面向?qū)ο蟮倪b感影像時(shí)空特征模型研究

高 燕，蘇奮振，周成虎，田志剛

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.總參第一測繪導(dǎo)航基地，北京 100040）

面向?qū)ο蟮倪b感影像分析方法與傳統(tǒng)的面向像元的處理方法不同，首先要將遙感影像分割為“同質(zhì)均一”的影像對象［1］，然后根據(jù)地物在影像中表現(xiàn)出來的特征對影像對象進(jìn)行分類。季節(jié)的變化、不同的遙感平臺、分割尺度的變化都會使同一地物有不同的特征表現(xiàn)，如果想要實(shí)現(xiàn)遙感影像的智能分析與解譯就要研究地物在不同情況下的特征變化，這就需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫來管理和分析這些特征的變化，從而得到相關(guān)的規(guī)律用來指導(dǎo)影像分類。

時(shí)空數(shù)據(jù)模型從問世至今已經(jīng)發(fā)展了二十余年，其中經(jīng)典的時(shí)空數(shù)據(jù)模型有：時(shí)間快照模型、時(shí)空復(fù)合模型、基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型、基態(tài)修正模型和面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型等［2－5］。不同的模型具有不同的優(yōu)點(diǎn)，面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型可以基于人類通常的邏輯思維對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和表達(dá)，將問題域中的事物抽象為對象，將具有共同特征的一類事物抽象為類，將影像對象封裝為空間、時(shí)間、特征的整體，使其具有封裝、繼承和良好的擴(kuò)展性。Worboys（1990）首次在時(shí)空建模中引入了面向?qū)ο蟮乃枷耄?］，提出了面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型，隨后不少專家學(xué)者對其進(jìn)行了發(fā)展和改進(jìn)，形成了POSTGRES、TRIAD、空間數(shù)據(jù)庫交換格式、Open GIS、Zenith等面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型［7－8］。本文基于面向?qū)ο蟮乃枷?，將遙感影像抽象成用點(diǎn)、線、面表達(dá)的矢量數(shù)據(jù)模型，在時(shí)間、空間、屬性之外增加特征維，將每個(gè)目標(biāo)對象都看作是一個(gè)具有時(shí)間、空間、特征、屬性的對象，通過以上4個(gè)維度實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的表達(dá)和操作。

1 基于遙感影像的面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型

1.1 時(shí)間對象分析與建模

在地理信息系統(tǒng)中，通常認(rèn)為時(shí)間是一條向過去和未來無限延伸的、沒有端點(diǎn)的軸線，在這里沿用這種線性結(jié)構(gòu)，認(rèn)為時(shí)間沒有分支和循環(huán)。對于一個(gè)目標(biāo)地域，在一天中有多個(gè)遙感平臺對其進(jìn)行拍攝，1h內(nèi)可能有多個(gè)遙感平臺經(jīng)過，時(shí)間粒度必須小于“小時(shí)”才能滿足遙感影像管理的需要，所以將時(shí)間粒度設(shè)為“分”。有效時(shí)間是地理實(shí)體或?qū)ο笤诖嬖诨驅(qū)嶋H發(fā)生的時(shí)間；事務(wù)時(shí)間是記錄時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫操作對象的時(shí)間，又稱為數(shù)據(jù)庫時(shí)間，由于只需要記錄和查詢影像的成像時(shí)間，不需要記錄數(shù)據(jù)庫的操作，所以只需使用有效時(shí)間就能滿足查詢的需要，基于以上描述，本文建立時(shí)間對象的邏輯模型如圖1所示，時(shí)間類的表結(jié)構(gòu)見表1。

圖1 時(shí)間對象邏輯模型

表1 時(shí)間類表結(jié)構(gòu)

