結(jié)合遙感影像和DEM的線性體特征提取

易俐娜，劉鵬飛，喬小軍，張小寧，李艷華

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)院，北京 100009）

結(jié)合遙感影像和DEM的線性體特征提取

易俐娜1，劉鵬飛1，喬小軍1，張小寧2，李艷華1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)院，北京 100009）

一、引 言

線性體構(gòu)造信息是和地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的線性特征，包括山脊線、山谷線、斷裂帶等，是地質(zhì)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)信息。它不僅能為找礦提供線索[1]，還是地貌景觀演化研究中的重要影響因素[2]，能用于地質(zhì)構(gòu)造分析、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域[3-5]。遙感影像上連續(xù)的或不連續(xù)的以地貌和色調(diào)異常顯示的非人工的線性特征或弧形特征大部分是構(gòu)造要素的反映，并主要與斷裂構(gòu)造(包括節(jié)理、斷層、斷裂帶）有關(guān)，其優(yōu)勢方位通常反映區(qū)域構(gòu)造的基本格局，而其方位偏差則反映局部構(gòu)造異常。規(guī)模較大而且延續(xù)性強的線性體，往往是深層構(gòu)造在地表的直接反映。DEM是以數(shù)字的形式按一定結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實際地形特征空間分布的模型，也是地形起伏的數(shù)學(xué)描述。線性體有著特殊的地貌表現(xiàn)形式，在DEM上也就有著不同于其他地物的特點?；贒EM進行分析從而識別線性體的位置及空間分布特征，將對區(qū)分線性體構(gòu)造信息和非地質(zhì)相關(guān)線性特征有著非常重要的作用。

在已有的遙感圖像線性體自動提取研究中，遙感圖像處理及邊緣檢測是其關(guān)鍵技術(shù)手段。印度遙感中心利用一元數(shù)字圖像對線性體進行自動提取，對數(shù)據(jù)進行重采樣壓縮，用5×5窗口內(nèi)像元的平均值來代表新像元值，這樣將數(shù)據(jù)壓縮到原來的1/25。然后對這些數(shù)據(jù)進行反差擴展，在適當(dāng)?shù)拇翱趦?nèi)濾波，檢測出邊緣點，對這些邊緣點進行Hough變換擬合線段。美國匹茲堡大學(xué)用局部方差和梯度趨勢提取線性體，對圖像進行反差擴展，選取窗口，求窗口內(nèi)的灰度均值及方差，選取一個方差閾值，建立方差閾值圖，將方差大于閾值的像元保留，而其余像元賦一特定值。然后對該圖進行卷積求得梯度的方向圖，對m× m窗口內(nèi)的像元數(shù)和特征進行分析，當(dāng)有線性延伸的連續(xù)像元集群，其方向又與梯度方向垂直，這些像元本身就是線性體；或者當(dāng)集群像元數(shù)足夠大，分布雖不連續(xù)但明顯呈延長狀，則像元集群的主軸就是線性體。這些研究雖然能有效利用遙感影像上的邊緣信息，但是由于遙感影像上存在其他與地質(zhì)構(gòu)造無關(guān)的線性特征，線性體自動提取的結(jié)果與專家目視解譯提取的結(jié)果相比，差異仍然很大。地質(zhì)專家能從構(gòu)造的全局出發(fā)，把同一延伸方向的不連續(xù)線段連結(jié)起來，得出同實際地質(zhì)構(gòu)造吻合較好的判讀結(jié)果[6]。

基于DEM的線性信息提取方法主要有曲面擬合法、水流模型法、截面方法等[7]。然而，由于地貌的復(fù)雜性、DEM的誤差不可避免，這些方法提取的邊緣點往往難以連接成“有構(gòu)造意義”的線性體目標(biāo)。

考慮到遙感影像上提取的線性邊緣具有連續(xù)性強、精確度高的優(yōu)勢，而DEM上表現(xiàn)出的地形起伏對揭示地貌變異有著重要的貢獻，能被用來識別與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的線性特征，本文提出一種結(jié)合遙感影像和DEM的線性體特征提取方法，其中山脊線、山谷線和斷裂帶是主要的提取目標(biāo)。該方法首先把遙感影像和DEM進行幾何配準(zhǔn)，再分別基于DEM和遙感影像提取線性特征。一種嵌入邊緣的標(biāo)記分水嶺分割方法[8]被用于遙感影像線性特征提取，能在保留弱邊緣的同時去除偽邊緣。DEM地形分析被用于指導(dǎo)斷裂帶的提?。籇EM水文網(wǎng)絡(luò)分析被用于自動提取山脊線、山谷線。最后，利用邊緣點匹配保留和地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的邊緣點，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的腐蝕、膨脹方法對保留的邊緣點進行后處理，連接相鄰邊緣點，以獲得最終的線性體提取結(jié)果。

