直方圖雙峰法在遙感影像水體提取中的研究與改進(jìn)

王茹月,周航宇

(湘潭大學(xué)計算機(jī)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

勘測地表水體并劃定其空間分布,對了解水文過程和管理水資源具有重要意義[1-2]。利用遙感多光譜數(shù)據(jù),使用水體指數(shù)方法,人們已經(jīng)研究得到廣泛使用的自動水體提取方法。遙感水體指數(shù)方法是提取全球和大區(qū)域水體信息的最有效方法[3-4],其關(guān)鍵點(diǎn)有兩處:一是歸一化使用的水體指數(shù),二是自適應(yīng)閾值方法[5-7]。使用水體指數(shù)方法進(jìn)行水體信息提取的最終效果在很大程度上依賴于分割閾值的選取結(jié)果, 閾值的好壞會直接影響到水體信息提取精度[8-9]。Mcfeeters在提出NDWI指數(shù)的同時,將地表水的閾值看作0,即認(rèn)為歸一化后正值為水,負(fù)值為非水,這是靜態(tài)閾值方法。隨后研究人員發(fā)現(xiàn)并非所有的圖像都是完美適用的,使用NDWI方法閾值為0時并不能準(zhǔn)確地將建筑物類型與水體區(qū)分開。文獻(xiàn)[10]創(chuàng)建了自動提取水指數(shù)的AWEI方法,該方法以0為閾值就可以自動提取水體指數(shù);但從現(xiàn)有情況來看,以0為閾值無法獲得最佳效果,仍需設(shè)定最佳閾值[4,11]。因此一些自適應(yīng)閾值方法不斷被研究使用,如迭代法、大津閾值法、直方圖雙峰法等。然而,每種方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和不適用情況。本文將對直方圖雙峰法展開研究,以期提高遙感影像水體信息提取的精度。

1 試驗數(shù)據(jù)選取

本文使用Landsat 8/9遙感數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)均從USGS的門戶網(wǎng)站Eatrh Explore上獲取。選取的L2級產(chǎn)品已經(jīng)官方處理,無須進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)及大氣校正過程[12],只需轉(zhuǎn)換為地表反射率即可參與計算。試驗區(qū)選取中國東部5個區(qū)域的影像,每景影像內(nèi)均有湖泊及河流。針對水體的研究均具有季節(jié)性和時間性趨勢[13],考慮季節(jié)、溫度、水生植物等對結(jié)果的影響,每個試驗區(qū)均選取冬夏兩個季節(jié)的數(shù)據(jù),共10景影像,詳細(xì)數(shù)據(jù)參數(shù)見表1?？紤]含云量對最終結(jié)果的影響較大,每景影像都已盡量選取含云量較低的數(shù)據(jù)。

表1 試驗數(shù)據(jù)參數(shù)

2 直方圖雙峰法

2.1 原理及使用方法

直方圖雙峰法最早是在1996年由Prewitt提出,全稱為灰度直方圖雙峰法。該方法是將圖像的灰度值進(jìn)行分割,若灰度直方圖呈明顯的雙峰狀,則選取兩峰之間的谷底所對應(yīng)的灰度級作為閾值。即對于一幅灰度值范圍在Z1到Zk的圖像,使用直方圖進(jìn)行統(tǒng)計,x軸為[0,255]的灰度值,y軸為對應(yīng)灰度值的像素點(diǎn)數(shù)。若直方圖形成兩個山峰形狀,則將兩峰之間y值最小時對應(yīng)的x值設(shè)為Zt,Zt為該圖像的閾值。

在實際遙感影像水體提取時,可直接將歸一化后的遙感數(shù)據(jù)作為雙峰法的數(shù)據(jù)統(tǒng)計對象,無須再處理成0～255的灰度值。歸一化后數(shù)據(jù)范圍為[-1,1],將其分成若干個區(qū)間,統(tǒng)計每個區(qū)間包含的數(shù)據(jù)個數(shù),即每個區(qū)間包含的像素點(diǎn)個數(shù),再以各區(qū)間中點(diǎn)為x軸,各區(qū)間包含的像素點(diǎn)個數(shù)為y軸形成雙峰圖,取兩峰之間的最低谷所對應(yīng)的x值作為最終的自適應(yīng)閾值。

