楊愛(ài)民，陳　峰，劉鵬珍，張　錦

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 山西省測(cè)繪工程院，山西

太原 030002； 3. 太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

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利用高分辨率遙感影像進(jìn)行DLG要素快速更新的方法

楊愛(ài)民1，陳峰1，劉鵬珍2，張錦3

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 山西省測(cè)繪工程院，山西

太原 030002； 3. 太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

Research on Quick Updating Method of DLG by Using High Resolution Satellite Images

YANG Aimin，CHEN Feng，LIU Pengzhen，ZHANG Jin

摘要：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新是一項(xiàng)長(zhǎng)期而重要的任務(wù)，本文針對(duì)DLG要素快速更新問(wèn)題，利用高分辨率遙感影像，采用圖像代數(shù)方法對(duì)兩期影像進(jìn)行了變化檢測(cè)，快速獲取了DLG要素的變化位置、變化范圍等信息，輔助DLG要素增量數(shù)據(jù)獲取。采用空間數(shù)據(jù)匹配的方法建立了現(xiàn)狀、歷史與增量數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并采用增量更新的方法對(duì)DLG要素進(jìn)行了快速更新。利用該方法對(duì)太原市某城區(qū)居民地要素進(jìn)行了更新試驗(yàn)，并應(yīng)用于山西省重點(diǎn)城市建設(shè)用地遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目中，取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：遙感影像；變化檢測(cè)；數(shù)據(jù)匹配；增量更新

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新是當(dāng)前測(cè)繪部門(mén)面臨的主要問(wèn)題。為確?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)具有較高的現(xiàn)勢(shì)性、準(zhǔn)確性和完整性，首先就要提高基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新作業(yè)的效率和對(duì)歷史數(shù)據(jù)的有效組織與管理。高分辨率航空航天影像包含豐富多樣的地理和地形信息，已成為非常重要的空間信息數(shù)據(jù)源之一。目前，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新主要是以新期航空航天影像為底圖，通過(guò)與舊矢量數(shù)據(jù)或舊影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后人機(jī)交互比對(duì)來(lái)發(fā)現(xiàn)變化的要素，按相應(yīng)比例尺更新規(guī)范并采用內(nèi)外業(yè)相結(jié)合的方法進(jìn)行更新作業(yè)[1]，但由于人工干預(yù)較多而容易引起人為的漏判與錯(cuò)判，且生產(chǎn)效率有待提高。針對(duì)修測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理和整理后的更新成果數(shù)據(jù)，在目前的生產(chǎn)實(shí)際中主要通過(guò)兩種方式來(lái)完成基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的更新：①版本式更新,即更新后以新版本存入現(xiàn)勢(shì)庫(kù)，而更新前的舊版本存入歷史庫(kù)[2]，這種方法對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)通常為靜態(tài)的，不同版本數(shù)據(jù)之間沒(méi)有形成關(guān)聯(lián)；②增量式更新,即只對(duì)通過(guò)變化檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的變化部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行更新操作[3],以達(dá)到減少數(shù)據(jù)冗余、提高更新效率的目的。

本文針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中特定要素的更新，以高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)，通過(guò)影像變化檢測(cè)快速發(fā)現(xiàn)要素的變化區(qū)域和變化范圍，檢測(cè)結(jié)果可輔助增量更新數(shù)據(jù)的采集工作，減少人工比對(duì)和判讀的時(shí)間；采用空間數(shù)據(jù)匹配的方法建立要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)增量數(shù)據(jù)的快速更新和匹配關(guān)聯(lián)關(guān)系的統(tǒng)一組織管理。

一、利用變化檢測(cè)的增量要素獲取

目前大多數(shù)變化檢測(cè)方法主要檢測(cè)的是全部地物類型的變化，很多方法都是針對(duì)特定條件下的遙感影像提出來(lái)的，這些算法往往工作效率不高，而且難以針對(duì)基礎(chǔ)地理信息的特定要素進(jìn)行快速檢測(cè)發(fā)現(xiàn)變化信息。本文主要針對(duì)居民地要素，采用圖像代數(shù)和閾值分割方法進(jìn)行變化檢測(cè)，該方法簡(jiǎn)單直接，快速有效。變化檢測(cè)的主要過(guò)程如下：①通過(guò)圖像代數(shù)運(yùn)算獲取差異影像；②對(duì)差異影像的灰度值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析；③選取一定的閾值進(jìn)行閾值分割，獲得變化檢測(cè)結(jié)果。

增量更新要素的采集工作以新期遙感影像為基礎(chǔ)底圖，將舊矢量數(shù)據(jù)和變化檢測(cè)結(jié)果圖疊加來(lái)輔助增量數(shù)據(jù)的獲取。主要工作方法如下：①根據(jù)變化檢測(cè)的結(jié)果確定待更新要素的更新圖幅及更新區(qū)域；②從基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，存放在臨時(shí)庫(kù)作為更新使用的數(shù)據(jù)；③結(jié)合舊矢量、舊影像數(shù)據(jù)及變化檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)增量更新采集作業(yè)，形成更新成果數(shù)據(jù)。利用變化檢測(cè)的增量數(shù)據(jù)采集方法流程如圖1所示。

