彭樹(shù)標(biāo)，尹 凡，盧 剛，張 汛，熊鵬波

（1.江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇 南京210013；2.衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210013；3.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢430079）

航空影像水體提取在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

彭樹(shù)標(biāo)1,2,3，尹 凡1,2，盧 剛1,2，張 汛1,2，熊鵬波1,2

（1.江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇 南京210013；2.衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210013；3.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢430079）

為提高實(shí)際生產(chǎn)中地表覆蓋水體采集的工作效率，研究以四波段航空影像為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的DLG數(shù)據(jù)，采用歸一化水體指數(shù)（NDWI）識(shí)別水體，利用均值差探查水體邊界，通過(guò)分塊處理的方法規(guī)避了航空影像各區(qū)域光譜差異的問(wèn)題，最終得到與DOM套合較好的水體解譯成果。為滿足批量生產(chǎn)的需求，運(yùn)用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)各閾值的自動(dòng)提取。該方法可提升工作效率30%～40%。

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)；航空影像；水體自動(dòng)提??；遙感

地理國(guó)情，即以地球表層自然、生物和人文現(xiàn)象的空間變化和它們之間的相互關(guān)系、特征等為基本內(nèi)容，對(duì)構(gòu)成國(guó)家物質(zhì)基礎(chǔ)的各種條件因素進(jìn)行宏觀性、整體性、綜合性的調(diào)查、分析和描述[1]。地表覆蓋是地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，目前一般采用人工判讀繪制的方法，效率較低。特別是在江南地區(qū)，水體覆蓋采集的工作量很大，研究較為可靠的水體自動(dòng)提取方法有著較大的實(shí)際意義。

對(duì)于水體信息的提取，國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用不同方法進(jìn)行了大量而深入的研究[2,3]，其常用的方法有單波段閾值法[4]、波段組合比值法[5]、NDWI[6,7]。針對(duì)水體指數(shù)，徐涵秋在NDWI的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI），其水體信息提取精度明顯提高[8]。沈占鋒[9]等利用高斯NDWI對(duì)伊犁河試驗(yàn)區(qū)河流信息進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜河流水體信息進(jìn)行自動(dòng)提取。針對(duì)地理國(guó)情地表覆蓋的水體提取，曹子榮[10]應(yīng)用衛(wèi)星影像進(jìn)行了相關(guān)研究，其最終解譯結(jié)果未能與DOM較好地套合，但可作為生產(chǎn)過(guò)程中重要的參考資料。

本研究以四波段航空影像為基礎(chǔ)，結(jié)合已有DLG數(shù)據(jù)，采用NDWI識(shí)別水體，利用均值差探查水體邊界，通過(guò)分塊處理的方法規(guī)避了航空影像各區(qū)域光譜差異的問(wèn)題，最終得到與DOM套合較好的水體解譯成果。為滿足批量生產(chǎn)的需要，還運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)各閾值的自動(dòng)提取。利用本方法的水體提取成果，結(jié)合人工編輯后可提升工作效率30%～40%。

1 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

江蘇省位于中國(guó)東部沿海地區(qū)，東經(jīng)116°18'~ 121°57'、北緯30°45'~35°20'之間，屬于溫帶向亞熱帶的過(guò)渡性。江蘇跨江濱海，河湖眾多，水網(wǎng)密布，素有“水鄉(xiāng)江蘇”之稱。

試驗(yàn)所用航空影像為2012-04采用UltraCam-Xp WA型數(shù)字航攝儀拍攝的四波段影像拼接而成的數(shù)字正射影像影像，航攝儀光譜波段參數(shù)如表1所示。體，道路及房屋層）。影像平面坐標(biāo)系為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，高程系統(tǒng)為正常高。分幅DOM數(shù)據(jù)采用高斯-克呂格投影，按3°分帶。本研究對(duì)灌南縣、江陰市、張家港市、太倉(cāng)市、昆山市、常熟市、吳江市進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

表1 UltraCam-Xp WA型數(shù)字航攝儀波段參數(shù)

