遙感影像融合在變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

鄧潔+劉艷豐

摘 要 本文以現(xiàn)階段開展的地理國(guó)情普查和年度土地利用變更調(diào)查影像為研究數(shù)據(jù)，以土地利用數(shù)據(jù)和林業(yè)資源普查等其他專題資料為輔助資料，綜合現(xiàn)有技術(shù)，進(jìn)行地理國(guó)情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)和變更調(diào)查的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究、分析可行性研究。并通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)技術(shù)方法和工藝流程，精度評(píng)定方法，適用性分析，提出地表覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)模化生產(chǎn)作業(yè)流程，為開展變更調(diào)查和常態(tài)化地理國(guó)情監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)；遙感影像融合；變化信息提??；精度評(píng)定

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In this essay， the current research is based on satellite images on national geography investigation and l land use change survey， assisted by the data gained from earth application forestry resources etc.， and this research seeks out feasibility based on current technologies on national geographical earth surface monitoring and land use change survey. Also this research will lay on foundation for carrying out commonality on national geographical monitoring and land use change survey through practice on projects， summarizes on technological methods and processes with precise evaluation and adaptable analyze.

Keywords： geographical condition monitoring；remote sensing image fusion；change information extraction；accuracy evaluation

0 背景和意義

地理國(guó)情是重要的基本國(guó)情，監(jiān)測(cè)地理國(guó)情就是對(duì)地理國(guó)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)繪、統(tǒng)計(jì)和分析研究，通過(guò)監(jiān)測(cè)地理國(guó)情動(dòng)態(tài)變化，分析評(píng)估地理國(guó)情時(shí)空特征及其變化發(fā)展趨勢(shì)，形成權(quán)威、標(biāo)準(zhǔn)的地理國(guó)情信息產(chǎn)品，為各級(jí)政府和全社會(huì)服務(wù)。

遙感影像融合是一種通過(guò)高級(jí)影像處理融合多源遙感影像的技術(shù)，通過(guò)兩個(gè)時(shí)段的交叉融合會(huì)突出變異，有助于監(jiān)測(cè)出變化信息，最大限度利用了多種數(shù)據(jù)的不同特征。地表覆蓋的監(jiān)測(cè)作為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的最重要方面，研究如何利用遙感影像融合技術(shù)快速監(jiān)測(cè)并提取變化信息，對(duì)于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)具有重要意義。

1 技術(shù)路線

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)主要涉及到前、后時(shí)相影像數(shù)據(jù)、行業(yè)專題數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)預(yù)處理，地表覆蓋變化信息提取，自動(dòng)與人工結(jié)合解譯，調(diào)查底圖制作，外業(yè)調(diào)查，數(shù)據(jù)編輯，數(shù)據(jù)入庫(kù)，數(shù)據(jù)檢查，數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)分析等過(guò)程，技術(shù)流程如圖1所示。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)概況

本文實(shí)驗(yàn)依托2015年地理國(guó)情普查標(biāo)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)核準(zhǔn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)區(qū)域選擇湖南省邵陽(yáng)市武岡市，位于東經(jīng)110°25′26″～111°01′58″與北緯25°32′42″～25°27′02″之間。境域地形三面環(huán)山、中部低平、北向敞口，大體呈南高北低傾斜地勢(shì)，地貌以山地、丘陵為主，山、丘、崗、平、水俱全。地貌成因分構(gòu)造、侵蝕（溶蝕）和堆積地貌等。

前時(shí)相影像：資源3號(hào)（ZY3），全色影像分辨率為2 m，多光譜分辨率為5 m，現(xiàn)勢(shì)性為2013年3月。后時(shí)相影像：高分1號(hào)（GF1），全色影像分辨率為2 m，多光譜分辨率為8 m，現(xiàn)勢(shì)性為2014年12月。

2.2 影像預(yù)處理

2.2.1 預(yù)處理技術(shù)

由于傳感器自身的成像機(jī)理以及成像時(shí)的環(huán)境條件變化（如地形起伏、地球曲率、天氣變化、大氣散射反射等），使所得的圖像數(shù)據(jù)存在著不同程度的模糊、失真、扭曲變形、斑點(diǎn)噪聲等現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了影像質(zhì)量，為以后的處理工作帶來(lái)很多的不便。圖像預(yù)處理就是在正式融合之前，利用一定的技術(shù)手段，消除或削弱不良因素，改善圖像的視覺效果，或?qū)D像轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N更適合于人或機(jī)器分析的形式。圖像預(yù)處理主要包括圖像的去噪、圖像的幾何糾正、配準(zhǔn)、輻射增強(qiáng)等。

2.2.2 圖像的增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)就是采用一定方法對(duì)圖像的某些特征（如邊緣、輪廓、對(duì)比度等）進(jìn)行調(diào)整，以突出圖像中的某些感興趣的信息，同時(shí)抑制或去除某些不需要的信息來(lái)提高遙感圖像質(zhì)量的處理方法[1]。圖像增強(qiáng)可以有選擇地突出感興趣信息，改善圖像質(zhì)量、提高圖像使用價(jià)值，使之更適合人的視覺或機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)[2]。

如圖2是在MATLAB下對(duì)影像灰度均衡化增強(qiáng)的直方圖效果對(duì)比。

2.2.3 圖像的糾正和配準(zhǔn)

幾何糾正包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是像素坐標(biāo)的變換，即將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地圖或地面坐標(biāo)；二是對(duì)坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn)行重采樣。遙感圖像幾何糾正的主要處理過(guò)程如圖3所示。

