遙感影像變化檢測綜述

任秋如，楊文忠*，汪傳建，魏文鈺，錢蕓蕓

（1.新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.安徽大學(xué)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，合肥 230039）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們在對地球進(jìn)行探索的同時(shí)發(fā)現(xiàn)大自然在慢慢地發(fā)生變化，造成這些變化的因素主要有兩個(gè)：一個(gè)是自然變化，比如四季的交替讓萬物更迭、自然災(zāi)害引起地表以及自然資源的變化、板塊運(yùn)動(dòng)使得山川河流顛倒；另一個(gè)是人類活動(dòng)造成的變化，包括農(nóng)、林、漁、牧、礦、工、商、交通、觀光和各種工程建設(shè)使得土地利用和土地覆蓋（Land Use/Land Cover，LULC）發(fā)生變化，其中人口增長與過度開發(fā)造成了一定的非自然變化甚至是對自然資源的嚴(yán)重破壞［1］。利用衛(wèi)星遙感來觀測地球，可以根據(jù)地表狀態(tài)和變化信息來達(dá)到對自然資源的合理開發(fā)，從更宏觀的角度來保護(hù)地球，促進(jìn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展。遙感技術(shù)在經(jīng)過60年來的研究發(fā)展后，遙感影像獲取技術(shù)具有多傳感器、多平臺(tái)、多角度的“三多”特征，獲取的影像具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率和高輻射分辨率的“四高”特征，通過遙感影像可以實(shí)現(xiàn)對地表實(shí)體和現(xiàn)象的變化檢測，從而進(jìn)一步地回答“when”“where”“what object”和“what change”的“4w”問題［2］。

變化檢測是通過在不同時(shí)間觀察同一對象或現(xiàn)象來識(shí)別其狀態(tài)差異的過程［3］。自動(dòng)、半自動(dòng)化的變化檢測已經(jīng)在城市規(guī)劃、土地利用/覆蓋、植被變化、災(zāi)害監(jiān)測、地圖更新和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如，G?rtner等［4］通過檢測樹冠的生長變化來檢測自然植被的覆蓋變化，適用于發(fā)現(xiàn)河岸森林植被的退化，有助于檢測評(píng)估瀕危生態(tài)系統(tǒng)；Lu等［5］通過檢測降雨、臺(tái)風(fēng)和地震引發(fā)的山體滑坡來進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測；Lin等［6］提出了一種新的時(shí)間序列變化檢測方法來檢測分析土地利用和土地覆蓋的變化；季順平等［7］結(jié)合全空洞卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS（Geographic Information Systems）數(shù)據(jù)的分類后檢測方法對武漢市進(jìn)行城市土地覆蓋分類與變化檢測，提出的算法成功應(yīng)用于2018年武漢市城市土地覆蓋GIS數(shù)據(jù)庫的更新?，F(xiàn)已有多種基于遙感的變化檢測方法被提出，有些學(xué)者也對變化檢測方法和技術(shù)進(jìn)行了綜述［1-2，7-9］。然而，通過對這些綜述的總結(jié)分析可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樽兓瘷z測過程的復(fù)雜性，尚還不存在一種普遍的變化檢測技術(shù)，大多都是根據(jù)特定的應(yīng)用場景選擇了相對合適的變化檢測方法，不具有普適性和推廣性。

變化檢測的流程大致可以分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、變化檢測技術(shù)選擇和精度評(píng)價(jià)三個(gè)階段，如圖1所示。現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者的研究大多都是針對第二階段展開的，變化檢測技術(shù)的選擇是整個(gè)變化檢測過程的核心，對檢測結(jié)果的好壞起到重要的作用［9］。變化檢測領(lǐng)域常用的檢測方法主要是分類后變化檢測［10］，但是該方法的精度主要取決于分類結(jié)果的好壞，這是研究人員們一直努力解決的問題之一。隨著深度學(xué)習(xí)的廣泛應(yīng)用，該方法漸漸地被引入到了變化檢測領(lǐng)域中，深度學(xué)習(xí)［11］能提供一種端到端的變化檢測，所以在大大簡化變化檢測復(fù)雜性的同時(shí)提高了檢測結(jié)果的精度，受到許多研究人員的歡迎，因此近幾年基于深度學(xué)習(xí)的變化檢測研究層出不窮［7，12-14］。雖然變化檢測技術(shù)的選擇是變化檢測過程中的重中之重，但是合適的預(yù)處理操作和正確的精度評(píng)價(jià)也同樣必不可少，因?yàn)榍罢吣芙o變化信息的提取奠定基礎(chǔ)，后者能更直觀地檢驗(yàn)方法的性能，比較多個(gè)方法的優(yōu)劣，所以這三個(gè)階段缺一不可。

近年來，雖然變化檢測領(lǐng)域的研究進(jìn)行得如火如荼，尤其是基于深度學(xué)習(xí)的變化檢測受到很多研究者的青睞，但是離實(shí)時(shí)的、自動(dòng)化的變化檢測要求還有一定的差距，未來的研究仍要在變化檢測方法的選取、變化檢測過程的確定以及變化檢測結(jié)果精度的提高等方面做進(jìn)一步的研究。

基于以上背景，為了較全面地對過去幾十年的遙感影像變化檢測研究進(jìn)行總結(jié)以及探討存在的問題和未來的發(fā)展，本文將從變化檢測的發(fā)展歷程、變化檢測流程、挑戰(zhàn)與發(fā)展這三個(gè)方面展開綜述。首先變化檢測的發(fā)展歷程方面包括遙感衛(wèi)星的發(fā)展和變化檢測的發(fā)展階段這兩個(gè)部分；其次變化檢測流程包括數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理、變化檢測技術(shù)、后處理及精度評(píng)價(jià)，其中變化檢測技術(shù)主要包含了4種分析單元、4種比較方法及是否考慮先驗(yàn)知識(shí)；最后提出了在變化檢測領(lǐng)域現(xiàn)存的一些挑戰(zhàn)以及變化檢測未來的發(fā)展方向。本文旨在對變化檢測領(lǐng)域有一個(gè)較全面的回顧，在多人研究總結(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行梳理，能在以后的研究發(fā)展中起到一定的作用。