2.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

直方圖雙峰法的優(yōu)點(diǎn)在于算法易于理解且容易實現(xiàn),計算量小,但也存在明顯不足。使用雙峰法求遙感影像的閾值,必須有一定的圖像先驗知識,水域與非水域分布面積應(yīng)較為均等。當(dāng)一幅圖大面積為水體或非水體,體現(xiàn)在圖像結(jié)果上是單峰數(shù)據(jù)或兩峰之間差距過大;若數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程不準(zhǔn)確或噪音點(diǎn)過多,則會出現(xiàn)多峰數(shù)據(jù)情況。在雙峰法使用過程中若出現(xiàn)以上情況則獲取的閾值結(jié)果是無意義的。

2.3 方法改進(jìn)

針對數(shù)據(jù)單峰及雙峰差距過大的情況,作出如下改進(jìn):由于一景圖像過大無法直接進(jìn)行處理或處理耗時較長,需將一景圖像裁剪成網(wǎng)格,再對每一幅裁剪后的圖像分別進(jìn)行處理。圖1展示部分網(wǎng)格圖像歸一化后的結(jié)果,明顯存在一幅圖出現(xiàn)大面積水域或非水域的情況。在此前提下,本文選擇在影像裁剪成網(wǎng)格之后先挑選水和非水分布較為均衡的圖像進(jìn)行閾值求解,取均衡圖像閾值的均值作為這一景圖像的閾值,可以有效防止在雙峰法使用過程中出現(xiàn)單峰及雙峰差距過大的情況。如圖1所示,mndwi＿1、mndwi＿35、mndwi＿48、mndwi＿200樣式為單一水體或非水體,需要剔除;mndwi＿51、mndwi＿85、mndwi＿104為分布較均衡圖像,可作為選擇。

圖1 部分歸一化結(jié)果圖輪廓展示

針對數(shù)據(jù)多峰情況,在試驗過程中發(fā)現(xiàn)多峰情況出現(xiàn)的嚴(yán)重程度與直方圖區(qū)間個數(shù)的多少有較大關(guān)系,在逐步試驗過程中最終確定可通過改變劃分區(qū)間個數(shù)調(diào)節(jié)最大峰的像素點(diǎn)所占比重,進(jìn)而可以有效緩解多峰情況的出現(xiàn)。為研究得出最大峰占比多少時閾值為最佳結(jié)果,進(jìn)行對比試驗,試驗流程如圖2所示。

3 試驗過程與結(jié)果分析

3.1 試驗過程

本文試驗研究過程如下:

(1)下載獲得Landsat 8/9圖像,選出b2、b3、b4、b6波段分別裁剪成128×128大小的網(wǎng)格圖片,從序號1開始按照順序命名圖片。

(2)對b3、b6波段使用MNDWI方法進(jìn)行歸一化,歸一化后數(shù)據(jù)范圍為[-1,1]。

(3)將歸一化后圖像中水和非水分布不均勻的圖像剔除,保存剩余圖像。

(4)對每幅圖像選取最大峰占比值從0.7到0.2每隔0.05遞減的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗,即分別取最大峰像素點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)比重為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7的條件作對比試驗。對圖像數(shù)據(jù)不斷循環(huán)調(diào)整區(qū)間份數(shù)以改變最大峰占比,達(dá)到要求的條件后取最大峰與次大峰之間最低處x值作為該圖像閾值。取所有圖像的均值作為這一景圖像的最終閾值。

