徐小芹，沈佳潔，吳友鳳，何 雯

（湖北省航測(cè)遙感院，湖北武漢 430071）

航空遙感影像的變化檢測(cè)

徐小芹，沈佳潔，吳友鳳，何 雯

（湖北省航測(cè)遙感院，湖北武漢 430071）

針對(duì)以農(nóng)田為主的某地區(qū)的航空影像，利用圖像差值和比值法分析比較了取不同閾值時(shí)的變化檢測(cè)效果；最后采用實(shí)際的航空影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，證明使用兩種方法集成的檢測(cè)結(jié)果比單獨(dú)使用其中一種更準(zhǔn)確。

圖像差值；圖像比值；變化檢測(cè)；航空影像

變化檢測(cè)是攝影測(cè)量與遙感技術(shù)的主要應(yīng)用之一，可以通過(guò)對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)期的圖像進(jìn)行比較分析，根據(jù)圖像之間灰度值或局部紋理的差異，來(lái)得到我們所需的地理變化信息?，F(xiàn)有的變化檢測(cè)主要可以分為兩類(lèi)：直接檢測(cè)法和基于分類(lèi)的檢測(cè)方法。直接檢測(cè)是利用像素之間的灰度差異，具體方法有差值法、比值法、相關(guān)法、回歸法等；而基于分類(lèi)的檢測(cè)方法是利用像素之間結(jié)構(gòu)特征的差異，分類(lèi)的方法有監(jiān)督分類(lèi)和非監(jiān)督分類(lèi)。本文以新舊航空影像作為變化檢測(cè)的數(shù)據(jù)源，對(duì)以農(nóng)田為主的四川某地區(qū)地面目標(biāo)的變化情況進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)進(jìn)行影像配準(zhǔn)后的正射影像進(jìn)行灰度差分和灰度相除運(yùn)算，將其結(jié)果作為變化檢測(cè)的依據(jù)，主要針對(duì)以農(nóng)田為主的航空影像變化情況，討論基于圖像灰度差分和灰度相除的最佳變化檢測(cè)閾值，并提取其公共區(qū)域，希望能夠做到變化地物的自動(dòng)檢測(cè)。

1 變化檢測(cè)方法

本文選擇同一地區(qū)不同時(shí)段的 2幅航空正射影像進(jìn)行配準(zhǔn)后，選擇了 2種不同的方法檢測(cè)農(nóng)田的變化情況。

一種方法是以灰度差值作為變化檢測(cè)的量度，逐像素的計(jì)算 2幅正射影像間對(duì)應(yīng)像素的灰度差值，根據(jù)閾值對(duì)差分結(jié)果二值化，以白色表示變化區(qū)域；另一種方法是以灰度比值為量度，計(jì)算對(duì)應(yīng)像素之間灰度的比值，設(shè)置上限和下限，判斷變化情況，并進(jìn)行二值化。

然后對(duì)這兩種方法得到的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行后期處理，將小的孤立區(qū)域作為噪聲去除。最后，以 2種變化檢測(cè)方法提取的公共變化區(qū)域作為最終結(jié)果，流程圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.1 圖像差值法

圖像差值法是對(duì)配準(zhǔn)后不同時(shí)相的圖像對(duì)應(yīng)像素的灰度值相減，生成一幅差值圖像，用差值圖像的灰度值來(lái)表示 2幅圖像間的變化程度，并通過(guò)對(duì)差值圖像灰度選取合適的閾值來(lái)確定變化區(qū)域和不變區(qū)域。

圖像差值法的計(jì)算公式為：

式中，Xij(t1)、Xij(t2)分別表示在不同時(shí)間t1、t2對(duì)地面同一地區(qū)獲取的圖像；X(t1)、X(t2)中坐標(biāo)為 (i, j)的像素灰度值。

如不考慮其他因素（如攝影的光線、大氣條件等）的影響，即在理想的情況下，地面目標(biāo)的灰度變化表現(xiàn)為ij，即Xij(t1)和Xij(t2)之間差值的絕對(duì)值。

