融合時間特征的遙感影像分類

李亮， 周亞光， 梁彬， 徐慶

(1.四川省第三測繪工程院,成都 610500； 2.國家測繪地理信息局重慶測繪院,重慶 400015)

融合時間特征的遙感影像分類

李亮1， 周亞光2， 梁彬1， 徐慶1

(1.四川省第三測繪工程院,成都 610500； 2.國家測繪地理信息局重慶測繪院,重慶 400015)

為了克服基于光譜紋理特征的影像分類法的不足，提出一種融合時間特征的遙感影像分類方法。以歷史時期土地利用矢量圖為輔助數(shù)據(jù)，對新時期遙感影像進(jìn)行帶約束的影像分割以獲取像斑； 采用迭代統(tǒng)計的方法計算新時期遙感影像的地物類別轉(zhuǎn)移概率； 利用地物類別轉(zhuǎn)移概率表達(dá)時間特征，將其融入到像斑的后驗概率中，構(gòu)建顧及時間特征的像斑聯(lián)合概率； 依據(jù)后驗概率最大原則獲取影像分類結(jié)果。采用QuickBird遙感影像進(jìn)行的實驗結(jié)果表明： 與基于光譜紋理特征的分類方法相比，所提出的方法能夠顯著提高影像分類的精度，總體分類精度與kappa系數(shù)分別提高了9.8%和17.9%，驗證了所提方法的可行性和可靠性。

時間特征； 影像分類； 地物類別轉(zhuǎn)移概率； 迭代； 最大后驗概率

0 引言

影像分類是遙感影像的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，在土地利用分類[1-2]、土地利用變化檢測[3]和地圖更新[4]中具有十分重要的意義。光譜特征是遙感影像中最直接的特征，在遙感影像分類中已得到廣泛應(yīng)用。受遙感影像中“同物異譜”及“同譜異物”現(xiàn)象的影響，僅利用光譜特征進(jìn)行影像分類的精度有限[5-6]，融合多種特征的分類方法逐漸發(fā)展成為影像分類的研究熱點[7]。紋理特征可較好地表達(dá)影像中像元灰度的空間分布規(guī)律，將其引入到影像分類中[8-9]，可以增大不同地物類別間的差異，從而提高影像分類精度。空間特征可較好地描述地物類別之間的空間鄰接關(guān)系，融合空間特征進(jìn)行影像分類，也能夠提高影像分類的精度[10-12]。一定時期內(nèi)，地物類別的改變?nèi)Q于當(dāng)前的人類活動，而人類活動又遵循當(dāng)前的土地政策。地物類別在時間上并不相互獨立，而是相互關(guān)聯(lián)的。時間特征可以表達(dá)地物類別在時間上的關(guān)聯(lián)，將時間特征引入到多時相遙感影像的聯(lián)合分類中[13-15]，可取得較好的分類結(jié)果； 然而在單時相遙感影像分類中，目前較少考慮時間特征，因而一定程度上限制了影像分類精度的提高。

依據(jù)影像分類單元劃分，影像分類主要有基于像元法和面向?qū)ο蠓╗16-18]。影像對象亦稱像斑，是一系列光譜相似、空間相鄰像元的集合[19]?；谙裨姆诸惙ㄝ^難利用像元的空間特征，而面向?qū)ο蟮姆诸惙▌t可充分利用像斑的光譜、紋理、空間及形狀等特征。但現(xiàn)有面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惙ㄉ袥]有顧及像斑的時間特征，為彌補這一不足，本文提出一種融合時間特征的遙感影像分類方法。

