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(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.北京市國土資源信息開發(fā)研究重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

Resee礦山遙感自動監(jiān)測信息系統(tǒng)軟件是基于Windows 7/Windows NT上運行的多用戶、多任務(wù)系統(tǒng)。軟件具有直觀的圖形控制界面，整合了圖像處理過程中經(jīng)常用到的遙感影像預(yù)處理功能，并研發(fā)了最新的影像變化自動檢測向?qū)K，該模塊可對礦山的變化進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、便捷的監(jiān)測，以便對礦山環(huán)境的變化進(jìn)行有效的監(jiān)督管理，大大提高了礦山監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。

1 工作區(qū)概況

選取自然地理特征和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)齊全的地區(qū)作為研究樣本，本次研究將河南信陽作為目標(biāo)研究區(qū)。

1.1 自然地理概況

信陽位于淮河上游，地勢南高北低，是崗川相間、形態(tài)多樣的階梯地貌。信陽地區(qū)已探明各類礦產(chǎn)49種，礦產(chǎn)地280多處。其中金屬礦17種，非金屬礦24種；有大型礦11處，中型礦31處。特別是非金屬礦產(chǎn)資源豐富，開發(fā)前景廣闊。上天梯非金屬礦為亞洲第一大非金屬礦，總儲量7.3億t。其中珍珠巖儲量1.2億t，占全國50%以上，膨潤土5億t，沸石5 600萬t。此外，還有二氧化硅礦800萬t，金紅石礦100萬t，鋅礦100萬t，鉬礦6.5萬t等。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本次研究收集到2011年、2012年2期河南信陽經(jīng)過預(yù)處理的遙感影像，覆蓋面積為529.3 km2；2011年、2012年2期礦山開發(fā)占地信息矢量要素數(shù)據(jù)。為更加集中直觀地顯示礦山開發(fā)占地變化信息，截取以上天梯非金屬礦區(qū)為中心的104.5 km2的2期遙感影像作為研究區(qū)基準(zhǔn)遙感數(shù)據(jù)。截取范圍選取如圖1所示，最終得到2期河南信陽地區(qū)研究區(qū)結(jié)果影像圖(圖2)。

圖1 河南信陽基準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)截取范圍示意圖

圖2 2011年(左)和2012年(右)研究區(qū)結(jié)果影像圖

圖3 Resee礦山遙感自動監(jiān)測系統(tǒng)變化向?qū)K框架

2 研究方法

Resee礦山遙感自動監(jiān)測系統(tǒng)中的變化向?qū)K集成了選擇影像數(shù)據(jù)、執(zhí)行方法評價、選擇變化檢測方法、確定變化閾值、變化圖像濾波、變化圖斑矢量化、結(jié)果導(dǎo)出7個環(huán)節(jié)流程(圖3)，通過此流程的輔助實施，可以將疑似礦山變化圖斑自動圈出，大大節(jié)省處理時間。

2.1 選擇影像數(shù)據(jù)

此環(huán)節(jié)需具備2期經(jīng)影像前期預(yù)處理的范圍、柵格分辨率、像素深度、像素值范圍均相同，且經(jīng)輻射校正的不同實相的遙感影像(Burt et al, 1983)。

2.2 執(zhí)行方法評價

由于礦山環(huán)境差異大，且地物信息復(fù)雜多樣，如何選取適宜已知工作區(qū)的變化檢測方法已成為提高檢測精度的重點問題(甘甫平等，2004；陳繼福等，2006；聶洪峰等，2007；尚紅英等，2008；Bruzzone et al，2000)。此環(huán)節(jié)通過交互參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)即會根據(jù)設(shè)定要求對選擇的檢測方法進(jìn)行運算，運算結(jié)果包括經(jīng)各方法檢測的總圖斑數(shù)、與研究區(qū)礦權(quán)緩沖區(qū)要素相交圖斑數(shù)、相交圖斑占總檢測圖斑的比率以及各方法歸一化值排序列表。歸一化值越大，說明此方法的適用性越強。

2.3 選擇變化檢測方法

如果在檢測方法未知的情況下，可選擇第二步中歸一化值最高的方法作為最優(yōu)選擇，也可根據(jù)實際需要選擇其他檢測方法(李德仁，2003)。

2.4 確定變化閾值

此環(huán)節(jié)以基于統(tǒng)計的閾值選取方法自然間斷點法作為基礎(chǔ)，只需設(shè)置取值范圍A(大于、小于、兩端)、差異總分類數(shù)M、滿足條件的類數(shù)N，3個參數(shù)即可實現(xiàn)閾值統(tǒng)計。例如，將經(jīng)變化檢測輸出的單波段數(shù)據(jù)利用自然間斷點法將其分為6類，取高值部分中的2類作為變化集中區(qū)域，則(A=大于，M=6，N=2)。

2.5 變化圖像濾波

由于經(jīng)自然間斷點法差異分類后的數(shù)據(jù)包含大量的噪聲，需要對其進(jìn)行濾波處理，以保證最后輸出的變化精度，此步驟中集成了眾數(shù)濾波、開運算、閉運算、邊界清理等實用算法，大大提升了圖斑篩選的精度。

