地理國情監(jiān)測中遙感與GIS技術(shù)應(yīng)用研究

閆從政

摘? 要：該文提出了一種變化檢測方法，該方法將高分辨率遙感影像與矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合，用于地理和國情監(jiān)測。首先，分析了遙感圖像與矢量數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的不一致。通過應(yīng)用矢量數(shù)據(jù)來輔助分割，提出了一種獲得更均勻圖像斑塊的方法。此外，該文提出了一種基于歷史矢量和雙時(shí)相遙感影像的變化檢測方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了其可行性。

關(guān)鍵詞：矢量數(shù)據(jù)? 像斑? 變化檢測? 多尺度分割

中圖分類號：P237? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）09（b）-0041-03

Application Research of Remote Sensing and GIS Technology in National Geographic Monitoring

YAN Congzheng

（Guizhou First Institute of Surveying and Mapping， Guiyang， Guizhou Province， 550000? China）

Abstract： This paper presents a change detection method， which combines high-resolution remote sensing images with vector data for geographic and national conditions monitoring. Firstly， the inconsistency between the fitting results of remote sensing image and vector data is analyzed. By using vector data to assist segmentation， a method to obtain more uniform image patches is proposed. In addition， this paper proposes a change detection method based on historical vector and dual temporal remote sensing images， and proves its feasibility through experiments.

Key Words： Vector data; Image speckle; Change detection; Multi-scale segmentation

地理國情監(jiān)測是基于普查數(shù)據(jù)的結(jié)果，對自然和人文地理要素的空間分布、特征和相互關(guān)系進(jìn)行定量和空間監(jiān)測，從而獲得有關(guān)土地覆蓋和國情變化的信息。近年來，基于高分辨率遙感影像和數(shù)字表面模型（DSM）的地表覆蓋信息提取和變化檢測已得到廣泛應(yīng)用，地理和國家因素的變化檢測已逐漸成為研究熱點(diǎn)，并取得了一定的理論意義和結(jié)果。

1? 同質(zhì)像斑獲取

1.1 遙感影像與矢量數(shù)據(jù)套合不一致性

在理想的情況下，通過配準(zhǔn)套合獲取的遙感影像各像斑，其內(nèi)部像素應(yīng)保持灰度同質(zhì)性;同時(shí)，屬于同一類別的像斑應(yīng)該保持類內(nèi)光譜一致性，不同類別的像斑應(yīng)具有類間光譜的相異性。

這也是影像分割的目的和后續(xù)基于像斑進(jìn)行影像分析的基礎(chǔ)。然而，由于土地利用和土地覆蓋的不同，使得這種理想情況在實(shí)際的應(yīng)用中很難出現(xiàn)。因此，由于數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)格式、生成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等多方面的不同，以及數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用時(shí)的方法及其誤差等的存在，使得遙感影像與矢量數(shù)據(jù)套合結(jié)果存在上述不一致性。該文對遙感影像與矢量數(shù)據(jù)套合不一致性問題展開初步探討，采用多尺度分割算法獲取同質(zhì)像斑。

1.2 基于多尺度分割獲取同質(zhì)像斑

為獲取同質(zhì)像斑，該文綜合利用GIS輔助數(shù)據(jù)分割和多尺度分割方法。首先，利用矢量輔助數(shù)據(jù)與遙感影像套合獲取像斑。其次，對套合獲取的像斑進(jìn)行再分割，生成子像斑，從而保證各像斑內(nèi)的光譜同質(zhì)性。技術(shù)流程見圖1。

具體步驟如下。

（1）通過矢量數(shù)據(jù)和兩個(gè)時(shí)期遙感影像分別配準(zhǔn)套合，僅利用矢量數(shù)據(jù)的圖斑邊界信息獲取影像像斑，分別視為T1期像斑和T2期像斑。同時(shí)，根據(jù)矢量數(shù)據(jù)屬性信息中的類別信息，獲取像斑類別。

（2）設(shè)定一定的尺度參數(shù)，以T1、T2時(shí)期影像的響應(yīng)光譜特征為依據(jù)，分別對T1、T2期像斑進(jìn)行再分割，再分割后的像斑繼承上一級像斑的類別信息。

（3）對步驟2中獲得的像斑，根據(jù)類別的不同分別設(shè)置相應(yīng)的尺度參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分割，使得各類別像斑同質(zhì)性均增強(qiáng)后，停止分割，將獲取的子像斑視為T1、T2期子像斑。

（4）將步驟3獲得的T1時(shí)期子像斑和T2時(shí)期子像斑進(jìn)行疊置分割，使得前后兩個(gè)時(shí)期像斑一一對應(yīng)。

因此，該方法是建立在多尺度分割的基礎(chǔ)上，與已有的方法不同，該方法充分考慮了矢量數(shù)據(jù)的屬性信息、影像的光譜信息以及上下文信息。

2? 變化檢測

基于歷史矢量與雙時(shí)相遙感影像的變化檢測方法，主要分為以下幾個(gè)步驟：（1）像斑的獲取及其特征提取。在前文中已做了詳細(xì)闡述。在獲得同質(zhì)像斑的基礎(chǔ)上，提取光譜、紋理、形狀等特征，構(gòu)建像斑特征空間，并對特征空間進(jìn)行優(yōu)化。像斑特征由組成像斑的內(nèi)部像素灰度值通過一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算獲取。

