一種基于決策樹(shù)的SPOT-5影像分類方法

朱宏波

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710032)

1 概述

在架空輸電線路的前期規(guī)劃選線，遙感地質(zhì)解譯等方面，衛(wèi)星影像因具有多傳感器、高分辨率和多時(shí)相特征等優(yōu)勢(shì)，成為了線路初設(shè)選線階段非常重要的基礎(chǔ)信息資料。一條線路的路徑優(yōu)化直接關(guān)系著工程項(xiàng)目的總體投資，是控制工程造價(jià)最行之有效的重要環(huán)節(jié)。

SPOT-5衛(wèi)星是法國(guó)空間局SPOT衛(wèi)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(shù)優(yōu)勢(shì)，已被國(guó)土資源部列為較大比例尺土地利用調(diào)查、土地利用信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新的主要衛(wèi)星遙感影像。如何基于SPOT-5影像對(duì)地物進(jìn)行解譯，對(duì)地物進(jìn)行準(zhǔn)確的分類，從而輔助架空輸電線路的規(guī)劃選線，具有較為重要的研究意義。

決策樹(shù)是一種利用逐層邏輯判別的方式，使人的知識(shí)及判別思維能力與圖象處理有機(jī)結(jié)合起來(lái)圖象分析處理方法，由于其具有明確、結(jié)構(gòu)直觀等等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在遙感圖像分類領(lǐng)域有較多應(yīng)用。本文針對(duì)江蘇省某地區(qū)的SPOT-5影像，分析其影像中水體、居民地、裸土、農(nóng)田等主要地物的光譜特征及紋理特征，采用決策樹(shù)方法進(jìn)行了地物分類的研究及實(shí)驗(yàn)，得到了較好的分類結(jié)果。

2 決策樹(shù)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(gè)水體、農(nóng)田、居民地(及道路)、裸地樣本。經(jīng)過(guò)對(duì)樣本區(qū)的分析，最終得出上述地物在4個(gè)波段反射率的最小值、最大值、均值和均方差，見(jiàn)表1。

表1 多種地物四個(gè)波段反射率統(tǒng)計(jì)

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

2.2 光譜特征分析

分析上表中的各個(gè)地物光譜特征，可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(nóng)田(145.7)，第二波段：水體2(49.24)<水體1(54.2)<農(nóng)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(nóng)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(nóng)田(127.16)<居民地及道路(134.28)<裸地(158.93)。各個(gè)地物在4個(gè)波段采樣點(diǎn)均值曲線如圖1所示。

圖1 多種地物4個(gè)波段采樣點(diǎn)均值曲線

對(duì)于水體1，分析各波段光譜特征，可發(fā)現(xiàn)其由一個(gè)明顯的特征，即Band1Band4，故可依據(jù)此特征進(jìn)行水體1的分類。對(duì)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(qū)別，因而可考慮從這兩個(gè)波段進(jìn)行對(duì)水體2的分類。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，決定采用Band4<90作為分類規(guī)則。對(duì)于農(nóng)田，分析多個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)其普遍具有Band1反射率大于Band4這一特點(diǎn)，這區(qū)別于其他地物，可依此進(jìn)行分類。

綜上，水體、農(nóng)田這兩類地物均可根據(jù)其光譜特征依據(jù)上述規(guī)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(gè)波段都較為接近，僅僅根據(jù)光譜特征不能進(jìn)行很好地區(qū)分。

2.3 主要地物紋理特征分析

事實(shí)上，由于地物的光譜反射中存在的同物異譜和異物同譜現(xiàn)象，故而針對(duì)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(jìn)行分類的。這時(shí)，可考慮引入其他特征輔助分類。常見(jiàn)的有紋理特征、地形特征、高程特征、形狀特征、時(shí)相差異特征等等。依據(jù)影像實(shí)際情況，本文考慮采用通過(guò)紋理信息進(jìn)行裸土和居民地這兩類地物的區(qū)分。

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

ERDAS中的紋理分析(Texture Analysis)通過(guò)在一定的窗口內(nèi)進(jìn)行二次變異分析或三次非對(duì)稱分析，使得圖像的紋理結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)。本文首先對(duì)原始影像進(jìn)行紋理分析，再選取多個(gè)居民地及裸土的采樣點(diǎn)，考察其紋理特征，得到結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 裸地、居民地及道路反射率統(tǒng)計(jì)

由表2即可清楚看出，裸地和居民地這兩類地物在增強(qiáng)了紋理結(jié)構(gòu)特征之后，于第一波段就有明顯差異，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)之后，確定7.4為閾值，進(jìn)行兩類地物的分割。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文利用決策樹(shù)方法采用上述規(guī)則對(duì)江蘇某地區(qū)的SPOT-5影像進(jìn)行了分類，結(jié)果如下：

圖2 原始影像

圖3 決策樹(shù)方法分類結(jié)果

圖2為該地區(qū)的SPOT-5原始影像，圖3為采用決策樹(shù)方法對(duì)圖2進(jìn)行分類的結(jié)果。采用的分類規(guī)則如下：水體1：Band1Band4；水體2：Band4<90；農(nóng)田：Band1>Band4；裸土：Band1

圖4 監(jiān)督分類方法分類結(jié)果

圖5 決策樹(shù)方法分類結(jié)果

⑶ 高海拔地區(qū)線路工程，坐標(biāo)系統(tǒng)的確定是首要的一步工作，而坐標(biāo)系統(tǒng)的確定最關(guān)鍵的問(wèn)題是邊長(zhǎng)投影改正量的控制。本文介紹的建立坐標(biāo)系的方法換算簡(jiǎn)便，轉(zhuǎn)換后的新坐標(biāo)與原國(guó)家坐標(biāo)系的坐標(biāo)十分接近，有利于與送電線路配套工程的銜接，對(duì)高海拔地區(qū)線路工程有很好的借鑒意義。線路工程應(yīng)用的坐標(biāo)系的選擇應(yīng)引起足夠的重視，否則會(huì)給以后的勘測(cè)設(shè)計(jì)與施工放樣帶來(lái)很大的困難。

[1]范一中，王繼剛，趙麗華.抵償投影面的最佳選取問(wèn)題[J].測(cè)繪通報(bào)，2000，(2).

[2]全玉山.具有抵償高程面的任意帶坐標(biāo)系設(shè)計(jì)原理與方法[J].鐵道勘察，2005，(4).

[3]寧黎平.高原地區(qū)礦區(qū)控制網(wǎng)的建立及長(zhǎng)度變形分析[J].礦山測(cè)繪，2008，(4).

[4]徐輝，陳功，袁暉，黃超，張奇.高海拔地區(qū)送電線路GPS 測(cè)量的問(wèn)題及解決辦法[J].地理空間信息，2009，7(3).

[5]夢(mèng)蘇菊，盧柏章，李枝梅.高原地區(qū)工測(cè)控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2006，14(3).

[6]于立國(guó)，尹斌.高原地區(qū)公路控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇[J].測(cè)繪技術(shù)裝備，2005，(2).

[7]王春青，等.淺談高原地區(qū)線路工程坐標(biāo)系統(tǒng)建立的應(yīng)用方法[J].青海國(guó)土經(jīng)略，2008，(1).