基于遙感影像變化檢測技術的地形圖更新

趙 敏，陳衛平，王海燕

（國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西西安710054）

一、引 言

近年來，國家、各省基礎地理信息數據庫相繼建成，如何保證并提高基礎地理信息數據的現勢性，以滿足社會經濟建設快速發展對基礎地理信息數據的需求，成為一個亟待解決的問題。因此，國家測繪地理信息局在“十一五”期間對國家1∶50 000基礎地理信息數據庫進行了全面更新，各省也根據區域經濟發展情況和建設需求，對省級基礎地理信息數據庫進行了全面更新。如何充分利用已有的遙感影像資料對基礎地理信息數據進行快速更新，特別是對重大工程項目和重點地物進行重點更新，以取得較好的社會和經濟效益，較多學者和生產單位對此進行了有益的探索。筆者在總結現有地形圖更新方案的基礎上，提出基于影像變化檢測技術的地形圖更新思路，并進行了一定區域的更新采集試驗。

二、現有的地形圖更新方案

目前，國內較多省份已經開始了省級基礎地理信息數據的更新。大部分省份采取以下方案進行更新:在有舊版矢量要素數據(DLG)的區域，基于數字正射影像圖(DOM)采用綜合判調法進行DLG數據更新生產，即利用現勢性較好、分辨率高的DOM數據，參考數字柵格地圖(DRG)、最新勘界成果，以及地名、水利、電力、通信、交通等專業資料，對數據進行整合，采用人工室內判繪結合野外調繪與核查的技術手段，實現基礎地理信息數據的快速更新。

其次，有部分省份采用立體更新方式，即利用全數字攝影測量軟件，將航片按像對恢復立體模型，將上一代DLG數據導入，參考土地詳查資料、民政部門的勘界資料和地名資料、交通資料等，在立體模型下，進行地物的更新，并將內業更新后的數據生成調繪片，外業調繪核查后，再返回內業修改編輯，從而實現數據的更新。

另外，還有個別省份本著滿足用戶需要與縮短更新周期的原則，對縣級以上城區及變化較大地區全面更新，其余地區重點修測，更新時充分利用已有資料，如1∶50 000地形要素數據、上一代地形圖和調繪片、民政勘界資料、交通資料、土地利用現狀調查資料等。

以上提到的各省份更新方案基本上都是采用DOM影像或立體像對，通過人工比對的方式，將有變化的地物進行更新采集。人工比對發現變化的方式，適用于全面、細致的更新，但更新周期較長，要耗費大量的人力、物力及財力，無法達到快速更新的目的。

三、基于遙感影像變化檢測技術的地形圖更新思路

隨著遙感影像處理技術的發展，其處理方法及內容越來越多。利用遙感影像獲取變化信息方面取得了許多成果，遙感影像變化檢測的應用領域也越來越廣泛，如土地資源調查、地表變化動態檢測、災害檢測、城市規劃等許多行業。由于遙感影像獲取周期短、覆蓋面積廣、波段多、色彩豐富，更適宜對地表變化動態檢測。將遙感影像變化檢測技術運用到地形圖更新中可以保證其現勢性。

根據變化檢測技術更新地形圖的思路是:首先，利用已有矢量數據和與矢量數據同時期的影像數據、后時相影像，利用遙感影像處理和分析軟件，進行影像分割、分類、影像變化檢測，并將變化檢測結果文件導出;其次，根據變化檢測結果文件，對變化情況進行總體分析，確定需更新的區域和更新方法，對大面積居民地、水域及地貌變化較大區域，基于立體影像對矢量數據進行更新采集，其他一般變化區域，利用DOM數據進行地物的更新采集;再次，根據確定的更新方法，進行更新，采用立體像對進行更新采集時，在全數字攝影測量軟件中，根據加密成果，創建或恢復相應的立體像對，將待更新矢量數據進行三維處理，將待更新矢量數據、變化檢測結果導入全數字攝影測量軟件中，使用變化檢測結果快速定位變化區域，根據立體影像對發生變化的地物、地貌進行更新，并協調與未更新地物、地貌之間的關系;最后，利用DOM數據進行更新采集時，在矢量編輯軟件中，將待更新矢量數據、變化檢測結果導入，使用變化檢測結果快速定位變化區域，基于DOM影像，對發生變化的地物進行更新，并協調與未更新地物之間的關系。

另外，由于地形圖更新不僅是對要素位置進行更新，而且還需要對相應要素的屬性進行更新，如道路的技術等級、道路編號、名稱等屬性。因此，還需要收集相關專業資料，對各要素的屬性進行核查、調繪。

