面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒╗1]。該方法不僅利用地物的光譜信息，更多的是利用其幾何信息和結(jié)構(gòu)信息，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的基于像元的信息提取方法的不足，從高分辨率影像上提取更精細(xì)更豐富的地物信息，提高分類精度，更好地為各個(gè)領(lǐng)域的研究提供支持。

目前，已有許多專家對(duì)面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行了研究，如Willhauck等采用面向?qū)ο蟮挠跋穹治龇椒?，集合了多種數(shù)據(jù)如ERS SAR影像、植被圖及NOAA數(shù)據(jù)完成了印尼在1997年與1998年嚴(yán)重森林火災(zāi)后的制圖任務(wù)[2]。Huang Huiping等進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)面向?qū)ο蠓诸惤Y(jié)果的精度和準(zhǔn)確性進(jìn)行了肯定[3]。Qian Yu利用面向?qū)ο蠓诸惙椒?，用航空高分辨率遙感影像進(jìn)行了森林資源的調(diào)查，分類數(shù)量達(dá)到43個(gè)，取得了比較滿意的結(jié)果[4]。雖然許多學(xué)者利用該方法對(duì)遙感影像進(jìn)行分類和信息提取，并取得了很好的效果。但目前還沒有人對(duì)其共性技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。文中總結(jié)了基于對(duì)象的遙感影像信息提取通用技術(shù)流程，并對(duì)其中的共性技術(shù)如影像分割、特征定義及選取、影像分類等做一相關(guān)的介紹。

2 技術(shù)流程

目前，已有許多商業(yè)軟件應(yīng)用于面向?qū)ο蟮募夹g(shù)對(duì)遙感影像的信息提取。如德國(guó)Definiens Imaging公司推出的面向?qū)ο蟮倪b感影像分析軟件eCognition； ERDAS IMAGINE軟件也在其9.0版本后，推出了擴(kuò)展模塊Feature Analyst；ENVI軟件在版本4.4后，提供了特征提取模塊FX(ENVI Feature Extraction)。在總結(jié)已有面向?qū)ο筇幚矸椒ê同F(xiàn)有商業(yè)軟件的基礎(chǔ)上，提出了面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)流程如圖1所示。

圖1 面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)流程

3 共性技術(shù)

在面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)流程中，總結(jié)了面向信息提取方法的共性技術(shù)，它包括:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，影像多尺度分割，對(duì)象特征的選擇和組合，影像分類，分類精度評(píng)價(jià)，分類后處理。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包括影像預(yù)處理，影像增強(qiáng)和變換，輔助數(shù)據(jù)處理三部分。影像預(yù)處理主要指幾何糾正和輻射糾正，以去除圖像獲取過程中產(chǎn)生的變形、扭曲，模糊(遞降)和噪音等，得到一個(gè)盡可能在幾何和輻射上真實(shí)的圖像。遙感影像增強(qiáng)和變換處理的目的是為了突出有用信息，加大各地物間的差異性，以便于后續(xù)分析。對(duì)附加的專題數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其與影像數(shù)據(jù)具有相同的坐標(biāo)系統(tǒng)，并做到精確配準(zhǔn)。

3.2 影像多尺度分割

影像的多尺度分割將影像劃分為具有內(nèi)部同質(zhì)性和外部異質(zhì)性的影像對(duì)象，使具有相同光譜實(shí)體的像元變?yōu)榫哂衅骄庾V屬性和進(jìn)化空間屬性的對(duì)象。分割算法庫(kù)可提供多種影像分割算法，如四叉樹分割、均值漂移分割和區(qū)域生長(zhǎng)分割等。

圖2 影像對(duì)象層次網(wǎng)絡(luò)

用選定的分割算法對(duì)一幅遙感影像進(jìn)行分割前，需要設(shè)定分割參數(shù)。如區(qū)域生長(zhǎng)法需要設(shè)定顏色權(quán)值、形狀權(quán)重、光滑度權(quán)重、緊致度權(quán)重和分割尺度。分割完成后便生成一個(gè)影像對(duì)象層。用不同的分割參數(shù)經(jīng)多次分割便可形成影像對(duì)象層次網(wǎng)絡(luò)。影像對(duì)象層次網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)對(duì)象都有自己的鄰對(duì)象、子對(duì)象和父對(duì)象。對(duì)象垂直鏈接后，便可以利用尺度和高級(jí)的紋理特征。影像對(duì)象層次網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)展示不同尺度的影像信息，如圖2所示[6]。影像對(duì)象層次網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是一個(gè)拓?fù)潢P(guān)系，比如，父對(duì)象的邊界決定了子對(duì)象的邊界，父對(duì)象的區(qū)域大小由子對(duì)象的總和決定，每一層都可由它的直接的子對(duì)象來構(gòu)成。在下一個(gè)高層上，子對(duì)象合并為大對(duì)象。這個(gè)合并會(huì)被已有父對(duì)象的邊界所限制。如果是不同的父對(duì)象，那么相鄰的對(duì)象不能進(jìn)行合并。

