基于OIF和最優(yōu)尺度分割的GF?2影像分類適用性研究

任金銅 楊武年 鄧曉宇 王蕾 王芳

摘 要： 高分二號(hào)作為國產(chǎn)高分辨率遙感的代表，其影像數(shù)據(jù)對(duì)提高地物信息提取的質(zhì)量和精度的作用值得研究和探索。通過分析高分二號(hào)多光譜數(shù)據(jù)特點(diǎn)，利用OIF指數(shù)選取最佳波段組合，選用ESP最優(yōu)尺度分析算法獲得研究區(qū)最優(yōu)分割尺度，最后在最佳波段組合和最優(yōu)分割尺度的基礎(chǔ)上提取典型地物，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，高分二號(hào)多光譜數(shù)據(jù)最佳波段組合為134；利用最佳波段組合和最優(yōu)分割尺度提取地物信息的總體分類精度均大于85%，Kappa系數(shù)均大于0.8，分類結(jié)果精度較高；從總體來看，當(dāng)選用最優(yōu)分割尺度為82時(shí)，分類結(jié)果精度最高，其總體精度為93%，Kappa系數(shù)為0.910；其次是最優(yōu)分割尺度為31，其總體精度為89%，Kappa系數(shù)為0.859；最優(yōu)分割尺度為42的分類結(jié)果精度表現(xiàn)最差，其總體精度為85%，Kappa系數(shù)為0.808。

關(guān)鍵詞： 高分二號(hào)； OIF； 多尺度分割； 面向?qū)ο蠓诸悾?KNN； 遙感衛(wèi)星； 地物信息提取

中圖分類號(hào)： TN911.73?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0072?06

Abstract： GF?2 is a representative of high?resolution remote sensing satellites of China， whose image data′s function to improve the quality and accuracy of ground object information extraction is worthy of research and exploration. Optimal waveband combinations are selected by analyzing the characteristics of GF?2′s multispectral data and using the OIF indexes. The ESP optimal scale analysis algorithm is selected to obtain the optimal segmentation scales in the research area. On the basis of optimal waveband combinations and optimal segmentation scales， the typical ground objects are extracted and the accuracy of classification results is verified. The research results show that the optimal waveband combination of GF?2′s multispectral data is 134； the overall classification accuracy of ground object information extracted by means of optimal waveband combinations and optimal segmentation scales is larger than 85%， the Kappa coefficient is larger than 0.8， and the accuracy of classification results is high； on the whole， when the selected optimal segmentation scale is 82， the accuracy of the classification results is the highest （the overall accuracy is 93% and the Kappa coefficient is 0.910）； when the optimal segmentation scale is 31， the accuracy of the classification results comes to the second （the overall accuracy is 89% and the Kappa coefficient is 0.859）； when the optimal segmentation scale is 42， the accuracy of the classification results is the lowest （the overall accuracy is 85% and the Kappa coefficient is 0.808）.

Keywords： GF?2； OIF； multi?scale segmentation； object?oriented classification； KNN； remote sensing satellite； ground object information extraction

0 引 言

隨著空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展，20世紀(jì)90年代以來高分辨率遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)逐漸進(jìn)入商業(yè)和民用領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊[1]。2006年我國將高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)（高分專項(xiàng)）列入《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，高分二號(hào)（GF?2）的成功發(fā)射，宣告了我國高空間分辨率遙感進(jìn)入亞米時(shí)代[2]。

“高分專項(xiàng)”的實(shí)施使得我國自主獲取高空間分辨率遙感衛(wèi)星影像的能力越來越強(qiáng)。如何提高國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)處理能力和信息提取精度值得進(jìn)一步研究和探索。針對(duì)國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用方面已有較多的研究，研究人員分別從國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理能力和定位精度等方面開展了相關(guān)研究[3?9]。在國產(chǎn)衛(wèi)星遙感應(yīng)用方面，開展了諸如土地利用、地理國情監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查、專題地物信息提取及生態(tài)環(huán)境等方面的研究工作[10?19]。目前，針對(duì)GF?2遙感影像數(shù)據(jù)處理及信息提取方面的研究，主要涉及遙感數(shù)據(jù)融合方法及地物信息的提取[20?23]。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

高分二號(hào)于2014年8月19日發(fā)射成功，是我國自主研發(fā)的首顆空間分辨率優(yōu)于1 m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有兩臺(tái)高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機(jī)[2]。據(jù)中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心統(tǒng)計(jì)，截止2017年5月31日GF?2存檔數(shù)據(jù)0級(jí)產(chǎn)品1 513 225景，1A級(jí)產(chǎn)品782 957景，2A級(jí)產(chǎn)品5 250景，GF?2遙感影像數(shù)據(jù)已被應(yīng)用于國土、住建、交通和林業(yè)等多個(gè)部門[24]。