1 變化檢測的發(fā)展歷程

從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)外研究學(xué)者們就開始對基于遙感影像的變化檢測進(jìn)行了各種研究，1977年Weismiller等［15］提出了圖像差分方法并對沿海地區(qū)進(jìn)行了變化檢測，開啟了基于遙感變化檢測的時(shí)代。在變化檢測這四十多年來的發(fā)展中，各國政府發(fā)射了多顆衛(wèi)星，擴(kuò)充了遙感影像的數(shù)據(jù)源，同時(shí)學(xué)者們也提出了非常多的影像處理方法、檢測算法，為變化檢測這一研究領(lǐng)域提供了有力的技術(shù)支持?，F(xiàn)如今，太多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和方法讓研究人員眼花繚亂，因此，本章將梳理一下變化檢測的發(fā)展歷程，給出變化檢測這個(gè)領(lǐng)域一個(gè)比較清楚的認(rèn)識(shí)。

1.1 遙感衛(wèi)星發(fā)展

根據(jù)不同的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)會(huì)有所不同，所以本文總結(jié)了可用于變化檢測的主要遙感衛(wèi)星，如圖2所示。美國在遙感衛(wèi)星領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，早在1961年就發(fā)射了世界上第一顆氣象衛(wèi)星，拉開了遙感衛(wèi)星發(fā)展的序幕。之后在1972年發(fā)射了第一顆陸地觀測衛(wèi)星Landsat-1，提供了中等分辨率以及長時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)，1982年Landsat-4衛(wèi)星發(fā)射，將分辨率提高到了30 m。法國于1986年發(fā)射了SPOT-1（Systeme Probatoire d’Observation de la Terre）遙感衛(wèi)星，成功將空間分辨率提高到了10 m；1998年發(fā)射的SPOT-4衛(wèi)星加入了中紅外譜段，使得能夠分類識(shí)別植物并且能進(jìn)行冰雪探測。隨后一年，美國于九月底成功發(fā)射IKONOS衛(wèi)星，成為世界上第一顆分辨率優(yōu)于1 m的商業(yè)遙感衛(wèi)星，為軍民用戶提供高分辨率遙感影像。當(dāng)高分辨率遙感影像為陸地觀測帶來了巨大便利后，各國研究者都想獲得更加精細(xì)的遙感影像。美國于2001年成功發(fā)射了QuickBird衛(wèi)星，再次將分辨率更新到了亞米級(jí)。隨后越來越多的亞米級(jí)遙感衛(wèi)星成功升天，如2007年發(fā)射的WorldView-1衛(wèi)星分辨率為0.5 m；2008年發(fā)射的GeoEye衛(wèi)星分辨率為0.41 m；2014年發(fā)射的WorldView-3衛(wèi)星分辨率為0.31 m；2015年發(fā)射的北京二號(hào)衛(wèi)星分辨率為0.8 m，是中國首顆亞米級(jí)遙感衛(wèi)星。近年來除了用這些常用的遙感衛(wèi)星進(jìn)行變化檢測，也有學(xué)者用夜間燈光遙感數(shù)據(jù)檢測城市的變化［16］，以及將夜間遙感燈光數(shù)據(jù)與普通遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法來進(jìn)行城鎮(zhèn)的擴(kuò)張檢測［17］。除此之外，利用無人機(jī)來進(jìn)行變化檢測也是一個(gè)流行的方法［18］。

圖2 遙感衛(wèi)星發(fā)展Fig.2 Development of remote sensing satellite

1.2 變化檢測發(fā)展階段

本文在多位研究學(xué)者研究、總結(jié)［19］的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了變化檢測的發(fā)展歷程，主要包括變化檢測萌芽期、變化檢測的興起、變化檢測高潮期和變化檢測浪潮期這四個(gè)階段。

1）第一階段（1970—1989）：變化檢測萌芽期。主要是基于像素的變化檢測，一是因?yàn)檫@一階段各國的遙感影像都屬于中低分辨率，像素較為模糊，很難建立圖像對象；二是操作簡單，通過對像素單元進(jìn)行簡單的代數(shù)運(yùn)算就能得到差異圖，再選取閾值就能得到相應(yīng)的變化結(jié)果圖。這一階段主要的變化檢測方法有代數(shù)法［20］、變換法［21-22］、分類法［23］等。

2）第二階段（1990—1999）：變化檢測的興起。先經(jīng)過分類與回歸樹［24-25］、反向傳播算法［26-27］、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［13，28］這些機(jī)器學(xué)習(xí)方法的提出，而后有支持向量機(jī)［29-31］、AdaBoost算法［32］、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［14］和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)等方法的日趨成熟與應(yīng)用，使得基于機(jī)器學(xué)習(xí)的變化檢測研究發(fā)展十分迅速。不再是進(jìn)行簡單的層運(yùn)算，而是能夠經(jīng)過更嚴(yán)密的數(shù)學(xué)計(jì)算來實(shí)現(xiàn)更好效果的變化檢測結(jié)果，進(jìn)一步提高遙感影像變化檢測的精度。除了機(jī)器學(xué)習(xí)的推動(dòng)之外，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)［33］的成熟發(fā)展以及一些混合類方法［34］的提出都促進(jìn)著遙感影像變化檢測邁向新的臺(tái)階。

3）第三階段（2000—2009）：變化檢測的高潮。在這一時(shí)期，高分辨率以及亞米級(jí)商業(yè)遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射和迅速發(fā)展，讓遙感影像的空間分辨率越來越高，基于此，面向?qū)ο蟮膱D像分析（Object Based Image Analysis，OBIA）開始被引入到了變化檢測領(lǐng)域中?；谙袼氐母鞣N方法也都對應(yīng)著引入到了基于對象的變化檢測中，得到的變化圖和精度都取得了不錯(cuò)的結(jié)果［35-36］。除此之外，將基于像素與基于對象的方法相結(jié)合來充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，也得到了更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［37-38］。

4）第四階段（2010—至今）：變化檢測的浪潮。隨著大數(shù)據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展，以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的人工智能進(jìn)入了蓬勃發(fā)展期，尤其是在2012年Hinton參加ImageNet比賽中提出AlexNet網(wǎng)絡(luò)一舉奪冠后，深度學(xué)習(xí)開始興起甚至爆發(fā)。之后深度學(xué)習(xí)方法也被迅速地引入到了基于遙感的變化檢測中來，包括深度信念網(wǎng)絡(luò)［39］、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［13，28］、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［14］、卷積自編碼［40］等方法。

