基于遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)的地形圖更新

趙 敏，陳衛(wèi)平，王海燕

（國家測(cè)繪地理信息局第一航測(cè)遙感院，陜西西安710054）

一、引 言

近年來，國家、各省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫相繼建成，如何保證并提高基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展對(duì)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的需求，成為一個(gè)亟待解決的問題。因此，國家測(cè)繪地理信息局在“十一五”期間對(duì)國家1∶50 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了全面更新，各省也根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況和建設(shè)需求，對(duì)省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了全面更新。如何充分利用已有的遙感影像資料對(duì)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行快速更新，特別是對(duì)重大工程項(xiàng)目和重點(diǎn)地物進(jìn)行重點(diǎn)更新，以取得較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，較多學(xué)者和生產(chǎn)單位對(duì)此進(jìn)行了有益的探索。筆者在總結(jié)現(xiàn)有地形圖更新方案的基礎(chǔ)上，提出基于影像變化檢測(cè)技術(shù)的地形圖更新思路，并進(jìn)行了一定區(qū)域的更新采集試驗(yàn)。

二、現(xiàn)有的地形圖更新方案

目前，國內(nèi)較多省份已經(jīng)開始了省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新。大部分省份采取以下方案進(jìn)行更新:在有舊版矢量要素?cái)?shù)據(jù)(DLG)的區(qū)域，基于數(shù)字正射影像圖(DOM)采用綜合判調(diào)法進(jìn)行DLG數(shù)據(jù)更新生產(chǎn)，即利用現(xiàn)勢(shì)性較好、分辨率高的DOM數(shù)據(jù)，參考數(shù)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(yè)資料，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，采用人工室內(nèi)判繪結(jié)合野外調(diào)繪與核查的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)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(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件，將航片按像對(duì)恢復(fù)立體模型，將上一代DLG數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jìn)行地物的更新，并將內(nèi)業(yè)更新后的數(shù)據(jù)生成調(diào)繪片，外業(yè)調(diào)繪核查后，再返回內(nèi)業(yè)修改編輯，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。

另外，還有個(gè)別省份本著滿足用戶需要與縮短更新周期的原則，對(duì)縣級(jí)以上城區(qū)及變化較大地區(qū)全面更新，其余地區(qū)重點(diǎn)修測(cè)，更新時(shí)充分利用已有資料，如1∶50 000地形要素?cái)?shù)據(jù)、上一代地形圖和調(diào)繪片、民政勘界資料、交通資料、土地利用現(xiàn)狀調(diào)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(duì)，通過人工比對(duì)的方式，將有變化的地物進(jìn)行更新采集。人工比對(duì)發(fā)現(xiàn)變化的方式，適用于全面、細(xì)致的更新，但更新周期較長(zhǎng)，要耗費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力，無法達(dá)到快速更新的目的。

三、基于遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)的地形圖更新思路

隨著遙感影像處理技術(shù)的發(fā)展，其處理方法及內(nèi)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(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如土地資源調(diào)查、地表變化動(dòng)態(tài)檢測(cè)、災(zāi)害檢測(cè)、城市規(guī)劃等許多行業(yè)。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(duì)地表變化動(dòng)態(tài)檢測(cè)。將遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用到地形圖更新中可以保證其現(xiàn)勢(shì)性。

根據(jù)變化檢測(cè)技術(shù)更新地形圖的思路是:首先，利用已有矢量數(shù)據(jù)和與矢量數(shù)據(jù)同時(shí)期的影像數(shù)據(jù)、后時(shí)相影像，利用遙感影像處理和分析軟件，進(jìn)行影像分割、分類、影像變化檢測(cè)，并將變化檢測(cè)結(jié)果文件導(dǎo)出;其次，根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果文件，對(duì)變化情況進(jìn)行總體分析，確定需更新的區(qū)域和更新方法，對(duì)大面積居民地、水域及地貌變化較大區(qū)域，基于立體影像對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行更新采集，其他一般變化區(qū)域，利用DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行地物的更新采集;再次，根據(jù)確定的更新方法，進(jìn)行更新，采用立體像對(duì)進(jìn)行更新采集時(shí)，在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件中，根據(jù)加密成果，創(chuàng)建或恢復(fù)相應(yīng)的立體像對(duì)，將待更新矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維處理，將待更新矢量數(shù)據(jù)、變化檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)入全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件中，使用變化檢測(cè)結(jié)果快速定位變化區(qū)域，根據(jù)立體影像對(duì)發(fā)生變化的地物、地貌進(jìn)行更新，并協(xié)調(diào)與未更新地物、地貌之間的關(guān)系;最后，利用DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行更新采集時(shí)，在矢量編輯軟件中，將待更新矢量數(shù)據(jù)、變化檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)入，使用變化檢測(cè)結(jié)果快速定位變化區(qū)域，基于DOM影像，對(duì)發(fā)生變化的地物進(jìn)行更新，并協(xié)調(diào)與未更新地物之間的關(guān)系。

另外，由于地形圖更新不僅是對(duì)要素位置進(jìn)行更新，而且還需要對(duì)相應(yīng)要素的屬性進(jìn)行更新，如道路的技術(shù)等級(jí)、道路編號(hào)、名稱等屬性。因此，還需要收集相關(guān)專業(yè)資料，對(duì)各要素的屬性進(jìn)行核查、調(diào)繪。

根據(jù)外業(yè)核查調(diào)繪結(jié)果，內(nèi)業(yè)再進(jìn)行要素編輯、屬性錄入等工作，最終形成DLG更新成果。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于影像變化檢測(cè)技術(shù)的地形圖更新技術(shù)路線