二、采用格網(wǎng)匹配的增量更新

1. 格網(wǎng)索引匹配

在待匹配數(shù)據(jù)的空間范圍內(nèi)，根據(jù)單位格網(wǎng)的平均要素?cái)?shù)和單位要素占用的平均格網(wǎng)數(shù)之間的最佳關(guān)系，確定最佳的格網(wǎng)大小，然后利用網(wǎng)格索引方法，將待匹配要素按照統(tǒng)一的網(wǎng)格映射規(guī)則分別映射到一個(gè)M×N的網(wǎng)格索引，通過(guò)網(wǎng)格編碼的映射實(shí)現(xiàn)更新前后要素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，以達(dá)到匹配效果[5]。

圖1　利用變化檢測(cè)的增量數(shù)據(jù)采集方法流程

圖2　更新前后要素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2. 增量數(shù)據(jù)更新

建立增量數(shù)據(jù)庫(kù)，包括增量數(shù)據(jù)集和對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)增量數(shù)據(jù)采集模式的不同可以將增量更新分為增量數(shù)據(jù)采集模式和全要素?cái)?shù)據(jù)采集模式，如圖3所示。增量數(shù)據(jù)采集模式通過(guò)變化檢測(cè)后只采集增量數(shù)據(jù)并與歷史數(shù)據(jù)匹配關(guān)聯(lián)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系即可；全要素?cái)?shù)據(jù)采集模式需要先采集全要素?cái)?shù)據(jù)，然后結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測(cè)獲取增量數(shù)據(jù)集，并利用數(shù)據(jù)匹配完成對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)聯(lián)。從這兩種模式上來(lái)看，第1種適合要素級(jí)更新，即對(duì)特定要素發(fā)生變化時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)更新；第2種適合測(cè)區(qū)級(jí)更新，即由于地物地貌變化程度較大，局部個(gè)別要素的更新已無(wú)法滿足數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性要求的情況[4]。無(wú)論哪種模式，在經(jīng)過(guò)匹配關(guān)聯(lián)建立增量數(shù)據(jù)庫(kù)后，可以通過(guò)歷史庫(kù)和增量庫(kù)派生出現(xiàn)狀庫(kù)，從現(xiàn)狀庫(kù)通過(guò)關(guān)聯(lián)關(guān)系可以回溯歷史庫(kù)，實(shí)現(xiàn)歷史庫(kù)和現(xiàn)狀庫(kù)之間的轉(zhuǎn)換。

圖3　增量數(shù)據(jù)采集模式和全要素?cái)?shù)據(jù)采集模式

三、試驗(yàn)分析及應(yīng)用

1. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：①太原市某區(qū)域1999年0.5 m分辨率黑白航空影像，如圖4所示，可以看出影像范圍內(nèi)大部分為耕地，只有少數(shù)城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民地，城市化水平還比較低；②相同區(qū)域2013年0.5 m分辨率全色衛(wèi)星遙感影像，如圖5所示，隨著城市的不斷建設(shè)和擴(kuò)張，新建起了許多城市居民小區(qū)，還有不少正在建設(shè)的施工用地，城市化水平相對(duì)較高；③太原市某區(qū)域1999年1∶5萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)圖幅DLG居民地要素?cái)?shù)據(jù)，如圖6所示。

圖4　1999年0.5 m分辨率黑白航空影像

圖5　2013年0.5 m分辨率全色衛(wèi)星遙感影像

圖6　某區(qū)域1999年1∶5萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)圖幅DLG居民地要素

2. 變化檢測(cè)

根據(jù)數(shù)據(jù)源的實(shí)際情況，在變化檢測(cè)前對(duì)兩期影像進(jìn)行了影像直方圖匹配和幾何配準(zhǔn)的預(yù)處理工作。直方圖匹配可使兩幅影像具有相似色調(diào)和反差，以便作進(jìn)一步的圖像代數(shù)運(yùn)算；精確幾何配準(zhǔn)能有效減少因相同位置像元之間錯(cuò)位而檢測(cè)出的偽變化區(qū)域[6]。變化檢測(cè)方法選擇快速直接的圖像差分法[7]，閾值分割方法采用Otsu法[8]。變化檢測(cè)的結(jié)果以二值化圖的形式輸出，如圖7所示，變化的部分像素值是0，沒(méi)有變化的部分像素值是225，變化的部分在圖中突出顯示，如圖8所示。