1 融合時間特征的分類方法

本文提出的融合時間特征的遙感影像分類方法，首先將歷史時期的土地利用矢量圖疊置在新時期遙感影像上，在矢量圖的約束下對遙感影像進(jìn)行分割獲取像斑； 選取適當(dāng)?shù)挠?xùn)練樣本，依據(jù)單像斑概率最大原則獲取初始的影像分類結(jié)果； 結(jié)合像斑2個時相的地物類別，獲取表達(dá)時間特征的地物類別轉(zhuǎn)移概率，構(gòu)建包含地物類別轉(zhuǎn)移概率的像斑聯(lián)合概率； 在此基礎(chǔ)上對初始的分類結(jié)果進(jìn)行修正，迭代此過程，獲得最終的影像分類結(jié)果。

融合時間特征的遙感影像分類流程見圖1。

圖1 融合時間特征的遙感影像分類流程圖

1.1 矢量圖約束的影像分割

將歷史時期土地利用矢量圖通過柵格-矢量套合疊置到新時期遙感影像上，獲得若干像斑。由于新時期遙感影像會發(fā)生變化，像斑中局部區(qū)域會發(fā)生改變，導(dǎo)致像斑內(nèi)部的勻質(zhì)性較差； 故以土地利用矢量圖為約束，對遙感影像進(jìn)行分割，即在各像斑內(nèi)部進(jìn)行二次分割，以獲取光譜勻質(zhì)性較高的像斑。eCognition軟件可以實現(xiàn)專題圖約束下的影像分割。本文利用該軟件，將歷史時期土地利用矢量圖作為專題圖，對新時期遙感影像進(jìn)行了影像分割。圖2是像斑二次分割的示意圖，其中圖2(a)為原始像斑A； 圖2(b)為新時期影像數(shù)據(jù)，圖中的單元格表示像元，單元格中的數(shù)字表示像元的灰度值； 圖2(c)表示經(jīng)過二次分割后的結(jié)果，像斑A中新增了像斑B。

(a) 原始圖斑 (b) 新時期影像 (c) 二次分割結(jié)果

圖2 像斑二次分割示意圖

Fig.2 Schematic diagram of object re-segmentation

1.2 顧及時間特征的影像分類

土地利用矢量圖與遙感影像對應(yīng)的時相分別為t1和t2，地類數(shù)為m，地類集合Ω={Ω1,Ω2,…,Ωm}； 經(jīng)矢量圖約束下的影像分割后的像斑個數(shù)為n。令像斑在t1時相類別的集合為υ={υ1,υ2,…,υn}，其中υk(1≤k≤n)為第k個像斑的類別，且υk∈Ω； 像斑在t2時相類別的集合為ω={ω1,ω2,…,ωn}，其中ωk(1≤k≤n)為第k個像斑的類別，且ωk∈Ω； 像斑在t2時相的特征向量集合為X={X1,X2,…,Xn}，其中Xk(1≤k≤n)為第k個像斑對應(yīng)的特征向量。依據(jù)最大后驗概率原則，t2時相第k個像斑的地類ωk對應(yīng)著式(1)的最大值，即

(1)

式中p(ωk|Xk,υk)為像斑的聯(lián)合概率，表示第k號像斑在t1時相的地類為υk，t2時相特征向量為Xk的條件下，t2時相地類為ωk的條件概率。

依據(jù)條件概率公式，可得到

p(ωk,Xk,υk)=p(Xk|υk,ωk)p(υk,ωk) ,

(2)

p(υk,ωk)=p(ωk|υk)p(υk),

(3)

式中：p(Xk|υk,ωk)為第k個像斑在t1時相地類為υk，t2時相地類為ωk的條件下，t2時相特征向量為Xk的條件概率；p(υk,ωk)為第k個像斑在t1時相地類為υk，在t2時相地類為ωk的聯(lián)合先驗概率；p(ωk|υk)為地類從υk轉(zhuǎn)變?yōu)棣豮的轉(zhuǎn)移概率；p(υk)為t1時相像斑類別為υk的先驗概率。

將式(2)(3)代入式(1)，得到

(4)

