亢慶,姜德文,扶卿華,王曉剛
監(jiān)測在城市建設、礦山、水利工程等生產(chǎn)建設活動中,因挖損、占壓、堆棄等行為引起的地表擾動作用,對水土保持具有重要的意義。隨著對地觀測技術的進步,利用空間分辨率<5 m的高分辨率影像對擾動地塊(影像上稱為擾動圖斑)識別和提取是遙感影像分類研究重要內(nèi)容,也是《全國水土保持信息化規(guī)劃(2013—2020年)》和《全國水土保持信息化實施方案(2014—2016年)》提出的“天地一體化”生產(chǎn)建設項目監(jiān)管思路的核心。
目前,針對生產(chǎn)建設擾動圖斑的遙感提取及識別的研究較少,可以借鑒的研究主要體現(xiàn)在對礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)查與監(jiān)測以及土地利用/覆蓋動態(tài)監(jiān)測等方面,包括人機交互方法提取礦產(chǎn)開采點、狀態(tài)等信息[1],以及基于差值法、主成分分析法、變化矢量分析法[2]檢測土地利用/覆蓋的變化位置和范圍等,這些方法以檢測地物光譜特征為唯一切入點,在以TM/ETM+為代表的中低分辨率影像上,得到極大的發(fā)展;但是隨著影像空間分辨率的躍升,高分辨率影像可清晰表達的地物邊界、幾何形狀等空間特征不能被上述方法利用,容易出現(xiàn)“同物異譜”“同譜異物”現(xiàn)象,以及因高分辨率影像豐富的光譜信息而產(chǎn)生“椒鹽效應”,于是有了面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ陌l(fā)展[3]。該類方法以具有相同光譜、幾何形狀、紋理等特征[4]的像元集合為分類對象,理論上可以避免基于光譜特性分類方法存在的“椒鹽效應”等問題,成為現(xiàn)階段研究的重要方向。
面向?qū)ο蟮姆诸惏ㄓ跋穹指詈陀跋穹诸?個步驟。影像分割是將影像切割成若干個對象,并要求對象內(nèi)的像元具有相同的地物特征(包括光譜、幾何形狀和紋理等特征),是整個分類過程的基礎和關鍵,決定了影像分類(對分割對象的識別)的精度[5-6]。在影像分割研究中,獲取合適的分割尺度,也[6]稱為最優(yōu)分割尺度,即分割對象滿足對象內(nèi)的光譜、幾何形狀和紋理等地物特征的同質(zhì)性和相鄰對象間的地物特征的差異性均達到最大,并且擬提取和識別的地物可以通過1個或者多個對象表達出來的條件時的分割尺度。需要說明的是,這里的尺度問題雖然仍舊屬于空間問題,但是有別于傳統(tǒng)基于像元的分類中出現(xiàn)的空間分辨率問題,主要是因為面向?qū)ο蟮姆诸愌芯康膶ο蟛辉偈窍裨?,而是具有光譜、幾何形狀和紋理相似性的對象),是現(xiàn)階段關注的焦點,尤其是在基于多尺度分割技術的eCognition軟件出現(xiàn)之后。傳統(tǒng)的最優(yōu)尺度獲取方法以分類者的多次嘗試和主觀判斷為依據(jù),效率低下且存在主觀不確定性[7-8]。除“試錯”法之外,還有參與方法和非參與方法[9]2類:前者根據(jù)與已知地物的吻合程度來判斷最優(yōu)尺度,需要輸入人工預先勾畫出的邊界,如矢量距離指數(shù)法[10]、面積比均值法[11];后者不需要人工的參與,主要分析對象內(nèi)部的同質(zhì)性與對象間的異質(zhì)性,建立尺度與二者之間的函數(shù)曲線,依據(jù)對象內(nèi)同質(zhì)性最大、對象間異質(zhì)性最大的原則[8],或者依據(jù)內(nèi)部同質(zhì)性的變化率隨尺度的變化規(guī)律,客觀地選取一個合適的尺度,代表性的方法有分割評價指數(shù)[12]、局部方差方法[3]、目標函數(shù)法[8]。從實際生產(chǎn)應用的角度而言,非參與方法更具有普適性[9],其中,又以局部方差方法和目標函數(shù)法理論較為扎實,應用也更為廣泛。
