鄧玲玲,呂成文,尉雪敬

(安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽蕪湖 241003;資源環(huán)境與地理信息工程安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽蕪湖 241003）

基于遙感影像的線狀地物寬度變化規(guī)律研究

鄧玲玲,呂成文,尉雪敬

(安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽蕪湖 241003;資源環(huán)境與地理信息工程安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽蕪湖 241003）

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析方法,通過(guò)對(duì)安徽省中南部地區(qū)195個(gè)隨機(jī)樣本的實(shí)際寬度量測(cè)、定位和圖片采集,與其在LandsatTM-5衛(wèi)星影像上的實(shí)際表現(xiàn)相結(jié)合,主要從像元數(shù)、下墊面性質(zhì)和走向3方面進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,得出線狀地物在LandsatTM-5遙感影像中的變化規(guī)律:隨著影像像元數(shù)的增加,線性夸張逐漸不明顯;南—北(東—西）走向的線狀地物寬度穩(wěn)定性好于西北-東南(東北-西南）走向,線性夸張程度小;水域最易產(chǎn)生線性夸張現(xiàn)象,其次為公路和土路。

遙感影像;線狀地物寬度;變化規(guī)律

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感影像分辨率的提高,如何快速準(zhǔn)確地從遙感影像中提取特征信息成為研究的重要方向[1]。線狀地物作為區(qū)域的骨架,在城市和鄉(xiāng)村用地及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中占有重要地位,高精度、及時(shí)更新的道路網(wǎng)信息對(duì)交通管理、城市規(guī)劃、自動(dòng)城市導(dǎo)航、應(yīng)急事物處理具有重要作用[2,3]。1990年李曉峰提出了一種多級(jí)識(shí)別方法,對(duì)線段檢測(cè)中的閾值、線段的連接和取舍等方法進(jìn)行了探討,使市郊線狀地物的正確識(shí)別率接近室內(nèi)目視判讀水平[4]。目前有關(guān)線狀地物的研究主要集中在特征提取方面,研究成果主要有:半自動(dòng)道路提取、全自動(dòng)道路提取、多層次融合道路提取方法等。對(duì)線狀地物寬度的研究并不多、也不深入,主要成果有:1）周世杰等[5]提出了衛(wèi)星影像夸張的概念,指出 TM影像的夸張范圍在3個(gè)像元以?xún)?nèi);2）段琪慶等[6]探討了線狀地物的面積量算方法;3）潘瑜春等[7]研究了基于緩沖區(qū)的線狀地物面積扣除;4）曹衛(wèi)彬等[8,9]探討了面積量測(cè)精度與線狀地物扣除的關(guān)系;5）何亞娟等[10]基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理,得出一般線狀地物在Landsat TM影像上的變化規(guī)律。但上述研究都是針對(duì)線狀地物的測(cè)量問(wèn)題、某一實(shí)驗(yàn)區(qū)(如林區(qū)內(nèi)）衛(wèi)星影像所做的討論,與實(shí)際應(yīng)用要求相差甚遠(yuǎn),缺乏對(duì)更為復(fù)雜的不同類(lèi)型和走向的線狀地物研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,綜合考慮線狀地物走向和下墊面性質(zhì)因素,并探討其對(duì)遙感影像線性夸張的影響規(guī)律;另外還對(duì)線性夸張做了一定的寬度估算,以期為遙感資源調(diào)查提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)有:2007年6月和2006年6月安徽省Landsat TM-5衛(wèi)星影像、安徽省行政區(qū)劃圖、安徽省交通圖、安徽省1∶5萬(wàn)地形圖等。另外有195條隨機(jī)采樣的線狀地物(公路、土路、河流等）,實(shí)地測(cè)量其寬度并在圖上標(biāo)識(shí),結(jié)合地物類(lèi)別實(shí)拍照片(其中道路126條,河流(溝渠）69條）。本文研究區(qū)域主要是安徽省中南部地區(qū),涉及平原、丘陵和山區(qū),選取的線狀地物寬度為3～115 m。