根據外業核查調繪結果，內業再進行要素編輯、屬性錄入等工作，最終形成DLG更新成果。技術路線如圖1所示。

圖1 基于影像變化檢測技術的地形圖更新技術路線

四、基于影像變化檢測技術的地形圖更新采集試驗

1.變化檢測試驗區域

本文選定了西安市東部某區域作為試驗區，進行了基于影像變化檢測技術的更新試驗。該試驗區面積約為38 km2，地形類別為平地，試驗采用的影像數據為2004年3月SPOT 5 2.5 m分辨率融合影像、2006年12月“資源二號”3 m分辨率融合影像，待更新的地形圖為2004年生產的矢量數據。

2.影像變化檢測

目前，許多遙感影像處理軟件均提供了變化檢測功能，但一般情況下，只能提供變化區域。易康(eCognition)軟件作為一款遙感影像分析軟件，變化檢測是在對前后時相影像分別進行獨立分類后進行的。因此，其變化檢測結果不僅能夠提供變化區域，而且能夠提供變化屬性信息，以進行變化信息的統計分析。

在eCognition軟件中，對于前時相影像，將待更新矢量數據中的居民地、道路、水系等要素參與到影像分割過程中，然后根據待更新矢量數據的地物編碼屬性，直接進行影像自動分類;對于后時相影像，使用多尺度分割算法，試驗出合適的分割參數，進行影像分割，然后采用最鄰近分類法或模糊函數分類法進行自動、半自動分類。由于分類結果是變化檢測的基礎，因此要對分類結果進行檢查，剔除噪聲數據并改正錯誤的分類，以保證分類結果的正確性。

前、后時相影像分類完成后，需根據分類結果進行變化檢測，然后將變化檢測結果導出為SHP格式文件。導出時，可以將變化檢測類結果作為屬性字段一起導出，以用于變化區域的統計分析。

本次試驗將2004年3月SPOT 5影像作為前時相影像、2006年12月“資源二號”影像作為后時相影像進行變化檢測。變化檢測結果如圖2所示。

3.變化檢測結果分析

圖2變化檢測結果表明，該區域主要變化為新增幾條道路、雙線河水涯線位置變化、新增較大面積的居民地等。

主要地物的變化檢測結果與實際核查變化統計見表1。

表1 主要地物的變化檢測結果與實際核查變化統計表

4.地形圖更新采集

根據以上變化檢測結果的分析，可利用DOM數據進行地物的更新。在矢量編輯軟件中，利用2006年12月“資源二號”影像對矢量數據中的居民地、道路、水系要素進行更新采集。由于該區域為平地，其植被均為旱地，因此未進行植被要素的更新采集。更新前、后矢量數據分別如圖3、圖4所示。

圖2 影像變化檢測結果

圖3 更新前矢量數據

圖4 更新后矢量數據

試驗結果表明:

1)使用2.5～3 m分辨率遙感影像進行變化檢測，然后根據變化檢測結果利用高分辨率遙感影像進行1∶10 000地形圖更新，在技術上可行，其更新結果能夠基本滿足要求。

2)對于大面積居民地、水域的變化，使用遙感影像變化檢測技術能較為準確地檢測出其變化;對于較寬的道路，使用eCognition軟件進行變化檢測的結果較為理想，變化檢測結果與人工核查結果一致。

3)基于變化檢測技術進行數據更新的程度取決于影像變化檢測的精度，而影像變化檢測的精度依賴于前后時相影像分類的正確性。因此，影像分類的正確性在整個過程中起著至關重要的作用，對分類結果應進行檢查，以保證最終結果的可靠性。

五、結束語

通過以上試驗可以看出，采用遙感影像變化檢測技術對待更新區域進行變化檢測，并根據變化檢測結果確定更新方法，然后再進行地形圖更新的方案是可行的。

與常規通過人工比對方式進行無針對性的全面更新相對比，基于遙感影像變化檢測技術的更新較適宜作有目的的重點更新，即對影像變化檢測結果進行分析，以確定更新方式及更新內容，再利用有關軟件進行相應要素的更新采集。這種更新方法可以避免人工逐屏比對產生的遺漏，在一定程度上保證了更新采集的完整性、正確性。另外，對影像進行自動、半自動變化檢測，根據變化檢測結果直接進行更新采集，節省了人工比對發現變化的時間，提高了更新效率，可實現地形圖的動態更新。

［1］ 中國國家標準化管理委員會.GB/T 14268—2008國家基本比例尺地形圖更新規范［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［2］ 浙江省測繪與地理信息局.CH/T 9006—2010 1∶5 000 1∶10 000基礎地理信息數字產品更新規范［S］.北京:測繪出版社，2010.

［3］ 萬幼川，宋楊.基于高分辨率遙感影像分類的地圖更新方法［J］.武漢大學學報:信息科學版，2005，30(2):105-109.

［4］ 申邵洪，賴祖龍，萬幼川.基于融合的高分辨率遙感影像變化檢測［J］.測繪通報，2009(3):16-19，23.

［5］ 姜濤，馬國銳，秦前清.基于遙感影像的變化檢測技術［J］.計算機應用研究，2005，22(2):255-257.