多傳感器遙感影像融合首先要解決配準(zhǔn)問(wèn)題。圖像配準(zhǔn)可定義為兩相鄰圖像之間的空間變換和灰度變換，即先將一圖像象素的坐標(biāo)映射到一個(gè)新坐標(biāo)系中的某一坐標(biāo)，再對(duì)其象素進(jìn)行重采樣，配準(zhǔn)的流程如圖4。

2.3 基于影像融合的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)圖斑提取

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的影像融合是對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)多時(shí)相的多光譜影像和全色影像進(jìn)行融合，提高影像的空間分辨率和光譜分辨率，增強(qiáng)影像的視覺效果；而不同時(shí)相影像的交叉融合又會(huì)突出影像的變異斑塊，從而方便地監(jiān)測(cè)出變化的區(qū)域。目前地理國(guó)情監(jiān)測(cè)主要可以分為兩大類，一類是利用不同時(shí)相遙感影像變化信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另一類是利用單一時(shí)相遙感影像和土地利用基礎(chǔ)圖件進(jìn)行變化信息監(jiān)測(cè)。本文采用的是前一類。

光譜特征變異法是運(yùn)用多源數(shù)據(jù)的融合技術(shù)，將來(lái)自不同傳感器的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，變化區(qū)域呈現(xiàn)特殊的影像特征的一種方法[3]。同一地物環(huán)境在前時(shí)相ZY3影像上的光譜信息與其在后時(shí)相GF1影像上的光譜信息是一一對(duì)應(yīng)的，影像融合時(shí)，可以顯示出地物的正確光譜屬性，但如果兩者信息表現(xiàn)為不一致時(shí)，融合后影像的光譜就表現(xiàn)得與正常地物有所差別，此時(shí)就稱地物發(fā)生了光譜特征變異。

案例1：如圖為武岡市2013年3月ZY3影像和2014年12月GF1多光譜影像，運(yùn)用ERDAS9.1的IHS變換融合，從影像中很容易看到變異的圖斑。

2.4 基于影像融合的年度變更調(diào)查監(jiān)測(cè)圖斑提取

年度土地利用變更調(diào)查對(duì)于我國(guó)國(guó)土資源的科學(xué)利用和管理具有十分重要的意義，利用遙感影像融合監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)和提取土地利用變更源是保證土地調(diào)查數(shù)據(jù)精確性和現(xiàn)勢(shì)性的有效手段。

案例2：如圖為岳陽(yáng)市君山區(qū)2015年12月GF2影像和2016年12月SP6部分影像，運(yùn)用ERDAS9.1的小波變換融合，融合后的結(jié)果如圖10所示。

2.5 變化精度評(píng)定

土地利用變更調(diào)查由于只監(jiān)測(cè)建設(shè)用地的變化，從圖10經(jīng)過(guò)融合后新增的建設(shè)用地用肉眼還是很容易辨別出來(lái)的，本文重點(diǎn)針對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中基礎(chǔ)地表覆蓋各地類分類面積的正確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

變化面積精度是指分類圖像中變化的像元和正確變化的像元接近程度。各融合方法的優(yōu)劣是用變化面積誤差率來(lái)評(píng)定的，面積誤差率用式1計(jì)算[4]。各類的變化面積和實(shí)際變化面積和誤差率如表1所示。

×100

（式1）

為了能直觀的看到變化面積的誤差率，用散點(diǎn)圖表示如圖11所示。

2.6 遙感影像融合變化監(jiān)測(cè)適應(yīng)性分析

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是在地理國(guó)情普查成果的基礎(chǔ)上，按照地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的內(nèi)容與指標(biāo)，對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的地表覆蓋和地理國(guó)情要素開展基礎(chǔ)性變化監(jiān)測(cè)，并對(duì)變化內(nèi)容進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)和空間分析，形成地理國(guó)情監(jiān)測(cè)報(bào)告。其中地表覆蓋尤其重要，綜合表1及圖11可以得出，對(duì)于地表覆蓋分類中，水域、道路、建筑區(qū)、構(gòu)筑物等遙感影像融合方法能監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的地物特征變化，國(guó)情變化監(jiān)測(cè)誤差率相對(duì)較小，而地理國(guó)情覆蓋年度變化監(jiān)測(cè)中，水域、道路、建筑區(qū)、構(gòu)筑物占變化監(jiān)測(cè)的絕大部分，因此本文研究對(duì)于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

年度土地利用變更調(diào)查是國(guó)土資源部自2010年后每年利用兩時(shí)相（兩個(gè)變化年度）的影像，利用影像處理技術(shù)并結(jié)合目視判讀解譯，獲取年度變化圖斑，提取變化信息。隨著模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)的發(fā)展，遙感影像融合技術(shù)將在變更圖斑提取中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

3 結(jié)論

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像融合技術(shù)作為遙感影像分析的一種有效工具，成為遙感研究的前沿，并得以迅速發(fā)展。本文對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和年度變更調(diào)查中的遙感影像預(yù)處理，基于影像融合的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)圖斑、年度變更調(diào)查監(jiān)測(cè)圖斑提取，進(jìn)行了總結(jié)；提出了基于影像融合的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)方法流程，變化精度評(píng)定，并對(duì)國(guó)情監(jiān)測(cè)和土地變更調(diào)查的適用性做了分析總結(jié)，為開展常態(tài)化地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和年度變更調(diào)查奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)/References

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[2] F.Sunar and N.Musaoglu. Merging multi-resolution SPOT P and Landsat TM data： the effects and advantages [J]. International Joumal of Remote Sensing， 1998， vol.19，220-223.

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[4] 鄧潔. 遙感影像融合在土地利用變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究. 碩士論文[D]. 阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)， 2009.