2 變化檢測流程

經(jīng)過多年的研究，各種變化檢測流程被提出，比如，韓閃閃等［41］把面向?qū)ο蟮耐恋乩米兓瘷z測過程分為建立多邊形對象、影像分類、分類結(jié)果類別比較得到變化檢測圖像這三部分；Jabari等［42］認(rèn)為變化檢測過程一般分為建立雙時(shí)相圖像間的空間關(guān)系、指定變化檢測的元素、指示變化這三個(gè)步驟；顧煉等［43］將變化檢測流程分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練和預(yù)測結(jié)果三個(gè)部分。但是總體來說，變化檢測的流程大致分為數(shù)據(jù)的預(yù)處理、變化檢測技術(shù)選擇和精度評(píng)價(jià)這三個(gè)部分。

2.1 數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)選擇

遙感影像的獲取是進(jìn)行變化檢測的首要任務(wù)，如1.1節(jié)所述，隨著遙感衛(wèi)星的發(fā)展，數(shù)據(jù)源逐年增加，除了從遙感衛(wèi)星能夠獲得的光學(xué)影像和SAR（Synthetic Aperture Radar）影像之外，還可通過無人機(jī)采集到影像以及GIS采集、存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)源優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景如表1所示。

表1 各數(shù)據(jù)源優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景Tab.1 Advantages and disadvantages of data sources and their applicable scenarios

首先獲取的遙感影像要盡可能地沒有云霧遮擋，在選擇圖像時(shí)盡量選擇云量為0%或者接近于0%，這樣才能更易于識(shí)別地表狀態(tài)。其次多時(shí)相遙感影像變化檢測因?yàn)樾枰坏攸c(diǎn)的兩幅或者多幅不同時(shí)間的遙感影像數(shù)據(jù)，這就要求在獲取數(shù)據(jù)時(shí)要考慮季節(jié)、作物生長規(guī)律、天氣以及光照等因素，最好選擇不同年份在同一季度甚至同一月份的遙感影像，這樣能在一定程度上減少植被以及作物因生長更替所引起的偽變化。最后對于時(shí)間序列的遙感影像變化檢測來說，采集的遙感數(shù)據(jù)需覆蓋研究對象生長或變化規(guī)律的所有時(shí)間，比如對于作物的變化檢測一般需要采集不同季節(jié)同一地區(qū)的遙感影像，對于城市的擴(kuò)張檢測可能需要幾年甚至十幾年的遙感影像。從數(shù)量上來說，多時(shí)相遙感影像變化檢測一般需要兩張到十幾張遙感影像，而基于時(shí)間序列的遙感影像往往需要十幾張甚至幾十張遙感影像。

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

因?yàn)椴煌倪b感衛(wèi)星存在一定的差異，即使是同一傳感器獲得的遙感影像也有可能會(huì)出現(xiàn)幾何畸變，所以需要一定的預(yù)處理，主要包括：配準(zhǔn)、輻射校正、幾何校正等，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理Fig.3 Data preprocessing

配準(zhǔn)（Registration）是指對同一地理位置在不同時(shí)間通過不同波段、不同傳感器的成像手段得到的多個(gè)遙感影像進(jìn)行地理坐標(biāo)匹配的操作。遙感影像的精確配準(zhǔn)是變化檢測實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，配準(zhǔn)誤差的存在會(huì)使得在變化檢測過程中出現(xiàn)難以消除的偽變化，影響變化檢測的精度，配準(zhǔn)誤差也是整個(gè)變化檢測過程中的一個(gè)主要誤差來源［44］。尤其是隨著遙感影像空間分辨率的提高，從不同觀測角度得到的高分辨率圖像之間的誤差消除變得更加具有挑戰(zhàn)性。配準(zhǔn)方式包括相對配準(zhǔn)和絕對配準(zhǔn)。兩者的區(qū)別在于參考物不同，前者是選擇特定的遙感圖像作為參考，而后者是選擇固定的網(wǎng)格坐標(biāo)系。

配準(zhǔn)算法可分為基于區(qū)域的配準(zhǔn)算法和基于特征的配準(zhǔn)算法。基于區(qū)域的配準(zhǔn)利用遙感影像像素的灰度信息進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。處理方式有空域法（互相關(guān)法、最大互信息法、序貫相似檢測方法和極大似然匹配法等）和頻域法（基于快速傅里葉變換的相位相關(guān)法和小波變化法）［45］?；谔卣鞯呐錅?zhǔn)通過圖像對中的一些局部特征建立匹配關(guān)系，從而進(jìn)行圖像匹配。常見的特征包括點(diǎn)、線、面三種。點(diǎn)特征主要是指遙感影像中道路、河流或者建筑的拐點(diǎn)、交叉點(diǎn)等，基于點(diǎn)的特征提取算法包括SUSAN（Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus）算子、Hannah算子、Harris算子、Moravec算子、Hog算子、SIFT（Scale Invariant Feature Transform）算子和SURF（Speeded Up Robust Features）算子等［46］。線特征主要是指遙感影像中的一些邊界信息，比如道路、海岸線，基于線的特征提取算法有時(shí)域邊緣檢測方法（梯度算子法、直方圖法、Canny算子法和Hough變換法等）和變換域邊緣檢測法（快速傅里葉變換和小波變換等）［45］。面特征主要是指遙感影像中的大面積場景，比如森林、水域等，基于面的特征主要是通過光譜的差異性進(jìn)行識(shí)別，再通過相應(yīng)的圖像分割法來提取面特征，常用的圖像分割法有形態(tài)學(xué)分割法和動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)分割法等［45］。

輻射校正是數(shù)據(jù)預(yù)處理中的一個(gè)重要步驟，它主要解決的是由于不同成像條件（太陽角度、成像時(shí)間、成像角度和大氣條件等）造成同一區(qū)域的光譜特征出現(xiàn)的差異，這一差異會(huì)導(dǎo)致變化檢測時(shí)出現(xiàn)偽變化。遙感影像的輻射校正可分為絕對輻射校正和相對輻射校正。絕對輻射校正是指將遙感影像像元亮度值轉(zhuǎn)化為地表反射率，常見的模型有FLAASH（Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes）校正模型、BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）校正模型、地形輻射校正模型。由于絕對輻射校正需要精確的參數(shù)與大量的成像，都比較難以獲取，所以易于計(jì)算的相對輻射校正更加受到關(guān)注。相對輻射校正是指將一幅影像作為參考基準(zhǔn)，對目標(biāo)影像的輻射值進(jìn)行校正。相對輻射校正包括線性方法和非線性方法。線性方法假設(shè)多時(shí)相遙感影像之間的輻射值是線性相關(guān)的，但是在真實(shí)的地表狀態(tài)下，由于多傳感器獲得的遙感影像輻射值間往往并不滿足線性關(guān)系，于是常常通過偽不變特征點(diǎn)（Pseudo-Invariant Feature，PIF）來進(jìn)行同源或者異源傳感器之間得到的影像間輻射值的歸一化［47］。非線性方法可以更好地解決影像間輻射值非線性的問題，常用的非線性方法是直方圖匹配法（Histogram Matching，HM），該方法可以很好地統(tǒng)一影像間的色調(diào)，能較好地解決由于不同成像條件造成的色溫差異問題［48］。

