劉佳雨

摘要：針對(duì)城市用地分類問(wèn)題，利用面向?qū)ο蟮母叻直媛视跋裥畔⑻崛〖夹g(shù)，對(duì)高分辨率影像進(jìn)行影像分割，尋找影響對(duì)象提取精度的最優(yōu)分割尺度，在得到最優(yōu)分割尺度的基礎(chǔ)上針對(duì)研究區(qū)城市用地的特點(diǎn)，有針對(duì)性地建立不同對(duì)象的提取規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的信息提取，從而形成最終的城市用地分類圖，并將其與基于像元的光譜信息分類的方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：視覺(jué)方面，面向?qū)ο笮畔⑻崛〖夹g(shù)克服了監(jiān)督分類最大似然方法僅利用光譜信息分類的缺陷，充分考慮了像元間的空間關(guān)系特點(diǎn)，有效消除了“椒鹽”噪聲的影響；精度方面，面向?qū)ο笮畔⑻崛〖夹g(shù)的總體精度高達(dá)86.1166%，比最大似然法的總體精度提高了9.8851%，KAPPA系數(shù)也高達(dá)0.8131。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο螅桓叻直媛视跋?；多尺度分割；ENVI5.0；信息提取

Abstract： Object-oriented extraction technology is applied to urban land classification for the purpose of finding the optimal segmentation scale，which affects the accuracy of the classification，and combining with the characteristics of the study area. Different extraction rules should be established to extract the object information.Compared with the pixel-based classification method，the results shows that：①object-oriented extraction technology takes full account of the spatial relationships between features，and eliminates the “pepper and salt”noises；②In accuracy，the overallaccuracy of the object-oriented extraction technology is up to 86.1166%，9.8851 percentage points higher than the maximum likelihood method，Also a KAPPA coefficient of 0.8131 is acquired.

Key words： Object-oriented；High spatial

resolution image；Multi-scale segmentation；ENVI5.0；Information extraction

引言

城市用地類型的多樣化使得針對(duì)城市用地的分類方法研究成為近年來(lái)人們關(guān)注的問(wèn)題，傳統(tǒng)的基于像元光譜信息的分類技術(shù)使用的多是中低分辨率的影像，其分類原理僅利用了影像的光譜信息，使得分類影像的視覺(jué)效果由于大量“椒鹽”噪聲的存在受到很大影響，并且“異物同譜”和“同物異譜”現(xiàn)象使得分類精度大大降低[1]。隨著一系列高分辨率衛(wèi)星的發(fā)射，高分辨率影像的獲取成本越來(lái)越低，這使得面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)蓬勃發(fā)展，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。其基本思想是首先按照研究對(duì)象的特點(diǎn)將影像分割成具有一定意義的均質(zhì)對(duì)象，而不是以單獨(dú)的像元為研究單位，然后綜合運(yùn)用對(duì)象的光譜、紋理、形狀、大小以及空間鄰近關(guān)系等特征進(jìn)行分類，所以分類精度大大提高[3]，同時(shí)該技術(shù)也省去了后期目視解譯工作的繁重任務(wù)，排除了人為主觀性的干擾，節(jié)省了大量成本，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)獲取遙感信息的過(guò)程[4]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也針對(duì)面向?qū)ο笮畔⑻崛〖夹g(shù)做了很多研究，比如孫曉霞，張繼賢等利用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒◤腎KONOS全色影像中提取河流和道路信息[5]；曹寶，秦其明等應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽?duì)SPOT5遙感影像進(jìn)行分類[6]，但是基于面向?qū)ο蟮母叻直媛视跋駪?yīng)用于城市用地分類的研究卻比較少，因此本文利用ENVI5.0中的Feature Extraction模塊，選取杭州具有典型城市用地類型的部分區(qū)域作為研究對(duì)象，利用面向?qū)ο蟮挠跋穹指罴夹g(shù)，基于邊緣分割的算法，對(duì)城市用地進(jìn)行分類，同時(shí)和傳統(tǒng)的基于像元光譜信息的分類方法進(jìn)行比較，并做出了精度評(píng)價(jià)，類似的應(yīng)用研究目前國(guó)內(nèi)并不多見(jiàn)，這就為利用高分辨率衛(wèi)星影像提取城市用地信息提供了一種全新的思路和方法，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

1. 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源簡(jiǎn)介

WorldView-2影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2008年6月，具有一個(gè)空間分辨率為0.5m的全色波段，八個(gè)空間分辨率為2m的多光譜波段，地物的光譜信息比較豐富。從影像上看，研究區(qū)內(nèi)道路、綠地、建筑物、水體等城市用地類型清晰可見(jiàn)。為了最大限度地利用高分辨率影像的空間以及光譜信息，保證數(shù)據(jù)的精度，在正式做信息提取之前，先對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行了融合、正射糾正、大氣校正等預(yù)處理，得到圖1所示的真彩色合成影像。本文從杭州市WorldView-2高分辨率遙感影像上截取2596*1523像素大小的區(qū)域作為研究區(qū)，且該地區(qū)的城市用地類型明顯（見(jiàn)圖1）。