綜合研究進展,筆者以生產(chǎn)建設擾動圖斑的高分辨率遙感識別為研究目標,首先對比和分析了局部方差法和目標函數(shù)法獲取生產(chǎn)建設擾動圖斑最優(yōu)分割尺度的可行性,然后采用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類對生產(chǎn)建設擾動圖斑進行了識別和提取,并依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和無人機航片對識別結(jié)果進行評估。
影像分割方法大體上可以分為基于閾值、基于邊界和基于區(qū)域3類,其中:基于閾值的方法依賴于閾值的選擇,在復雜的遙感影像,效果較差;基于邊緣的分割方法往往難以得到閉合且連通的邊界,且容易產(chǎn)生邊界錯分的現(xiàn)象;而基于區(qū)域的方法具有原理簡單、無須預知類別數(shù)目等優(yōu)點,得到廣泛的應用,尤其是分形網(wǎng)絡演化算法(Fractal Net Evolution Approach,F(xiàn)NEA)[13],即 eCognition 中多尺度分割技術中應用到的方法[14]。FNEA是一種區(qū)域生長的算法,基本思路是以1個像元為種子,依據(jù)光譜、形狀等多特征加權值,不斷合并周圍與種子像元有相同或者相似性質(zhì)的像元,直至滿足停止生長條件。
FNEA算法的理論基礎可表示為
式中:F為尺度參數(shù),是判斷一個對象是否繼續(xù)生長的關鍵,F(xiàn)過小會造成分割后的對象破碎、時耗過長,屬于“過分”現(xiàn)象,F(xiàn)過大,則會造成對象內(nèi)混合了多種地物類型的像元,屬于“欠分”或“混分”現(xiàn)象;hcolor為光譜因子,由各波段的光譜值乘以相應的權重累加得到;w1為光譜因子的權重,取值為0~1;hshape為形狀因子:
式中:hcom為緊致度因子,用于優(yōu)化分割對象的緊湊程度,取值介于0~1;hsmooth為光滑度因子,用于優(yōu)化分割對象邊界的光滑程度,抑制邊緣的過度破碎,取值介于0~1;w2為緊致度的權重。
最優(yōu)分割尺度是指分割后的對象能夠清楚地刻畫出地物的邊界,目標地物可以通過1個或者多個分割對象表達出來,分割后的圖像既不能“過分”,也不能“欠分”或“混分”。那么,獲取最優(yōu)分割尺度的原則是在保證不“欠分”或“混分”的基礎上,適合目標地物的最大尺度。
1.2.1 局部方差方法 L.DRGU爩等[3]基于對象的局部方差隨尺度F變化規(guī)律提出了一個最優(yōu)分割尺度獲取方法。其基本思路:隨著分割尺度的增加,對象內(nèi)屬于同種地物的像元增加,影像的局部方差也隨之緩慢增加,當增加到一定程度之后,對象內(nèi)會混入其他地物類型的像元,此時對象內(nèi)光譜值的方差會迅速增大,對象間的光譜異質(zhì)性降低,局部方差的變化率發(fā)生轉(zhuǎn)折。那么,局部方差變化率的轉(zhuǎn)折處就是不同地物類型的最優(yōu)分割尺度。影像的局部方差為
式中:N為圖像中對象的個數(shù);n為對象中像元的個數(shù);x為對象的光譜值;xo為對象的灰度值均值。
局部方差變化速率
式中var_L為比var小一個尺度間隔的局部方差。
1.2.2 目標函數(shù)方法 影像分割的理想結(jié)果是分割后的對象具有良好的內(nèi)部同質(zhì)性,同時相鄰對象之間具有良好的異質(zhì)性;但兩者的最大值并不一定能在同一尺度上取得,那么最優(yōu)分割尺度可能是基于二者的平衡。G.Espindola等[8]的思路首先是分別計算對象內(nèi)像元光譜值的同質(zhì)性和異質(zhì)性,并分別進行歸一化處理,之后建立目標函數(shù),目標函數(shù)取最大值時的尺度F為最優(yōu)分割尺度。
1)對象內(nèi)同質(zhì)性。
式中:V為表征對象內(nèi)同質(zhì)性參量;Si和σi分別為第i個對象的面積和光譜值標準差。
2)對象間的異質(zhì)性。
使用Moran's I指數(shù)來衡量分割對象之間的異質(zhì)性[15]:
式中:M為Morna's I指數(shù);wij為空間關系權重,如果對象i和對象j相接,wij=1,否則 wij=0;為整幅影像的光譜平均值。