幾何校正是在遙感影像發(fā)生幾何位置、像元大小、方位與地面真實(shí)對應(yīng)不一致等幾何畸變時(shí)進(jìn)行的校正。包括系統(tǒng)校正和精確校正，系統(tǒng)校正是對傳感器自身的比例尺、歪斜、中心移動(dòng)等內(nèi)部畸變所引起的誤差進(jìn)行校正，可通過比例尺系數(shù)、平行移動(dòng)等方法解決；精校正是對地形起伏、地球曲率等外部畸變所引起的誤差進(jìn)行校正，主要方法有地面控制點(diǎn)和幾何校正模型［49］。

2.2 變化檢測技術(shù)

變化檢測技術(shù)的選擇是變化檢測過程的核心，在變化檢測發(fā)展的這幾十年中，國內(nèi)外學(xué)者提出了非常多的方法，在變化檢測結(jié)果也越來越好的同時(shí)變化檢測的方法與方法之間也出現(xiàn)了一些交叉與重疊，有許多學(xué)者對此進(jìn)行了整合綜述［1-2，7-9］，旨在建立一個(gè)完善的變化檢測方法的分類體系。本文在多位研究者對于變化檢測方法總結(jié)的基礎(chǔ)上，對遙感影像變化檢測方法的分類體系進(jìn)行整理與總結(jié)，從分析單元、比較方法、是否考慮先驗(yàn)知識(shí)三個(gè)部分詳細(xì)闡述變化檢測方法的研究現(xiàn)狀。

2.2.1 分析單元

根據(jù)分析粒度的大小不同，變化檢測的分析單元主要可以分為三種，即像素、對象和場景；除此之外，還可將矢量多邊形作為變化檢測的分析單元。由于上述提到的分析單元各有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以也有很多學(xué)者將其進(jìn)行混合使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使得變化檢測結(jié)果更加精準(zhǔn)，如表2所示。

表2 分析單元分析及相關(guān)文獻(xiàn)Tab.2 Analysis unit analysis and related literatures

1）像素。

像素是遙感影像的基本單元，在變化檢測初期都是對遙感像素進(jìn)行變化檢測分析，即便是經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，現(xiàn)在仍有很多變化檢測的實(shí)驗(yàn)是基于像素來實(shí)現(xiàn)的。例如張晗等［50］通過分形對數(shù)比和多尺度分析對SAR圖像進(jìn)行像素級(jí)變化檢測；Koller等［51］開發(fā)了一種半自動(dòng)的組合方法，通過像素來量化森林砍伐，將森林采伐狀態(tài)分為了火災(zāi)類和非火災(zāi)類；Al Rawashdeh［52］通過逐像素差分變化檢測的方法對新建成的灌溉區(qū)進(jìn)行識(shí)別及評(píng)估。使用像素作為分析單元最大的優(yōu)點(diǎn)就是操作簡單，可通過比值或者差值這種簡單的算術(shù)運(yùn)算來進(jìn)行變化檢測。將像素作為分析單元比較適合用于對大面積區(qū)域的變化檢測，比如水體、森林、植被覆蓋的變化，在這種情況下光譜差異、色調(diào)變化都比較明顯，不用考慮每個(gè)像素與像素之間的關(guān)系，降低了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。

像素作為變化檢測的分析單元也存在著一些缺點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)用場景是小面積區(qū)域時(shí)，比如常見的建筑物的新建與拆除，通過像素進(jìn)行變化檢測就會(huì)產(chǎn)生許多虛假的、存在噪聲的像素點(diǎn)［53］，這主要是由于光譜的可變性和圖像的配準(zhǔn)誤差造成的。特別是應(yīng)用在高分辨率遙感影像時(shí)，基于像素的變化檢測漸漸變得不太合適［54-55］。

基于單個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行變化檢測的局限性，提出了像素組的概念，或者說是一個(gè)移動(dòng)窗口在圖像上圈出N×N大小的圖像塊，Tewkesbury等［9］將之稱為Kernel，它包含了選定的中心像素點(diǎn)以及該點(diǎn)周圍的像素信息，充分考慮了像素的上下文信息。Kernel通過利用像素的局部鄰域，對像素的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)解釋，從而濾除噪聲，識(shí)別出真實(shí)的變化。尤其是對高分辨率遙感影像的變化檢測有較好的應(yīng)用，例如Im等［25］提出了一種基于鄰域相關(guān)圖像邏輯的變化檢測模型，通過對應(yīng)數(shù)據(jù)集之間的相關(guān)性確定變化位置，并通過鄰域的上下文信息得到變化值；Gao等［56］提出了一種基于鄰域比（Neighborhoodbased Ratio，NR）和極限學(xué)習(xí)機(jī)的SAR影像變化檢測方法，該方法利用NR算子得到感興趣的變化像素，然后生成以這些像素為中心的圖像塊。盡管Kernel考慮到了圖像的局部鄰域，但是因?yàn)镹值的選取會(huì)影響檢測的效果，比如N值選擇過大可能會(huì)使得模糊邊界，選擇過小可能會(huì)過濾一些較小的變化。

2）對象。

在Hay等［57］提出影像對象的概念后，基于對象的變化檢測得到了快速的發(fā)展［36，55，58-59］。通過圖像對象的方式進(jìn)行變化檢測，更加接近于人眼進(jìn)行識(shí)別的過程，也有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)比較得出了基于對象的變化檢測結(jié)果要優(yōu)于基于像素的變化檢測結(jié)果［20，54，60］。根據(jù)使用方式的不同，可將對象作為分析單元細(xì)分為圖像對象覆蓋、圖像對象比較和多時(shí)相圖像對象三種分析單元。

