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      2016-12-28 02:20:44金文韜許捍衛(wèi)李正源王海君
      地理空間信息 2016年9期
      關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)區(qū)面向?qū)ο?/a>高分辨率

      金文韜,許捍衛(wèi),李正源,王海君

      (1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

      面向?qū)ο蟮母叻直媛视跋裢恋乩眯畔⑻崛?/p>

      金文韜1,許捍衛(wèi)1,李正源1,王海君1

      (1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

      運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽?duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)高分辨率影像進(jìn)行最優(yōu)分割尺度的影像分割。首先利用ESP算法確定影像的最佳分割尺度,再運(yùn)用CART決策樹分類對(duì)土地利用信息進(jìn)行提取,并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行后處理,進(jìn)一步提高分類精度。最終分類結(jié)果精度達(dá)到80.38%。

      土地利用;最優(yōu)分割;面向?qū)ο蟮姆诸?;高分辨率影?/p>

      進(jìn)入21世紀(jì),隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人口的激增,土地利用變化更加復(fù)雜和多樣化,運(yùn)用遙感技術(shù)更新土地利用基礎(chǔ)圖件已成為國內(nèi)外土地利用和覆蓋變化研究的重點(diǎn)方向。本文基于高分辨率QuickBird影像,采用eCognition軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)影像進(jìn)行最優(yōu)分割尺度分割。利用ESP算法確定影像的最佳分割尺度,再利用CART決策樹分類對(duì)土地利用信息進(jìn)行提取,取得了較好分類精度。

      1 實(shí)驗(yàn)區(qū)和研究數(shù)據(jù)

      實(shí)驗(yàn)區(qū)位于長江北岸,南京市浦口區(qū)江浦街道,與南京主城區(qū)隔江相望,總面積192萬km2。本文選取QuickBird衛(wèi)星影像[1-2]為現(xiàn)勢(shì)的遙感數(shù)據(jù),拍攝時(shí)間為2012年,包含2.4 m的多光譜波段和0.6 m的全色波段,含紅、綠、藍(lán)和近紅外4個(gè)波段。經(jīng)過影像融合、配準(zhǔn)和裁剪后,實(shí)驗(yàn)區(qū)影像如圖1所示。

      圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)原始影像

      2 研究方法

      2.1 最佳分割尺度、精致度和形狀參數(shù)的確定

      在面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄖ惺紫纫_定影像的最佳分割尺度,本文運(yùn)用ESP分割來確定最佳分割尺度。其主要思想為[3]:以局部方差(LV)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均值來代表某塊影像檢查窗口中對(duì)象的異質(zhì)性。因?yàn)樵诜指畛叨群线m的對(duì)象中,像素相互聚集在一起,LV將變低,反之LV將變大。最佳尺度的選擇是一個(gè)迭代過程,當(dāng)前尺度下的LVn值等于或低于前一尺度下LVn-1時(shí),迭代停止;n-1次分割的尺度即為最佳分割尺度。

      本文通過ESP分割確定最佳分割尺度為45,并以此為實(shí)驗(yàn)區(qū)影像的最佳分割尺度。在確定形狀指數(shù)(Shape)時(shí),通過固定緊致度參數(shù)(Compactness)為0.6,步長為0.2,改變Shape參數(shù)選擇最優(yōu)的形狀參數(shù),確定Shape參數(shù)為0.5最合適;然后固定Shape參數(shù)為 0.5,步長為0.2,改變Compactness參數(shù)來選擇最優(yōu)的緊致度參數(shù),最終Compactness參數(shù)確定為0.5。

      2.2 CART決策樹分類

      決策樹[4],即判定樹,是通過節(jié)點(diǎn)處的判別式將對(duì)象進(jìn)行區(qū)分。CART[5]決策樹遞歸分割數(shù)據(jù)集,以機(jī)器學(xué)習(xí)形式確定最優(yōu)的計(jì)算變量,再得出各節(jié)點(diǎn)的判別式,具有較為簡單、便于計(jì)算[6]的特點(diǎn)。樣本載入后,需要為樣本選取訓(xùn)練的特征集,以構(gòu)建決策樹形成分類規(guī)則[7]?;居?xùn)練選取平均值(Mean)、標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation)、貢獻(xiàn)率(Ratio)和亮度值(Brightness)4個(gè)特征參與計(jì)算,除此之外自定義了4 類指數(shù)加以訓(xùn)練,如表1所示。

      表1 自定義指數(shù)表

      結(jié)合2009年歷史土地利用矢量圖的分類體系和全國土地利用[8]分類編碼,根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)現(xiàn)狀確定土地利用分類體系為采礦用地、草地、茶園、村莊、公路用地、果園、旱地、建筑用地、坑塘水面、林地、河流、農(nóng)村道路、水田、溝渠、田坎和沼澤等16類

      設(shè)置決策樹的深度為10,分割節(jié)點(diǎn)最小樣本數(shù)為5,交叉驗(yàn)證修剪的最小樣本數(shù)為2,通過對(duì)選取的2 139 個(gè)樣本點(diǎn)和相應(yīng)特征變量的訓(xùn)練,得到79個(gè)葉節(jié)點(diǎn),每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)表示單條規(guī)則,共79條規(guī)則。CART決策樹建立并運(yùn)行后得到分類結(jié)果如圖2所示。