為了對式(4)進(jìn)行簡化，本文根據(jù)像斑類別的客觀規(guī)律作出以下假設(shè)： 像斑在t2時相的特征向量僅與像斑在該時相的地物類別有關(guān)，而與該像斑在t1時相的地物類別無關(guān)。在該假設(shè)條件下，則有

p(Xk|υk，ωk)=p(Xk|ωk)，

(5)

p(Xk，υk)=p(Xk)p(υk)，

(6)

式中p(Xk|ωk)為t2時相在像斑類別為ωk的條件下、特征向量為Xk的條件概率。

將式(5)(6)帶入式(4)并進(jìn)行化簡，可得到

(7)

式中p(Xk)為與具體地物類別無關(guān)的常量。因此，式(7)右邊的最大值也對應(yīng)著p(Xk|ωk)p(ωk|υk)的最大值。

p(ωk|υk)為地類的時間特征，表示地類從υk轉(zhuǎn)變?yōu)棣豮的轉(zhuǎn)移概率。當(dāng)不考慮地類的時間特征時，則認(rèn)為2個時相的地類互相獨立，此時

p(ωk|υk)=p(ωk),

(8)

p(ωk|υk,Xk)=p(ωk|Xk)

(9)

成立。將式(9)(10)帶入式(7)，可得

(10)

式(10)即為傳統(tǒng)的最大后驗概率分類法。式中p(ωk|Xk)為不考慮地物時間關(guān)聯(lián)的單像斑概率，即t2時相在像斑特征向量為Xk的條件下、像斑類別為ωk的條件概率。傳統(tǒng)的最大后驗概率分類法只是本文方法的特殊情況，此時假定多個時相的地類互相獨立。

1.3 影像分類模型求解

式(8)中待求解的參數(shù)為條件概率密度p(Xk|ωk)及地物類別轉(zhuǎn)移概率p(ωk|υk)。在遙感影像中選取類別為ωk的若干訓(xùn)練樣本像斑，求解出該類像斑對應(yīng)的均值向量μωk與協(xié)方差矩陣qωk，假設(shè)其條件概率密度函數(shù)服從p維高斯分布，則可依

(11)

求解p(Xk|ωk)。

本文遍歷2個時相像斑的地物類別，利用各地物類別的轉(zhuǎn)移比例來代替地物類別的轉(zhuǎn)移概率，即

p(ωk|υk)=s(υk,ωk)/s(υk),

(12)

式中：s(υk)為t1時相地類為υk的像斑總面積；s(υk,ωk)為t1時相地類為υk，t2時相地類為ωk的像斑總面積。所有地類的類別轉(zhuǎn)移概率可以構(gòu)成1個m×m的地類轉(zhuǎn)移矩陣，即

(13)

式中：m為地類數(shù)；Ωi和Ωj分別為第i和j種地類； 各元素均介于0與1之間，且各行之和為1；p(Ωj|Ωi)為地類從Ωi轉(zhuǎn)變?yōu)棣竕的轉(zhuǎn)移概率。

利用本文方法進(jìn)行影像分類時，需要獲取表達(dá)時間特征的地物類別轉(zhuǎn)移概率，獲取方法有迭代法[13-14]和先驗知識法[15]2種。迭代法采用迭代統(tǒng)計的方法挖掘影像信息，獲取地物類別轉(zhuǎn)移概率； 先驗知識法則利用歷史時期的土地利用數(shù)據(jù)，獲取地物類別轉(zhuǎn)移概率。先驗知識法需要大量的歷史輔助數(shù)據(jù)，且地物類別轉(zhuǎn)移概率反映的是歷史時期的地物時間特征，與當(dāng)前時期地物的時間特征會存在一定差異。為此，本文采用迭代法來獲取地物類別轉(zhuǎn)移概率。在影像初始分類的基礎(chǔ)上，獲取初始的地物類別轉(zhuǎn)移概率； 融合時間特征更新分類結(jié)果，統(tǒng)計各像斑地物類別，更新地物類別轉(zhuǎn)移概率，迭代此過程獲取最終的地物類別轉(zhuǎn)移概率。具體的影像分類步驟為： ①將歷史時期土地利用矢量圖作為約束，對新時期遙感影像進(jìn)行分割，以獲取像斑； ②選取若干訓(xùn)練樣本像斑，不考慮時間特征，利用式(11)計算對應(yīng)的單像斑概率，依據(jù)最大后驗概率準(zhǔn)則，獲取新時期影像的初始分類結(jié)果； ③遍歷歷史時期土地利用矢量圖與新時期遙感影像的分類結(jié)果，計算地物類別轉(zhuǎn)移概率，構(gòu)建像斑的聯(lián)合概率，獲取融合時間特征的影像分類結(jié)果； ④重復(fù)執(zhí)行步驟③，直到連續(xù)2次影像的分類結(jié)果不變或者變化的像斑在一定數(shù)目內(nèi)，此時的影像分類結(jié)果即為最終的影像分類結(jié)果。