3.3 對(duì)象特征的選擇和組合

影像對(duì)象的屬性被定義為特征。內(nèi)在的影像對(duì)象特征有形狀、顏色等，外部特征有與鄰域的關(guān)系等，另外，可根據(jù)現(xiàn)存特征建立自定義特征，如植被指數(shù)(NDVI)。

廣義上說，特征包括對(duì)象特征、類相關(guān)特征、場(chǎng)景特征、處理相關(guān)特征等。具體講，可包括光譜特征(如均值、標(biāo)準(zhǔn)差、比率等)，形狀特征(如面積、緊致度、對(duì)稱性等)，紋理特征(如光譜紋理、形狀紋理、GLCM特性等)，拓?fù)涮卣?如對(duì)象間的相鄰、相接、包含等)等等，這些特征都可以在特征庫(kù)中表示。特征庫(kù)中包含了眾多的特征。

通過查看和分析各特征信息，可在不同的影像對(duì)象層中靈活運(yùn)用對(duì)象特征，以確定描述某一特定地物的最優(yōu)特征組合。如通過對(duì)形狀特征的長(zhǎng)寬比計(jì)算，可對(duì)線性地物有很好的突出作用。特征組合的原則是用最少的特征準(zhǔn)確的描述某一地物類。

3.4 影像分類

根據(jù)要?jiǎng)澐值牡匚镱悇e，結(jié)合特征庫(kù)和分類規(guī)則庫(kù)，可建立各地物類的分類規(guī)則。具體的規(guī)則建立需考慮以下3個(gè)層次:①各層次類型的規(guī)則建立。根據(jù)對(duì)象的光譜特征、幾何特征和拓?fù)涮卣鞯榷x類型的判定規(guī)則。②層內(nèi)子類型對(duì)父類型繼承。如果存在子類型，子類型應(yīng)首先繼承其父類型的判定規(guī)則，然后增加其特有的光譜特征、幾何特征和拓?fù)涮卣髯鳛榕卸ㄒ?guī)則。③對(duì)每一層的分類結(jié)果進(jìn)行合并與傳遞，形成最終的分類判定規(guī)則。需要說明的是，每一規(guī)則的建立并不一定必須包含以上3個(gè)層次，如果能很好地對(duì)地物進(jìn)行判定，僅用一個(gè)層次也可以形成規(guī)則。同樣，在每個(gè)層次也可以靈活選擇其特征形成其規(guī)則。另外，還可以通過調(diào)整特征函數(shù)的表現(xiàn)形狀定義自定義特征。

如對(duì)一幅已建立了影像對(duì)象層次網(wǎng)絡(luò)的遙感影像，建立各類別的分類規(guī)則可以由兩種途徑來實(shí)現(xiàn):

(1)對(duì)各類采樣并自動(dòng)建立分類規(guī)則。

在影像對(duì)象層中選擇地物類訓(xùn)練樣本，由于一個(gè)影像對(duì)象可以覆蓋許多典型像素和它們的變量，故只需選擇很少的訓(xùn)練樣本。為各地物類選擇完訓(xùn)練樣本之后，可以自動(dòng)生成各類別的最優(yōu)特征表示，進(jìn)而可以自動(dòng)建立分類規(guī)則。該方法自動(dòng)化程度高，可以快速的為各類別建立分類規(guī)則，但不可以為各類建立類層次關(guān)系，分類精確度不是很高。

