一種基于決策樹的SPOT-5影像分類方法

朱宏波

(西北電力設計院，陜西 西安 710032)

1 概述

在架空輸電線路的前期規劃選線，遙感地質解譯等方面，衛星影像因具有多傳感器、高分辨率和多時相特征等優勢，成為了線路初設選線階段非常重要的基礎信息資料。一條線路的路徑優化直接關系著工程項目的總體投資，是控制工程造價最行之有效的重要環節。

SPOT-5衛星是法國空間局SPOT衛星系列中的最后一顆，其獲取的影像較好地兼有高分辨率和大面積的技術優勢，已被國土資源部列為較大比例尺土地利用調查、土地利用信息系統數據更新的主要衛星遙感影像。如何基于SPOT-5影像對地物進行解譯，對地物進行準確的分類，從而輔助架空輸電線路的規劃選線，具有較為重要的研究意義。

決策樹是一種利用逐層邏輯判別的方式，使人的知識及判別思維能力與圖象處理有機結合起來圖象分析處理方法，由于其具有明確、結構直觀等等諸多優點，近年來在遙感圖像分類領域有較多應用。本文針對江蘇省某地區的SPOT-5影像，分析其影像中水體、居民地、裸土、農田等主要地物的光譜特征及紋理特征，采用決策樹方法進行了地物分類的研究及實驗，得到了較好的分類結果。

2 決策樹分類

2.1 主要地物光譜特征

為分析影像中主要地物的光譜特性，首先選擇了多個水體、農田、居民地(及道路)、裸地樣本。經過對樣本區的分析，最終得出上述地物在4個波段反射率的最小值、最大值、均值和均方差，見表1。

表1 多種地物四個波段反射率統計

由于該地區水體較為特殊，因水源中具有不同的懸浮物質，故而具有兩種不同的光譜特征(表中體現為水體1，水體2)。

2.2 光譜特征分析

分析上表中的各個地物光譜特征，可以發現，通過像元均值的比較，在第一波段：水體1(36.28)<水體2(73.8)<居民地及道路(111.28)<裸地(121.3)<農田(145.7)，第二波段：水體2(49.24)<水體1(54.2)<農田(71.2)<居民地及道路(92.51)<裸地(99.13)，第三波段：水體2(62.68)<水體1(72.76)<農田(79.61)<居民地及道路(92.37)<裸地(94.10)，第四波段：水體1(35.2)<水體2(70.64)<農田(127.16)<居民地及道路(134.28)<裸地(158.93)。各個地物在4個波段采樣點均值曲線如圖1所示。

圖1 多種地物4個波段采樣點均值曲線

對于水體1，分析各波段光譜特征，可發現其由一個明顯的特征，即Band1Band4，故可依據此特征進行水體1的分類。對于水體2，則不滿足上述特征，但分析其第一、四波段的反射率，與其他地物的反射率有較大的區別，因而可考慮從這兩個波段進行對水體2的分類。經過多次實驗，決定采用Band4<90作為分類規則。對于農田，分析多個采樣點數據，可發現其普遍具有Band1反射率大于Band4這一特點，這區別于其他地物，可依此進行分類。

綜上，水體、農田這兩類地物均可根據其光譜特征依據上述規則分類。但是，由圖1可明顯地看出裸土和居民地這兩類地物的反射率在四個波段都較為接近，僅僅根據光譜特征不能進行很好地區分。

2.3 主要地物紋理特征分析

事實上，由于地物的光譜反射中存在的同物異譜和異物同譜現象，故而針對反射特性相似的幾類地物，僅憑借其光譜特征是不足以將其一一進行分類的。這時，可考慮引入其他特征輔助分類。常見的有紋理特征、地形特征、高程特征、形狀特征、時相差異特征等等。依據影像實際情況，本文考慮采用通過紋理信息進行裸土和居民地這兩類地物的區分。

紋理是指保持一定的特征重復性并且間隔規律可以任意安排的空間結構，它具有三大特征，即：某種局部序列性不斷重復、非隨機排列和紋理區域內大致為均勻的統一體。遙感影像中居民地和道路的自身空間幾何結構較為明顯，其紋理特征較裸地突出，故可據此作為該兩類地物的分類依據。

ERDAS中的紋理分析(Texture Analysis)通過在一定的窗口內進行二次變異分析或三次非對稱分析，使得圖像的紋理結構得到增強。本文首先對原始影像進行紋理分析，再選取多個居民地及裸土的采樣點，考察其紋理特征，得到結果見表2。

表2 裸地、居民地及道路反射率統計

由表2即可清楚看出，裸地和居民地這兩類地物在增強了紋理結構特征之后，于第一波段就有明顯差異，經多次實驗之后，確定7.4為閾值，進行兩類地物的分割。

3 實驗結果

本文利用決策樹方法采用上述規則對江蘇某地區的SPOT-5影像進行了分類，結果如下：

圖2 原始影像

圖3 決策樹方法分類結果

圖2為該地區的SPOT-5原始影像，圖3為采用決策樹方法對圖2進行分類的結果。采用的分類規則如下：水體1：Band1Band4；水體2：Band4<90；農田：Band1>Band4；裸土：Band1

圖4 監督分類方法分類結果

圖5 決策樹方法分類結果

⑶ 高海拔地區線路工程，坐標系統的確定是首要的一步工作，而坐標系統的確定最關鍵的問題是邊長投影改正量的控制。本文介紹的建立坐標系的方法換算簡便，轉換后的新坐標與原國家坐標系的坐標十分接近，有利于與送電線路配套工程的銜接，對高海拔地區線路工程有很好的借鑒意義。線路工程應用的坐標系的選擇應引起足夠的重視，否則會給以后的勘測設計與施工放樣帶來很大的困難。

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