圖像差值法的概念很直觀，容易理解，并且在算法上很容易實(shí)現(xiàn)，在變化檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用。在差值圖像生成后，需要選取一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝祦?lái)區(qū)分變化區(qū)域和不變區(qū)域，而閾值的確定是復(fù)雜的，需要不斷的實(shí)驗(yàn)挑選出最合適的一個(gè)，并且這一閾值不具有通用性，因?yàn)槊看巫兓瘷z測(cè)使用的圖像所反映的地面目標(biāo)以及變化情況都不盡相同，所以要得到正確的變化檢測(cè)結(jié)果選取的閾值也是不同的。

在本文的實(shí)驗(yàn)中，先對(duì)讀入的 2 幅圖像逐像素的計(jì)算對(duì)應(yīng)像素間的灰度差值ij。理論上如果地物沒(méi)有發(fā)生變化，ij的值應(yīng)該為0?？紤]到攝影的時(shí)間、光線和角度等條件的影響，當(dāng)ij小于某一個(gè)閾值時(shí)，認(rèn)為地物沒(méi)有發(fā)生變化；反之，則認(rèn)為發(fā)生變化。根據(jù)閾值獲得差分的二值影像，以白色表示出變化區(qū)域。調(diào)整閾值，設(shè)置不同的閾值將得到不同的結(jié)果影像。

1.2圖像比值法

圖像比值法是將配準(zhǔn)后不同時(shí)相的圖像對(duì)應(yīng)像素的灰度值相除，并對(duì)計(jì)算結(jié)果選取合適的閾值進(jìn)行二值化，確定變化區(qū)域和不變區(qū)域。其計(jì)算公式為：

式中，Xij(t1)、 Xij(t2)分別表示在不同時(shí)間t1，t2對(duì)地面同一地區(qū)獲取的圖像中，像素坐標(biāo)值為 (i,j)的像素灰度值。地面目標(biāo)的變化表現(xiàn)為Xij(t1)和Xij(t2)之間比值。

與圖像差值法的不同之處在于比值法在通過(guò)比值結(jié)果判斷變化區(qū)域時(shí)，由于變化方向的不同，判斷ij值的大小需要設(shè)置一個(gè)容忍區(qū)間，即確定2個(gè)閾值，因此其難點(diǎn)也在于閾值的選取上。

具體做法是計(jì)算要進(jìn)行變化檢測(cè)地區(qū)的早期和晚期影像對(duì)應(yīng)像素之間灰度的比值△，當(dāng) 遠(yuǎn) 小于1或者遠(yuǎn)大于1時(shí)，認(rèn)為地物發(fā)生了變化，否則當(dāng)ij的值在某一個(gè)容忍區(qū)間內(nèi)的時(shí)候，則沒(méi)有發(fā)生變化。設(shè)置容忍區(qū)間的上限和下限，灰度比值在上、下限所規(guī)定的區(qū)間以外的地方以白色表示，其余灰度值設(shè)置為0，由此得到二值影像。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所用的影像為用 VirtuoZo軟件糾正過(guò)的正射影像，圖像的比例尺為1:10 000。先后采用圖像差值和圖像比值的方法進(jìn)行試驗(yàn)，反復(fù)比較選取不同的閾值后得到的結(jié)果，選擇最佳的閾值作為后面分析的依據(jù)。

最終圖像結(jié)果的顯示，采用的是二值化的方式顯示，使得變化的結(jié)果更加直觀，認(rèn)為變化的區(qū)域用白色表示，剩下的為黑色的背景色。

圖2 四川某地區(qū)不同時(shí)期的圖像

圖2（a）、圖2（b）的大小均為1 101×1 701像素，是2幅經(jīng)過(guò)幾何配準(zhǔn)后的正射影像，圖2（a）原始影像的獲取時(shí)間為1996年，圖2（b）原始影像的獲取時(shí)間為2004年。