圖7　二值化圖形式輸出

圖8　變化的部分在圖中突出顯示

3. 增量更新

將變化檢測(cè)結(jié)果與舊矢量圖疊加，并結(jié)合新舊影像進(jìn)行增量數(shù)據(jù)的采集、編輯與處理，形成增量數(shù)據(jù)集；建立格網(wǎng)索引映射，通過(guò)相同位置格網(wǎng)的統(tǒng)一編碼完成對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的篩選、區(qū)分關(guān)聯(lián)類型，獲得居民地要素的精確匹配關(guān)聯(lián)表，可以實(shí)現(xiàn)要素的歷史查詢、統(tǒng)計(jì)及變化信息提取等，并且可以直觀地區(qū)分出何種要素在何處發(fā)生了何種變化，為更新作業(yè)提供先驗(yàn)知識(shí)；結(jié)合增量數(shù)據(jù)集和對(duì)應(yīng)關(guān)系在數(shù)據(jù)庫(kù)中完成相應(yīng)的增量更新操作，從而完成現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)的更新。增量數(shù)據(jù)匹配和關(guān)聯(lián)過(guò)程如圖9所示，增量數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖10所示，更新后DLG居民地要素?cái)?shù)據(jù)如圖11所示。

圖9　增量數(shù)據(jù)匹配和關(guān)聯(lián)過(guò)程

4. 建設(shè)用地監(jiān)測(cè)應(yīng)用

本文研究的部分成果已在山西省重點(diǎn)城市建設(shè)用地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)格網(wǎng)索引匹配形成的增量數(shù)據(jù)庫(kù)已成為該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成內(nèi)容之一，通過(guò)歷史庫(kù)和現(xiàn)狀庫(kù)之間建立的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)歷史與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)合城市土地利用總體規(guī)劃中心城區(qū)的發(fā)展控制規(guī)模，實(shí)現(xiàn)城市管理部門(mén)對(duì)各類建設(shè)用地的變化情況分析，如圖12所示，城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組與外圍地域擴(kuò)展情況分析及土地利用規(guī)律探尋如圖13所示，三維可視化分析如圖14所示；同時(shí)，采用遙感影像變化檢測(cè)和匹配關(guān)聯(lián)的增量更新方法為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成后的數(shù)據(jù)庫(kù)更新工作提供了一種簡(jiǎn)便、可行的方法，為實(shí)現(xiàn)全省11個(gè)重點(diǎn)城市建設(shè)用地變化情況的常態(tài)化、動(dòng)態(tài)化遙感監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支撐。

圖12　各類建設(shè)用地的變化情況分析

圖13　城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組與外圍地域擴(kuò)展情況分析及土地利用規(guī)律探尋

圖14　三維可視化分析

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)DLG要素快速更新問(wèn)題，對(duì)遙感影像的變化檢測(cè)、數(shù)據(jù)匹配關(guān)聯(lián)和要素增量更新相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究，初步建立了利用高分辨率遙感影像對(duì)DLG要素快速更新的方法。該方法首先采用圖像代數(shù)對(duì)高分辨率遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)來(lái)快速界定更新要素的變化位置和變化范圍；然后疊加舊矢量、舊影像數(shù)據(jù)，輔助完成增量數(shù)據(jù)的快速獲??；最后采用增量更新模式對(duì)DLG要素?cái)?shù)據(jù)完成更新。研究成果在山西省重點(diǎn)城市建設(shè)用地遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)用中取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳軍,王東華,商瑤玲,等.國(guó)家1∶50 000數(shù)據(jù)庫(kù)更新工程總體設(shè)計(jì)研究與技術(shù)創(chuàng)新[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2010,39(1):7-10.

[2]衛(wèi)東.地理空間數(shù)據(jù)一體化更新發(fā)布系統(tǒng)的技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào),2013(7):77-81.

[3]周曉光,陳軍,朱建軍,等.基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)增量更新[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2006,11(10):1431-1438.

[4]朱宏斌,陸海英,盛琦,等.城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)更新方案研究[J].測(cè)繪通報(bào),2011(1):25-27.

[5]劉鵬珍.基本地理市情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組織管理和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].太原：太原理工大學(xué),2013.

[6]陳峰.基于圖像代數(shù)的居民地變化檢測(cè)方法研究[D].太原：太原理工大學(xué),2014.

[7]BRUZZONE L, PRIETO D F. Automatic Analysis of the Difference Image for Unsupervised Change Detection[J]. IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sen-sing,2000,38(3): 1024-1030.

[8]OTSU N. A Threshold Selection Method from Gray-Level Histograms[J].IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics,1979, 9(1):62-66.

[9]陳峰,張錦,曾波.基于圖像代數(shù)的資源三號(hào)衛(wèi)星居民地要素變化檢測(cè)方法及其有效性評(píng)價(jià)[J].測(cè)繪通報(bào),2015(5):38-41.

[10]鐘家強(qiáng).基于多時(shí)相遙感圖像的變化檢測(cè)[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2005.

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0073-04

作者簡(jiǎn)介：楊愛(ài)民(1974—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫b感與地理信息系統(tǒng)。E-mail: yam888@126.com

基金項(xiàng)目：山西省測(cè)繪地理信息科技項(xiàng)目(2013-K5)；山西省重點(diǎn)城市建設(shè)用地遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目

收稿日期：2015-03-05

引文格式：楊愛(ài)民，陳峰，劉鵬珍,等. 利用高分辨率遙感影像進(jìn)行DLG要素快速更新的方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(3)：73-76.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0090.