（2）變化像斑獲取方法。主要采用分類后處理的方法。針對分類后處理方法，T1期影像根據(jù)T1期矢量數(shù)據(jù)的屬性信息，獲取像斑類別，對像斑進(jìn)行分類。T2期影像可采用基于像斑的最鄰近分類算法，對T2期 影像的像斑進(jìn)行分類。

獲取兩個(gè)時(shí)期像斑分類結(jié)果后，通過疊置分析，對兩個(gè)時(shí)期影像的像斑進(jìn)行變化檢測。該方法在決定是否發(fā)生變化的同時(shí)，也獲得了像斑的變化類別。

獲取變化檢測結(jié)果后，可以根據(jù)再分割過程中形成的像斑與子像斑之間的繼承關(guān)系，將已經(jīng)獲取的變化檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換到矢量圖斑上去，以此評價(jià)變化檢測結(jié)果，并估計(jì)應(yīng)用此變化檢測結(jié)果更新現(xiàn)有矢量數(shù)據(jù)的能力。

3? 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

該文采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為某地區(qū)2016年5月和2018年5月的快鳥衛(wèi)星影像（藍(lán)、綠、紅、近紅外波段，以及全色波段），以及相同區(qū)域2016年5月矢量圖。實(shí)驗(yàn)區(qū)大小為1001像元×1003像元，矢量圖斑總數(shù)118個(gè)。

3.1 獲取同質(zhì)像斑

首先，分別將兩個(gè)時(shí)期遙感影像與矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)套合獲取像斑，并獲取像斑類別。其次，以光譜特征和形狀特征為依據(jù)，對T1、T2時(shí)期影像分別進(jìn)行多尺度分割，具體參數(shù)：尺度參數(shù)為250，形狀指數(shù)為0.7，緊致度為0.5。此時(shí)獲得的分割結(jié)果出現(xiàn)了植被過分割和非植被分割尺度不夠的現(xiàn)象，因此需要根據(jù)類別的不同分別設(shè)置相應(yīng)的尺度參數(shù)。植被類別的分割尺度參數(shù)為：尺度參數(shù)為300，形狀指數(shù)為0.6，緊致度為0.5，對植被類別像斑進(jìn)行合并;非植被類別的分割尺度參數(shù)為：尺度參數(shù)為200，形狀指數(shù)為0.8，緊致度為0.5，對非植被類別的像斑進(jìn)行再分割。從而使得各類別像斑同質(zhì)性均增強(qiáng)，停止分割。最后，將兩期影像分割結(jié)果疊置分割，從而獲取一一對應(yīng)的影像像斑。 由數(shù)據(jù)可知，共獲得385個(gè)子像斑，從目視效果來看，絕大多數(shù)的像斑同質(zhì)性較強(qiáng)，有利于后續(xù)的變化檢測分析。

3.2 變化檢測

采用基于類間距離和窮舉法的特征選擇方法，對初始化特征空間進(jìn)行優(yōu)化，選取最佳特征組合。根據(jù)矢量數(shù)據(jù)中的屬性信息，對2016年影像像斑進(jìn)行分類。同時(shí)，利用基于像斑的最鄰近分類算法，以最小距離為測度對2018年影像像斑進(jìn)行分類。

獲取兩個(gè)時(shí)期像斑的分類結(jié)果后，通過疊置分析，對兩個(gè)時(shí)期影像對應(yīng)像斑的類別進(jìn)行變化檢測，如圖2所示。變化檢測結(jié)果如表1所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，80%發(fā)生變化的像斑，通過上述方法均能夠被成功檢測出來，證實(shí)了該方法的有效性和可行性。最后，將基于像斑的變化檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換到矢量圖斑上去。如果矢量圖斑范圍內(nèi)有像斑發(fā)生變化，則認(rèn)為該圖斑發(fā)生變化，從而可以對歷史矢量圖進(jìn)行更新。

4? 結(jié)語

該文針對遙感影像與矢量數(shù)據(jù)套合不一致性問題，提出了一種多尺度分割算法來獲取同質(zhì)像斑，并在此基礎(chǔ)上利用歷史矢量與雙時(shí)相遙感影像的變化檢測方法進(jìn)行變化檢測。矢量數(shù)據(jù)信息的引入促進(jìn)遙感影像分割、分類分析基本模式的變化，它使遙感影像分析從一種純粹認(rèn)識的過程轉(zhuǎn)化為一種具有先驗(yàn)知識的再認(rèn)識過程，使本是“理解”的影像分析變?yōu)榱艘环N通過影像進(jìn)行的“鑒別”“比較”的過程。

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