1.2 空間對象分析與建模

遙感影像數(shù)據(jù)通?？梢杂脰鸥窈褪噶績煞N模型進(jìn)行表達(dá)，在柵格模型中，影像對象用它們占據(jù)的柵格行列號來定義；在矢量模型中，影像對象用點(diǎn)、線、面表達(dá)，每個(gè)對象的位置用其在坐標(biāo)系中的空間位置定義。遙感影像經(jīng)過分割后成為“同質(zhì)均一”的影像對象，無需表達(dá)單個(gè)像元的信息，所以本文基于矢量數(shù)據(jù)模型來表達(dá)影像對象，將感興趣的目標(biāo)抽象為點(diǎn)對象、線對象和面對象，通過點(diǎn)、線、面對象及其拓?fù)潢P(guān)系來表達(dá)影像對象的空間位置與空間關(guān)系信息，空間對象的邏輯模型如圖2所示，空間點(diǎn)、線、面類的表結(jié)構(gòu)見表2～4。

圖2 空間對象邏輯模型

表2 空間點(diǎn)類表結(jié)構(gòu)

表3 空間線類表結(jié)構(gòu)

表4 空間面類表結(jié)構(gòu)

1.3 特征對象分析與建模

基于影像分割，遙感影像被分割成內(nèi)部特征一致的影像對象，這使得影像對象具有豐富的語義信息［9］，可以運(yùn)用除了光譜特征以外的其它特征對其進(jìn)行表達(dá)。一般來說，可以用影像對象在各波段的平均值、亮度、標(biāo)準(zhǔn)差、貢獻(xiàn)率等表達(dá)其光譜信息；用子對象的面積均值、子對象面積標(biāo)準(zhǔn)差、子對象的密度均值、子對象的密度標(biāo)準(zhǔn)差等表達(dá)影像對象的紋理信息；用面積、周長、形狀指數(shù)、密度等表達(dá)影像對象的幾何信息。另外，同一地物在不同類型的遙感影像上表現(xiàn)出來的特征是不同的；隨著遙感影像分辨率或分割尺度的改變，同一地物在單張影像上對應(yīng)的影像對象特征也不相同，所以，有必要引入相關(guān)特征來表達(dá)這些變化。本文在以上特征的基礎(chǔ)上增加了元數(shù)據(jù)特征，主要包括遙感影像來源、遙感影像分辨率、分割尺度等，以此來表達(dá)影像對象的這一類變化規(guī)律，特征對象的邏輯模型如圖3所示，對應(yīng)的特征類表結(jié)構(gòu)見表5。

圖3 特征對象邏輯模型

表5 特征類表結(jié)構(gòu)

1.4 屬性對象分析與建模

屬性對象類描述的是影像對象所屬的地物類別信息。同一幅遙感影像在不同的分割尺度下產(chǎn)生的影像對象各不相同，在分類時(shí)，影像對象所屬的地物類別也不盡相同。圖4中是同一幅遙感影像，分別對其進(jìn)行3個(gè)尺度的影像分割，在較小的分割尺度下產(chǎn)生的兩個(gè)影像對象分別屬于A、B兩個(gè)地物類，如圖4（a）所示；隨著分割尺度的增大，A、B類合并為一個(gè)新的類C，如圖4（b）所示；隨著分割尺度的進(jìn)一步增大，C類又與其它類別合并成為D類，如圖4（c）所示?；谝陨厦枋觯绻胍磉_(dá)影像對象的類別變化以及變化前后影像對象之間的關(guān)系，就要求模型能夠表達(dá)出影像對象父類與子類的信息。因此，本文建立了屬性對象的邏輯模型，如圖5所示，屬性類的表結(jié)構(gòu)見表6。

