基于矢量數(shù)據(jù)的圖像分割算法的地理國情監(jiān)測技術(shù)研究

李祖勤

（福建省測繪院，福州，350003）

我國地理國情監(jiān)測充分利用高分辨率影像，采用變化檢測方法［1］，關(guān)注地理要素的時(shí)空變化。變化檢測是對單個(gè)地理區(qū)域的多時(shí)相遙感圖像進(jìn)行分析的過程，以定位地物的差異，主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo)：識(shí)別地理位置和變化類型、分析變化、評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。國內(nèi)外研究人員根據(jù)要求和條件開發(fā)了各種變化檢測方法，每種變化檢測方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如分類后比較法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易懂，可直接提供變化前后的類別信息和變化信息，但具有夸大了變化區(qū)域，對歷史遙感影像的分類存在較大難度的缺點(diǎn)。面向?qū)ο蠓治龇ǖ膬?yōu)點(diǎn)是分析的結(jié)果更合理，更符合人類的思維方式和過程，缺點(diǎn)是不同時(shí)相影像分割結(jié)果不一致導(dǎo)致的一些偽變化區(qū)域，因此，沒有一種方法是綜合優(yōu)于其他方法的。

該研究的重點(diǎn)是將高分辨率影像與矢量數(shù)據(jù)整合［2］，提出基于矢量數(shù)據(jù)的圖像分割算法，充分利用矢量數(shù)據(jù)中的邊界信息和屬性信息，得到圖像對象的變化檢測單元，采用基于最近鄰算法的分類后比較［1］（Post－classification Comparative，PCC）和基于差熵算法的圖像對象分析［3］（Image－object Analysis，IOA）2種變化檢測方法，使之相互補(bǔ)充，形成完整的變化檢測過程，提高變化檢測的精度。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域及數(shù)據(jù)概況

以福建閩侯約2km2的區(qū)域作為研究對象，該區(qū)域內(nèi)土地覆蓋類別較為齊全，劃分為8類：種植土地、林地、房屋建筑區(qū)、公路、鄉(xiāng)村道路、河流水面、溝渠和坑塘水面。

采用的遙感影像數(shù)據(jù)前后時(shí)相分別為2018年6月（T1）與2019年8月（T2）獲取的高分二號影像（全色0.45～0.90μm；多光譜R、G、B、NIR，0.45～0.52μm、0.52～0.59μm、0.63～0.69μm、0.77～0.89μm），并且2期影像均完成全色波段和多光譜波段的融合，獲得0.8m分辨率融合影像。矢量數(shù)據(jù)來源于自然資源主管部門提供的與前時(shí)相（T1）遙感影像同一時(shí)期的地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖1），該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)了邊界信息和屬性信息［4］等空間信息，是遙感影像變化檢測分析的重要輔助數(shù)據(jù)。

圖1 2018年研究區(qū)監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)Fig.1 Vector datas monitored of the study area in 2018

2 變化檢測前影像預(yù)處理

多時(shí)相遙感影像需要通過大氣、輻射和地形校正，以及幾何校正和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，通過大氣和輻射校正消除或減少大氣和輻射誤差對傳感器的影響。基于GF－2遙感數(shù)據(jù)、原始軌道參數(shù)與第一次全國地理國情普查初始DOM和DEM數(shù)據(jù)，采用GEOWAY CIPS處理平臺(tái)，通過自動(dòng)配準(zhǔn)的方式在全色影像和已有DOM上選擇大量的同名點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行局域網(wǎng)平差，解算影像精確的定位和定向參數(shù)，再利用已有DEM進(jìn)行全色影像生產(chǎn)，然后將全色影像與多光譜影像進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)后對全色影像、多光譜影像進(jìn)行正射糾正和融合，影像配準(zhǔn)精度不超過2個(gè)像素。T1、T2預(yù)處理后對應(yīng)的DOM（圖2）。

圖2 研究區(qū)預(yù)處理后影像DOMFig.2 Image DOM after pretreatment in the study area

3 改進(jìn)的矢量數(shù)據(jù)圖像分割算法

基于對象的變化檢測的基本處理單元是圖像對象［5］。符合遙感圖像中的物體真實(shí)地表特征（如流域、建筑足跡和草原地塊），最小的圖像對象是一個(gè)像素。圖像對象是由圖像分割產(chǎn)生的，高分辨率影像分割是一種基于自底向上和區(qū)域合并2種準(zhǔn)則的技術(shù)，從某個(gè)像素開始，逐步將圖像分割成一系列對象。

這種分割方法可以用Definiens Developer軟件實(shí)現(xiàn)，該軟件基于主要特征（如灰度、形狀和紋理）和分類進(jìn)行分割。然而，由于圖像質(zhì)量、圖像空間分辨率和區(qū)域特性等原因，分割結(jié)果往往不盡如人意。改進(jìn)的矢量數(shù)據(jù)圖像分割算法是將圖像像素和矢量對象聯(lián)系起來，結(jié)合矢量數(shù)據(jù)和多時(shí)相高分辨率影像的圖像分割算法步驟如下（圖3）。