先對(duì)圖2（a）和圖2（b）進(jìn)行圖像差值法的變化檢測(cè)，對(duì)選取不同的閾值的檢測(cè)結(jié)果反復(fù)進(jìn)行比較。圖3（a）為未經(jīng)過(guò)二值化的中間結(jié)果，圖 3（b）為經(jīng)過(guò)比較得到的取最佳閾值40時(shí)的檢測(cè)結(jié)果?？疾靾D3（a）的直方圖，發(fā)現(xiàn)其直方圖有雙峰且有明顯的谷，而谷所對(duì)應(yīng)的灰度值正好就在40附近，所以從圖像分割的角度也說(shuō)明最佳閾值取40是合理的。

圖3 圖像差值法的檢測(cè)結(jié)果

然后對(duì)圖2（a）和圖2（b）進(jìn)行圖像比值法的變化檢測(cè)，對(duì)選取不同的容忍區(qū)間時(shí)的檢測(cè)結(jié)果反復(fù)進(jìn)行比較，選取最佳閾值。

圖4 圖像比值法的檢測(cè)結(jié)果

圖 4（a）為圖像比值法取最佳閾值時(shí)的變化檢測(cè)結(jié)果圖像，容忍區(qū)間取 [0.65，1.54]；

圖4（b）為對(duì)圖像差值法和比值法的最佳結(jié)果圖像提取公共區(qū)域后的結(jié)果?？梢?jiàn)圖像差值法和比值法最后得到效果最好的檢測(cè)結(jié)果近似，統(tǒng)計(jì)圖像差值法最后得到的變化區(qū)域占整個(gè)圖幅面積的56.5%，圖像比值法檢測(cè)出的變化區(qū)域占55.8%，而最后提取的公共的變化區(qū)域占55.2%，圖像差值法的變化區(qū)域幾乎已經(jīng)將比值法檢測(cè)出來(lái)的變化區(qū)域包括在內(nèi)。

3 結(jié) 語(yǔ)

圖像差值法和圖像比值法的概念直觀、易于理解，用差值圖像或比值圖像的像素灰度值表示 2幅圖像的對(duì)應(yīng)像素的差異，并且2種方法在實(shí)驗(yàn)操作上容易實(shí)現(xiàn)。

但是利用圖像差值法和圖像比值法檢測(cè)地物變化，需要選取閾值來(lái)區(qū)分變化與不變化像素，而閾值的選取較為困難，要經(jīng)過(guò)不斷地試驗(yàn)和比較，才能最后得到最恰當(dāng)?shù)拈撝?。并且在這兩種方法中，所用到的都只是圖像的灰度信息，程序所依賴(lài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)僅僅只是單個(gè)像素的灰度信息，而將大量像素之間所表示出來(lái)的幾何信息損失掉了。

所以可以考慮在圖像差值法和比值法的變化檢測(cè)方法中，引入紋理、形狀等特征作為測(cè)度，與差值和比值的方法相結(jié)合，計(jì)算上述測(cè)度的差值或比值，綜合起來(lái)判斷地物的變化情況。

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[2] 賈永紅，計(jì)算機(jī)圖像處理與分析[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001

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Change Detection Based on Aviation Remote Sensing Image

by XV Xiaoqin

In this paper,the change detection methode of utilizing aviation images' grey leveldifferenceand ratiowasmainly studied.In order to analyse this two kindsof methods,a group of aviation images taking farm land asmain landscapeof thewhole view wasmeasured.According to the resultof experiments presented by the form of black-and-white pictures,while relatively choosing different threshold value,these two kinds ofmethods were compared,especially in the use of detecting the result through the change of this specific goal of farm land,and the combination of the two methodswasapplied asa final result.

grey leveldifference,grey level ratio,change detection,aviation image（Page:67）

P237.3

B

1672-4623(2011)02-0067-02

2010-03-25

徐小芹，助理工程師，研究方向?yàn)楹綔y(cè)。