地理國情普查與道路信息提取技術(shù)研究

肖遠(yuǎn)煥+陳強(qiáng)

摘 要：本文以地理國情普查中的道路信息提取為研究對(duì)象，探討了基于高分辨率遙感影像的道路信息提取方法，包括基于監(jiān)督分類的道路提取、基于道路特征指數(shù)構(gòu)建規(guī)則的道路提取、基于ArcGIS緩沖功能得道路提取和基于先驗(yàn)值的道路提取等4種方法，結(jié)果表明，相比較之下，4種方法各有千秋，使用情況各異，因此在實(shí)際作業(yè)中不能拘泥于一類方法，應(yīng)相互結(jié)合才能達(dá)到事半功倍的效果。

關(guān)鍵詞：地理國情普查 道路信息提取 監(jiān)督分類 ArcGIS

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（b）-0001-02

開展地理國情普查是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段的必然要求，也是測(cè)繪地理信息部門順應(yīng)時(shí)代需求、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。按照相關(guān)規(guī)定與方案，地理國情普查要求以覆蓋全國陸地國土的、分辨率優(yōu)于1m的多源航空航天遙感影像數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源進(jìn)行信息提取。顯然，基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地理國情普查有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，比如宏觀、動(dòng)態(tài)、便捷、可重復(fù)和成本低等。

遙感影像中道路是非常重要的基礎(chǔ)地理信息，它的識(shí)別和精確定位對(duì)GIS數(shù)據(jù)獲取、影像理解、制圖，以及作為其他目標(biāo)的參照體都有深遠(yuǎn)的意義。在地理國情普查中，道路作為地表覆蓋數(shù)據(jù)的重要要素，其提取方法與技術(shù)流程成為眾多作業(yè)單位研究的重點(diǎn)，在以往的相關(guān)項(xiàng)目中，經(jīng)常會(huì)遇到類似道路預(yù)判困難等諸類問題，這些問題不僅干擾了內(nèi)業(yè)工作的有序進(jìn)行，而且也為外業(yè)施測(cè)帶來了諸多不便，因此，基于地理國情普查的高分辨率遙感影像的道路提取方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 道路基本特征獲取與模型構(gòu)建

從道路在遙感影像上的形態(tài)特征以及光譜特征可以看出：地理國情普查所應(yīng)用的高分辨率影像的道路表現(xiàn)為灰度及幾何特征變化緩慢的狹長區(qū)域，其幾何特征、輻射特征主要從其長寬比、彎曲度、亮度、拓?fù)潢P(guān)系等方面有所體現(xiàn)。

通常選取以下幾個(gè)特征構(gòu)建提取道路的指標(biāo)規(guī)則：灰度均值、NDVI、不對(duì)稱性、密度、長寬比等。

其中影像的分割是上述各指標(biāo)進(jìn)行分類的關(guān)鍵，在實(shí)際國情普查作業(yè)中利用eCognition的多尺度分割可以為分類起到事半功倍的效果。

不同的遙感影像道路提取方法，由于側(cè)重不同，其提取流程也存在著差異。多數(shù)情況下，遙感影像道路信息提取框架模型可分為5個(gè)過程（如圖1所示）。

2 基于地理國情普查高分辨率遙感影像的道路提取方法研究與實(shí)踐

在地理國情普查中，地表覆蓋數(shù)據(jù)是表達(dá)與自然資源環(huán)境相關(guān)的地形地貌、植被覆蓋、水域、荒漠與裸露地表等地理要素的類別、位置、范圍等特征，并掌握其空間分布狀態(tài)。道路作為與人類活動(dòng)息息相關(guān)的要素，既體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，又能為分析統(tǒng)計(jì)其他要素的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力提供參考。筆者在國情普查作業(yè)中，進(jìn)行了一系列的研究與實(shí)驗(yàn)，歸結(jié)出以下基于地理國情普查高分辨率遙感影像的道路提取方法。

2.1 基于監(jiān)督分類的道路提取

監(jiān)督分類方法是國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)制作中針對(duì)地類情況較為簡(jiǎn)單的特殊情況采取的分類方法，其依賴于分割尺度的選取與采集樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)與特征，具有分類速度快的特點(diǎn)，但針對(duì)地類復(fù)雜的情況，其分類精度一般，易出現(xiàn)錯(cuò)分的情況。在國情普查任務(wù)中，新疆戈壁區(qū)域采取此方法提取道路取得了良好的效果。

2.2 基于道路特征指數(shù)構(gòu)建規(guī)則的道路提取

基于道路特征指數(shù)構(gòu)建規(guī)則的道路提取是利用道路基本特征、指數(shù)信息，以及輔助信息，構(gòu)建道路信息的評(píng)定規(guī)則，設(shè)置各規(guī)則的參數(shù)閾值，進(jìn)行道路信息提取，主要包括：灰度平均值、NDVI、密度、長寬比、面積等。