2. 信息提取方法

2.1 基于像元光譜信息的最大似然監(jiān)督分類法

傳統(tǒng)的基于像元光譜信息的最大似然監(jiān)督分類法通過(guò)定義訓(xùn)練樣本的方式形成待提取感興趣地物的光譜特征空間，并利用這個(gè)特征空間對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行分類，這種分類方法僅僅考慮了研究對(duì)象的光譜信息，沒(méi)有考慮其紋理、大小、形狀以及空間拓?fù)潢P(guān)系特征。利用這種方法得到分類專題圖如圖2所示。通過(guò)對(duì)分類圖的分析，得到以下結(jié)論：（1）大量的“椒鹽”噪聲存在于分類結(jié)果中使得圖像的視覺(jué)效果受到影響，主要原因是同一地物在高分辨率影像上表現(xiàn)的光譜特征不同，混合像元增多所致；（2）建筑物和道路不能很好地分開(kāi)，導(dǎo)致大量的錯(cuò)分和混分現(xiàn)象存在，主要原因是它們的建筑材料類似，表現(xiàn)在遙感圖像上的光譜信息非常接近，“異物同譜”現(xiàn)象在基于像元光譜信息的分類方法中很難區(qū)分。

2.2 面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒?/p>

由于不同地物的物理化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、紋理結(jié)構(gòu)以及表面特征的不同，使得不同地物對(duì)于電磁波的輻射和反射能力不盡相同，反映在遙感影像上就表現(xiàn)為平均輻射亮度值的不同，從而形成不同地物在遙感影像上的不同形態(tài)及色彩表現(xiàn)，我們能夠?qū)Σ煌匚镞M(jìn)行特征分析，從而根據(jù)不同的特征在影像上進(jìn)行信息提取，這就使得面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)成為可能[7]。目前，比較流行的遙感影像處理軟件ENVI、ERDAS等都提供面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，還有專門(mén)針對(duì)面向?qū)ο笮畔⑻崛〉膃Cognition[8]。其中，ENVI5.0FX擴(kuò)展模塊提供了完整的面向?qū)ο笮畔⑻崛〉募夹g(shù)流程，本文主要利用ENVI5.0 FX擴(kuò)展模塊中的Feature Extraction工具進(jìn)行基于規(guī)則的面向?qū)ο蟮男畔⑻崛?，其主要流程如圖3所示。

2.2.1 多尺度影像分割

多尺度影像分割是根據(jù)研究目的，按照一定規(guī)則將圖像分割成獨(dú)立區(qū)域的過(guò)程，圖像分割技術(shù)概括起來(lái)分為邊緣搜索、區(qū)域增長(zhǎng)和基于知識(shí)的分割等三類[9]。多尺度影像分割先將單個(gè)像元作為一個(gè)對(duì)象，然后根據(jù)相鄰像元之間的光譜異質(zhì)及其閾值和對(duì)比度異質(zhì)及其閾值對(duì)象元進(jìn)行合并及分割，再用形狀異質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的對(duì)象形狀進(jìn)行修正，最終得到具有相似形狀、顏色、紋理等特征的多邊形，正因?yàn)槿绱?，信息提取時(shí)，非常重要的語(yǔ)義信息并不是通過(guò)單個(gè)像元表達(dá)的，而是通過(guò)分割出的圖像對(duì)象（一組像元）反映的[10]。分割尺度的大小影響影像對(duì)象的大小和數(shù)量，分割尺度不同，生成的影像對(duì)象多邊形的大小和數(shù)量也不同，一個(gè)好的分割尺度分割得到的多邊形可以將不同的地物類型的邊界線勾勒清楚，同時(shí)能夠防止地物分割的過(guò)于細(xì)碎，所以多尺度影像分割技術(shù)是面向?qū)ο笮畔⑻崛∽铌P(guān)鍵的一步，其分割質(zhì)量的好壞直接影響到最終信息提取的精度[11]。