3)目標函數(shù)F(x)。
依據(jù)V和M在不同尺度下的最大最小值,分別將二者歸一化處理,得到Vnorm和Mnorm目標函數(shù)
式中:Vnorm為歸一化處理后的對象內(nèi)同質(zhì)性 V;Mnorm為歸一化處理后的Moran's I指數(shù)。
計算出最優(yōu)分割尺度之后,還需要對分割后的影像進行識別。識別算法采用eCognition中的面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類法,該方法能夠?qū)庾V、幾何形狀、紋理等特征描述及計算。整個識別工作包括:首先,依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、無人機航片以及前期獲取的其他統(tǒng)計資料,為生產(chǎn)建設擾動圖斑建立解譯標志,并依據(jù)解譯標志的光譜特征和幾何特征為監(jiān)督分類建立訓練樣本;其次,用最鄰近法對生產(chǎn)建設擾動圖斑識別;最后,利用現(xiàn)場調(diào)研和無人機航片對分類結(jié)果進行校驗,如果識別精度滿足要求,則直接導出生產(chǎn)建設擾動圖斑,否則,則挑選出混分、漏分的像元,并建立相應的數(shù)據(jù)庫,之后再次回歸監(jiān)督分類步驟,直至識別精度達標。
綜合上述思路,本研究的基本流程見圖1。
圖1 生產(chǎn)建設擾動圖斑識別流程圖Fig.1 Procedure for automatically identifying construction disturbance patches
選用2016年廣東省生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管示范縣內(nèi)一塊典型樣區(qū)(圖2),結(jié)合高分1號(GF-1)影像展開研究。如圖2所示,研究區(qū)內(nèi)地物類型復雜且破碎,包括零星分散的小型居民點(圖中呈不規(guī)則分布的灰色部分)、大片的林草地、夾在居民點和林草地之間的小塊農(nóng)田、道路、水塘、生產(chǎn)建設擾動地塊(包括未完成的建筑,以及取土、堆放建筑渣料等造成的裸露地塊),區(qū)內(nèi)圖像尺寸為2 249像元×2 465像元。
圖2 研究區(qū)GF-1標準假彩色合成影像Fig.2 Standard false color composite of GF-1 image of the study area
根據(jù)地面實地調(diào)查及無人機航拍所掌握的背景知識,針對生產(chǎn)建設項目的建設時期,建立用于識別生產(chǎn)建設擾動圖斑的解譯標志,解譯標志的建立參考現(xiàn)場調(diào)查照片、影像以及光譜特征、光譜頻率和形狀特征等影像特征(表1)。
由表1可以看出,生產(chǎn)建設擾動圖斑內(nèi)的光譜亮度范圍較大,并且隨著生產(chǎn)建設的進展逐步擴大,3個不同時期的值依次為946、1 089.2和1 486.5。與光譜亮度范圍呈同樣變化規(guī)律的還有擾動圖斑的亮度標準差,分別為136.0、145.9和211,相反,擾動圖斑的光譜亮度均值則隨著生產(chǎn)建設的進展逐漸減小。
影像分割在eCognition環(huán)境下進行,分割尺度F的變化范圍為30~400,步長為10,F(xiàn)NEA分割方法涉及到的其他因子(光譜因子、形狀因子、波段比重)在多次的分割過程中均保持一致,即光譜因子和緊致度因子分別設為0.6和0.5,波段權重為1∶1∶1∶1。
表1 生產(chǎn)建設項目解譯標志Tab.1 Interpretation mark of construction project
