基于OBIA的高分辨率遙感作物識別

胡蝶　薛以晶　高夢菲

【摘 要】自2014年起我國相繼發(fā)射了高分系列衛(wèi)星，中國遙感衛(wèi)星進入亞米級的“高分時代”。 隨著遙感影像分辨率的提高，地物識別不能只采用像元的光譜信息作為分類的依據(jù)，需要綜合考慮地物的形狀、紋理、結(jié)構(gòu)等空間信息的共同作用，OBIA（面向?qū)ο蟮挠跋穹治觯┦怪玫搅吮容^完美的實現(xiàn)。本項目通過衛(wèi)星傳感影像記錄的地球表面信息，以eCognition軟件為分析工具，基于OBIA細致化地從高空間分辨率遙感影像上提取地物（農(nóng)作物）信息，并進行類型識別，綜合考慮地物的形象、紋理、結(jié)構(gòu)等方面來彌補傳統(tǒng)基于像元的分類方法的不足之處，以提高目標(biāo)地物分類的精確程度。

【關(guān)鍵詞】OBIA；eCognition；作物識別；高分辨率

1 遙感數(shù)據(jù)源向高分辨率方向發(fā)展

信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，極大提高了衛(wèi)星遙感影像分辨率，包括空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率。2014年8月19日，我國“高分二號”衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道這一事件，標(biāo)志著我國遙感衛(wèi)星的分辨率進入了亞米級時代?！案叻侄枴笔状螌⒖臻g分辨率精確至1米，系目前我國分辨率最高的光學(xué)對地觀測衛(wèi)星。數(shù)據(jù)源的精度提高為遙感后期數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用提出了新的要求，如何利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)進行遙感處理與應(yīng)用，是我們應(yīng)當(dāng)思考的問題。

2 OBIA與eCognition軟件

面向?qū)ο笥跋穹治觯∣bject Based Image Analysis）連接了遙感與地理信息系統(tǒng)，作為高分辨率遙感影像分析的新模式，利用在傳統(tǒng)的基于像素影像分析方法中利用率幾乎為零的多種空間信息，為自動遙感影像分析與理解提供強大技術(shù)支持。本實驗亦采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ā?/p>

eCognition是由德國Definiens Imaging公司開發(fā)的智能化影像分析軟件，具備決策專家系統(tǒng)支持的模糊分類算法模塊，突破了以往商業(yè)遙感軟件局限于根據(jù)光譜信息進行影像分類的模式，提出面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，大大提高了高空間分辨率數(shù)據(jù)的自動識別精度，極大滿足了科研和工程應(yīng)用的需求。

3 遙感作物識別

遙感圖像就是傳感器獲得地物反射的電磁波信息，經(jīng)過處理得到的影像數(shù)據(jù)。由于地物的物質(zhì)構(gòu)成、幾何尺寸等不同造成與不同波長電磁波的相互作用也不同，這種相互作用體現(xiàn)在被反射、散射的電磁波中，繼而被傳感器探測到，這就是遙感圖像進行地物識別的基本原理。本實驗我們將識別目標(biāo)鎖定在作物范疇，同時也適應(yīng)了當(dāng)前精細化農(nóng)業(yè)的主流趨勢。在高分辨率遙感影像上，單一的光譜信息無法確定特定的地物特征，而必須結(jié)合地物的空間信息共同確定。因此在高分辨率遙感中，不能單一采用像元的光譜信息進行分類，需要綜合考慮地物的形狀、紋理、結(jié)構(gòu)等多種空間信息，OBIA（面向?qū)ο蟮挠跋穹治觯┦怪玫搅司C合性實現(xiàn)。

3.1 圖像預(yù)處理262

本實驗選取位于東經(jīng)116.6°，北緯39.7°附近的高分一號數(shù)據(jù)。實驗區(qū)位于北京市大興區(qū)東部，京滬高速西側(cè)，李家務(wù)村與朱腦村附近區(qū)域。

3.1.1 大氣校正

利用ENVI5.3現(xiàn)有的支持高分一號PMS數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)和大氣校正的模塊進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。將文件以xml格式打開，在工具箱中打開大氣校正模塊，設(shè)置應(yīng)用參數(shù)（包括定標(biāo)類型、存儲順序和輻射亮度單位）使之自動選擇符合大氣校正要求，最后選擇數(shù)據(jù)路徑和文件名，單擊執(zhí)行處理即可。

3.1.2 全色輻射定標(biāo)

在工具箱中，打開輻射校正模塊，選擇全色數(shù)據(jù)，在面板中進行參數(shù)設(shè)置，選擇輸出路徑和文件名后即可進行處理。為了融合圖像效果，設(shè)置一致的全色數(shù)據(jù)與多光譜數(shù)據(jù)的像元值。使用輻射定標(biāo)工具，將全色數(shù)據(jù)定標(biāo)為大氣表觀反射率，數(shù)值擴大10000倍。

