顧及陰影信息的高分辨率遙感圖像變化檢測(cè)方法

徐宏根，宋 妍

(1.武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引言

遙感圖像變化檢測(cè)是近10 a以來(lái)遙感應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，在軍事目標(biāo)偵查、災(zāi)害評(píng)估、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)更新等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文以覆蓋城市的高空間分辨率遙感圖像為研究對(duì)象，旨在解決城市場(chǎng)景內(nèi)由陰影所引起的誤檢測(cè)問(wèn)題。

已有許多學(xué)者研究過(guò)如何降低遙感圖像中陰影對(duì)變化檢測(cè)的影響，例如:Shintaro[1]在同名核線上搜索房頂?shù)男畔ⅲ⒏鶕?jù)陰影模型去除因陰影造成的偽變化;季順平[2]利用高斯背景模型提取陰影，并在對(duì)圖像完成陰影補(bǔ)償后再進(jìn)行變化檢測(cè)。對(duì)于上述方法，陰影提取的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)這個(gè)問(wèn)題，王樹根[3]認(rèn)為陰影的提取可分為低級(jí)處理與中級(jí)處理2步:首先依據(jù)光譜特征提取陰影的初始區(qū)域;然后依據(jù)陰影的幾何特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)，并提出用“基于RGB模型空間的陰影檢測(cè)”方法檢測(cè)彩色航空?qǐng)D像中的陰影。針對(duì)高分辨率遙感圖像中陰影面積較大的特點(diǎn)，郭海濤等[4]還提出從光譜和幾何2個(gè)方面進(jìn)行約束和提取陰影的方法。

針對(duì)2期遙感圖像之間由于陰影的變化所造成的偽變化，本文采取陰影提取后對(duì)初始檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行陰影補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)提高變化檢測(cè)的精度。該方法的核心是陰影提取。在提取2期遙感圖像的陰影后，即可根據(jù)2期圖像的陰影差分結(jié)果得到2期圖像因陰影造成的變化，從而去除初始檢測(cè)結(jié)果中陰影所造成的影響。在陰影提取時(shí)，本文借鑒面向?qū)ο蟮姆诸愃枷耄捎孟确指?、后提取的方法完成陰影檢測(cè)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明本文方法的有效性和精度。

1 陰影檢測(cè)

陰影檢測(cè)是剔除陰影對(duì)變化檢測(cè)結(jié)果負(fù)面影響的先決條件。下面首先分析陰影形成原因，并總結(jié)陰影的光譜和幾何方面的性質(zhì)。

圖像中的陰影是成像光源被目標(biāo)物體完全或部分遮擋所形成的，只要傳感器與光源所在位置(或方向)不重合，就會(huì)產(chǎn)生陰影[4]。從光譜特征而言，陰影的光譜值較低，根據(jù)這一特點(diǎn)可將陰影與其他色調(diào)較亮的物體區(qū)分開來(lái);其次，由于天空中大氣介質(zhì)對(duì)藍(lán)光分量有較強(qiáng)的散射作用，藍(lán)波段的數(shù)據(jù)在陰影區(qū)域的方差較大，依此也可區(qū)分陰影與其他一些光譜值較低的物體。另外，植被與陰影在可見(jiàn)光波段均呈暗色調(diào)，難以通過(guò)可見(jiàn)光譜段的光譜進(jìn)行區(qū)分;但在近紅外波段植被呈現(xiàn)亮色調(diào)，而陰影依舊保持暗色調(diào)，因此利用近紅外波段的數(shù)據(jù)可以較好地區(qū)分植被與陰影。

根據(jù)陰影的上述性質(zhì)，本文采用以下步驟提取陰影:①分別對(duì)2期遙感圖像進(jìn)行波段選擇，選擇出適合陰影檢測(cè)的波段;②運(yùn)用圖像分割的方法，對(duì)步驟①所選擇的波段數(shù)據(jù)進(jìn)行分割;③根據(jù)各個(gè)分割塊的均值將各個(gè)分割塊分為3類:陰影、疑似陰影和非陰影;④進(jìn)一步根據(jù)分割塊在藍(lán)波段的方差確定最終的陰影。