迭代算法中，影像初始分類結(jié)果十分重要。準(zhǔn)確度較差的影像初始分類結(jié)果會導(dǎo)致地物類別轉(zhuǎn)移概率偏差較大，甚至求解出錯誤的地物類別轉(zhuǎn)移概率，從而降低最終的影像分類精度。因此，本文采用傳統(tǒng)的最大后驗概率法進(jìn)行分類，以盡可能獲取較為準(zhǔn)確的影像初始分類結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

實驗數(shù)據(jù)為武漢市武昌城區(qū)的2002年土地利用矢量圖(圖3(a))與2005年QuickBird高分辨率遙感影像(圖3(b))。土地利用矢量圖采用高斯-克呂格投影，投影中央經(jīng)線為E114°，包含像斑220個，地物類別總數(shù)為7類(道路、耕地、湖泊、江河、居民地、林地和裸地)。遙感影像包含藍(lán)、綠、紅、近紅外4個波段，空間分辨率為2.4 m。預(yù)處理后土地利用矢量圖與遙感影像對應(yīng)地面為同一區(qū)域。圖中左上角為長江，右下角為東湖。為了對影像分類結(jié)果進(jìn)行精度評定，本文通過目視解譯的方法制作了一幅標(biāo)準(zhǔn)影像分類圖(圖3(c))。

(a) 2002年土地利用矢量圖 (b) 2005年QuickBird影像 (c) 2005年標(biāo)準(zhǔn)影像分類圖(地表真實情況)

圖3 實驗數(shù)據(jù)

Fig.3 Data for experiment

自2002年以來，武昌城區(qū)大量湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕嘏c居民地，較多像斑內(nèi)部發(fā)生了變化。本文利用eCognition軟件，以2002年土地利用矢量圖為約束，設(shè)置尺度參數(shù)為400，形狀因子為0.20，緊致度為0.85，對2005年QuickBird遙感影像進(jìn)行二次分割，獲得含342個像斑的二次分割圖(圖4(a))； 圖4(b)為像斑二次分割的局部示意圖，圖中像斑在2002年矢量圖中的地物類別為裸地，而在2005年像斑中部分區(qū)域被建設(shè)成居民地，產(chǎn)生了2個新的像斑。

(a) 2005年影像分割圖 (b) 像斑二次分割局部示意圖(套合圖像均為2005年遙感影像)