1.2 研究方法

中分辨率影像中線狀地物一般是指進(jìn)行目視解譯時(shí)寬度小于4個(gè)像元而長(zhǎng)度大于6個(gè)像元,或?qū)嶋H寬度大于1 m、小于30 m的具有線狀特征的地物[6,10]。影響線狀地物寬度變化的因素很多,如影像空間分辨率、線狀地物的走向、下墊面性質(zhì)、掃描儀瞬時(shí)視場(chǎng)、周?chē)匚锏姆瓷渎屎头植紶顩r以及衛(wèi)星影像的時(shí)相和拍攝區(qū)域等。受遙感影像成像的客觀影響,本文主要從像元數(shù)、下墊面性質(zhì)和走向3方面研究線性寬度變化規(guī)律,其中線狀地物寬度測(cè)量包括影像寬度(按像元數(shù)）的目測(cè)和外業(yè)實(shí)地線狀地物寬度的調(diào)查測(cè)量。

1.2.1 線狀地物影像寬度(像元數(shù)）的確定 采用目視解譯的方法確定線狀地物在影像上的像元數(shù),按走向可分為:南-北走向、東-西走向、西北-東南走向和東北-西南走向4類(lèi)。進(jìn)一步根據(jù)影像中線狀地物像元分布特點(diǎn),將南北走向和東西走向歸為A類(lèi),將西北-東南走向和東北-西南走向歸為B類(lèi),觀察記錄線狀地物影像寬度和走向。其中A類(lèi)線狀地物直接從水平和垂直方向目測(cè)其像元數(shù);B類(lèi)線狀地物較復(fù)雜,主要有按水平(或垂直）和道路垂直角方向兩種目測(cè)方式(圖1）。本文為統(tǒng)計(jì)方便,按水平方向上線狀地物所占純像元數(shù)目測(cè)其像元數(shù)(圖1a）。

圖1 兩種方式下線狀地物像元數(shù)目測(cè)方法Fig.1 The linear features′pixel numbers under two methods based on visual method

1.2.2 線狀地物實(shí)際寬度的測(cè)量方法 本次野外調(diào)查攜帶差分 GPS通過(guò)實(shí)時(shí)定位采集目標(biāo)地物的地理坐標(biāo),使用測(cè)距儀、卷尺等工具測(cè)量其寬度,寬度變化大的地物采取分段測(cè)量的方法,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)按照《第二次全國(guó)土地調(diào)查分類(lèi)》中對(duì)線狀地物寬度測(cè)量的規(guī)定:1）河流寬度為常水位線水面寬度;2）鐵路、公路、固定的農(nóng)村道路除量測(cè)其本身寬度外,還應(yīng)包括其兩側(cè)不以排灌為主的路溝及行樹(shù);3）固定的溝渠除量測(cè)其本身寬度外,還應(yīng)包括其兩側(cè)的堤及行樹(shù)。記錄采集的目標(biāo)點(diǎn)的類(lèi)型、照片編號(hào)、GPS點(diǎn)號(hào),進(jìn)行坐標(biāo)和投影轉(zhuǎn)化,復(fù)合到影像上,以反映線狀地物的分布特征,在A rcGIS軟件中以點(diǎn)文件表示,新建一多線段矢量層(圖2～圖4）。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與模型建立 對(duì)野外采集的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和室內(nèi)目視解譯的影像寬度數(shù)據(jù),應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和線性回歸分析,選取標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)反映線性夸張的穩(wěn)定性,基于t分布的置信區(qū)間進(jìn)行線狀地物寬度估算,發(fā)現(xiàn)不同走向公路、土路和河流在不同影像寬度時(shí)的變化規(guī)律。

圖4 線狀地物(河流）抽樣點(diǎn)Fig.4 Linear features of river and its image in Landsat TM 5 image