1.1 波段選擇

為提取陰影，需要從遙感圖像的原始波段中選擇出陰影可分性較好的波段。鑒于近紅外波段(nearinfrared，N)與藍(lán)波段(blue，B)的數(shù)據(jù)對(duì)提取陰影有較好的作用，在選擇陰影可分性較好的波段的基礎(chǔ)上，本文繼續(xù)在紅波段(red，R)與綠波段(green，G)中進(jìn)行選擇。運(yùn)用遙感專業(yè)軟件Erdas分別按照(B+R+N)、(B+G+N)以及(B+G+R+N)等3 種方式進(jìn)行波段合成，并計(jì)算3幅合成圖像中陰影與其他地物類型的轉(zhuǎn)換散度。Swain等[5]指出:“若2類別間的轉(zhuǎn)換散度大于1 900，則這2類可以被很好地分開;若轉(zhuǎn)換散度在1 700～1 900之間，則這2類是可分的，分割效果尚可;若轉(zhuǎn)換散度小于1 700，則這2類的可分性很差。”因此，從波段數(shù)目與轉(zhuǎn)換散度可分性2個(gè)方面綜合考慮，選擇出適宜的假彩色合成圖像進(jìn)行后續(xù)分析。

1.2 圖像分割

對(duì)于高分辨率遙感圖像而言，傳統(tǒng)的面向像元的分類方法會(huì)使分類結(jié)果中產(chǎn)生“椒鹽效應(yīng)”，導(dǎo)致分類精度低，而面向?qū)ο蟮膱D像分類方法是解決上述問(wèn)題的有效方法。但是，面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽?duì)圖像分割的結(jié)果有較強(qiáng)的依賴。在彩色航空?qǐng)D像的陰影檢測(cè)中，已有人探索將均值平移(mean shift)算法用于圖像分割，取得了比傳統(tǒng)方法更好的效果[6]。因此，本文也采用均值平移算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原始圖像的分割。

均值平移算法實(shí)際屬于非參數(shù)估計(jì)密度函數(shù)的方法，最早由 Fukunaga[7]在 1975 年提出;Comaniciu[8]則證明了均值平移算法具有嚴(yán)格的收斂性，并且將均值平移方法運(yùn)用到圖像分割中。均值平移算法將圖像分割轉(zhuǎn)化為尋求圖像特征空間模式的過(guò)程，并分為概率密度估計(jì)、模式搜索、圖像濾波和圖像分割4個(gè)連續(xù)的步驟(其具體的計(jì)算流程見(jiàn)文獻(xiàn)[8])。

1.3 陰影提取

完成圖像分割后，即可依據(jù)分割塊的光譜和幾何性質(zhì)提取陰影區(qū)域。筆者認(rèn)為，原始遙感圖像的光譜特征符合高斯混合模型(Gaussian mixture model，GMM)，因此可依據(jù)貝葉斯最小錯(cuò)誤概率準(zhǔn)則、根據(jù)各分割塊的均值提取初始的陰影區(qū)域。但由于陰影與圖像中的暗色調(diào)地物容易混淆，故需要進(jìn)一步計(jì)算各分割塊在藍(lán)波段的方差，從而對(duì)初始的陰影提取結(jié)果進(jìn)一步約束，以得到真正的陰影區(qū)域。

1.3.1 運(yùn)用分割塊均值提取初始陰影

為了利用各個(gè)分割塊的光譜信息提取初始的陰影區(qū)域，首先采用GMM對(duì)整景遙感圖像建模。整景圖像可表示為

式中:zi為第i個(gè)高斯分布成分的權(quán)重因子，且滿足歸一化條件

和zi＞0;r為圖像所包含的地物類型的數(shù)目;fi(x)為第i個(gè)高斯成分的密度函數(shù)，即

其中:mi為第i個(gè)成分的均值向量;σi為第i個(gè)成分的協(xié)方差矩陣;d為該成分的特征空間維數(shù)。

采用遺傳K－均值算法、結(jié)合期望最大化(expectation－maximization，EM)算法求解出各個(gè)類別的統(tǒng)計(jì)參數(shù)[9－10]，即

然后統(tǒng)計(jì)各分割塊的均值向量mn(1≤n≤N，N為分割塊的總數(shù))，依據(jù)Bayes公式計(jì)算分割塊的均值向量屬于不同類別的后驗(yàn)概率，并根據(jù)最小錯(cuò)誤概率準(zhǔn)則判斷該分割塊的類屬，從而完成陰影的初始提取。