圖3 基于矢量數(shù)據(jù)的圖像分割技術(shù)流程Fig.3 Process of image segmentation technology based on vector data

（1）利用矢量數(shù)據(jù)對兩時(shí)相圖像進(jìn)行配準(zhǔn)后，利用矢量對象的邊界實(shí)現(xiàn)對兩時(shí)相圖像的疊加分割。兩時(shí)相圖像對象被視為土地利用級對象（LU level objects，LULOs），根據(jù)矢量數(shù)據(jù)的類別確定LULO的相應(yīng)類別。

（2）基于兩時(shí)相圖像的光譜響應(yīng)信息，通過設(shè)置一定的分割尺度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了LULO的二級分割，從這個(gè)步驟獲得的圖像對象被命名為LULO－1，它們繼承LULO類別信息。

（3）根據(jù)兩時(shí)相LULO－1的不同類別，設(shè)置不同的分割尺度，進(jìn)行獨(dú)立的層次分割。當(dāng)兩時(shí)相圖像目標(biāo)達(dá)到“類內(nèi)同譜”和“類間頻譜不同”的目標(biāo)時(shí)，停止分割，得到的對象被視為土地覆蓋級對象（land cover level objects，LCLOs）。

（4）按照LCLO對應(yīng)的順序，將兩時(shí)相LCLO進(jìn)行融合。

4 高分辨率圖像和矢量數(shù)據(jù)的變化檢測

高分辨率圖像、軟件以及變化檢測算法在過去10y中的快速發(fā)展，使得基于對象的變化檢測應(yīng)用較為普遍。研究利用改進(jìn)的矢量數(shù)據(jù)圖像分割算法，采用了分類后比較變化檢測方法和圖像對象分析變化檢測方法2種分類方法進(jìn)行變化檢測，使之形成互補(bǔ)。

4.1 分類后比較變化檢測方法

分類后比較變化檢測法因其簡單易懂而成為變化檢測最常用的方法。分類后比較的主要原理是通過分類算法獲得2個(gè)時(shí)相圖像對象的類別，而后識(shí)別出對應(yīng)的圖像對象是否有變化。由于2個(gè)時(shí)相圖像的分類是分開進(jìn)行的，該方法可以最大限度地減小衛(wèi)星傳感器和大氣環(huán)境差異的影響。文中所用的兩時(shí)相圖像T1和T2，農(nóng)作物生長差異十分明顯，因此，分類后比較適用于研究的數(shù)據(jù)分析。然而，分類后比較的檢測精度在很大程度上取決于2種分類的準(zhǔn)確性。成功使用分類后比較的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地對兩時(shí)相圖像進(jìn)行分類，從而避免錯(cuò)誤的累積。

考慮到T1圖像和矢量數(shù)據(jù)屬于同一時(shí)期，利用矢量數(shù)據(jù)的類別信息對T1圖像對象進(jìn)行分類。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類是最典型的基于圖像對象的分類算法之一，與監(jiān)督分類方法相似。它的主要過程是從每個(gè)土地覆蓋類別中選擇若干個(gè)樣本。其次，選取構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類特征空間的特征，計(jì)算圖像對象與類之間的距離d，利用以下函數(shù)計(jì)算圖像對象在類之間的成員關(guān)系：z（d）＝e－k＊d2（k代表類別，k＝1，2……，n），而后根據(jù)隸屬度的大小確定圖像對象的類別。

T2圖像使用最近鄰分類算法對圖像對象進(jìn)行分類。在對兩時(shí)相圖像的目標(biāo)進(jìn)行分類后，利用變化檢測對分類后的目標(biāo)進(jìn)行比較。分類后比較可以提供完整的變化矩陣，清楚地顯示“從—到”的變化信息。

4.2 圖像對象分析變化檢測方法

與中低分辨率圖像相比，高分辨率影像具有豐富的光譜特征、幾何結(jié)構(gòu)和紋理等空間信息，用戶可獲得更多的表面特征和細(xì)節(jié)。紋理分析是提取空間信息最常用的方法。灰度共生矩陣（Gray level co－occurrence matrix，GLCM）是一種最常用、應(yīng)用最廣泛的高分辨率影像紋理信息提取方法［6］，它描述了相鄰2個(gè)像素在一定距離內(nèi)的關(guān)系。GLCM包括遙感圖像中常用的8種紋理特征：中值、協(xié)方差、同質(zhì)性、反差、差異性、熵、二階距和自相關(guān)。在土地覆蓋類型中，建筑用地通常包含建筑屋頂、路邊樹蔭、陰影和許多其他因素，這些因素會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的紋理。農(nóng)業(yè)用地和水體的質(zhì)地比較簡單、均勻。