當分割尺度F為310時(圖3a),生產(chǎn)建設擾動圖斑像元混入了一些小型居民地和綠色植被,屬于分割尺度F過大造成的“欠分”或“混分”現(xiàn)象,沒能對生產(chǎn)建設項目進行有效分割,不利于提高后續(xù)信息的識別和提取。當分割尺度F為300時(圖3b),分割對象內(nèi)的像元較為純凈,其邊界能較清晰地刻畫出生產(chǎn)建設擾動圖斑的邊界;因此,尺度300是最適宜分割尺度。其作為真值用于檢驗目標函數(shù)法和局部方差方法獲取的最優(yōu)分割尺度該尺度作為生產(chǎn)建設擾動圖斑的最優(yōu)分割尺度真值,可用于驗證目標函數(shù)方法和局部方差方法計算的最優(yōu)分割尺度。
圖3 不同尺度F的分割效果(a:F為310;b:F為300)Fig.3 Segmentation results of different segmentation scales(a:310;b:300)
如圖4所示,研究區(qū)內(nèi)的對象個數(shù)在30~140的尺度范圍內(nèi)由48 140個迅速減少到3 130個,之后緩慢減少,而對象的平均面積則是隨著尺度F的增加而呈近似線性增加,二者線性相關的確定系數(shù)R2=0.95。
圖4 分割尺度與對象個數(shù)、平均面積的關系Fig.4 Relationship between segmentation scales and number of objects/average size of objects
隨著對象個數(shù)的減少和對象平均面積的增加,對象內(nèi)包含的像元個數(shù)增加,光譜亮度變化范圍增加,導致對象的局部方差增大(圖5)。依據(jù)局部方差方法的思路,合適的分割尺度通常發(fā)生在局部方差的變化率式(4))由增加到減小的轉(zhuǎn)折處,符合條件的分割尺度有240、270、310,由圖2和表1所示的生產(chǎn)建設擾動圖斑解譯標志可以發(fā)現(xiàn),擾動圖斑內(nèi)光譜亮度值變化較大,且形狀多屬于不規(guī)則,在此背景條件下,適合擾動圖斑的分割尺度則相對較大,可推斷出310是基于局部方差方法得到的最優(yōu)分割尺度,略微大于真值。
隨著F的增加,對象的個數(shù)減少,對象內(nèi)部的同質(zhì)性V(式(5))增加,歸一化后的 Vnorm減小(圖6)。對象間的異質(zhì)性M數(shù)則隨尺度增大而呈下降趨勢,與 G.Espindola等[8]和殷瑞娟等[16]的研究結(jié)果相似,而歸一化后的異質(zhì)性Mnorm呈增加的趨勢(圖6)。平衡了對象內(nèi)同質(zhì)性和對象間異質(zhì)性的目標函數(shù)F(x)隨F的變化規(guī)律整體上呈下降趨勢,線性斜率為-0.007;但是在F為300時刻取得最大值1.2,依據(jù)目標函數(shù)確定最優(yōu)分割尺度的原理,尺度300為最優(yōu)分割尺度,與真值一致。
圖5 對象局部方差和方差變化率隨尺度F的變化規(guī)律Fig.5 Changes in local variance and change rate of LV with segmentation scale increasing
圖6 V norm、M norm和目標函數(shù)F(x)隨尺度F的變化規(guī)律Fig.6 Changes in V norm,M norm and object function F(x)with segmentation scale increasing
基于最優(yōu)分割尺度得到的分割影像,利用野外調(diào)查、無人機航片得到解譯標志(表1),為面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類建立訓練樣本,樣本的選擇綜合考慮了光譜、紋理及形狀等特性信息。利用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類中的最鄰近方法實現(xiàn)對生產(chǎn)建設擾動圖斑的識別(圖7中紅色部分)。同時,為了更好地說明最優(yōu)分割尺度與識別精度的一致性,計算了其他分割尺度下的生產(chǎn)建設擾動圖斑,但考慮到分割尺度低于150時,區(qū)域內(nèi)圖斑個數(shù)超過3 000,圖像分割過于破碎,使得地物類型弱化、甚至丟失了紋理和形狀特征,不利于面向?qū)ο蠓诸悓嵤?,必然會造成識別精度的降低,因此本文只對≥150分割尺度生產(chǎn)建設擾動圖斑進行了識別。