      圖2 CART決策樹分類結(jié)果

      2.3 分類后處理

      CART決策樹分類取得了較好的分類結(jié)果,但將分類結(jié)果放大后就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在坑塘水面與周圍地物混淆、陰影遮擋道路、部分主干道有斷開現(xiàn)象等問題,為提高精度,需要對(duì)上述問題進(jìn)行處理。

      1)坑塘水面的完善。在實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi),部分坑塘鄰近采礦用地,或被采礦用地包圍,提取時(shí)容易被分為采礦用地。由于坑塘水面形狀相對(duì)規(guī)則,采礦用地大多邊界不規(guī)則,因此可運(yùn)用形狀指數(shù)(Shape Index)來區(qū)分。形狀指數(shù)表示影像對(duì)象的面積和周長的關(guān)系度,其計(jì)算公式為:

      式中,by為影像對(duì)象的周長;py為對(duì)象的面積;邊界越規(guī)則,Shape Index值就越小,反之則越大。

      2)建筑物地類的完善。由于太陽照射角度和建筑物高度的影響,高層建筑物投射的陰影落在了建筑物影像內(nèi)部,然而陰影的光譜響應(yīng)接近于道路的光譜值,所以提取后在建筑物內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)塊狀陰影。由于建筑物遮擋引起的陰影與建筑物本身存在共有邊界,可采用類相關(guān)特征Rel.border to對(duì)建筑物邊緣的陰影進(jìn)行搜索,同時(shí)考慮建筑物在亮度上與陰影的差異,最終選擇Brightness≥300和Rel.border to建筑物≥0.5這兩條規(guī)則將陰影歸類為建筑用地類。

      3)主干道斷開的連接。由于主干道兩旁的地物較復(fù)雜,如周圍存在建筑用地、林地和溝渠等類別,主干道提取結(jié)果存在錯(cuò)分,導(dǎo)致主干道連接中斷。為使道路中斷處順利連接,本文使用區(qū)域生長法進(jìn)行處理。Image Object Fusion算法是一種區(qū)域生長算法,此算法的基本原理是[6-7]將需要融合的種子對(duì)象通過設(shè)置的種子對(duì)象周邊候選對(duì)象的種類和循環(huán)次數(shù),到達(dá)填補(bǔ)縫隙的效果。實(shí)驗(yàn)中使用棋盤分割將道路周圍對(duì)象分割成細(xì)小碎塊,然后采用Image Object Fusion規(guī)則使道路在背景對(duì)象中融合生長。設(shè)置對(duì)象為道路周邊的建筑用地和草地,擬合模式設(shè)置為best,候選對(duì)象、種子對(duì)象以及目標(biāo)對(duì)象權(quán)重設(shè)置為(2,-1,-1);然后使用Connector算法,將道路連接起來。

      3 精度檢驗(yàn)

      表2 分類精度評(píng)價(jià)結(jié)果

      eCognition中提供了2種方式:基于像元的精度評(píng)定,即選擇一定樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入,以這些樣本作為評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入到相應(yīng)工程中;基于影像對(duì)象的精度評(píng)定,即將分割的影像對(duì)象選為評(píng)定的樣本。結(jié)合大比例尺的航片進(jìn)行檢驗(yàn),共選取了1 779個(gè)樣本,進(jìn)行精度評(píng)價(jià)后總體精度達(dá)到80.38%,Kappa系數(shù)為0.755 2,精度評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

      4 結(jié) 語

      面向?qū)ο蟮挠跋裥畔⑻崛。潢P(guān)鍵的第一步是影像分割,本文以ESP輔助工具和對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)的分割尺度,充分運(yùn)用高分辨率影像的光譜、形狀和紋理等特征構(gòu)建規(guī)則集實(shí)現(xiàn)對(duì)影像信息的提?。贿\(yùn)用了CART決策樹分類方法,并對(duì)分類結(jié)果作相關(guān)后處理,進(jìn)一步提高了影像信息提取的精度,取得良好的分類效果。但在實(shí)驗(yàn)過程還存在不足,如面向?qū)ο蟮男畔⑻崛∵^程不夠自動(dòng)化,需要耗費(fèi)一定時(shí)間選取最佳分割尺度;參數(shù)不能與后面的分類集成于eCognition中;決策樹分類選取的特征變量不夠全面;提取地物信息時(shí)沒有運(yùn)用分層提取的思想以提高效率等。

      [1] 蔣永濤.基于QuickBird影像土地利用信息提取研究[D].雅安∶四川農(nóng)業(yè)大學(xué),2009

      [2] 田新光.面向?qū)ο蟾叻直媛蔬b感影像信息提取[D].北京∶中國測(cè)繪科學(xué)研究院,2007

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      [8] 徐春迪,屈康慶,郭俊理.寶雞市金渭兩區(qū)土地利用信息遙感提取研究[J].地理空間信息,2007,5(6)∶39-41

      P237

      B

      1672-4623(2016)09-0104-03

      10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.034

      金文韜,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

      2015-08-13。

      項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41101308)。

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