本研究選用四川高分中心提供的2015年8月5日GF?2的PMS1遙感數(shù)據(jù)（GF2_PMS1_E105.3_N29.6_20150805_L1A0000962396?MSS1），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括4 m多光譜數(shù)據(jù)和1 m全色數(shù)據(jù)，其中，多光譜數(shù)據(jù)包括有藍(lán)（0.45～0.52 μm）、綠（0.52～0.59 μm）、紅（0.63～0.69 μm）和近紅外（0.77～0.89 μm）波段。選取影像數(shù)據(jù)中地物特征較為典型的2 000×2 000像元的區(qū)域作為研究區(qū)開展研究工作，如圖1所示，研究區(qū)內(nèi)分布有城鎮(zhèn)建筑物、耕地、林地、水體和裸地等典型地物類型。

2 GF?2影像數(shù)據(jù)預(yù)處理及最佳波段組合

2.1 GF?2衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

針對(duì)GF?2遙感影像數(shù)據(jù)特點(diǎn)及后續(xù)研究需要，利用ENVI軟件平臺(tái)開展數(shù)據(jù)預(yù)處理工作：

1） 針對(duì)GF?2衛(wèi)星遙感影像的亮度值偏低、影像整體色調(diào)偏暗的現(xiàn)象，進(jìn)行Linear 3%的線性拉伸，以實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)處理；

2） 利用中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的《2016年國產(chǎn)陸地觀測衛(wèi)星外場絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)》進(jìn)行輻射定標(biāo)處理；

3） 利用GF?2影像數(shù)據(jù)自帶的RPC文件和地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）提供的DEM（ASTER GDEM V2）數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行正射校正；

4） 選取具有典型地物特征的區(qū)域，對(duì)研究區(qū)2 000×2 000像元區(qū)域進(jìn)行裁剪和重采樣，獲取研究區(qū)影像數(shù)據(jù)。

2.2 最佳波段組合選取

為了充分利用GF?2多光譜影像特征，有針對(duì)地選取不同波段組合開展相關(guān)研究是很有必要的。最佳指數(shù)因子（Optimum Index Factor，OIF）是美國查維茨首次提出，OIF理論以波段合成后的信息量最大和波段間信息相關(guān)性最小作為選取最佳波段的依據(jù)[25]，具體計(jì)算公式為：

式中：Si表示i波段的輻射亮度值的標(biāo)準(zhǔn)差；Rij表示i，j波段之間的相關(guān)系數(shù)；m表示波段合成總數(shù)。

如圖2和表1所示，通過不同波段組合和相關(guān)計(jì)算可知：

1） 波段134組合的標(biāo)準(zhǔn)差之和最大，相關(guān)系數(shù)之和最小，OIF指數(shù)也就最大；而波段123組合的標(biāo)準(zhǔn)差之和最小，相關(guān)系數(shù)之和最大，說明波段123組合的數(shù)據(jù)量最小，波段間冗余度最大，OIF指數(shù)最小。

2） 通過對(duì)不同波段組合進(jìn)行OIF計(jì)算排序后，得到研究區(qū)GF?2多光譜數(shù)據(jù)的最佳波段組合方案134，其次是234。

3） 對(duì)研究區(qū)GF?2多光譜波段進(jìn)行不同波段組合，通過可視化方式的假彩色合成效果對(duì)比可知，波段321組合的RGB假彩色合成顯示效果最接近真實(shí)地物色彩，符合人們對(duì)地物理解；波段431組合的效果由于利用近紅外波段替代波段紅波段進(jìn)行RGB假彩色合成，植被和水體特征被進(jìn)一步凸顯，影像色彩特征更為豐滿。