2 研究方法

2.1 NDWI

根據(jù)水體的遙感光譜特征：水體在可見(jiàn)光波段吸收少、反射率低、大量透射，而在近紅外、中紅外波段幾乎吸收全部的入射能量[11]。根據(jù)水體的這一光譜特征，許多水體指數(shù)模型被提出，其中最經(jīng)典的為NDWI，其計(jì)算公式為：

式中，BandGreen代表綠波段；BandNir代表近紅外波段。NDWI的計(jì)算，抑制了陸地植被等信息而突出了水體信息；同時(shí)，在NDWI的計(jì)算過(guò)程中，統(tǒng)一對(duì)NDWI數(shù)值進(jìn)行拉伸，可使不同傳感器、不同成像條件的影像也可獲得具有可比較的、相近統(tǒng)計(jì)特性的NDWI 影像波段，便于區(qū)分影像中的水體信息。

2.2 分塊處理與閾值自動(dòng)計(jì)算

航空影像每幅因拍攝時(shí)氣象等各條件的不同而產(chǎn)生一定的差異，且同一幅圖各區(qū)域的光譜特征也難以完全相同。在批量數(shù)據(jù)處理時(shí)，閾值的設(shè)置及方法的適用性是一大難題，因此，根據(jù)當(dāng)前影像的相關(guān)信息獲得合適的識(shí)別閾值是解譯精度是否良好的關(guān)鍵因素。閾值自動(dòng)提取主要采用統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)區(qū)域均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并利用均值與標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系建立合適的閾值。閾值的自動(dòng)提取在本研究中體現(xiàn)為2個(gè)方面：①在一個(gè)圖幅內(nèi)，通過(guò)閾值選擇ROI；②在對(duì)ROI分塊處理時(shí)，根據(jù)每一塊區(qū)域設(shè)定不同的閾值，從而提升識(shí)別精度。

2.3 邊界提取

地理國(guó)情地表覆蓋對(duì)繪圖精度要求較為嚴(yán)格，影像上分界明顯的地表覆蓋分類(lèi)界線和地理國(guó)情要素的邊界以及定位點(diǎn)的采集精度應(yīng)控制在5個(gè)像素以內(nèi)。因此，水體邊界的準(zhǔn)確提取是本研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

水體指數(shù)的使用在一定程度上放大了水體的光譜特征，但有時(shí)因噪聲干擾等因素難以取得一個(gè)較好的閾值而使得水體各邊界都能較好地提取。在提取了水體種子后，使用平均差計(jì)算某一像元與其鄰近的被識(shí)別為水體的像元的關(guān)系向外增長(zhǎng)至水體邊緣。

2.4 提取水體處理流程

1）利用Ecognition軟件進(jìn)行100尺度的多尺度分割，對(duì)全圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，計(jì)算各對(duì)象的NDWI，根據(jù)NDWI尋找水體的感興趣區(qū)（region of interest,ROI）。

2）分別將每一個(gè)ROI復(fù)制到新的圖層，對(duì)每一塊區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)處理，先對(duì)區(qū)域內(nèi)的ROI區(qū)域進(jìn)行棋盤(pán)分割，再運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)方法自動(dòng)計(jì)算各區(qū)域的閾值，搜索水體種子。

3）通過(guò)對(duì)水體種子內(nèi)的像元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用正態(tài)分布均值與標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系設(shè)置均值差的閾值，再以此閾值為容差向外逐像元增長(zhǎng)尋找水體邊緣。

4）對(duì)提取結(jié)果再次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用正態(tài)部分中均值與標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系剔除錯(cuò)誤的像元，合并整理得到最終成果（圖1）。

圖1 水體邊緣處理流程

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)自動(dòng)運(yùn)算，得到與DOM水體套合較好的水體數(shù)據(jù)。為了統(tǒng)計(jì)提取成果對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的幫助，根據(jù)其需要修改的幅度分為直接可用、簡(jiǎn)單修改、較多修改、無(wú)法使用4種。其典型代表示例如圖2所示。