首先，進(jìn)行多尺度分割，設(shè)置合理的分割尺度、形狀因子及緊致度，保證道路形狀與邊緣的連續(xù)與清晰；其次，進(jìn)行“潛在道路”的粗提取，主要利用灰度值及長寬比因子，而后根據(jù)NDVI指數(shù)進(jìn)行植被的剔除，并將不相鄰要素去除；再次，對(duì)“潛在道路”進(jìn)行優(yōu)化，可對(duì)目標(biāo)影像進(jìn)行二次分割，根據(jù)DN值去除陰影，同時(shí)根據(jù)邊界指數(shù)、長寬比等去除建筑物；最后，對(duì)上述成果進(jìn)行形狀修補(bǔ)與再次優(yōu)化。

此類方法在實(shí)際操作中對(duì)編寫規(guī)則集的開發(fā)人員要求較高，需具備較強(qiáng)的遙感理論知識(shí)與豐富的解譯經(jīng)驗(yàn)，在操作中解譯規(guī)則集的制定至關(guān)重要。此類方法適用于影像光譜差異明顯、實(shí)地地類較復(fù)雜的情況，此外，此類方法對(duì)道路提取存在較多內(nèi)點(diǎn)，不宜進(jìn)行編輯整理。

2.3 基于ArcGIS緩沖功能的道路提取

ArcGIS以其強(qiáng)大的編輯功能與實(shí)用性，已經(jīng)在地理信息產(chǎn)業(yè)中起到舉足輕重的作用，在地理國情普查中，國情要素的采集便依靠此軟件。

在實(shí)際作業(yè)中，作者活學(xué)活用地結(jié)合了地理國情普查要素中已經(jīng)采集好的公路、鐵路線劃，利用ArcGIS緩沖功能自動(dòng)生成地表覆蓋數(shù)據(jù)所需要的路面要素，由于公路、鐵路具有等寬的特性，此功能的運(yùn)用大大提高了生產(chǎn)效率，僅需對(duì)特殊路段進(jìn)行處理便可達(dá)到預(yù)期目的，圖2為實(shí)際操作的案例。

2.4 基于先驗(yàn)值的道路提取方法

道路是在地理國情普查中較難區(qū)分的要素，因?yàn)榕c之相近的要素較多，比如硬化平地、狹長分布的房屋等，均會(huì)出現(xiàn)“同譜異物”或“同物異譜”的現(xiàn)象，因此在實(shí)際作業(yè)中通過建立先驗(yàn)值的方式進(jìn)行了道路的提取實(shí)驗(yàn)，此方法避免了大量的編輯工作，已在地理國情普查試點(diǎn)工作中得以推廣。具體規(guī)則制定可參照以下3條：（1）邊線緩沖，采集邊線進(jìn)行分割，兩邊線間地類較狹長，按長寬比分類0.7左右進(jìn)行提?。唬?）中線緩沖且周邊明亮度較高的為道路；（3）ArcGIS中采集中線利用緩沖生成面之后直接參與分割分類。

這里采取道路參與分割后根據(jù)矢量專題層對(duì)道路賦類及利用道路在遙感影像上細(xì)長的特征進(jìn)行提取，提取結(jié)果如圖3所示。

可以看出此類方法進(jìn)行道路的提取更適用于地理國情普查中地表覆蓋制作的要求。

3 結(jié)語

本文結(jié)合作者在地理國情普查中地表覆蓋道路提取的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)道路的提取方法進(jìn)行了歸納及總結(jié)，并提出了適用于地理國情普查任務(wù)中道路提取的方法。相比較之下，4種方法各有千秋，使用情況各異，因此在實(shí)際作業(yè)中不能拘泥于一類方法，應(yīng)相互結(jié)合才能達(dá)到事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫雅思.地理國情監(jiān)測(cè)地表覆蓋數(shù)據(jù)易混淆地物區(qū)分 [J].科技資訊，2014（30）：26-27.

[2] 雷德容.地理國情監(jiān)測(cè)與基礎(chǔ)測(cè)繪等關(guān)系的再思考[J]. 中國測(cè)繪，2014（1）：34-37.

[3] 天曉.全力推動(dòng)地理國情普查取得初步成效[J].中國測(cè) 繪，2014（4）：6-7.

[4] 馬春靜，任曉燁.地理國情普查在路上[J].中國測(cè)繪，2014（4）：8-13.

[5] 趙文郁.鮮花再度盛開的山崗——無人機(jī)外業(yè)巡檢系統(tǒng)首次應(yīng)用于地理國情專項(xiàng)監(jiān)測(cè)[J].中國測(cè)繪，2014（4）：18-21.

[6] 馬紅.順勢(shì)而為，廣闊天空有所作為——地理國情監(jiān)測(cè)助推重慶兩江新區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)[J].中國測(cè)繪，2014（4）：24-27.endprint