熵是圖像信息的度量，是圖像灰度級混淆程度的表示［7］，紋理越復(fù)雜的熵越大。該研究利用兩時(shí)相圖像對象像素值差的熵來檢測變化（以下簡稱“基于圖像對象分析的差熵算法”），提出了一種基于對象的熵計(jì)算算法來代替基于像素的熵計(jì)算算法，但二者的算法相似，只是窗口大小不同?；趯ο蟮撵厮惴ㄊ褂玫氖菆D像對象。兩時(shí)相目標(biāo)的差熵公式如下：

式中：用函數(shù)Ek計(jì)算差分圖像對象的熵，取目標(biāo)灰度i的概率；兩時(shí)相圖像對象的差值有正負(fù)，灰度的范圍不僅限于［0，255］，還擴(kuò)大到［－255，255］；Ek為歸一化值，Emax為最大差熵值。

對應(yīng)的兩時(shí)相圖像對象差異取決于取值范圍。當(dāng)取值大于設(shè)定的閾值時(shí)，確定該對象為已更改的圖像對象。本研究采用目標(biāo)函數(shù)法，在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，求出最佳閾值。目標(biāo)函數(shù)法的公式如下：

O（t）值越大，變化檢測結(jié)果越好。變化檢測需解決具有4個(gè)決策變量的二元類問題：①真陽性（TP，正確檢測到的變化圖像對象數(shù)）；②假陽性（FP，錯(cuò)誤地檢測的無變化圖像對象數(shù)）；③真陰性（TN，正確檢測到的無變化圖像對象數(shù)）；④假陰性（FN，錯(cuò)誤地檢測到?jīng)]有變化的圖像對象數(shù)）。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 圖像分割結(jié)果

結(jié)合矢量數(shù)據(jù)圖像分割算法的過程需要3個(gè)步驟：（1）利用矢量數(shù)據(jù)對兩時(shí)相圖像進(jìn)行疊加分割；（2）疊加分割圖的獨(dú)立分層分割；（3）兩時(shí)相分層分割圖的重疊分割。兩時(shí)相圖像分割結(jié)果，分析表明，矢量數(shù)據(jù)的圖像分割法是一個(gè)漸進(jìn)的優(yōu)化過程，通過一系列的切割和合并技術(shù)生成圖像對象（圖4）。為了實(shí)現(xiàn)“類內(nèi)同譜”“類間異譜”的目標(biāo)，遙感圖像中不同地物應(yīng)采用不同的分段尺度，如：種植土地、水體和道路的地物具有相對均勻的灰色信息，當(dāng)分割尺度較大時(shí)，由分割得到的圖像對象仍能保持均勻性。相比之下，高密度建筑的灰色信息更為復(fù)雜，需要較小分割尺度來獲得均勻的影像對象。上述結(jié)合矢量數(shù)據(jù)的圖像分割算法，共得到2 149個(gè)兩時(shí)相圖像。由于圖像對象的均勻性好，保證了有效的變化檢測。

重疊分割導(dǎo)致的過度分割現(xiàn)象并不影響同質(zhì)性和變化檢測（圖4e、f）。不同分割層次的圖像對象具有網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)和繼承關(guān)系，當(dāng)前級別的對象在其上層邊界內(nèi)，而不同級別的對象同時(shí)存在，利用不同的輔助數(shù)據(jù)可以在不同的層次上實(shí)現(xiàn)分割。由于多源數(shù)據(jù)的有效利用，提高了圖像對象的均勻性和變化檢測的精度。因此，該方法有助于解決遙感影像與矢量數(shù)據(jù)疊加分割的不一致性問題以及矢量數(shù)據(jù)的更新問題。

圖4 兩時(shí)相圖像分割結(jié)果Fig.4 Two－time phase image segmentation results

5.2 分類后比較變化檢測結(jié)果

該研究選擇分類后比較的最近鄰算法對T2時(shí)間圖像對象進(jìn)行分類，T1圖像對象則使用矢量分類。該區(qū)域的土地以種植土地、房屋建筑區(qū)、河流水面、溝渠為主，林地、公路、鄉(xiāng)村道路、坑塘水面較少。通過比對T1和T2的分類底圖，一個(gè)新的表面特征圖斑（公路）體現(xiàn)在T2的圖像上。公路占用了農(nóng)業(yè)用地、居民點(diǎn)和河流，比較2個(gè)時(shí)態(tài)圖像中的分類對象進(jìn)行詳細(xì)的變化分析（圖5）。