Feature Extraction根據(jù)鄰近像素亮度、紋理、顏色等對(duì)圖像進(jìn)行分割，它使用的是基于邊緣的分割算法，即邊緣搜索，這種算法計(jì)算速度快，并且只需要一個(gè)輸入?yún)?shù)就能產(chǎn)生多尺度分割結(jié)果，通過(guò)不同尺度邊界的差異控制，從而產(chǎn)生從細(xì)到粗的多尺度分割，高分辨率影像中對(duì)象的特征各有不同，需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的分割尺度，所以在分割一幅影像時(shí)，最好的辦法是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)不同的參數(shù)設(shè)置，以期得到最佳的分割尺度[12]。利用Feature Extraction工具進(jìn)行基于規(guī)則的面向?qū)ο蟮男畔⑻崛r(shí)，要求根據(jù)待提取對(duì)象的不同特點(diǎn)分別設(shè)置分割尺度和合并尺度數(shù)值，并選擇合適的算法進(jìn)行影像的多尺度分割[13]。各種算法及其特點(diǎn)如表1所示。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)并結(jié)合待提取地物在高分辨率影像上的特點(diǎn)，決定選擇Edge基于邊緣檢測(cè)的分割算法并結(jié)合Full Lambda Schedule合并算法來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行多尺度影像分割。通過(guò)尺度分割實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合四種城市用地類型的特點(diǎn)，選擇出各自的最佳的分割尺度，形成了具有“同質(zhì)性”的對(duì)象像元群，四種待提取對(duì)象的最佳分割及合并尺度如表2所示。選擇高尺度的圖像分割，分出的斑塊少；選擇低尺度的圖像分割，會(huì)分出更多的斑塊，至此完成了面向?qū)ο笮畔⑻崛≈邪l(fā)現(xiàn)對(duì)象的過(guò)程。

2.2.2 基于分割的分類技術(shù)

Feature Extraction中包括兩種基于分割的特征提取方法：基于規(guī)則的特征提取和基于樣本的特征提取，其中基于規(guī)則的特征提取屬于模糊分類法。本文主要采用基于規(guī)則的特征提取法進(jìn)行城市用地分類，即通過(guò)分析待提取地物本身的特征屬性及與其他地物的特征差異，建立各種限定規(guī)則來(lái)提取地物，從而達(dá)到分類的目的。

應(yīng)當(dāng)選擇待提取地物最顯著的特點(diǎn)來(lái)建立規(guī)則，所設(shè)規(guī)則不宜太多，規(guī)則多并不意味著精度就會(huì)提高。每一個(gè)分類由若干個(gè)規(guī)則組成，每一個(gè)規(guī)則由若干個(gè)屬性表達(dá)式描述，每個(gè)分類可以有若干個(gè)規(guī)則，它們之間是“or”的關(guān)系，每一個(gè)規(guī)則可以有若干個(gè)屬性表達(dá)式，它們之間是“and”的關(guān)系。本文針對(duì)四種待提取地物類型的不同特點(diǎn)，采用不同的提取規(guī)則如表3所示。

提取綠地信息時(shí)，首先計(jì)算圖像的NDVI值，植被的NDVI值明顯高于其他地物，通過(guò)選擇ROI進(jìn)行綠地NDVI值統(tǒng)計(jì)，確定在NDVI>0.18405時(shí)可以將大部分的植被信息提取出來(lái)；一些人工搭建的塑料棚等的反射率較高，NDVI值較大，也被錯(cuò)誤地提取出來(lái)，利用植被和人工棚在綠波段Band3的DN值特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，綠地在此波段的最大DN值和人工棚在此波段的最小DN值很接近，所以利用人工棚在此波段的最小DN值1297作為提取綠地信息的上限，可以將錯(cuò)誤提取出來(lái)的人工搭建物剔除。

提取水體信息時(shí)比較簡(jiǎn)單，由于水體在近紅外波段的反射率很低，通過(guò)選擇水體的ROI信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，只利用一個(gè)屬性表達(dá)式Band7<853.54874就可以將水體很好地提取出來(lái)。

提取道路信息時(shí)，首先利用NDVI<0.18405將綠地信息剔除；由于道路相比于建筑物的延伸性較好，并且道路的長(zhǎng)寬比較大，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定當(dāng)Elongation>3，長(zhǎng)寬比>1.5時(shí)可以將道路信息較好地提取出來(lái)。

提取建筑物信息時(shí)比較復(fù)雜，相比于綠地和水體來(lái)說(shuō)，建筑物的光譜特征不明顯，又沒(méi)有道路的延伸性特點(diǎn)，所以需要利用多個(gè)屬性表達(dá)式逐層提取建筑物信息。首先通過(guò)選擇ROI進(jìn)行建筑物NDVI值統(tǒng)計(jì)，確定在NDVI<0.18405時(shí)可以剔除掉植被等NDVI值較高的地物信息；由于建筑物大致呈矩形，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定當(dāng)矩形形狀度量RectangularFit>0.5時(shí)，可以將建筑物信息很好地提取出來(lái)；由于建筑物的面積不會(huì)太小，所以有必要進(jìn)行面積限定以剔除掉一些面積過(guò)小的干擾區(qū)域，利用Area>45m2作為限定條件。