2 基于遙感影像的線狀地物寬度規(guī)律分析

2.1 安徽省中南部地區(qū)線狀地物遙感分析結(jié)果

將GPS采集的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)遙感影像復(fù)合處理后,以點(diǎn)文件的形式導(dǎo)入遙感影像。根據(jù)線狀地物的定義,對(duì)采集的195條線狀地物主要統(tǒng)計(jì)其在1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)像元數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)地寬度。由于分布原因,土路較窄,主要占取1～2個(gè)像元;水域較寬,主要占取2個(gè)及以上像元。安徽省中南部地區(qū)線狀地物抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 安徽省中南部地區(qū)線狀地物抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of sample survey results of various linear features in south-central Anhui Province

2.2 線狀地物實(shí)測(cè)寬度與影像寬度(像元數(shù)）間變化規(guī)律及影響因素分析

(1）像元數(shù)。從表 1可知,線狀地物在Landsat TM-5遙感影像上的變化規(guī)律如下:變異系數(shù)與樣本數(shù)量無(wú)明顯相關(guān)性,可將其作為采樣點(diǎn)線性寬度穩(wěn)定性的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn);隨著影像上線狀地物像元數(shù)的增加,變異系數(shù)逐漸變小(1個(gè)像元時(shí)變異系數(shù)最大,最不穩(wěn)定;3個(gè)像元時(shí)變異系數(shù)最小,穩(wěn)定性較好,線狀寬度識(shí)別率較高）,說(shuō)明漸趨穩(wěn)定;統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,LandsatTM-5遙感影像上線狀地物寬度夸張主要表現(xiàn)在3個(gè)像元之內(nèi),大于3個(gè)像元時(shí)夸張現(xiàn)象則不明顯。

(2）走向。由表1分析可知:A類(lèi)方向線性變異系數(shù)小于B類(lèi)方向,A類(lèi)線性夸張趨勢(shì)較B類(lèi)平緩,西北-東南(東北-西南）走向穩(wěn)定性不如南-北(東-西）走向,更易產(chǎn)生線性夸張現(xiàn)象。

(3）下墊面。不同下墊面線性寬度變化規(guī)律為:水域的變異系數(shù)最大,情況最復(fù)雜,穩(wěn)定性最差,最易產(chǎn)生線性夸張現(xiàn)象;其次為公路(柏油路為主）,且公路變化趨勢(shì)最明顯;土路的變異系數(shù)較小,穩(wěn)定性較好。由表1可知,水域的寬度估算區(qū)間范圍最廣,也說(shuō)明其穩(wěn)定性較差。

2.3 寬度估算與精度檢驗(yàn)

由線狀地物抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì),結(jié)合置信區(qū)間范圍,可得線狀地物在不同下墊面、不同方向、各像元上的寬度估算區(qū)間,為野外調(diào)查和線狀扣除提供一定的參考。為檢驗(yàn)所研究數(shù)據(jù)寬度估算精度,在影像上按像元數(shù)隨機(jī)選取5條線狀地物作為待檢驗(yàn)數(shù)據(jù),記錄地物地理坐標(biāo)和像元數(shù),攜帶差分 GPS實(shí)地定位,用測(cè)距儀測(cè)出其對(duì)應(yīng)的實(shí)地寬度。在待檢驗(yàn)15條線狀地物中除一條4 m的土路超出置信區(qū)間范圍外,其它均落于本文的實(shí)地寬度置信區(qū)間,數(shù)據(jù)估算精度達(dá)93.3%,證明研究數(shù)據(jù)具有一定可靠性。

