第三次全國土地調(diào)查遙感影像質(zhì)量評價(jià)方法研究

李天

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110000)

1 引 言

土地調(diào)查是一項(xiàng)重大的國情國力調(diào)查，是查實(shí)查清土地資源的重要手段。開展第三次全國土地調(diào)查(以下簡稱三調(diào))，目的是在全國范圍內(nèi)利用遙感、測繪、地理信息、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，統(tǒng)籌利用現(xiàn)有資料，以正射影像圖為基礎(chǔ)，全面查清當(dāng)前全國土地利用狀況，掌握真實(shí)準(zhǔn)確的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國土資源管理工作需要[1]。

遙感影像是三調(diào)工作重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果。因此，根據(jù)三調(diào)工作內(nèi)容來綜合評價(jià)遙感影像質(zhì)量，一方面可以在數(shù)據(jù)處理過程中有針對性地對其進(jìn)行改善和控制，以提高影像質(zhì)量；另一方面，可以根據(jù)三調(diào)工作需要選擇高質(zhì)量數(shù)據(jù)源，減少不必要的數(shù)據(jù)處理工作量，這對提高三調(diào)的工作效率和成果質(zhì)量水平具有相當(dāng)重要的意義。

2 遙感影像質(zhì)量綜合評價(jià)

對于遙感影像而言，大多數(shù)影響影像質(zhì)量的因素或多或少都具有模糊性，因此采用模糊綜合評價(jià)法可以得到較為合理的評價(jià)結(jié)果。

2.1 模糊綜合評價(jià)結(jié)構(gòu)

以對圖像的評價(jià)為例，可以從亮度、對比度、清晰度等因素進(jìn)行考慮，在評判時，對每個因素可以分幾個等級進(jìn)行判斷，如好、一般、不好等?？捎洖椋?/p>

U={亮度(u1)，對比度(u2)，清晰度(u3)}；

V={很好(v1)，一般(v2)，不好(v3)}；

這里，稱U為評價(jià)因素論域，V為評語等級。設(shè)U={u1，u2，…，um}，V={v1，v2，…，vn}，則有m個模糊評價(jià)向量，構(gòu)成一個m×n階的模糊評價(jià)矩陣[2]：

(1)

設(shè)評價(jià)指標(biāo)的模糊權(quán)向量為W={w1，w2，…，wm}，則經(jīng)式(2)的合成運(yùn)算可得模糊綜合評價(jià)結(jié)果：

W×R=B

(2)

式中，B={b1，b2，…，bm}是某一個參評單位的模糊合成向量，它的各個元素是各指標(biāo)對于評價(jià)等級的隸屬度，“·”是合成算子。

從上例可以看出，模糊綜合評價(jià)包含6個基本要素[3]：①評價(jià)因素論域U。U代表綜合評價(jià)中各評價(jià)因素所組成的集合；②評語等級論域V。V代表綜合評價(jià)中評語所組成的集合。它實(shí)際是對被評事物變化區(qū)間的一個劃分；③模糊關(guān)系矩陣R，R是單因素評價(jià)的，模糊綜合評價(jià)所綜合的對象正是R；④評價(jià)因素權(quán)向量W。W代表評價(jià)因素在被評事物中的相對重要程度，它在綜合評價(jià)中用來對R作加權(quán)處理；⑤合成算子。合成算子指W與R所用的計(jì)算方法；⑥評價(jià)結(jié)果向量B，它是對每個被評價(jià)對象綜合狀況分等級的程度描述。

2.2 遙感影像質(zhì)量評價(jià)模型

(1)指標(biāo)體系分析

根據(jù)《第三次全國土地調(diào)查實(shí)施方案》(國土調(diào)查辦發(fā)〔2018〕3號)可以得知，遙感影像主要用于土地利用現(xiàn)狀調(diào)查，包括用于內(nèi)業(yè)圖斑分類判讀、圖斑邊界勾繪，這些圖像解譯[4]方法的本質(zhì)都是基于影像的光譜特征(也就是灰度特征)。

遙感影像在傳輸?shù)倪^程中由于各種外界因素或傳感器的影響會造成灰度特征的失真。通常，遙感影像的失真主要變現(xiàn)為噪聲和模糊。噪聲計(jì)算采用基于邊緣塊剔出的局部均值與局部標(biāo)準(zhǔn)差法[5]，可以降低地物覆蓋復(fù)雜性對算法的影響。模糊度采用一種改進(jìn)的基于邊緣銳度的模糊測度方法[6]，該算法基本不受圖像內(nèi)容的影響，檢測精度較高，而且運(yùn)算速度較快。當(dāng)影像不存在失真的時候，即噪聲和模糊度可以忽略時，影像灰度的反差便成為影響目標(biāo)提取的重要因素。這里選用方差[7]作為描述影像反差的指標(biāo)?；叶确讲罘从沉擞跋窕叶鹊膶哟涡畔?，計(jì)算公式為：

(3)

其中，m、n為影像高度和寬度，f(i，j)為影像某點(diǎn)的灰度值，μ為影像的灰度均值。

綜上分析，本文采用噪聲、模糊度和方差一起構(gòu)成綜合評價(jià)模型的評價(jià)因素集。

(2)評語等級論域的組成

確定評語等級論域的方法比較簡單，主要是解決兩個問題，一是劃分多少個等級，二是如何設(shè)置這些等級。本文根據(jù)遙感影像在三調(diào)工作中的適用水平設(shè)為三個等級：①“好”，表示影像用于三調(diào)目標(biāo)提取工作的效果好；②“適用”，表示影像用于三調(diào)目標(biāo)提取工作的效果一般，但通過相應(yīng)的處理可能得到較好的效果；③“較差”，表示影像質(zhì)量較差，不適于用來三調(diào)的目標(biāo)提取工作。