依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的圖片、空間分辨率低于0.1 m的無人機航片和其它前期獲取的統(tǒng)計資料,人工繪制了研究區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)建設擾動范圍(圖7藍色方框標注范圍),并以此為真值,對計算機識別的生產(chǎn)建設擾動圖斑進行了精度檢驗,精度檢驗采用用戶精度(用戶精度=Sr/Sa×100,式中:Sr為被正確識別出的面積;Sa為真實面積(圖7藍色方框內(nèi)的面積))和制圖精度(制圖精度=Sr/Si×100,式中Si為被計算機識別出的面積)。
精度檢驗結(jié)果見表2,生產(chǎn)建設擾動圖斑的制圖精度和用戶精度均是在最優(yōu)分割尺度下取得極大值,分別為86.3%和84.2%,說明最優(yōu)分割尺度與識別精度存在一致性。對比最優(yōu)分割尺度與其他較小分割尺度,可以發(fā)現(xiàn)影像分割尺度并非越小越好,當分割尺度很小時,雖然對象內(nèi)部光譜無差異,但是同類地物不同對象之間的光譜差異就會明顯的表現(xiàn)出來,同時對象的形狀幾何信息也會在一定程度上丟失,會造成地物識別的精度明顯偏低。
圖7 最優(yōu)分割尺度下的生產(chǎn)建設擾動圖斑識別結(jié)果Fig.7 Identified result of construction disturbance patches based on optimal segmentation scale
表2 各分割尺度下的生產(chǎn)建設擾動圖斑識別精度Tab.2 Accuracies of construction disturbance patches on different segmental scales%
最優(yōu)分割尺度下用戶精度略小于制圖精度,即被計算機識別出的生產(chǎn)建設擾動圖斑面積大于實際面積,說明識別結(jié)果中出現(xiàn)了其他類型地物被錯分為生產(chǎn)建設擾動圖斑,與圖7所示的最優(yōu)分割尺度下的生產(chǎn)建設擾動圖斑識別結(jié)果較為一致,且這些錯分部分多出現(xiàn)在道路以及小型居民點的周圍,主要原因是施工中的生產(chǎn)建設項目與其相毗鄰的道路或者小型居民點的光譜差異較小,同時地表復雜且不規(guī)則的格局加大了識別難度。此外,在生產(chǎn)建設項目內(nèi)部,一些輕度擾動的地塊,因為與自然地物光譜特征差異較小,容易漏分。對于生產(chǎn)建設擾動圖斑識別中出現(xiàn)的錯分/漏分圖斑,建立了錯分/漏分數(shù)據(jù)庫,為研究區(qū)域及以外的其它地區(qū)提高分類精度提供參考依據(jù)。
1)基于目標函數(shù)方法獲取的最優(yōu)分割尺度與實際結(jié)果一致,而基于局部方差方法計算得到的最優(yōu)分割尺度略微偏大,偏大3.3%。
2)最優(yōu)分割尺度與識別精度存在一致性?;诿嫦?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類方法,在最優(yōu)分割尺度下的生產(chǎn)建設擾動圖斑識別精度較其他分割尺度較高,制圖精度和用戶精度分別達到86.3%和84.2%。
筆者結(jié)合目標函數(shù)方法和局部方差方法計算了生產(chǎn)建設擾動圖斑最優(yōu)分割尺度。值得指出的是,本文計算出的最優(yōu)分割尺度在不同的遙感影像源、不同地表覆蓋特征下可能會存在差異,但是獲取生產(chǎn)建設擾動圖斑最優(yōu)分割尺度的過程和思路具有普適性。今后會針對不同特征的地表覆蓋對生產(chǎn)建設擾動圖斑的最優(yōu)分割尺度做進一步的研究。
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