1.3.2 運(yùn)用分割塊方差約束初始陰影

在上述陰影提取的初始結(jié)果中，不僅包含了陰影，而且包含了水體等暗色調(diào)地物。為了去除干擾、得到真正的陰影，計(jì)算步驟①中各分割塊在藍(lán)波段中的方差，以藍(lán)波段方差值作為各分割塊的特征。陰影區(qū)域的方差較大，呈現(xiàn)較亮的色調(diào);而水體則呈現(xiàn)較暗的色調(diào)。將各分割塊的方差值依照從小到大的順序排列，并人工設(shè)置閾值t，則所有方差大于t的分割塊為陰影，而方差小于t的分割塊為“非陰影”。閾值t的設(shè)置要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)的方法確定，以便盡可能地剔除非陰影和水體。

1.4 降低誤檢測(cè)

在提取出陰影區(qū)域后，將2期遙感圖像的陰影提取結(jié)果直接相減，得到“陰影差分圖”。該圖反映了由于2期圖像中陰影的變化所帶來(lái)的偽變化，是導(dǎo)致城區(qū)遙感圖像變化檢測(cè)精度低的主要原因之一。為了去除這種偽變化，將陰影差分的結(jié)果與原始的變化檢測(cè)結(jié)果作邏輯運(yùn)算:如果一個(gè)像元在初始變化檢測(cè)時(shí)被判斷為“變化”的像元，同時(shí)在陰影差分圖上也屬于變化像元，則該像元并不是真變化像元，應(yīng)將該像元改變?yōu)槲醋兓裨?只有當(dāng)像元在陰影差分圖上屬于未變化像元時(shí)，才保留初始變化檢測(cè)的判斷。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

選擇2003年和2004年獲取的深圳地區(qū)IKONOS多光譜圖像對(duì)(圖1(a)和(b))作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，2景圖像在進(jìn)行變化檢測(cè)之前經(jīng)過(guò)相對(duì)輻射校正和幾何配準(zhǔn)，配準(zhǔn)誤差小于0.5像元。圖像中的主要變化類型為城區(qū)內(nèi)的植被變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，并有建設(shè)用地變?yōu)榻ㄖ＿x擇場(chǎng)景內(nèi)變化的像元(圖1(c)中的1 466個(gè)紅色像元)和未變化的像元(圖1(c)中的2 583個(gè)綠色像元)用于計(jì)算變化檢測(cè)精度。圖1(a)和(b)中藍(lán)色橢圓內(nèi)為城區(qū)內(nèi)典型高樓及陰影區(qū)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將用于對(duì)比陰影去除前、后的變化檢測(cè)效果。

圖1 深圳地區(qū)IKONOS多光譜圖像與差分圖像Fig.1 IKONOS multi－spectral images and difference image in Shenzhen district

圖2 基于灰度信息的圖像變化檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Change detection result from gray value in the image

圖2 是根據(jù)2期圖像的光譜差分信息，采用顧及上下文信息的模糊聚類方法進(jìn)行變化檢測(cè)的結(jié)果[11]。該方法具有無(wú)需估計(jì)參數(shù)、自動(dòng)化程度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，變化檢測(cè)總體精度為87.68%，Kappa系數(shù)為 0.72。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，圖像變化檢測(cè)結(jié)果中存在著由于陰影的變化而造成的誤檢測(cè)，因而降低了變化檢測(cè)的精度。具體地看，圖3是對(duì)圖1的IKONOS圖像中藍(lán)色橢圓區(qū)域裁剪后放大3倍的結(jié)果(圖3(a)為前期圖像，(b)為后期圖像，(c)為僅依據(jù)灰度信息的變化檢測(cè)結(jié)果)，用白色橢圓標(biāo)出的2個(gè)區(qū)域被判斷為變化區(qū)域。然而，這種變化是由陰影的變化造成的，應(yīng)該予以剔除。

圖3 由陰影引起的誤檢測(cè)Fig.3 Error detection caused by shadow

2.1 波段選擇結(jié)果

散度是一種基于類別概率密度函數(shù)的可分性判據(jù)，設(shè)有類別 i，j，則其類間散度為

式中:si和mi分別為第i類的協(xié)方差矩陣和均值矢量;sj和mj分別為第j類的協(xié)方差矩陣和均值矢量。實(shí)際運(yùn)算中，常采用變換散度TDij代替式(5)，即