(3)隸屬函數(shù)的確定

在模糊評價(jià)中，隸屬函數(shù)[8]是因素集中元素對各評語等級“隸屬”程度的分布情況，隸屬度是利用隸屬函數(shù)計(jì)算得出的，選擇適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)，是模糊綜合評價(jià)的基礎(chǔ)[9]。

在研究遙感影像質(zhì)量評價(jià)模型中，噪聲、模糊度指標(biāo)都是與影像質(zhì)量成反比關(guān)系的，即它們的增大都會造成影像質(zhì)量的下降，反之亦然。各等級隸屬度函數(shù)均采用梯形函數(shù)的形式，設(shè)計(jì)各等級隸屬函數(shù)如下：

(4)

其中，a、b、c分別為相應(yīng)的等級分界值，x為評價(jià)指標(biāo)值。但方差不同于噪聲和模糊度對圖像解譯的影響：方差越大，圖像解譯精度越高，方差越小，圖像解譯精度越低，因而方差的隸屬函數(shù)如式(4)～(7)所示。

(5)

本文首先收集大量不同質(zhì)量的遙感影像，然后對每一幅影像針對某一指標(biāo)進(jìn)行不同程度的降質(zhì)處理，將處理后的影像劃分成一組，再對每一組影像進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，逐個分析各項(xiàng)指標(biāo)對影像質(zhì)量的影響(如圖1、圖2、圖3所示)，最后通過統(tǒng)計(jì)分析確定各項(xiàng)指標(biāo)等級分界值(即隸屬函數(shù)參數(shù))為：①噪聲：a=7，b=12，c=20；②模糊度：a=3，b=5，c=9；③方差：a=2500，b=800，c=230。

圖1噪聲對影像質(zhì)量的影響統(tǒng)計(jì)

圖2 模糊度對影像質(zhì)量的影響統(tǒng)計(jì)

圖3 方差對影像質(zhì)量的影響統(tǒng)計(jì)

(4)權(quán)數(shù)的確定

遙感影像與環(huán)境問題類似，當(dāng)任何一項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)值嚴(yán)重超標(biāo)時，即使其他評價(jià)指標(biāo)值處于很好的范圍，影像總體質(zhì)量還是會很差，所以對于遙感影像，要根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值的變化而自動調(diào)整權(quán)數(shù)，也就是“變權(quán)方法”[10]。噪聲和模糊度的權(quán)數(shù)采用式(6)的形式來計(jì)算。

(6)

式中，xi為第i項(xiàng)指標(biāo)的估計(jì)值，ci為第i項(xiàng)指標(biāo)在“較差”等級上的分界值。

另外，方差的權(quán)數(shù)計(jì)算方法與噪聲和模糊度正好相反，公式為：

(7)

式中，xj為第j項(xiàng)指標(biāo)的估計(jì)值，cj為第j項(xiàng)指標(biāo)在“較差”等級上的分界值。

用上式計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)數(shù)以后，再進(jìn)行歸一化式(8)，即為比重權(quán)數(shù)。

wj=rj/∑ri，(i=1，2，……，K)

(8)

i為指標(biāo)序號，K為指標(biāo)個數(shù)。

權(quán)數(shù)確定后，就要確定合成算子。為了保證綜合評價(jià)隸屬度與分項(xiàng)指標(biāo)等級隸屬度的偏差平方和最小，本文采用加權(quán)算術(shù)平均合成法，即M(?，+)型合成算子[11]。

最后，對計(jì)算出的合成結(jié)果，按照最大隸屬原則(式8)確定最終質(zhì)量等級。

Q=MAX(B1，B2，B3)

(8)

式中：Bi為不同等級隸屬度所對應(yīng)的評語等級。

3 實(shí)例分析

采用上面建立的遙感影像質(zhì)量評價(jià)模型設(shè)計(jì)開發(fā)了評價(jià)程序，以驗(yàn)證評價(jià)模型的合理性。本文收集了8幅準(zhǔn)備用于三調(diào)工作的遙感影像進(jìn)行綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)影像為高分二號衛(wèi)星影像，地面分辨率為 0.8 m，部分影像如圖4所示，將這些影像逐一用評價(jià)程序進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，然后與3名質(zhì)量檢查人員主觀評價(jià)的結(jié)果進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如表1所示。

圖4方差對影像質(zhì)量的影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

三調(diào)影像質(zhì)量評價(jià)實(shí)驗(yàn) 表1

從表中可以看出，評價(jià)程序的評價(jià)結(jié)果與檢查員的評價(jià)結(jié)果基本一致，因而所建立的影像評價(jià)模型比較合理，對遙感影像在三調(diào)工作中的評價(jià)比較適宜。

4 結(jié) 語

本文針對遙感影像在三調(diào)工作中的應(yīng)用目的來建立質(zhì)量評價(jià)模型，綜合考慮并量化了多種因素的影響，具有一定的合理性和適用性，可以認(rèn)為是提高三調(diào)的工作效率和成果質(zhì)量水平的一種新思路。同時，利用軟件程序進(jìn)行評價(jià)，量化程度較高，檢測標(biāo)準(zhǔn)客觀，操作使用簡便。

本文建立的模型可認(rèn)為是半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停绾谓?yīng)用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的分析模型是今后對遙感影像綜合評價(jià)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。