圖2 水體提取結(jié)果評(píng)價(jià)典型示例

直接可用，指解譯結(jié)果與DOM套合較好，可直接使用，此種類(lèi)型可較大地提升工作效率；簡(jiǎn)單修改，指解譯結(jié)果與DOM套合基本較好，但部分位置需人工編輯，修改量較小。較大修改指解譯結(jié)果不完全準(zhǔn)確，需要較多的人工修改。無(wú)法使用指解譯結(jié)果因影像質(zhì)量、噪聲干擾或其他因素影響，錯(cuò)誤較多，修改費(fèi)時(shí)較多，建議不使用。

本研究以測(cè)繪部門(mén)已有DLG數(shù)據(jù)為參考，旨在傳統(tǒng)地圖繪制的基礎(chǔ)上提升工作效率。因此，對(duì)精度的分析主要體現(xiàn)在水體識(shí)別精度與邊緣準(zhǔn)確度2個(gè)方面。由于有較近時(shí)期的DLG數(shù)據(jù)為參考，水體定性識(shí)別精度較高。對(duì)于水體邊界精度的考量主要體現(xiàn)在提升原有工作效率上，為此隨機(jī)選取了7個(gè)測(cè)區(qū)的1∶ 1 萬(wàn)圖幅進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)所有結(jié)果進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)/%

3.2 分 析

本方法采取先提取ROI再分塊進(jìn)行處理的主要原因在于，測(cè)繪對(duì)成果精度的較高要求。由于航空影像自身特點(diǎn)，較衛(wèi)片難以保證各區(qū)域光譜特性一致，進(jìn)行分塊并各自計(jì)算其閾值進(jìn)行處理，每幅影像閾值均根據(jù)其自身進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，且分塊處理可將處理尺度變小，從而規(guī)避其光譜特性不穩(wěn)定的影響，對(duì)于各區(qū)域、不同條件下拍攝的航片均有一定的普適性。另外，分辨率較高的航空影像在大面處理過(guò)程中經(jīng)常會(huì)要求計(jì)算機(jī)性能較高的問(wèn)題，分塊計(jì)算減輕了計(jì)算機(jī)特別是內(nèi)存的運(yùn)行壓力。

通過(guò)對(duì)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)得出，約1/6的水體提取成果可直接使用，這部分將很大地提高原有的工作效率；約1/3的水體提取成果需要簡(jiǎn)單修改，這一部分也將較好地提升工作效率；較多修改的部分有較大的修改量，我們?cè)趯?shí)際試生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其是否使用主要取決于各繪圖作業(yè)人員的習(xí)慣，但其亦能對(duì)作業(yè)人員判讀影像提供參考。

根據(jù)以上結(jié)果及綜合繪圖作業(yè)人員的實(shí)際生產(chǎn)反饋，此方法對(duì)原有方法的效率提升約為30%～40%。

4 結(jié) 語(yǔ)

DLG數(shù)據(jù)，采用NDWI識(shí)別水體，利用均值差探查水體邊界，通過(guò)分塊處理的方法規(guī)避了航空影像各區(qū)域光譜差異的問(wèn)題，最終得到與DOM套合較好的水體解譯成果，并結(jié)合人工編輯，有效提升了原有工作效率。

由于此方法運(yùn)算過(guò)程中所有閾值均根據(jù)圖幅內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，批量處理時(shí)無(wú)需人工干預(yù)，因此具有較好的適用性。利用分塊處理的思想，根據(jù)各區(qū)域自動(dòng)計(jì)算的閾值進(jìn)行水體提取，經(jīng)過(guò)多區(qū)域的生產(chǎn)試驗(yàn)均有較好的效果，說(shuō)明此方法有一定的普適性。另外，此方法為基于已有數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，在未來(lái)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新中將更有應(yīng)用前景。

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P237.9

B

1672-4623（2015）03-0012-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.004

彭樹(shù)標(biāo)，博士，工程師，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。

2014-05-19。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH28B04）；江蘇省測(cè)繪科研基金資助項(xiàng)目（JSCHKY201216）；對(duì)地觀測(cè)技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（k201211）。

本文研究以四波段航空影像為基礎(chǔ)，結(jié)合已有