對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像對(duì)進(jìn)行判讀，2期圖像中所包含的典型地物有陰影、建筑物、道路、水體和植被。在3種波段合成的結(jié)果中，分別計(jì)算出陰影與其余4類地物的變換散度(表1)。

表1 不同波段組合的地物可分性比較Tab.1 Comparison among different surface feature separabilities of different band combinations

Swain[5]指出，“若 2 類的變換散度大于 1 900，則這2類可以被很好地分開;若在1 700～1 900之間，則這2類的可分性尚可;若小于1 700，則這2類的可分性將很差。”

由表1可以看出，對(duì)前期圖像(圖3(a))而言，3種波段合成方法都可以較好地將陰影與其余地物區(qū)分開，其中(B+R+N)波段組合在波段數(shù)目較少的情況下與(B+G+R+N)4個(gè)波段的組合有著相似的可分性結(jié)果。對(duì)后期圖像(圖3(b))而言，因?yàn)閳D像中云量較大，使得陰影與色調(diào)較暗的水體較難區(qū)分;從波段合成后的地物轉(zhuǎn)換散度可分性結(jié)果看，(B+G+N)波段組合的波段數(shù)目較少，與4個(gè)波段合成結(jié)果的地物可分性相差無(wú)幾。因此，下面的實(shí)驗(yàn)對(duì)前期圖像采用B，R，N這3個(gè)波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，而后期圖像則采用B，G，N這3個(gè)波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成。

2.2 陰影提取結(jié)果

運(yùn)用均值平移算法對(duì)2期圖像進(jìn)行分割，并依據(jù)GMM模型對(duì)分割后圖像建模，根據(jù)均值信息提取初始的陰影(圖4(a)和(b));依據(jù)陰影提取的初始結(jié)果，計(jì)算各個(gè)初始陰影塊中藍(lán)波段的方差，得到方差圖像(圖4(c)和(d));手工設(shè)置閾值t，認(rèn)為所有方差大于t的分割塊為陰影(圖4(e)和(f))，而方差小于t的分割塊為“非陰影”。

圖4 基于光譜特征的陰影初始提取結(jié)果Fig.4 Initial extraction results based on spectral feature

2.3 陰影補(bǔ)償變化檢測(cè)結(jié)果

運(yùn)用陰影差分方法補(bǔ)償遙感圖像初始變化檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 陰影補(bǔ)償變化檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Change detection results compensated by shadow

圖5 (a)是2期圖像中陰影的差分結(jié)果，其中白色像元代表因陰影而產(chǎn)生的變化;圖5(b)是運(yùn)用陰影補(bǔ)償圖像初始變化檢測(cè)的結(jié)果;為了更清晰地顯示補(bǔ)償效果，將圖1(a)和(b)中藍(lán)色橢圓的區(qū)域放大3倍，即為圖5(c)和(d);圖5(e)為補(bǔ)償后的變化檢測(cè)最終結(jié)果，其中白色像元為運(yùn)用顧及上下文信息的模糊C均值方法檢測(cè)時(shí)初始判斷為變化的像元，黑色像元為該方法判斷為未變化的像元，灰色像元為原始判斷為變化、而由陰影差分判斷為“偽變化”的像元。從圖5中可以明顯地看到由陰影造成的變化已被補(bǔ)償?shù)簟８鶕?jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，陰影補(bǔ)償后結(jié)果的總體精度為91.41%，Kappa系數(shù)為0.81;陰影補(bǔ)償后總體精度比前述模糊聚類方法提高了3.73%，Kappa系數(shù)提高了0.09。

3 結(jié)論

利用高分辨率遙感圖像在城區(qū)場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行變化檢測(cè)，要重點(diǎn)解決由于陰影的存在引起的誤檢測(cè)。本文提出的運(yùn)用陰影的光譜信息和幾何信息、結(jié)合面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛￡幱昂蛯?duì)初始的變化檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行陰影補(bǔ)償?shù)姆椒?，可以較好地去除因陰影引起的變化誤檢測(cè)，有效地提高高分辨率遙感圖像變化檢測(cè)精度。

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