圖像對象覆蓋是三個(gè)分析單元中最簡單的一種，首先對一幅遙感影像進(jìn)行分割，然后簡單地覆蓋到另一幅影像上，通過該操作能形成一個(gè)比較的空間框架。該方法將已得到的對象覆蓋到新的遙感影像上，疊加之后在進(jìn)行分割得到變化檢測結(jié)果，很好地解決了像素作為分析單元時(shí)N值固定的局限性，可以對比對象的形狀、長度或者一些紋理特征來檢測變化。例如，Comber等［61］先對一幅影像進(jìn)行分類得到分類對象，然后覆蓋到另一幅基于像素的分類結(jié)果上，通過專家知識(shí)來識(shí)別分類錯(cuò)誤中正確的變化；但是這些幾何特征只反映了一個(gè)影像的屬性，沒有考慮到多個(gè)影像的屬性間可能存在的聯(lián)系。

圖像對象比較不再只是對單幅影像的分割，而是對參與變化檢測過程的兩幅或者多幅影像都進(jìn)行分割，然后再通過位置坐標(biāo)對應(yīng)進(jìn)行對象間的比較來判斷對象間是否發(fā)生了變化。Listner等［62］提出了兩種比較方法：一是直接對象比較，將一個(gè)對象賦予所有重疊對象的加權(quán)和；二是交集對應(yīng)，在兩個(gè)對象的交集中直接比較對象的屬性，第二種方法在分類后變化中使用得較多。圖像對象比較的好處是可以比較所有影像對象的屬性，比如面積、大小或類標(biāo)簽等。例如，Desclée等［36］通過區(qū)域合并的技術(shù)對多幅遙感影像進(jìn)行單次分割，描繪出具有反射率差異統(tǒng)計(jì)特征的對象，并通過異常值將相應(yīng)的對象標(biāo)記為變化。但是對象的分割不是絕對精準(zhǔn)的，在2.1節(jié)的預(yù)處理中提到，遙感影像的獲取過程中會(huì)存在成像角度、大氣條件、光照等因素的影響導(dǎo)致同一地區(qū)不同影像的光譜變異，這就會(huì)使得分割也存在高度可變性。

多時(shí)相圖像對象將多時(shí)相遙感影像疊加再進(jìn)行對象的分割，相比前兩種方法，多時(shí)相圖像對象考慮到了所有的影像，因此能夠充分地利用影像信息，在時(shí)間序列遙感影像變化檢測中使用廣泛。例如，胡永月等［63］通過變化矢量分析的方法對三種基于對象的分割模型得到的變化目標(biāo)進(jìn)行變化檢測分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將兩個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)疊加作為一個(gè)整體進(jìn)行分割得到的總體精度和Kappa系數(shù)都是最高的。但是多時(shí)相圖像對象易受到配準(zhǔn)誤差的影響，而且多時(shí)相圖像對象的大小和形狀存在異質(zhì)性，分割時(shí)易出現(xiàn)太小以及邊界模糊的對象。

3）場景。

以場景作為變化檢測的分析單元，需要在多時(shí)相遙感影像或時(shí)間序列遙感影像中挖掘真實(shí)地表狀態(tài)變化的規(guī)律，與學(xué)習(xí)到的規(guī)律不相符的就存在發(fā)生某種變化的可能性。場景級(jí)的分析單元主要應(yīng)用在語義層次的變化分析中，即地表覆蓋類型的轉(zhuǎn)變（From-to），不再是僅僅關(guān)注于地表狀態(tài)是否發(fā)生變化（Change/Un-change）的問題上。同時(shí)該方法對于城市擴(kuò)張的檢測或城市規(guī)劃等方面能提供很好的基礎(chǔ)。例如，Wu等［64］提出了一種基于核的慢特征分析（Kernel Slow Feature Analysis，KSFA）和后分類融合的場景變化檢測方法，將獨(dú)立的場景分類與場景變化檢測相結(jié)合，準(zhǔn)確地判斷場景變化，識(shí)別過渡類型；Du等［65］提出了一種潛在狄利克雷分配（Latent Dirichlet Allocation，LDA）和 多 元 變 化 檢 測（Multivariate Alteration Detection，MAD）進(jìn)行無監(jiān)督場景變化檢測的方法，首先將場景用視覺詞袋模型表示，然后利用LDA進(jìn)行特征降維，最后通過MAD方法對多時(shí)間圖像場景的語義變化進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能很好地實(shí)現(xiàn)無監(jiān)督場景的變化檢測。但是遙感影像中包含了大量的地物類型，尤其是高分辨率影像的普及，地物細(xì)分程度提高，同時(shí)同一地物類型也有可能表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，這些都給語義層分析帶來了挑戰(zhàn)。

4）矢量多邊形。

通過現(xiàn)有的矢量數(shù)據(jù)覆蓋遙感影像，得到兩個(gè)時(shí)期遙感影像的影像像斑以及相應(yīng)的類標(biāo)簽，可通過類標(biāo)簽比較發(fā)現(xiàn)對應(yīng)像斑的變化，即矢量多邊形內(nèi)的變化類型。這種方法利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，使得變化檢測自動(dòng)化程度提高，在一定程度上減少繁重的人工處理。例如，景奉廣［66］將矢量數(shù)據(jù)與遙感影像相結(jié)合，利用矢量邊界能快速地提取柵格數(shù)據(jù)并且能快速地使遙感影像分割圖矢量化最后還生成新的矢量數(shù)據(jù)；李亮等［67］提出一種基于像斑異質(zhì)度的矢量圖與遙感影像變化檢測方法，通過比較像斑異質(zhì)度與矢量圖所在時(shí)期對應(yīng)類別的異質(zhì)度閾值，實(shí)現(xiàn)像斑的變化/未變化判別。但是實(shí)際的矢量多邊形的比例與真實(shí)的變化區(qū)域的比例可能存在一些差異，可能會(huì)漏掉一些細(xì)小的變化特征。

5）混合。

上述分析單元都有各自的優(yōu)點(diǎn)及不足，在變化檢測過程中，根據(jù)不同的情況，可以對這些分析單元進(jìn)行組合，來逐步地凸顯變化信息。將像素和對象進(jìn)行結(jié)合是一種常用的方法，因?yàn)橄袼啬軌驒z測到影像中較小的變化，而對象能宏觀地進(jìn)行變化分析，將兩者適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合就能發(fā)現(xiàn)不同大小的變化圖斑。例如，馮文卿等［68］提出一種聯(lián)合像素級(jí)和對象級(jí)的變化檢測框架，這種新框架能有效地結(jié)合兩個(gè)方法的優(yōu)勢，提高在高分辨率遙感影像變化檢測過程中的適用性；Xiao等［69］提出了一種結(jié)合像素級(jí)和對象級(jí)的識(shí)別高分辨率遙感影像建成區(qū)變化檢測的新框架，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的新框架具有一定的應(yīng)用潛力；Gamba等［70］將特征級(jí)和像素級(jí)的變化檢測方法相結(jié)合，通過提取、比較多幅SAR影像中的線性特征，識(shí)別出基于像素的變化。