圖4 QuickBird遙感影像二次分割圖

Fig.4 Resegmentation diagram of the object in QuickBird image

2.1 影像分類實驗

為了驗證本方法的有效性，以2005年標(biāo)準(zhǔn)影像分類圖(圖3(c))為地表真實情況，對比了本方法與不考慮時間特征的單像斑概率法，如圖5所示。

(a) 單像斑概率法 (b) 本文方法

圖5 2種影像分類法對比

Fig.5 Comparison between two methods for image classification

從圖5可以看出，利用單像斑概率法進(jìn)行影像分類時，部分居民地被錯分為裸地(黑色矩形框內(nèi))，部分裸地被錯分為耕地(黑色橢圓形框內(nèi))，部分耕地被錯分為林地(黑色圓形框內(nèi))，且大量的道路被誤分為居民地(圖5(a))； 而用本文方法進(jìn)行影像分類時，部分被單像斑概率法誤分為裸地的居民地被正確劃分為居民地，且大量的道路被正確劃分出來(黑色箭頭指向區(qū)域) (圖5(b))。這是因為道路、居民地和裸地3者的光譜紋理特征相似，均具有較高的灰度值，且紋理特征簡單，因此傳統(tǒng)的分類器很難將3者正確區(qū)分； 而引入時間特征后，道路隨時間發(fā)生變化的概率較小，且居民地轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕氐母怕瘦^小，因此分類器能將3者正確區(qū)分開來。圖5(a)中黑色矩形框內(nèi)2002年的地物類別為居民地，對于時間特征而言，居民地轉(zhuǎn)變?yōu)榫用竦氐母怕蚀笥诰用竦剞D(zhuǎn)變?yōu)槁愕氐母怕剩虼艘霑r間特征后，圖5(b)中這部分區(qū)域能被正確劃分為居民地； 圖5(a)中黑色橢圓形框內(nèi)2002年的地物類別為湖泊，對于時間特征而言，湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕氐母怕蚀笥诤崔D(zhuǎn)變?yōu)楦氐母怕?，因此引入時間特征后，圖5(b)中這部分區(qū)域能被正確劃分為裸地； 圖5(a)中黑色圓形框內(nèi)2002年的地物類別為耕地，對于時間特征而言，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐母怕蚀笥诟剞D(zhuǎn)變?yōu)榱值氐母怕?，因此引入時間特征后，圖5(b)中這部分區(qū)域能被正確劃分為耕地。

為了進(jìn)一步定量比較2種方法的分類精度，本文分別統(tǒng)計了2種分類結(jié)果的混淆矩陣(表1和表2)，其中行表示像元的地面真實類別(圖3(c))，列表示用分類算法檢測的像元類別，單元格中的數(shù)字表示像元個數(shù)。例如，表1中“耕地”行與“林地”列對應(yīng)單元格中的數(shù)字為11 324，這表示地面真實類別為耕地、算法檢測類別為林地的像元個數(shù)為11 324。

表1 單像斑概率法分類精度

表2 本文方法分類精度

從表1和表2中可以看出，本文方法的總體分類精度及Kappa系數(shù)分別為96.1%和0.929，而單像斑概率法的總體分類精度及Kappa系數(shù)分別為86.3%和0.750，本文方法的分類精度較優(yōu)。利用本文方法融合時間特征后，分類精度改善最明顯的是道路和裸地。單像斑概率法中較多道路被錯分為居民地，道路制圖精度僅為35.1%； 而本文方法中，制圖精度提升到了100.0%。單像斑概率法中較多裸地被錯分為居民地，制圖精度僅為65.4%； 而本文方法中，制圖精度提升到了95.9%。

2.2 時間特征分析

本文方法通過3次迭代后，影像分類結(jié)果不再發(fā)生改變，算法得到收斂。收斂的地物類別轉(zhuǎn)移矩陣如表3所示。表3示出2002―2005年間地物類別之間的轉(zhuǎn)移概率，其中行與列均表示地物類別，單元格中的數(shù)字表達(dá)轉(zhuǎn)移概率。例如，表中“耕地”行與“居民地”列對應(yīng)單元格中的數(shù)字為0.05，這表明耕地向居民地的轉(zhuǎn)移概率為0.05。