(2)通過查看和分析各類別的特征表現(xiàn)，建立分類層次并定義各類別的分類規(guī)則。

該方法的關(guān)鍵是根據(jù)各類別的特征信息和類別間的關(guān)系，建立分類層次(分類樹)，并為各類定義最優(yōu)的特征函數(shù)。如對(duì)一幅建立了4個(gè)影像對(duì)象層次網(wǎng)絡(luò)的影像，在高等級(jí)影像對(duì)象層中可以分為水體和非水體；在中高級(jí)影像對(duì)象層中，我們可以將水體分為河流和湖泊，將非水體分為綠地和非綠地；在中低級(jí)影像對(duì)象層中，可以將綠地分為林地和草地，將非綠地分為建筑物和裸地；在低級(jí)的影像對(duì)象層中，可以將林地分為稀樹林和密樹林。依此原則，對(duì)一幅影像，我們可以建立復(fù)雜的分類層次結(jié)構(gòu)。在分類層次中，葉子節(jié)點(diǎn)代表的類別為最終的分類類別。建立類別層次之后，就可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)為各類別建立特征函數(shù)，子類的特征函數(shù)會(huì)自動(dòng)繼承父類的特征函數(shù)，進(jìn)而建立各類別的分類規(guī)則。在分類層次中，從根節(jié)點(diǎn)開始，對(duì)每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，采用自上至下的方法，找出其相應(yīng)的特征函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，在不同的測(cè)試結(jié)果找到最優(yōu)的分類準(zhǔn)則，對(duì)新節(jié)點(diǎn)再重復(fù)上述操作，不斷循環(huán)，直至到達(dá)最后一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)。該方法需要有豐富的先驗(yàn)知識(shí)并通過多次試驗(yàn)以確定最優(yōu)的分類體系，自動(dòng)化程度不高，但分類精度高。我們擬針對(duì)市場(chǎng)上常用的遙感影像數(shù)據(jù)建立通用的分類體系，同時(shí)針對(duì)專題應(yīng)用建立專題應(yīng)用模型。

在分類算法庫(kù)中包含多種分類算法，如最鄰近分類法、模糊邏輯分類法等。

模糊邏輯分類是一種概率分類方法，同時(shí)又是一種利用專家系統(tǒng)的規(guī)則來進(jìn)行分類的強(qiáng)大的分類技術(shù)。它把任意的特征值轉(zhuǎn)化到0～1之間，表示屬于某個(gè)特殊類的隸屬度值。模糊分類可做到:①通過把特征值轉(zhuǎn)化為隸屬度值，使得特征規(guī)則化，并且允許特征的合并；②它提供了一個(gè)適應(yīng)的和可修改的特征描述；③通過邏輯操作和分等級(jí)的分類描述方法使得對(duì)于復(fù)雜特征的描述簡(jiǎn)單化。一般情況下，模糊分類系統(tǒng)一般有3個(gè)步驟組成；模糊化、建立模糊規(guī)則和去模糊。

利用選定分類算法，執(zhí)行分類操作，得到分類結(jié)果。

3.5 分類精度評(píng)價(jià)

分類精度評(píng)定包括目視查看和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)兩種方法。目視查看指將分類后各類別與原始影像進(jìn)行對(duì)比，以查看特征地物是否有明顯的誤分、漏分現(xiàn)象，該方法只能對(duì)明顯錯(cuò)誤作出判斷，不可對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行量化；數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法指用混淆矩陣、Kappa系數(shù)等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)分類精度進(jìn)行評(píng)定，也是當(dāng)前常用的精度評(píng)定方法。

混淆矩陣的定義如下:

式中，mij表示試驗(yàn)區(qū)內(nèi)應(yīng)屬于i類的像素被分到j(luò)類中去的像素總數(shù)，n為類別數(shù)?；煜仃囍袑?duì)角線上的元素?cái)?shù)值越大，則表示分類結(jié)果的可靠性越高；混淆矩陣中非對(duì)角線上的元素?cái)?shù)值越大，則表示錯(cuò)誤分類的現(xiàn)象越嚴(yán)重。

分類精度的主要指標(biāo)有生產(chǎn)精度、用戶精度、總體精度、漏分誤差、錯(cuò)分誤差和Kappa系數(shù)。

生產(chǎn)精度(PA):指某一類別的正確分類數(shù)占參考數(shù)據(jù)中該類別像元總數(shù)的比例。那么，相反錯(cuò)誤的分類數(shù)占參考數(shù)據(jù)中該類別的總數(shù)則為漏分誤差(OE)。

用戶精度(UA):指某一類別正確的分類數(shù)占分為該類像元總數(shù)的比例。同樣，錯(cuò)誤的分類數(shù)占分為該類像元的總數(shù)則為錯(cuò)分誤差(CE)。

總體精度(OA):指總正確分類數(shù)占總抽樣數(shù)的比例，它反映了分類結(jié)果總的正確程度。

由于總分類精度只利用了混淆矩陣對(duì)角線上的元素，而未利用整個(gè)混淆矩陣的信息，作為分類誤差的全面衡量尚欠不足，因此許多研究者提出了Kappa系數(shù)作為分類精度的一個(gè)指標(biāo)。Kappa系數(shù)可用下式來表示:

式中，n為分類矩陣的行列數(shù)，mij為混淆矩陣中第i行第j列的元素值，mi＋和m＋i分別表示分類混淆矩陣的行總和及列總和，N為總觀察值，也就是混淆矩陣中所有元素的和。由于Kappa系數(shù)全面地利用了混淆矩陣的信息，因此可作為分類精度的綜合指標(biāo)。

另外，針對(duì)某一特定地物類，還可以根據(jù)它的重合、漏分和誤分三部分設(shè)計(jì)其重合率、漏分率和誤分率3個(gè)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。假定A為某特定類的參考數(shù)據(jù)，B為該特定類的分類結(jié)果。則:

重合率:反映了該類別分類結(jié)果的正確率，計(jì)算公式為:

重合度越高，該類別的分類效果越好。

漏分率:該類別分類結(jié)果中漏分部分占參考數(shù)據(jù)的比重，計(jì)算公式為:

漏分率越高，該類別的分類效果越差。

誤分率:表示被誤分到該類別的部分占該類別對(duì)象分類結(jié)果中的比重，計(jì)算公式為:

誤分率越高，該類別的分類效果越差。

3.6 分類后處理

眾所周知，任何的自動(dòng)信息提取方法都不能保證每次的結(jié)果都完全正確，因此，人為參與下的快速半自動(dòng)提取技術(shù)是自動(dòng)信息提取的必要補(bǔ)充。分類后處理主要包括濾波技術(shù)和快速矢量編輯工具，將分類后過小的圖斑去除，將漏分和錯(cuò)分的地物類編輯到正確的地物類別中。

4 總結(jié)與討論

文中總結(jié)了面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)流程，并對(duì)其共性技術(shù):數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、影像多尺度分割、對(duì)象特征的選擇和組合、影像分類、分類精度評(píng)價(jià)、分類后處理進(jìn)行了概括說明，使人們對(duì)面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)有了深入的認(rèn)識(shí)。由于遙感影像信息提取的復(fù)雜性和特殊性，不同的影像在信息提取中對(duì)分割尺度，對(duì)象特征選取，分類規(guī)則和分類方法的具體要求不盡相同，這使人們?cè)诶妹嫦驅(qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行信息提取時(shí)，應(yīng)具備相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，并通過不斷實(shí)踐來獲取最佳的結(jié)果。

[1]明冬萍，駱劍承，沈占鋒等.高分辨率遙感影像信息提取與目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2005(3):18～20

[2]Willhauck，G.，Benz，U.C.，and Siegert，F(xiàn).，Semiautomatic classification procedures for fire monitoring using multitemporal SAR images and NOAA－AVHRR hotspot data，Proceedings of the 4th European Conference on Synthetic Aperture Radar，Cologne，Germany，2002，4～6

[3]Huang Huiping，Wu Bingfang，F(xiàn)an jinlong.Analysis to the RelationshiP of Classification Accuracy Segmentation Scale Image Resolution[C].IEEE Trans，IGARSS，2003，6:3671～3673

[4]Qian Yu，Peng Gong et al.object－based Detai1ed Vegetation Classification with Airborne High Spatial Resolution Remote sensing Imagery[J].Photogrammetric Engineering＆Remote sensing，2006，72(7):799～811

[5]周芳芳，樊曉平，葉榛，均值漂移算法的研究和應(yīng)用[J]，控制與決策，Vol.22 No.8，Aug 2007

[6]eCogonition Reference Book version 7.0

[7]eCogonition User Guide version 7.0

The Common Technologies of Object－based Information Extraction

Wei JinMing，Wu Chuang，Zhong WeiZheng
(JiNan Geotechnical Investigation and Surveying Institute，JiNan 250013，China)

The method of object－based information extraction has become a research hotspot for high－resolution remote sensing image.Many scholars make use of the method of remote sensing image classification and information extraction，and has good results.There has been no common technology for its system summary systematic summary.In the paper，the common process and technologies of object－based information extraction is summed up and common technologies，such as image segmentation，feature definition and selection，image classification are introduced.

object－based；information extraction；high－resolution；image segmentation；image classification

1672－8262(2010)05－100－04

TD353.6，P23

A

2009—12—16

魏金明(1982—)，男，助理工程師，從事遙感圖像處理與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)研究。