2.2.2 比較方法

根據(jù)變化檢測的策略不同，可以將變化檢測的比較方法分為代數(shù)運(yùn)算法、分類法、變換法、深度學(xué)習(xí)法以及將多種方法進(jìn)行組合的混合方法，如表3所示。

表3 比較方法分析及相關(guān)文獻(xiàn)Tab.3 Comparison method analysis and related literatures

1）代數(shù)運(yùn)算法。

通過減法［20］、除法［50］等簡單的代數(shù)運(yùn)算方法對雙時(shí)相遙感影像對應(yīng)波段進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的差異圖，再通過利用閾值（自適應(yīng)選擇或手動(dòng)確定）對差異圖進(jìn)行分割得到最后的變化檢測結(jié)果。這種代數(shù)運(yùn)算的方法簡單，能夠很好地顯示出影像中變化迅速的區(qū)域。最早使用的代數(shù)法是影像差值法，將雙時(shí)相影像的波段對應(yīng)相減來得到差異圖，這種方法非常簡單但是只能顯示變化、未變化信息。變化向量分析（Change Vector Analysis，CVA）方法是對影像差值法的擴(kuò)展，可以利用多個(gè)波段的信息得到具有長度和方向的變化向量，向量的長度表示變化的強(qiáng)度，向量的方向表示變化的類型。例如Li等［71］提出了一種基于對象的CVA方法，該方法通過不同波段的直方圖距離建立對象的變化矢量，通過對象變化矢量的大小來測量對象的異質(zhì)性，可以很好地應(yīng)用于高分辨率遙感影像的變化檢測中。

影像比值法也是常用的方法之一，它與差值法的不同在于它使用的是除法運(yùn)算獲得差異圖。此外還有很多代數(shù)運(yùn)算法［72］，比如波段回歸法、相關(guān)系數(shù)法、內(nèi)積分析法、融合法等。通過以上方法得到差異圖后還有一個(gè)重要的步驟就是閾值的選定，這也是變化檢測的研究熱點(diǎn)之一。最常用的閾值方法是非參數(shù)化方法［73-74］，能很好地處理遙感影像數(shù)據(jù)間的非線性關(guān)系，同時(shí)自適應(yīng)的閾值分割（自動(dòng)、半自動(dòng)）以及多閾值分割也是較為常用的方法。

2）分類法。

分類法可以發(fā)現(xiàn)雙時(shí)相或多時(shí)相影像變化的類型（Fromto），主要包括分類后變化法和直接分類法，其中分類后變化法更為常用。

分類后變化檢測方法是變化檢測領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種方法，首先對參與變化檢測的遙感影像進(jìn)行分類，獲得各自的分類影像，然后將這些分類影像根據(jù)對應(yīng)位置進(jìn)行比較，得到最后的變化檢測結(jié)果圖，其中包含了變化的位置以及變化的類型。例如，唐樸謙等［23］在基于像素比值法確定變化范圍的基礎(chǔ)上，通過基于對象的分類后比較的方法確定分類圖斑的變化類型；Peiman等［75］對多時(shí)相Landsat遙感影像進(jìn)行變化檢測，通過分類后變化檢測的方法確定變化信息、變化位置，最后給出變化類型。這種方法不用挖掘影像間對應(yīng)的關(guān)系，只需要分別對各個(gè)影像進(jìn)行分類，但是數(shù)據(jù)集中遙感影像的數(shù)量越多，其中存在的分類類別也就越多，需要一個(gè)分類器能識(shí)別出所有的地表覆蓋類型也是一大難題，因此通過該方法得到的變化檢測結(jié)果的精度也往往與分類結(jié)果的精度相關(guān)，所以提高遙感影像的分類精度也是一大研究熱點(diǎn)。

直接分類法將多個(gè)時(shí)相的遙感影像進(jìn)行疊加再根據(jù)變化類型進(jìn)行分類，該方法不用對每個(gè)遙感影像進(jìn)行分類操作，減輕了一定的工作量并且使得變化檢測精度不再依賴于對地表覆蓋類型的分類精度。直接分類法在基于時(shí)間序列的遙感影像分類中具有一定的優(yōu)勢，能夠發(fā)現(xiàn)隱藏在復(fù)雜模式中的變化信息。例如，Pu等［76］利用直接多時(shí)相圖像分類的方法對內(nèi)華達(dá)拉夫洛克研究區(qū)進(jìn)行入侵物種的變化檢測，并且比較了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和LDA兩種分類器的性能，結(jié)果表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能要優(yōu)于LDA。但是由于地物類型種類的多樣性，想要獲得具有全部變化類型的訓(xùn)練集是非常困難的，這也使得在實(shí)際的應(yīng)用中無法進(jìn)行推廣。

3）變換法。

影像變換法通過對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及轉(zhuǎn)換的方法來抑制相關(guān)信息和突出變化區(qū)域。主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）法和多元變化檢測（Multivariate Alteration Detection，MAD）法是最常用的影像變換法。主成分分析法利用降維的方式將多個(gè)特征用比較少的幾個(gè)特征來表示。例如，黃維等［22］分別對兩期Landsat遙感影像進(jìn)行主成分分析，將得到的前三個(gè)主成分再進(jìn)行變化向量分析，得到差異圖后通過兩種閾值法得到變化圖。

傳統(tǒng)的主成分分析方法是對兩個(gè)時(shí)期的遙感影像都進(jìn)行主成分分析變化，然后用第一主成分來做差值運(yùn)算；差異主成分是先進(jìn)行差值運(yùn)算得到差異圖再進(jìn)行PCA變化；聯(lián)合主成分分析法將影像疊加再進(jìn)行PCA變化。多元變化檢測法［77］利用兩個(gè)時(shí)期的遙感影像的線性組合的差值來檢測變化，這種方法在高分辨率遙感影像中能很好地突出變化對象。但是這種變換的方法可能會(huì)將與變化有關(guān)的特征遺漏或隱藏在大量的變換特征中。除了這兩個(gè)常用的方法外，基于影像變換的方法還包括影像回歸法、正交變換法［78］、典型相關(guān)分析法［79］、纓帽變換法［80］（適用于Landsat遙感影像）等。