3 結(jié)論與討論

線狀地物作為遙感影像上的重要特征地物,影像解譯時(shí)其寬度存在線性夸張;影像線性夸張受諸多因素的影響,表現(xiàn)出不同的夸張程度。本文從像元數(shù)、走向和下墊面性質(zhì)3方面研究了線狀地物的寬度變化規(guī)律,即:隨著影像像元數(shù)的增加,線性夸張逐漸不明顯;南—北(東—西）走向的線狀物地物寬度穩(wěn)定性較西北-東南(東北-西南）走向好,線性夸張程度小;水域最易產(chǎn)生線性夸張現(xiàn)象,其次為公路和土路。對(duì)線狀地物在不同下墊面、不同方向、各像元上的寬度區(qū)間進(jìn)行估算,從而為遙感野外調(diào)查和線狀扣除提供參考。但對(duì)不同分辨率的遙感影像中線狀地物寬度的變化規(guī)律還有待進(jìn)一步研究對(duì)比。在大面積遙感資源監(jiān)測(cè)和面積調(diào)查時(shí),應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行線狀扣除和面積量算,可將人工目視解譯和自動(dòng)提取相結(jié)合,應(yīng)用 GIS空間分析方法提高面積量算精度。

[1] 葉發(fā)茂,蘇林,李樹(shù)凱,等.高分辨率遙感影像提取道路的方法綜述與思考[J].國(guó)土資源遙感,2006(1）:12-17.

[2] 朱曉鈴,鄔群勇.基于高分辨率遙感影像的城市道路提取方法研究[J].資源環(huán)境與工程,2009,23(3）:296-299.

[3] JIN X,DAV IS C H.An integrated system for automatic road mapping from high resolution multi-spectral satellite imagery by information fusion[C].Elsevier Science Information Fusion,2004.

[4] 李曉峰.遙感圖像中線狀地物的多級(jí)識(shí)別方法[J].解放軍測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào),1990,7(1）:69-74.

[5] 周世杰,秦學(xué)軍.衛(wèi)星圖像線狀地物寬度夸張修正方法的研究[J].林業(yè)資源管理,2000(5）:61-62.

[6] 段琪慶,席志芳.土地管理中線狀地物的面積量算[J].山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1999,13(2）:148-150.

[7] 潘瑜春,鐘而順,劉巧芹.土地資源數(shù)據(jù)庫(kù)中線狀地物面積扣除技術(shù)研究[J].資源科學(xué),2002,24(6）:12-17.

[8] 曹衛(wèi)彬,楊邦杰,宋金鵬.基于Landsat TM圖像棉花面積提取中線狀地物的扣除方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(2）:164-167.

[9] 劉秀珍.土地資源詳查中面積量測(cè)精度與線狀地物扣除的探討[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,13(2）:174-176.

[10] 何亞娟,王非,吳全,等.土地利用中線狀地物在遙感影像中的變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(12）:111-115.

Research on Change Patterns of the L inear FeaturesW idth Based on Remote Sensing Images

DENG Ling-ling,LV Cheng-wen,W EIXue-jing
(College of Territorial Resources and Tourism,Anhui N ormal University,W uhu 241003;
Anhui Engineering Technology Research Center of Resources Environment and GIS,W uhu 241003,China）

Linear features w idth,w hich p rovides considerable references for resources investigation by remote sensing,p lays an impo rtant role in accuracy of land area statistics.In this paper,statistical regression method was used to analyze 195 random samp les collected in south-central part of Anhui Province.By measuring the real features w idth,positioning,collecting photos and comparing the measured w idth w ith the appearance of the corresponding liner features in Landsat-TM 5 image,the general change patterns of linear features in Landsat-TM 5 image can be obtained,through analyzing pixel numbers,underlying surface and trend.The result demonstrates as follow s:firstly,w ith the increaseof the pixel numbers,the lessobvious the linear exaggeration is;secondly,the stability of the linear featuresw idth in S-N(E-W）is better than in NW-SE(NE-SW）,linear exaggerates to a small extent as well;and finally,it is much easier for water area to induce the linear exaggeration,followed by road and pathway(highway and earth way）.

remote sensing images;linear features w idth;change patterns

TP75

A

1672-0504(2010）03-0033-04

2010-01-11;

2010-04-04

鄧玲玲(1986-）,女,碩士研究生,主要從事資源與環(huán)境遙感研究。E-mail:272189507@qq.com