PCC法變化檢測增加了房屋建筑區(qū)、種植土地、公路、河流水面、溝渠、坑塘水面、鄉(xiāng)村道路等7個(gè)等級，林地沒有增加，部分被公路所取代（圖5a）。實(shí)驗(yàn)區(qū)共有2 149個(gè)圖像對象發(fā)生變化，變化率為46.67%。在1.53km2的總面積中，增加了0.36km2，占比23.67%。由于最終目標(biāo)和應(yīng)用是更新現(xiàn)有的矢量數(shù)據(jù)，該研究將分類后比較變化檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換為矢量對象，以改變圖像對象面積與矢量對象面積的比率顯示（圖5b），主要變化是增加的公路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分類后比較方法具有流程清晰、可操作性強(qiáng)和應(yīng)用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，可以很容易地得到變化圖像對象的類別，避免了2幅圖像光譜不一致的問題。因此，兩時(shí)相圖像可以有不同的類型、來源和格式，并且有不同的分類算法。（a）利用矢量數(shù)據(jù)邊界對2018年圖像進(jìn)行疊加分割；（b）利用矢量數(shù)據(jù)邊界對2019年圖像進(jìn)行疊加分割；（c）利用圖像的光譜響應(yīng)信息和矢量數(shù)據(jù)的類別屬性信息對2018年LULO進(jìn)行層次分割；（d）利用圖像的光譜響應(yīng)信息和矢量數(shù)據(jù)的類別屬性信息對2019年LULO進(jìn)行分層分割；（e）2018年LCLO的重疊分割；（f）2019年LCLO的重疊分割

圖5 PCC法變化檢測結(jié)果Fig.5 Results of change detection by PCC method

5.3 圖像對象分析變化檢測結(jié)果

在閾值［0.3，0.8］范圍內(nèi)，對應(yīng)于閾值的目標(biāo)函數(shù)值（圖6），目標(biāo)函數(shù)的最大值為0.69，對應(yīng)的閾值為0.63。當(dāng)閾值高于0.36時(shí)，函數(shù)值上升到最佳分界點(diǎn)，函數(shù)值從該分界點(diǎn)開始下降。該研究選取0.63作為最佳閾值來檢測圖像目標(biāo)的變化?；陟夭钏惴ǖ膱D像對象分析變化檢測結(jié)果的變化閾值為0.63，深色表示變化區(qū)域，淺色表示未變區(qū)域（圖7a）。2018年矢量對象變化比例表明，基于差熵算法的圖像對象分析變化檢測方法能夠檢測出變化最大的圖像對象，并對已有的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行更新（圖7b）。與分類后比較變化檢測法相比，該方法簡單易行，可操作性強(qiáng)，能準(zhǔn)確快速地檢測到變化區(qū)域，但無法獲得變化類別。

圖6 閾值選擇過程Fig.6 Threshold selection process

圖7 IOA法變化檢測結(jié)果Fig.7 Results of IOA method change detection

5.4 方法評價(jià)

變化檢測結(jié)果的精度評估對于比較改進(jìn)的變化檢測算法非常重要，并且可通過對特定應(yīng)用需求的可視化和量化來充分實(shí)現(xiàn)。以上2種變化檢測算法總體目標(biāo)是定位地理國情監(jiān)測以及更新現(xiàn)有的矢量數(shù)據(jù)庫。文章提出了一種基于矢量對象的精度評估方法，以分析變化檢測算法在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用。確定準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)是CDR、EDR和MDR，分別使用方程（4）（5）和（6）計(jì)算。精度評估的單位是矢量對象。

PCC方法檢測到59個(gè)變化矢量對象和0.370km2的變化面積，與真值數(shù)據(jù)的重疊數(shù)和面積分別為53個(gè)和0.364km2。因此，分類后比較方法對矢量對象和面積的檢測精度分別為86.89%和97.51%。IOA方法檢測到62個(gè)目標(biāo)和0.386km2，重疊數(shù)量和面積分別為52個(gè)和0.360km2，圖像對象分析的變化數(shù)和面積精度分別為85.25%和96.26%。由此可見，PCC和IOA方法各自都有較高的檢測精度，相互補(bǔ)充能有效地降低錯(cuò)檢率EDR和漏檢率MDR。

6 結(jié)論

基于改進(jìn)矢量數(shù)據(jù)的圖像分割算法的PCC與IOA 2種變化檢測方法，PCC方法避免了兩幅圖像之間的光譜不一致，獲得了更準(zhǔn)確的變化圖像對象類別；IOA方法簡單，自動(dòng)化測度較高，能更快速準(zhǔn)確地檢測到變化區(qū)域，2種方法相互補(bǔ)充，形成完整的變化檢測過程，二者檢測精度均達(dá)到85%以上，較改進(jìn)前75%的變化檢測平均精度，有了較大的提高。在地理國情監(jiān)測實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，不但提高了變化檢測對象的屬性和邊界精度，同時(shí)也大大提高了變化監(jiān)測的工作效率。