2.6 變化圖斑矢量化

將經(jīng)過濾波處理的柵格數(shù)據(jù)根據(jù)聚合原理轉(zhuǎn)化為矢量，作為疑似礦山變化圖斑進(jìn)行保存(Johnson et al,1998)，為了確保矢量圖斑的完整性、聚合合理性以及聚合準(zhǔn)確性，需要設(shè)定簡化閾值(旨在減少矢量圖斑節(jié)點，簡化閾值與保留節(jié)點個數(shù)成反比，經(jīng)驗值為1.5)、聚合相鄰圖斑的搜索距離(旨在將一定范圍內(nèi)的圖斑進(jìn)行融合，融合范圍不宜過大，閾值區(qū)間在1～5為優(yōu))、去除圖斑內(nèi)部孔洞的最大面積閾值(旨在消除矢量圖斑內(nèi)部存在的小于指定半徑的孔洞)、去除細(xì)碎圖斑的最大面積閾值(旨在消除變化圖斑中小于指定面積的細(xì)小圖斑，具體參數(shù)視情況而定，默認(rèn)值為400)進(jìn)行設(shè)置，確保輸出結(jié)果的完整性。

2.7 結(jié)果導(dǎo)出

確認(rèn)無誤后，將最后的提取結(jié)果進(jìn)行保存導(dǎo)出。

3 結(jié)果與討論

通過變化向?qū)K7個步驟的處理，很好地完成了礦山變化圖斑的提取工作，加載2期結(jié)果影像后，只需為程序提供步驟參數(shù)即可流程化，實現(xiàn)最后變化圖斑的輸出，流程中間結(jié)果清晰展示了模塊數(shù)據(jù)的處理過程。

首先，加載2期影像數(shù)據(jù)后，進(jìn)行方法評價參數(shù)設(shè)置，選取參與方法評價的檢測方法，以及研究區(qū)對應(yīng)的礦權(quán)或開發(fā)占地矢量要素類，執(zhí)行后系統(tǒng)會對中間結(jié)果進(jìn)行自動計算。方法評價設(shè)置窗口如圖4所示。

第二步，在變化檢測方法選擇中，會顯示經(jīng)方法評價后輸出的檢測方法歸一化值排序，歸一化值越高，證明針對研究區(qū)的該處理方法最優(yōu)，結(jié)合檢測總圖斑數(shù)和相交圖斑數(shù)即可確定檢測方法。方法評價結(jié)果顯示效果如圖5。

圖4 變化檢測方法評價參數(shù)設(shè)置圖

圖5 變化檢測方法評價歸一化效果圖

第三步，確定變化信息所在的閾值?？衫肁rcGIS對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分類，根據(jù)檢測效果，確認(rèn)最優(yōu)的分類數(shù)和選取的分類范圍，針對河南信陽研究區(qū)選擇利用自然間斷點法將數(shù)據(jù)分為6類，取高值部分的2類進(jìn)行分析。

第四步，確定濾波模板參數(shù)。推薦眾數(shù)濾波和邊界清理2種方法搭配使用，最大限度地去除噪聲，提高篩選質(zhì)量。本研究區(qū)選取眾數(shù)濾波7×7模板和邊界清理7×7模板進(jìn)行處理，效果較為理想。

第五步，變化圖斑矢量化。要求根據(jù)研究區(qū)的柵格篩選情況確定合理的圖斑篩選閾值，以信陽研究區(qū)為例，設(shè)置簡化閾值為2、搜索距離為2、去除內(nèi)部孔洞面積為200、去除細(xì)碎圖斑面積為400，所有數(shù)值單位均以米為基礎(chǔ)。

第六步，選擇是否加載中間結(jié)果及矢量圖斑進(jìn)行顯示。經(jīng)變化向?qū)Я鞒烫幚砗?，研究區(qū)范圍內(nèi)檢測結(jié)果與實際礦山開發(fā)占地變化吻合率為67%，變化向?qū)Я鞒虒?dǎo)出礦山變化圖斑中包含實際變化圖斑42處，實際解譯變化圖斑數(shù)為63處。

變化檢測對比效果圖如6所示。

圖6 研究區(qū)變化向?qū)z測效果分析圖

4 結(jié) 論

Resee礦山遙感自動監(jiān)測系統(tǒng)中的變化向?qū)K集成了變化檢測及基于統(tǒng)計分析的閾值選取技術(shù)，并結(jié)合礦山監(jiān)測處理的實際過程搭建了變化檢測輔助流程，通過大量研究測試，得出以下結(jié)論。

(1) Resee礦山遙感自動監(jiān)測系統(tǒng)變化向?qū)K中的方法評價體系可以快速、準(zhǔn)確地評價出適宜研究區(qū)變化提取的檢測方法，為礦山地區(qū)大區(qū)域的檢測提取提供技術(shù)支持。

(2) 經(jīng)Resee礦山遙感自動監(jiān)測系統(tǒng)變化向?qū)K處理后的變化圖斑提取結(jié)果很大程度上與實際目視解譯的變化圖斑信息相吻合，證明了方法的實用性和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的科學(xué)性。

(3) Resee礦山遙感自動監(jiān)測系統(tǒng)變化向?qū)K可以有效地提取礦山變化信息，大大縮短工作周期，提高數(shù)據(jù)利用率，為礦山信息的實時監(jiān)測打下堅實的基礎(chǔ)。

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