四、基于影像變化檢測(cè)技術(shù)的地形圖更新采集試驗(yàn)

1.變化檢測(cè)試驗(yàn)區(qū)域

本文選定了西安市東部某區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行了基于影像變化檢測(cè)技術(shù)的更新試驗(yàn)。該試驗(yàn)區(qū)面積約為38 km2，地形類別為平地，試驗(yàn)采用的影像數(shù)據(jù)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(hào)”3 m分辨率融合影像，待更新的地形圖為2004年生產(chǎn)的矢量數(shù)據(jù)。

2.影像變化檢測(cè)

目前，許多遙感影像處理軟件均提供了變化檢測(cè)功能，但一般情況下，只能提供變化區(qū)域。易康(eCognition)軟件作為一款遙感影像分析軟件，變化檢測(cè)是在對(duì)前后時(shí)相影像分別進(jìn)行獨(dú)立分類后進(jìn)行的。因此，其變化檢測(cè)結(jié)果不僅能夠提供變化區(qū)域，而且能夠提供變化屬性信息，以進(jìn)行變化信息的統(tǒng)計(jì)分析。

在eCognition軟件中，對(duì)于前時(shí)相影像，將待更新矢量數(shù)據(jù)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(jù)待更新矢量數(shù)據(jù)的地物編碼屬性，直接進(jìn)行影像自動(dòng)分類;對(duì)于后時(shí)相影像，使用多尺度分割算法，試驗(yàn)出合適的分割參數(shù)，進(jìn)行影像分割，然后采用最鄰近分類法或模糊函數(shù)分類法進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)分類。由于分類結(jié)果是變化檢測(cè)的基礎(chǔ)，因此要對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行檢查，剔除噪聲數(shù)據(jù)并改正錯(cuò)誤的分類，以保證分類結(jié)果的正確性。

前、后時(shí)相影像分類完成后，需根據(jù)分類結(jié)果進(jìn)行變化檢測(cè)，然后將變化檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)出為SHP格式文件。導(dǎo)出時(shí)，可以將變化檢測(cè)類結(jié)果作為屬性字段一起導(dǎo)出，以用于變化區(qū)域的統(tǒng)計(jì)分析。

本次試驗(yàn)將2004年3月SPOT 5影像作為前時(shí)相影像、2006年12月“資源二號(hào)”影像作為后時(shí)相影像進(jìn)行變化檢測(cè)。變化檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

3.變化檢測(cè)結(jié)果分析

圖2變化檢測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)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(cè)結(jié)果與實(shí)際核查變化統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 主要地物的變化檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際核查變化統(tǒng)計(jì)表

4.地形圖更新采集

根據(jù)以上變化檢測(cè)結(jié)果的分析，可利用DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行地物的更新。在矢量編輯軟件中，利用2006年12月“資源二號(hào)”影像對(duì)矢量數(shù)據(jù)中的居民地、道路、水系要素進(jìn)行更新采集。由于該區(qū)域?yàn)槠降?，其植被均為旱地，因此未進(jìn)行植被要素的更新采集。更新前、后矢量數(shù)據(jù)分別如圖3、圖4所示。

圖2 影像變化檢測(cè)結(jié)果

圖3 更新前矢量數(shù)據(jù)

圖4 更新后矢量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)使用2.5～3 m分辨率遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)，然后根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果利用高分辨率遙感影像進(jìn)行1∶10 000地形圖更新，在技術(shù)上可行，其更新結(jié)果能夠基本滿足要求。

2)對(duì)于大面積居民地、水域的變化，使用遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)能較為準(zhǔn)確地檢測(cè)出其變化;對(duì)于較寬的道路，使用eCognition軟件進(jìn)行變化檢測(cè)的結(jié)果較為理想，變化檢測(cè)結(jié)果與人工核查結(jié)果一致。

3)基于變化檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新的程度取決于影像變化檢測(cè)的精度，而影像變化檢測(cè)的精度依賴于前后時(shí)相影像分類的正確性。因此，影像分類的正確性在整個(gè)過程中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)分類結(jié)果應(yīng)進(jìn)行檢查，以保證最終結(jié)果的可靠性。

五、結(jié)束語

通過以上試驗(yàn)可以看出，采用遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)對(duì)待更新區(qū)域進(jìn)行變化檢測(cè)，并根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果確定更新方法，然后再進(jìn)行地形圖更新的方案是可行的。

與常規(guī)通過人工比對(duì)方式進(jìn)行無針對(duì)性的全面更新相對(duì)比，基于遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)的更新較適宜作有目的的重點(diǎn)更新，即對(duì)影像變化檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，以確定更新方式及更新內(nèi)容，再利用有關(guān)軟件進(jìn)行相應(yīng)要素的更新采集。這種更新方法可以避免人工逐屏比對(duì)產(chǎn)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(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)變化檢測(cè)，根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果直接進(jìn)行更新采集，節(jié)省了人工比對(duì)發(fā)現(xiàn)變化的時(shí)間，提高了更新效率，可實(shí)現(xiàn)地形圖的動(dòng)態(tài)更新。

［1］ 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 14268—2008國家基本比例尺地形圖更新規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］ 浙江省測(cè)繪與地理信息局.CH/T 9006—2010 1∶5 000 1∶10 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品更新規(guī)范［S］.北京:測(cè)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(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)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(cè)［J］.測(cè)繪通報(bào)，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(cè)技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005，22(2):255-257.