4）深度學(xué)習(xí)法。

近幾年，深度學(xué)習(xí)的發(fā)展十分迅速，因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)具有端到端的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在遙感影像變化檢測領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；谏疃葘W(xué)習(xí)的遙感影像變化檢測方法能直接從雙時(shí)相或多時(shí)相甚至?xí)r間序列遙感影像中學(xué)習(xí)到變化特征，通過變化特征對影像進(jìn)行分割最終得到變化圖，而且學(xué)習(xí)到的特征具有很好的魯棒性。相比傳統(tǒng)的變化檢測方法，深度學(xué)習(xí)方法能消除檢測結(jié)果對差異圖的依賴影響，能處理多個(gè)傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的適用性。現(xiàn)在有許多基于深度學(xué)習(xí)的變化檢測方法被提出，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度信念網(wǎng)絡(luò)、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、堆棧自編碼網(wǎng)絡(luò)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；還有許多基于以上方法進(jìn)行的改進(jìn)，進(jìn)一步提高變化檢測結(jié)果精度，例如，顧煉等［43］將FlowNet中的細(xì)化和U-Net相結(jié)合，提出了FlowS-Unet網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)時(shí)檢測高分辨率影像中的建筑的新建與拆除變化；Huang等［81］提出了一種基于張量和深度學(xué)習(xí)的多光譜遙感圖像變化檢測方法，具有較好的變化檢測精度和自動(dòng)化水平；Li等［82］提出了基于SAR影像變化檢測的半監(jiān)督深度非光滑非負(fù)矩陣分解（nonsmooth Nonnegative Matrix Factorization，nsNMF）網(wǎng)絡(luò)，在4對SAR影像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)具有較好的檢測效果。

5）混合。

可通過將多種比較方法進(jìn)行組合的方式來增強(qiáng)對遙感影像變化信息的敏感性。常用的一種方式是用代數(shù)運(yùn)算的方法先識(shí)別出遙感影像中發(fā)生變化的像素，通過對變化特征的學(xué)習(xí)來對遙感影像進(jìn)行分類得到變化類型。Lu等［5］首次將歸一化植被指數(shù)、主成分分析、獨(dú)立成分分析和馬爾可夫隨機(jī)場相結(jié)合，并通過改進(jìn)提出了基于變化檢測的馬爾可夫隨機(jī)場（Change Detection-based Markov Random Field，CDMRF）方法，用于多傳感器數(shù)據(jù)的滑坡變化檢測。

2.2.3 先驗(yàn)知識(shí)

考慮到變化檢測過程中是否使用先驗(yàn)知識(shí)，可以將變化檢測方法分為監(jiān)督、無監(jiān)督以及半監(jiān)督的檢測方法。基于監(jiān)督的方法［26］通過先驗(yàn)信息或者專家知識(shí)對變化信息進(jìn)行分類，有很好的知識(shí)基礎(chǔ)，但同時(shí)這些知識(shí)的建立需要大量的人工處理以及花費(fèi)很高的成本，如果這些知識(shí)的可靠性不夠也會(huì)影響變化檢測的結(jié)果。非監(jiān)督的變化檢測方法［37，83］不用花費(fèi)時(shí)間和成本來制定規(guī)則，但是需要大量的數(shù)據(jù)樣本使得能夠從中學(xué)到所有的變化特征。為了有效解決以上兩種方法帶來的問題，有研究人員提出用半監(jiān)督或者結(jié)合半監(jiān)督的方法來進(jìn)行變化分類的研究，比如，Bovolo等［30］通過一個(gè)二元的半監(jiān)督支持向量機(jī)來逐步地確定變化與未變化像素邊界，在原始的多時(shí)相特征空間中提取變化信息進(jìn)行變化檢測。

2.3 后處理及精度評(píng)價(jià)

后處理是在預(yù)處理的遙感影像經(jīng)過變化檢測方法處理得到變化圖后進(jìn)行的操作，能進(jìn)一步地減小變化檢測過程中出現(xiàn)的誤差，比如孤立點(diǎn)、空洞等噪聲。有很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明了后處理能提高變化檢測的精度，例如顧煉等［43］使用了膨脹、腐蝕、孔洞填充的后處理操作細(xì)化預(yù)測結(jié)果；王志有等［84］通過主成分分析和HIS（Hue，Intensity，Saturation）模型計(jì)算陰影指數(shù)來去除陰影，用基于對象的方法進(jìn)行去噪增強(qiáng)。常用的后處理操作主要包括基于形態(tài)學(xué)處理的方法、基于濾波處理的方法、基于區(qū)域生長的方法。

精度評(píng)價(jià)是對整個(gè)變化檢測過程的總結(jié)與分析，通過精度評(píng)價(jià)能直觀地看到變化檢測模型的性能［85］。誤差矩陣和Kappa系數(shù)是變化檢測領(lǐng)域中最為常用的精度評(píng)價(jià)方法［86-87］。根據(jù)變化檢測的目標(biāo)不同可以將精度評(píng)價(jià)分為簡單誤差矩陣和分類誤差矩陣，簡單誤差矩陣對變化和未變化的變化檢測結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，分類的誤差矩陣是對變化類型的變化檢測結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。除了誤差矩陣，還可以用ROC（Receiver Operating Characteristic）曲線來評(píng)價(jià)變化檢測結(jié)果的性能，該方法通過檢測率和誤檢率來畫一條ROC曲線，曲線越靠近左上方表示檢測率越高。在ROC曲線下方的面積稱為AUC（Area Under Curve），面積大小越接近1表示檢測效果越好［88］。

3 面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展

基于遙感影像的變化檢測如今發(fā)展得十分迅速，但是離最終的自動(dòng)化的、精準(zhǔn)的變化檢測目標(biāo)還是有一定的差距。在變化檢測過程的每一個(gè)階段中都有需要進(jìn)一步提高的地方，比如預(yù)處理階段需要消除配準(zhǔn)誤差、變化檢測方法還不能精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)所有變化、后處理階段需要能消除變化結(jié)果中存在的噪聲等。變化檢測主要存在的挑戰(zhàn)有以下幾點(diǎn)，并對應(yīng)提出了自己的思考來嘗試解決這些問題。