3 GF?2影像最佳波段組合分類適用性

3.1 基于最優(yōu)分割尺度的面向?qū)ο蠓诸?/p>

為了解決基于像元分析的遙感分類方法難以綜合考慮地物目標(biāo)中除光譜特征以外的信息，研究者提出了影像對(duì)象的概念，將影像中具有同質(zhì)性的區(qū)域分割出來作為后續(xù)處理的最小單元[26]。面向?qū)ο蟮倪b感影像分類質(zhì)量和精度，不僅取決于影像自身的特點(diǎn)，還取決于對(duì)影像分割的質(zhì)量。當(dāng)分割尺度較小時(shí)，目標(biāo)地物類型將被分割成較多的影像對(duì)象，出現(xiàn)“過分割”現(xiàn)象；反之，分割尺度設(shè)置過大，分割后的影像對(duì)象可能包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的目標(biāo)地物類型，出現(xiàn)“欠分割”現(xiàn)象[27]，只有在獲得較好分割效果的基礎(chǔ)上，地物信息的提取與目標(biāo)特征的識(shí)別才可獲得理想的效果[28]。多尺度分割是對(duì)不同尺度的影像對(duì)象層采用不同的尺度分割[29]。由于不同地物類別具有不同的尺度，如果基于單一的尺度進(jìn)行分割，會(huì)使得分割后的圖像變得過于破碎或分割不完全，這樣的分割很難保證影像的分類精度。為確保分類精度，應(yīng)盡量選擇最優(yōu)尺度進(jìn)行遙感圖像分割，最優(yōu)分割尺度本質(zhì)上是提取地物信息獲得高精度地物類別的最適合尺度[30]。

3.1.1 基于ESP的最優(yōu)分割尺度選擇

ESP（Estimation of Scale Parameter）方法是2010年由Dr?gu? L.，Csillik O.等人提出，2014年修改完善的最優(yōu)分割尺度計(jì)算方法[31]。其思路是根據(jù)不同對(duì)象的異質(zhì)性建立局部方差（Local Variance，LV），以迭代的方式自上而下的計(jì)算影像對(duì)象在多尺度范圍中各層的局部方差，局部方差的閾值變化率（Rate of Change，ROC）表明影像在每一層的范圍中根據(jù)影像數(shù)據(jù)本身屬性所得到最適合方式得到的分割尺度，異質(zhì)性的變化通過回執(zhí)一個(gè)局部方差與對(duì)應(yīng)尺度關(guān)系圖計(jì)算得到[27]。其中，

3.1.2 基于最優(yōu)分割尺度的面向?qū)ο笮畔⑻崛?/p>

本研究選用K最鄰近（K?Nearest Neighbor，KNN）分類算法進(jìn)行地類信息提取，使用KNN方法進(jìn)行樣本類別劃分時(shí)，只與相鄰的樣本有關(guān)，在一定程度上改善了過分依賴極限定理的現(xiàn)象。由于研究區(qū)地物類別較為復(fù)雜，易產(chǎn)生交叉或重疊的待分樣本，因此選用KNN分類算法。

在進(jìn)行面向?qū)ο笮畔⑻崛∵^程中，選用研究區(qū)GF?2多光譜影像的最佳波段431組合進(jìn)行RGB假彩色合成，為了提高可視效果利用全色波段進(jìn)行綠波段增強(qiáng)。分別選取最優(yōu)分割尺度為31，42，82對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，將研究區(qū)地類劃分為：耕地、林地、建設(shè)用地、水體和裸地五種地物類型，不同最優(yōu)分割尺度的分類結(jié)果如圖4所示。

3.2 分類結(jié)果的精度評(píng)價(jià)

本研究采用定量評(píng)價(jià)主要基于常用的混淆矩陣計(jì)算分類結(jié)果的總體精度、Kappa系數(shù)，以及分類結(jié)果中各地類的生產(chǎn)精度、用戶精度等。結(jié)合圖4的分類結(jié)果對(duì)比表2、表3和表4可知：

1） 最優(yōu)分割尺度為82的總體分類精度最高，其次是最優(yōu)分割尺度31，相對(duì)而言最優(yōu)分割尺度42表現(xiàn)最差；

2） 總體來說，三種最優(yōu)分割尺度的總體分類精度大于80%，Kappa系數(shù)均大于0.8，說明GF?2多光譜數(shù)據(jù)在選取最佳波段組合后，利用ESP算法獲取最優(yōu)分割尺度進(jìn)行的面向?qū)ο蠓诸愡^程中，獲得了較理想的分類效果。

當(dāng)最優(yōu)分割尺度為31時(shí)進(jìn)行KNN面向?qū)ο蠓诸?，由?可知：

1） 水體和建設(shè)用地分類結(jié)果較好，生產(chǎn)精度較高，被正確分類結(jié)果占比較高；林地和耕地的生產(chǎn)者精度偏低，被正確分類結(jié)果相比水體和建設(shè)用地偏低；裸地的生產(chǎn)精度最低，被正確分類結(jié)果最差。

