基于ISODATA算法的土地利用狀況調(diào)查

錢成越

利用遙感影像對(duì)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,本文從統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的角度出發(fā),將多波段遙感影像像元的各波段分量值作為待分類樣本,利用ISODATA算法進(jìn)行迭代動(dòng)態(tài)聚類。多波段影像豐富的波譜信息,從多個(gè)角度反映了圖像中的物體特征。同時(shí)ISODATA算法屬于一種動(dòng)態(tài)聚類算法,可在迭代過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,在保證分類精度的同時(shí)具有良好的適應(yīng)性與靈活性,適合運(yùn)用于復(fù)雜的遙感圖像自動(dòng)分類處理。

1 ISODATA算法原理

ISODATA是一種遙感圖像非監(jiān)督分類法,全稱“迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)”(Iterative Self-Organizing Data Analysis Technique)[1]。ISODATA算法運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究和處理所給定對(duì)象的分類,認(rèn)為同類事物在屬性空間上具有緊致集的特點(diǎn)。以隨機(jī)樣本或指定樣本作為初始的聚類中心,將其作為“種子”,依據(jù)最小光譜距離方程進(jìn)行自動(dòng)迭代聚類。在兩次迭代之間對(duì)上一次迭代的聚類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)已有類別進(jìn)行取消、分裂、合并處理,并繼續(xù)進(jìn)行下一次迭代,直至超過(guò)最大迭代次數(shù)或者滿足分類參數(shù),完成分類過(guò)程。

2 ISODATA算法設(shè)計(jì)

2.1 ISODATA算法主要參數(shù)[2]

ISODATA算法加入了人機(jī)對(duì)話環(huán)節(jié),可在迭代過(guò)程中調(diào)整參數(shù),從而動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的控制聚類結(jié)果。其主要參數(shù)如下：K,預(yù)期的聚類中心數(shù);θN,一個(gè)類別應(yīng)具有的最少樣本數(shù)目,如小于此值就不作為一個(gè)獨(dú)立的聚類;θS,一個(gè)類別樣本標(biāo)準(zhǔn)差閾值;θC,聚類中心之間距離的閾值,即歸并系數(shù),如小于此值則將兩類樣本合并;L,每次迭代中可以歸并類數(shù)的最多對(duì)數(shù);I,允許迭代的最多次數(shù)。在類別的分裂過(guò)程中,引入一新的參數(shù)m,用于控制分裂時(shí)每一個(gè)新聚類中心獲得的標(biāo)準(zhǔn)差權(quán)重,稱為分裂系數(shù)。可通過(guò)人工設(shè)定,也可采用迭代過(guò)程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果由系統(tǒng)默認(rèn)。

2.2 ISODATA算法步驟

1)對(duì)于N個(gè)模式樣本的集合,確定C個(gè)初始聚類中心Z1,Z2,…,ZC,其中,C不一定等于K。這些聚類中心可為模式集合中的任意樣本。設(shè)定聚類分析的控制參數(shù),即上述的6個(gè)參數(shù)指標(biāo),已將N個(gè)模式樣本按指標(biāo)分配到各個(gè)聚類中心。2)計(jì)算各類中諸樣本的距離指標(biāo)函數(shù),按照最小光譜距離方程進(jìn)行各樣本的分類。3)按給定的要求,將前一次獲得的聚類集進(jìn)行分裂和合并處理。類分裂：同一類中樣本的分布過(guò)于密集或者類的數(shù)目太少,這說(shuō)明空間上存在著更多的集群中心,因此需要進(jìn)行該類的分裂處理,可以通過(guò)設(shè)置類內(nèi)各樣本分布標(biāo)準(zhǔn)差上限來(lái)實(shí)現(xiàn)分裂操作。類合并：兩類樣本類間距離過(guò)小,說(shuō)明兩類樣本相關(guān)性較強(qiáng),因此需要進(jìn)行合并處理,可以通過(guò)設(shè)置類間距離下限來(lái)實(shí)現(xiàn)合并操作。通過(guò)上述操作獲得新的聚類中心。4)重新進(jìn)行迭代運(yùn)算,計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo),判斷聚類結(jié)果是否符合要求。經(jīng)過(guò)多次迭代后,若結(jié)果收斂,或達(dá)到最大迭代次數(shù),則運(yùn)算結(jié)束。

3 實(shí)現(xiàn)方法與過(guò)程

算法流程圖見(jiàn)圖1。

4 應(yīng)用與分析

4.1 土地調(diào)查結(jié)果

對(duì)24位BM P格式的TM影像進(jìn)行處理。

通過(guò)分類前后影像的對(duì)比,TM影像分類效果較好,房屋、道路、綠地、土壤均較為清晰地識(shí)別。分類后影像右上部分屋頂由于材質(zhì)與道路相同,均為混凝土,導(dǎo)致錯(cuò)分。

采用ERDAS IMAGING軟件Accuracy Assessment對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定,如表1所示。

表1 分類結(jié)果精度評(píng)定表

從數(shù)據(jù)可以看出,影像的分類效果精度較為理想,可以滿足一定要求的土地調(diào)查工作或完成數(shù)據(jù)的初始處理。

4.2 改進(jìn)方法

為提高分類的精度,可從圖像預(yù)處理和結(jié)合其他算法兩方面進(jìn)行改進(jìn),從而較好的滿足土地調(diào)查工作的要求。

預(yù)處理的主要目的是要消除對(duì)動(dòng)態(tài)聚類影響較大的噪聲。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中,若待分類影像受噪聲污染嚴(yán)重,則會(huì)造成分割過(guò)度或者誤分割。因此,在影像展好之前先進(jìn)行濾波,消除圖像中的椒鹽噪聲和白噪聲,特別是椒鹽噪聲,盡量減少噪聲對(duì)分類的影響。濾波的方法很多,如中值濾波、均值濾波等。

ISODATA算法實(shí)際上只考慮到同類像元在光譜特征上的高度相似性,對(duì)類內(nèi)像元相似度很高、類間差異較大的圖像具有較好的效果。然而未能充分利用同類像元在空間上的相關(guān)性,因而在地物類別信息復(fù)雜的情況下效果不理想。為此,可配合使用其他算法。如使用梯度算子設(shè)定初始聚類中心[3],利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[4]尋找類別邊界。應(yīng)充分發(fā)掘影像中所蘊(yùn)含的空間與光譜信息,將二者結(jié)合使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的角度出發(fā),分析了ISODATA算法的原理,將其運(yùn)用于遙感影像的土地利用狀況調(diào)查,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)于類別差異明顯的遙感影像,ISODATA可滿足需求;若需處理復(fù)雜的任務(wù),仍需進(jìn)一步加強(qiáng)改進(jìn)。

[1]舒 寧,馬洪超,孫和利.模式識(shí)別的理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2004：69-70.

[2]何 霽,滕奇志,羅代升,等.一種改進(jìn)的 ISODATA算法及在彩色熒光圖像中的應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,44(3)：563-565.

[3]賈永紅.數(shù)字圖像處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2003：134-136.

[4]王 玲,龔健雅.一種基于自適應(yīng)諧振理論的TM遙感影像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器[J].測(cè)繪科學(xué),2003,28(3)：39-42.