由于目前沒(méi)有很好的方法對(duì)影像中的陰影進(jìn)行消除，所以陰影地區(qū)的地物信息不能很好地提取出來(lái)，所以本文采用人工解譯的方法對(duì)影像中的陰影進(jìn)行提取。最終得到如圖4所示的專題圖。

3. 精度評(píng)價(jià)

采用在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)抽取采樣點(diǎn)的方式，并參考已有的一些輔助資料進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，并對(duì)隨機(jī)抽取的100個(gè)采樣點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行類別確定，隨后執(zhí)行評(píng)價(jià)，以期得到比較精確的評(píng)價(jià)結(jié)果。采用的兩種分類方法的精度評(píng)價(jià)結(jié)果如表4、表5所示。

由表4和表5可以大體得到以下結(jié)論：從單個(gè)類別提取的生產(chǎn)者精度和用戶精度來(lái)看，除了“其他”類別的生產(chǎn)者精度外，面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)能夠達(dá)到的精度普遍有所提高。比如對(duì)綠地信息的提取在面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)中，可以有針對(duì)性地加入NDVI以及第三波段這類輔助判斷的信息從而提高了分類的精度；道路信息的提取在面向?qū)ο笮畔⑻崛≈械纳a(chǎn)者精度為83.21%，用戶精度為100%，比監(jiān)督分類最大似然法的精度分別提高了7.78%和39.49%，這是因?yàn)榈缆泛徒ㄖ锞哂邢嗨频墓庾V特征，單純使用光譜特性進(jìn)行判別就會(huì)使它們很容易被錯(cuò)分，然而面向?qū)ο笮畔⑻崛〖夹g(shù)除了利用光譜信息外，還充分利用了道路的空間特征，如長(zhǎng)寬比和延伸性等，從而達(dá)到了很高的提取精度；面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)最終得到的總體精度為86.1166%，高出監(jiān)督分類最大似然法9.8851%，Kappa系數(shù)也提高了0.1596。

4. 結(jié)論

本文采用面向?qū)ο笮畔⑻崛〖夹g(shù)和傳統(tǒng)的監(jiān)督分類最大似然法對(duì)城市用地進(jìn)行了分類，并通過(guò)定性和定量的方法對(duì)最終的分類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論如下：（1）面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)在進(jìn)行分類前，首先根據(jù)地物的光譜、紋理等特點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行了分割，形成了“同質(zhì)性”的對(duì)象像元群，相比于單純依靠地物的光譜信息進(jìn)行地物提取的監(jiān)督分類最大似然法更加符合自然界地物的客觀性。（2）面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)給人以更好的視覺(jué)效果，它徹底克服了傳統(tǒng)的基于像元光譜信息的分類方法會(huì)產(chǎn)生大量“椒鹽”噪聲的缺陷。（3）面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)在利用了像元光譜信息的基礎(chǔ)上，還充分利用了同質(zhì)像元群的空間特征，比如利用延伸性和長(zhǎng)寬比對(duì)道路信息進(jìn)行提取，避免了和其具有相似光譜特征的建筑物的混分，最大限度地克服了“異物同譜”現(xiàn)象對(duì)分類結(jié)果的影響。（4）從最終的精度評(píng)價(jià)結(jié)果的定量描述中可以看出，面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)可以顯著提高分類精度，有益于城市用地類型的劃分，可以對(duì)規(guī)劃和政府部門(mén)的決策提供更加快速準(zhǔn)確的信息支持。

本文的不足之處：（1）面向?qū)ο蠓诸惙椒ǖ姆诸惥群艽蟪潭壬弦蕾囉诜指畛叨鹊拇笮?，若分割尺度過(guò)大則達(dá)不到分類精度的要求，而過(guò)小則會(huì)使圖像過(guò)于細(xì)碎，加大分類的難度，影響分類的精度[12]，但是目前還沒(méi)有形成可靠的影像分割精度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文也僅僅是憑借多次實(shí)驗(yàn)確定的最佳分割參數(shù)，帶有一定的主觀性。所以確定一套統(tǒng)一的影像分割精度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及如何結(jié)合研究區(qū)地物的特征來(lái)獲取影像的最優(yōu)分割尺度，將會(huì)成為今后研究的重點(diǎn)。（2）被陰影遮蓋地區(qū)的地物信息沒(méi)有利用基于面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)進(jìn)行提取，而是通過(guò)人工解譯的方法將陰影單獨(dú)提取出來(lái)，這主要是因?yàn)槟壳瓣P(guān)于影像陰影的去除技術(shù)尚不成熟，所以如何有效剔除影像的陰影區(qū)域并且能夠最大限度地保留地物的原始光譜及紋理信息是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。

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