2） 從用戶精度來看，耕地被錯(cuò)分誤差較大，其次是林地。

3） 從分類結(jié)果混淆矩陣可知，分類結(jié)果中有部分林地被錯(cuò)分為耕地，部分耕地被錯(cuò)分為了建設(shè)用地和裸地，有些建設(shè)用地被錯(cuò)分為裸地，小部分裸地被錯(cuò)分為了耕地。

當(dāng)分類選用最優(yōu)分割尺度為42時(shí)，通過表3可看出：

1） 從生產(chǎn)精度來看，耕地和建設(shè)用地生產(chǎn)者精度較高，被正確分類結(jié)果占比較高；其次是林地和裸地，水體表現(xiàn)最差，被正確分類結(jié)果占比最低。

2） 從用戶精度來看，林地和水體的最高，其次是裸地和建設(shè)用地，耕地表現(xiàn)最差。

3） 從混淆矩陣的錯(cuò)分情況來看，林地和水體所選樣本并未被錯(cuò)分；耕地錯(cuò)分較多，部分耕地被錯(cuò)分為林地、水體、裸地和建設(shè)用地；建設(shè)用地中有被錯(cuò)分為水體的情況。

當(dāng)分類選用最優(yōu)分割尺度為82時(shí)，從表4可看出：

1） 從生產(chǎn)精度來看，耕地最高，耕地被正確分類占比最高，分類效果最好，其次是林地、水體和建設(shè)用地，裸地最低。

2） 對(duì)于用戶精度，林地、水體和裸地的最高，其次是建設(shè)用地，耕地最差。

3） 從混淆矩陣的錯(cuò)分情況來看，所選驗(yàn)證樣本中，耕地、水體和裸地未被錯(cuò)分，部分建設(shè)用地被錯(cuò)分為水體，耕地被錯(cuò)分情況最為嚴(yán)重，部分耕地被錯(cuò)分為林地、裸地和建設(shè)用地。

4 結(jié) 論

通過對(duì)GF?2多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行OIF指數(shù)計(jì)算，獲得最佳波段組合；通過ESP算法選擇最優(yōu)分割尺度，利用KNN面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄟM(jìn)行分類，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)得出以下結(jié)論：

1） 由計(jì)算OIF指數(shù)可知，GF?2多光譜數(shù)據(jù)134波段組合的波段信息量最大、波段間的信息相關(guān)性最小，確定為最佳波段組合；

2） 通過ESP算法的計(jì)算，分析最優(yōu)尺度分析結(jié)果ROC?LV圖，選取尺度為31，42和80作為最優(yōu)分割尺度對(duì)圖像進(jìn)行分割；

3） 利用最佳波段組合和最優(yōu)分割尺度對(duì)GF?2多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行KNN面向?qū)ο蠓诸?，通過對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行定性和定量分析發(fā)現(xiàn)：從定性分析來看，采用三種最優(yōu)分割尺度進(jìn)行分割，都獲得了較為滿意的分類效果，由于尺度的不同，選用最優(yōu)分割尺度為82時(shí)，分類結(jié)果中部分細(xì)節(jié)被錯(cuò)分，如林地和耕地，但陰影被錯(cuò)分較少，而對(duì)于最優(yōu)分割尺度為31，42時(shí)，雖能保持地物細(xì)節(jié)，但陰影部分被錯(cuò)分為水體較多，部分水體由于色調(diào)偏亮被錯(cuò)分為建設(shè)用地；從定量分析來看，三者最優(yōu)分割尺度的分類效果的總體分類精度均大于80%，Kappa系數(shù)均大于0.8，可見分類效果較好，其中選用最優(yōu)分割尺度為82的分類精度最高，其次是最優(yōu)分割尺度為31的分類精度。

總體來說，最優(yōu)分割尺度為82的總體分類精度最高，但往往忽視地物細(xì)節(jié)，由于分割尺度較大，部分細(xì)碎地物被錯(cuò)分為其他地物類別；最優(yōu)分割尺度為31的分類由于所選分割尺度較小，能夠保留細(xì)碎地物而不被錯(cuò)分，但總體分類精度相比最優(yōu)分割尺度為82的精度稍低。根據(jù)實(shí)際工作需要，可參考選擇不同最優(yōu)分割尺度開展圖像分割。然而，本研究僅利用GF?2多光譜數(shù)據(jù)開展研究工作，應(yīng)用全色波段作為輔助，并未對(duì)其融合后的亞米級(jí)高分影像開展研究。另外，由于地物類別復(fù)雜多變，最優(yōu)尺度分割的適應(yīng)度還有待于進(jìn)一步研究。

注：本文通訊作者為楊武年。

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