一是遙感影像的質(zhì)量需要進(jìn)一步提高?，F(xiàn)在遙感影像的分辨率雖然越來越高，地物狀態(tài)變得越來越清楚，但也由于分辨率的提高，使得地物的陰影變得更清楚。在獲取影像時(shí)也會(huì)因?yàn)榇髿鈼l件的影響出現(xiàn)云遮擋，使得一些地物信息缺失，不便于進(jìn)行變化檢測。可以通過多源數(shù)據(jù)相互結(jié)合的方法［5］來擴(kuò)大影像數(shù)據(jù)的獲取范圍。比如對于同源傳感器來說，由于云遮擋或者影像缺失無法得到某一時(shí)段的遙感影像，在這種情況下可以通過多源傳感器獲取這一時(shí)期的影像數(shù)據(jù)。

二是在預(yù)處理過程中，影像之間的配準(zhǔn)誤差和光譜差異仍需解決，并且對于需要拼接的圖像，影像的鑲嵌與裁剪效果需要進(jìn)一步提高。隨著一代代遙感衛(wèi)星的升級(jí)，運(yùn)用一定的算法使其采集的影像具有相同的亮度或者漸變亮度信息，使得兩幅影像之間的拼接處過渡自然；同時(shí)還可建立統(tǒng)一的地理參考系，這樣在同源甚至多源遙感衛(wèi)星下采集的影像間也不會(huì)有很大的配準(zhǔn)誤差。

三是關(guān)于遙感影像變化檢測方法，現(xiàn)在還沒有一種能適用于所有場景的高效的變化檢測方法，尤其是隨著高分辨率遙感影像的普及，考慮的地物類型、變化特征也隨之增加，需要更有效的檢測方法來解決這些問題。在變化檢測方法中，還要考慮閾值的選擇和圖像的分割技術(shù)，這些都在一定程度上影響著變化檢測的效果?？梢赃\(yùn)用多尺度交叉、多尺度融合［54，89］的方法更快地挑選出合適的閾值和圖像分割尺度，進(jìn)一步地提高變化檢測結(jié)果精度。

四是在變化檢測的效率上需要提高，現(xiàn)在對于變化檢測方法的訓(xùn)練需要花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，尤其是用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練需要很高的實(shí)驗(yàn)配置以及大量的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型的共享以及在預(yù)訓(xùn)練好的模型上進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化能減少模型訓(xùn)練上所耗費(fèi)的時(shí)間；開發(fā)輕量級(jí)的模塊提升網(wǎng)絡(luò)模型的性能。

五是需要一些對變化檢測后處理的研究，經(jīng)過變化檢測方法之后的變化圖可能還存在一些噪聲，但是現(xiàn)在對于后處理的使用還比較少。可以考慮通過設(shè)定閾值將零星的噪聲去除，合適的閾值則要通過多次實(shí)驗(yàn)綜合確定。

六是精度評(píng)價(jià)方法的廣泛性問題，現(xiàn)在的精度評(píng)價(jià)主要是基于像素的方式進(jìn)行，而對于面向?qū)ο笠约疤卣骷?jí)的精度評(píng)價(jià)還有待研究?？梢試L試將圖片分成規(guī)則或者不規(guī)則的區(qū)域塊，每個(gè)區(qū)域內(nèi)可能包含一個(gè)或多個(gè)像素點(diǎn)，同一區(qū)域塊的變化類型是一樣的，這樣就可以不用一一對應(yīng)像素，在基于面向?qū)ο蠛吞卣骷?jí)的變化檢測實(shí)驗(yàn)中可以更快速地獲得結(jié)果。也可綜合基于像素的評(píng)價(jià)方法與該方法得出變化類型。

綜合過去對于變化檢測過程中存在的一些問題和現(xiàn)有的一些比較先進(jìn)的研究，本文提出以下幾個(gè)變化檢測領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

1）設(shè)計(jì)自動(dòng)化的影像信息標(biāo)注軟件系統(tǒng)，可以很大程度上減輕人工標(biāo)注的繁重工作，在能提高標(biāo)注效率的同時(shí)還能保證標(biāo)注的準(zhǔn)確性。在這樣系統(tǒng)的依托下一定能夠很好地提高遙感影像變化檢測的效率。

2）遙感影像變化檢測從之前的變化、未變化的二值分類研究逐漸過渡到了地物類型之間互相變化的多分類研究，這種from-to的變化可以提供更多的信息，在城市發(fā)展規(guī)劃、城市擴(kuò)張的研究中都有很好的輔助作用。

3）基于深度學(xué)習(xí)的變化檢測方法在近幾年的研究中越來越常見，該方法通過其多層次、深層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在語義層次的變化檢測研究中表現(xiàn)出了巨大的潛力。

4 結(jié)語

遙感影像變化檢測經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測、土地利用/土地覆蓋等領(lǐng)域，能有效地實(shí)現(xiàn)對地球的保護(hù)、資源的可持續(xù)發(fā)展等目標(biāo)。國內(nèi)外研究學(xué)者們一直致力于提出一個(gè)綜合性強(qiáng)、適用性廣的遙感變化檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的、高效的變化檢測過程。但是由于現(xiàn)實(shí)因素的種種限制，這一理想化的變化檢測方法仍需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證［90-91］。

本文通過多位學(xué)者對變化檢測的研究以及總結(jié)進(jìn)行整理歸納，對變化檢測領(lǐng)域進(jìn)行綜述，主要從變化檢測的發(fā)展、變化檢測的流程以及變化檢測面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展三個(gè)方面進(jìn)行，其中第二部分也是大多數(shù)研究人員研究的重點(diǎn)，本文從數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理、變化檢測技術(shù)、后處理及精度評(píng)價(jià)這三個(gè)方面對其進(jìn)行總結(jié)。

盡管現(xiàn)在提出了很多有關(guān)變化檢測的方法，但是在變化檢測領(lǐng)域依舊存在很多的問題和挑戰(zhàn)。本文從數(shù)據(jù)影像質(zhì)量、預(yù)處理過程、變化檢測方法及效率、后處理及精度評(píng)價(jià)等方面提出了變化檢測領(lǐng)域現(xiàn)存的一些問題。研究者們對于這些問題也提出了一些解決辦法，而且隨著時(shí)代的發(fā)展、技術(shù)的更新、新方法的引入，變化檢測的效果也在一點(diǎn)一點(diǎn)地提升，尤其是近幾年深度學(xué)習(xí)方法的引進(jìn)，給變化檢測領(lǐng)域帶來了新的活力。

遙感影像變化檢測為探測地物狀態(tài)、地貌變化、城市發(fā)展等方面都帶來了極大的幫助，在以后的生活發(fā)展中也是必不可少的一門技術(shù)，在各國學(xué)者的共同努力下，變化檢測會(huì)朝著更好、更高效的方向發(fā)展。