3.1.3 正射校正

在輻射定標(biāo)、大氣校正等步驟后，ENVI自動將RPC嵌入處理結(jié)果中，在圖層管理中進行輻射定標(biāo)或在大氣校正結(jié)果圖層中進行視圖元數(shù)據(jù)的查看，其中的RPC選項就是處理結(jié)果中自動嵌入的嵌入的RPC文件?？梢灾苯邮褂谜湫Ｕぞ哌M行正射校正。為了后續(xù)圖像融合，我們需要對多光譜數(shù)據(jù)及全色數(shù)據(jù)均進行正射校正。

3.1.4 圖像融合

為提高融合速度，將多光譜數(shù)據(jù)的儲存順序由BSQ轉(zhuǎn)成BIP。在工具箱中，在柵格管理模塊中選擇上一步中多光譜正射校正結(jié)果，選用NNDiffuse融合方式，選擇多光譜和全色數(shù)據(jù)，執(zhí)行處理后得到融合圖像。

3.2 尺度適應(yīng)性比較

高分辨率影像可在地物的空間結(jié)構(gòu)和形狀、紋理特征方面提供更多的細節(jié)信息，從面向?qū)ο蟮挠^點出發(fā)，針對不同類型的地物則需在不同的尺度下進行，相比傳統(tǒng)方法常采取基于光譜信息的單尺度分割，不同的地物應(yīng)選取不同的分割尺度可在提取手段上明顯提高地物識別的適應(yīng)性及精度。本實驗的關(guān)鍵的核心問題也在于實現(xiàn)對高分辨率遙感影像的多尺度分割。

本實驗采取的多尺度分割方法通過實驗測試選取最優(yōu)分割尺度保證了地物間較高的異質(zhì)性，從而適用于識別不同類型地物的應(yīng)用。操作過程中我們使用eCognition進一步對不同地物多尺度分割中的形狀參數(shù)和緊致度參數(shù)進行不同設(shè)置，可從分割結(jié)果圖中明顯看出分割結(jié)果的不同，從而選擇出適應(yīng)該種地物的分割尺度。

3.3 特征量選擇

采用合適的圖像分割算法，將圖像劃分成若干個互不相交的小區(qū)域并由此得到基元，本實驗除了對基元的光譜特征進行特征計算外，還進行了基元的紋理、形狀、大小的特征計算，以從高分辨率影像中獲取更多信息。利用規(guī)則集，把易分的地塊先分出來，然后利用基于樣本的鄰近分類方法對分類效果不好的地類進行再次分類。

在eCognition軟件中建立工程，導(dǎo)入影像及專題數(shù)據(jù)。本實驗的關(guān)鍵在于建立作物分割規(guī)則。此處我們選擇作物的光譜信息、形狀以及紋理作為區(qū)別不同作物的特征量，其中權(quán)重設(shè)置為（0.7：0.2：0.1）。其中紋理特征中主要考慮緊致度、平滑度兩個方面，權(quán)重分配上各占紋理特征的一半（0.5：0.5）。為了進行細化分類，我們可以將作物分級，在一級作物分類時采取上述權(quán)重設(shè)置，在進一步細化分類時（比如不同種類小麥間的區(qū)分），可根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)各特征值的權(quán)重設(shè)置，以獲取適應(yīng)該種作物區(qū)別的特征參量。

3.4 精度評價

本實驗采用混淆矩陣進行精度評價，該方法主要是將分類結(jié)果和實際測得值進行比較，對每個實測像元的位置和已分類圖像中的相應(yīng)位置進行比較計算。我們采用的評價指標(biāo)有總體分類精度和用戶精度。其中總體分類精度是具有概率意義的統(tǒng)計量，體現(xiàn)出隨機樣本所分類的結(jié)果與參考數(shù)據(jù)所對應(yīng)區(qū)域的實際類型一致的概率。用戶精度則是從分類結(jié)果中任取一個隨機樣本，得出其類型與實際情況一致的條件概率。

4 結(jié)論

面向?qū)ο蠓椒ㄔ趥鹘y(tǒng)的基于光譜的地物分類基礎(chǔ)上，結(jié)合了形狀、紋理信息，適應(yīng)當(dāng)前數(shù)據(jù)高分辨率方向發(fā)展趨勢，明顯提高了作物識別精度。在圖像分割上方面，對不同的目標(biāo)作物選取不同的適應(yīng)尺度，在其他地物干擾的情況下，將特征量的選擇進一步細化，可更精確地提取地物信息。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]