為驗證所提方法，本文選擇秦皇島市的山地作為研究區(qū)，獲得其對應(yīng)的Landsat ETM和Strm的DEM數(shù)據(jù)。將本方法提取出的線性體構(gòu)造信息和專家的解譯結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，提取出的線性體和解譯結(jié)果基本吻合，這證明本文提出的方法具有較好的應(yīng)用前景。

二、方 法

1.研究區(qū)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究區(qū)位于河北秦皇島市，覆蓋面積達630 km2。ETM＋數(shù)據(jù)包括15 m空間分辨率的全色波段和30 m空間分辨率的多光譜波段；Aster GDEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m。首先對兩種數(shù)據(jù)進行幾何配準(zhǔn)，使得配準(zhǔn)誤差小于0.1個像素，并重采樣到15 m分辨率。為除去DEM數(shù)據(jù)上的噪音，將配準(zhǔn)后DEM數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)濾波，在保留邊緣的情況下實現(xiàn)平滑減噪，得到的DEM濾波后結(jié)果如圖1所示。將Landsat ETM＋數(shù)據(jù)和DEM疊加得到如圖2所示的三維圖，可見在研究區(qū)存在明顯的斷裂帶(橫向線），且山谷線垂直于斷裂帶平行展布(縱向線）。

圖1 自適應(yīng)濾波后的Aster G-DEM圖像

圖2 研究區(qū)三維疊加圖

2.遙感影像線性特征提取

本文使用一種嵌入邊緣的標(biāo)記分水嶺分割算法[11]提取遙感影像上的邊緣，該方法能去除偽邊緣且保留弱邊緣，得到如圖3所示的邊緣提取結(jié)果，可見提取的邊緣較為精確地表達了遙感影像上的線性特征。

圖3 遙感影像邊緣提取結(jié)果

然而，提取的邊緣中包含線性體構(gòu)造特征及與地質(zhì)構(gòu)造無關(guān)的線性特征(如水體邊緣）。因此，需將和地質(zhì)構(gòu)造無關(guān)的線性特征從中剔除?？紤]到DEM較好地反映了研究區(qū)地形地貌，因此，先利用DEM地形分析及水文網(wǎng)絡(luò)分析來提取線性體構(gòu)造信息，然后再利用邊緣點匹配的方法獲得與DEM上提取的線性體相匹配的遙感影像邊緣點，并對邊緣點進行后處理，以獲得最終的線性體構(gòu)造信息提取結(jié)果。

3.DEM線性體構(gòu)造信息提取

對于線性體構(gòu)造而言，DEM上的坡度變化較快區(qū)域就是斷裂帶；走向一致的連續(xù)線性特征往往就是山脊、山谷線。本研究基于地形分析和水文網(wǎng)絡(luò)分析分別提取斷裂帶和山脊山谷線。

(1）地形分析

從DEM上提取坡度(slope）和坡向(aspect）特征[9]分別反映了地形的傾斜程度和走勢，如圖4、圖5所示。坡度變率是地面坡度在微分空間的變化率，它的計算是依據(jù)坡度的求算原理，在所提取的坡度值的基礎(chǔ)上對地面每一點再求算一次坡度，即坡度之坡度(slope of slope，SOS），表征了地表面高程相對于水平面變化的二階導(dǎo)數(shù)，在一定程度上可以很好地反映剖面曲率信息，其計算結(jié)果如圖6所示。坡度變率較大的地方一般是斷裂帶所處的位置，因此，在SOS圖上連續(xù)的灰度較亮區(qū)域顯示斷裂帶的存在。通過手工提取斷裂帶可得到如圖7所示的提取結(jié)果。

圖5 DEM坡向特征(aspect）

圖6 DEM坡度變率特征(SOS）

(2）水文網(wǎng)絡(luò)分析

山脊線、山谷線是地形特征線，它們對地形、地貌具有一定的控制作用。山谷山脊線的提取實質(zhì)就是分水線與匯水線的提取[10-11]。在ArcGIS中利用水文網(wǎng)絡(luò)分析方法提取山脊線是基于匯流累積量為零的原理進行的，而山谷線則先通過反地形處理，然后通過匯流累積量為零進行提取，提取結(jié)果如圖8所示?？梢?，山脊山谷線較好地反映了地形骨架，但是其存在邊緣不連續(xù)的問題。

4.結(jié)合遙感影像和DEM的線性體構(gòu)造信息提取

DEM上的線性體提取結(jié)果較好地吻合了專家解譯的結(jié)果，但是存在邊緣斷斷續(xù)續(xù)、難以連接的情況；遙感影像上提取的邊緣具有很好的連續(xù)性，但存在其他非地質(zhì)構(gòu)造線性特征。為綜合利用兩者的優(yōu)勢，提取反映地質(zhì)構(gòu)造的線性體信息，以DEM數(shù)據(jù)中提取的線性體邊緣點為基礎(chǔ)，在遙感影像邊緣提取結(jié)果上進行邊緣點匹配。