圖4 影像對象屬性隨分割尺度發(fā)生變化

圖5 屬性對象邏輯模型

表6 屬性對象類描述的是影像對象

2 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的有效性，現(xiàn)將面向?qū)ο蟮倪b感影像時(shí)空特征模型應(yīng)用于海岸線與海岸帶地物影像特征的時(shí)空建模。海岸線是多年大潮平均高潮位時(shí)的海陸分界線［10］，要在遙感影像上解譯出這條線就必須綜合考慮海岸帶各地物的多種特征，然后利用這些特征來判別海岸線的類型與位置。依據(jù)海岸的物質(zhì)組成，“908海島海岸線遙感調(diào)查分類體系”將海岸類型分為基巖海岸、砂質(zhì)海岸、淤泥質(zhì)海岸、生物海岸和人工海岸，在不同類型的海岸中，海岸線是不同類型地物的分界線。海岸線智能解譯的研究對象為海岸線類型變化的分界點(diǎn)、多種類型的海岸線、海岸線兩側(cè)影像對象的特征及其變化。

從空間矢量模型考慮，將各種類型的海岸線抽象為海岸線類，將海岸線類型變化的分界點(diǎn)抽象為交界點(diǎn)類，將遙感影像分割形成的影像對象抽象為影像面類；從地學(xué)角度出發(fā)，將海岸線以下的潮間帶和水下岸坡的地物作為海域類，潮上帶的地物作為陸域類，如圖6所示，海岸線即為海域和陸域的交界線?；谝陨系臄?shù)據(jù)模型本文建立海岸線及海岸帶地物遙感影像時(shí)空數(shù)據(jù)模型，如圖7所示。

圖6 海岸帶及海岸線示意圖

圖7 海岸線及海岸帶地物的時(shí)空特征面向?qū)ο竽Ｐ?/p>

此時(shí)空特征模型可以完成海岸線和海岸帶影像對象的存儲以及基于時(shí)間、空間、特征、屬性的查詢，以對象關(guān)系表中的幾個(gè)對象為例，來驗(yàn)證模型的有效性，見表7。ObjectID＝10的對象是一個(gè)點(diǎn)對象，它和ObjectID為11－15的對象一樣，產(chǎn)生于同一張遙感影像，遙感影像成像時(shí)間對應(yīng)TimeID＝1；其空間位置對應(yīng)的SpaceID＝1；其屬性為交界點(diǎn)類，交界點(diǎn)類對應(yīng)的AttributeID＝1；由于是點(diǎn)對象，所以沒有特征對象與之對應(yīng)。ObjectID＝11的對象是一個(gè)線對象，它同樣沒有特征對象與之對應(yīng)，此段海岸線是基巖類海岸線，與基巖類海岸線對應(yīng)的AttributeID＝2。ObjectID＝18的對象是一個(gè)面對象，其遙感影像成像時(shí)間對應(yīng)的TimeID＝2，對應(yīng)的空間對象SpaceID＝9，其特征對應(yīng)的FeatureID＝7，可以在特征對象中找到FeatureID＝7的光譜、紋理、幾何、元數(shù)據(jù)等特征值。

表7 對象關(guān)系表

3 結(jié)束語

本文基于面向?qū)ο蟮乃枷?，使用了時(shí)間、空間、特征、屬性4個(gè)維度提出了遙感影像的時(shí)空特征模型，該模型在通常的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上增加了特征維，以表達(dá)遙感影像多尺度分割后產(chǎn)生的影像對象的特征。通過對海岸線及其海岸帶影像數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，該模型能夠滿足遙感影像中海岸線位置、類型和海岸帶地物時(shí)空特征存儲與查詢的需要。

本文提出的模型僅實(shí)現(xiàn)了有效時(shí)間的管理，不支持事務(wù)時(shí)間的記錄，如果需要記錄影像對象的增加、刪除、編輯等操作，今后可以在時(shí)間模型中增加事務(wù)時(shí)間，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求；由于空間對象是基于矢量模型表達(dá)的，查詢結(jié)果只能以矢量形式顯示，如果不考慮查詢和顯示效率的話，可以增加?xùn)鸥裼跋襁M(jìn)行顯示，這樣會更加直觀，以利于后期的影像分析。

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