表3 地物類別轉(zhuǎn)移矩陣

從表3可以看出，除了裸地，矩陣對角線上的元素均較大，這表明地物類別在時間上具有一定的穩(wěn)定性，不會輕易向其他地物類別轉(zhuǎn)變。城市中的裸地是一種過渡的地物類型，受人為影響較大，在時間上的穩(wěn)定性也較差，通常用來建設(shè)居民地。表3中，裸地向居民地轉(zhuǎn)變的概率為1，這是因為實驗數(shù)據(jù)的時間跨度為3 a，時間跨度較大，城市中裸地已經(jīng)全部建設(shè)成為居民地； 湖泊向裸地轉(zhuǎn)變的概率為0.3，而耕地向裸地轉(zhuǎn)變的概率為0，這表明隨著國家對耕地的嚴(yán)格控制，占用耕地建設(shè)居民地的現(xiàn)象得到一定程度緩解，而大量湖泊卻被填平為裸地用來建設(shè)居民地，因此需要加強對湖泊的保護(hù)。

3 結(jié)論

時間特征是多時相遙感影像中的隱藏信息，在影像分析時十分重要。本文提出的融合時間特征的影像分類方法，以歷史時期土地利用矢量圖為輔助數(shù)據(jù)，構(gòu)建表達(dá)時間特征的地物類別轉(zhuǎn)移概率，將地物類別轉(zhuǎn)移概率融合到最大后驗概率法中，提高了影像分類的精度。得出的結(jié)論如下：

1)融合時間特征能夠提高影像的分類精度。道路、裸地、居民地等光譜紋理特征相似的地物，引入時間特征后能得到有效劃分，從而提高影像的分類精度。

2)除裸地外，各類地物在時間上較為穩(wěn)定，較少向其他地物轉(zhuǎn)變。城市中的裸地是一種過渡狀態(tài)，在時間上的穩(wěn)定性較差，容易轉(zhuǎn)變?yōu)榫用竦亍?/p>

為了進(jìn)一步提高本文方法的理論嚴(yán)密性，圍繞本文的研究工作，今后還需針對文中的假設(shè)前提作出詳細(xì)的驗證，以確保假設(shè)條件的合理性與正確性。

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(責(zé)任編輯： 邢宇)

Remote sensing image classification based on fusion of temporal features

LI Liang1， ZHOU Yaguang2， LIANG Bin1， XU Qing1

(1.TheThirdAcademyofEngineeringofSurveyingandMapping，Chengdu610500，China； 2.ChongqingInstituteofSurveyingandMapping，NASG，Chongqing400015，China)

In order to overcome the shortcomings of the traditional image classification based on spectral and texture, the authors propose an image classification method considering temporal features in this paper. Land use vector map in historical period was used as auxiliary data. The objects were extracted by image segmentation under the constraint of land use vector map. The land cover transition probability which represents temporal feature was calculated by iterative statistic method. The joint probability of object based on temporal feature was built after integrating the land cover transition probability into the traditional maximum posteriori probability. The image classification map was obtained by the maximum posteriori probability theory. The experimental results based on the QuickBird image show that the proposed method can improve the accuracy of the image classification result. Compared with things of the traditional classifier using spectral and texture features, the overall classification accuracy and kappa coefficient of the proposed method are increased by 9.8% and 17.9% respectively.

temporal feature； image classification； land cover transition probability； iterative； maximum posteriori probability

10.6046/gtzyyg.2017.01.06

李亮,周亞光,梁彬,等.融合時間特征的遙感影像分類[J].國土資源遙感,2017,29(1)：36-42.(Li L,Zhou Y G，Liang B,et al.Remote sensing image classification based on fusion of temporal features[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(1)：36-42.)

2015-09-25；

2015-12-11

測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項項目“衛(wèi)星遙感與地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)一體化的湖泊流域地理國情監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號： 201512026)、四川省地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心項目“基于時序遙感影像的土地利用變化檢測方法研究”(編號： GC201506)及四川省測繪地理信息局科技計劃項目“基于Web的四川省地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)成果展示方法與實現(xiàn)”(編號： J2014ZC16)共同資助。

李亮(1987-),男,博士,工程師,主要從事遙感影像的智能化解譯研究。Email： liliang1987wuda@163.com。

TP 751.1

A

1001-070X(2017)01-0036-07