在邊緣點匹配中，以DEM上線性體邊緣點i為基準(zhǔn)，匹配遙感影像邊緣點j，計算兩者間最短距離dij，若距離dij在預(yù)設(shè)的距離容差l范圍內(nèi)，表明這兩個邊緣點是匹配的，從而保留遙感影像上的邊緣點；若距離在距離容差范圍外則保留DEM上提取的邊緣點。匹配結(jié)果如圖9所示，邊緣代表山脊、山谷線和斷裂帶?？梢?，由于存在一個DEM上邊緣點匹配得到多個遙感影像邊緣的情況，匹配結(jié)果上存在不同寬度的邊緣線，需要進行后處理得到連續(xù)的邊緣。首先，利用影像相減剔除水體指數(shù)閾值分割得到的水體邊緣；然后利用腐蝕、膨脹的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法來處理邊緣點，得到如圖10所示的線性體提取結(jié)果?？梢姳疚乃岱椒ㄌ崛〕龅木€性體特征較好地吻合研究區(qū)的地形構(gòu)造格局。

圖8 DEM上提取的山脊線、山谷線

圖9 邊緣點匹配結(jié)果

圖10 線性體特征提取結(jié)果

三、總結(jié)和展望

本文以秦皇島市的山地為研究區(qū)域，獲得該區(qū)域?qū)?yīng)的Landsat ETM和DEM數(shù)據(jù)，建立了關(guān)于線性體的解譯標(biāo)志，包括坡度變率SOS、斷層三角崖排列、山脊及山谷的錯切等。在DEM的線性體提取方面，利用水文網(wǎng)絡(luò)分析提取山脊、山谷線，SOS提取斷裂信息，取得了較好的結(jié)果。在遙感圖像處理提取線性特征方面，利用一種嵌入邊緣的標(biāo)記分水嶺分割算法提取邊緣。然后，對遙感影像上提取的線性特征和DEM上提取的線性體進行匹配，并剔除水體邊緣，以獲得和地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的線性體提取結(jié)果。通過目視解譯，發(fā)現(xiàn)本研究所提取出的線性體和解譯結(jié)果基本吻合。但是，本文所提方法受影像和DEM幾何配準(zhǔn)精度的影響較大，需要精確配準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)和DEM才能充分地利用兩者提取高質(zhì)量的線性體特征；其中嵌入邊緣的標(biāo)記分水嶺分割、水體指數(shù)閾值分割、DEM水文網(wǎng)絡(luò)分析和地形分析方法的自動化程度不高，一些參數(shù)的設(shè)置需要人工進行反復(fù)試驗以獲得較為滿意的結(jié)果；在線性特征邊緣匹配中，運用的方法是邊緣點匹配方法，匹配結(jié)果存在線段粗細不同的問題，為后續(xù)的邊緣后處理帶來了困難，這些可考慮用線特征匹配的方法加以改進。為進一步提高線性體提取的質(zhì)量和自動化程度，需對以上內(nèi)容進行進一步的研究。

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Lineament Extraction from Remote Sensing Image and DEM

YI Lina，LIU Pengfei，QIAO Xiaojun，ZHANG Xiaoning，LI Yanhua

利用遙感影像提取的線性特征具有較高定位精度，但不能保證線性特征和地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)；利用DEM提取的線性特征能較好地反映地形特征，但存在邊緣點定位不準(zhǔn)、難以連接的缺點。本文提出一種結(jié)合兩者優(yōu)勢的線性體特征提取方法。首先利用嵌入邊緣的標(biāo)記分水嶺分割方法提取遙感影像線性特征，在保留弱邊緣的同時去除偽邊緣；然后利用DEM地形和水文分析提取斷裂帶、山脊線、山谷線；最后利用邊緣點匹配保留與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的邊緣點，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的腐蝕、膨脹方法進行結(jié)果后處理，連接相鄰邊緣點以獲得最終結(jié)果。秦皇島市山區(qū)的試驗結(jié)果表明：該方法能快速、準(zhǔn)確地獲得連續(xù)線性體特征，較好地刻畫研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況。

線性體提?。凰木W(wǎng)絡(luò)分析；地形分析；標(biāo)記分水嶺分割

P237

B

0494-0911(2014）10-0019-04

2014-01-07

國家自然科學(xué)基金面上項目(41171306）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20130023110001）；中國礦業(yè)大學(xué)(北京）中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(2011QD03）；中國礦業(yè)大學(xué)(北京）國家級大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目(201211413030）；“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目”(Z20141201）

易俐娜(1986―），女，湖北云夢人，講師，主要從事高分辨率遙感影像信息提取方面的研究。引文格式:易俐娜，劉鵬飛，喬小軍，等.結(jié)合遙感影像和DEM的線性體特征提取[J].測繪通報，2014(10）：19-22.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0319