(5)根據(jù)最終閾值,將大于閾值的像素點(diǎn)面積求出即為水體的面積。

(6)精度判定。

3.2 試驗結(jié)果與分析

將b2、b3、b4波段融合成RGB圖像,在裁剪后的網(wǎng)格圖像中隨機(jī)挑選10幅圖進(jìn)行人工面積標(biāo)注,與自動求得的水域面積進(jìn)行精度對比?；诓煌畲蠓逭急戎档碾p峰法精度對比結(jié)果見表2。為宏觀、清晰地反映整體變化趨勢,圖3和圖4為10景圖像的精度變化折線圖,圖3為冬季數(shù)據(jù)結(jié)果,圖4為夏季數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖3 冬季數(shù)據(jù)精度變化

圖4 夏季數(shù)據(jù)精度變化

表2 基于不同最大峰占比值的精度對比 (%)

為獲得最終的結(jié)論,合理的綜合數(shù)據(jù)得出結(jié)果,本文計算了精度變化的均值及方差,如圖5、圖6所示。由試驗結(jié)果可得出,最大峰像素點(diǎn)占比0.3時為精度最佳結(jié)果,即使用雙峰法求自適應(yīng)閾值時,應(yīng)先通過改變區(qū)間份數(shù)調(diào)節(jié)最大峰像素點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)到0.3,再取最大峰與次大峰之間最低谷為閾值時所求的閾值結(jié)果為分類精度最高值。改進(jìn)之后,雙峰法再出現(xiàn)單峰、雙峰等不適用情況的比例由0.775降到0.07,即參與最終閾值計算的數(shù)據(jù)已基本不再出現(xiàn)不適用雙峰法的情況。

圖5 精度均值變化

圖6 精度方差變化

3.3 精度對比

為展示改進(jìn)的雙峰法與其他自適應(yīng)閾值方法的效果對比,另外使用迭代閾值法進(jìn)行水體提取,其他試驗步驟相同,只替換了自適應(yīng)閾值方法,數(shù)據(jù)結(jié)果見表3,在相同試驗面積的情況下,改進(jìn)的雙峰法精度總要高于迭代法。計算各研究區(qū)的Kappa系數(shù)、總體分類精度參數(shù)[14],平均結(jié)果分別為0.858、0.931,說明改進(jìn)的雙峰法的水體提取結(jié)果處于高度一致性范圍內(nèi)。

表3 改進(jìn)雙峰法與迭代法精度比較 (%)

3.4 應(yīng)用實例

本文應(yīng)用改進(jìn)的直方圖雙峰法,使用2022年4月21日Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)計算得到鄱陽湖總水域面積為2 001.5 km2,水域結(jié)果如圖7所示。其中,黑色部分為水體,與人工標(biāo)注面積相比精度高達(dá)99.30%,證明該方法的可用性。

圖7 鄱陽湖水體提取過程展示

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)研究了圖像閾值分割方法之一的直方圖雙峰法,其優(yōu)點(diǎn)在于算法簡單,計算量小,但若使用雙峰法需有一定的圖像先驗知識,如圖像中水、非水分布面積應(yīng)較為均等,數(shù)據(jù)直方圖應(yīng)形成兩個山峰狀數(shù)據(jù)才能較準(zhǔn)確提取閾值,因此雙峰法的使用有一定的局限性。通過本文試驗研究,針對雙峰法的局限性做出如下改進(jìn)。

(1)對一景圖像裁剪后挑選水、非水分布均勻的圖像參與閾值計算,取其閾值均值作為這一景圖像的閾值,可以有效防止單峰及雙峰差距過大情況的出現(xiàn)。

(2)通過改變區(qū)間份數(shù)調(diào)節(jié)最大峰像素點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)比值到0.3時,既可以有效防止出現(xiàn)多峰數(shù)據(jù),也能在此條件下取得最好的精度結(jié)果。

改進(jìn)后的雙峰法最高精度可達(dá)99.14%,高于原雙峰法精度,且有效減少雙峰法使用時依賴水域分布以及圖像先驗知識的情況,大大提高了雙峰法的適用性。