陳 震,張?jiān)艑?shí),陳建平,安志宏
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2.中國國土資源航空物探遙感中心,北京 100083)
20世紀(jì)90年代中國在土地整治工作中引入了遙感監(jiān)測技術(shù),是以提高了土地整治工作的質(zhì)量和效率[1]。尤其是遙感監(jiān)測技術(shù)在土地利用和土地覆蓋監(jiān)測方面的應(yīng)用,為土地整治工作做出了積極貢獻(xiàn)[2]。遙感監(jiān)測技術(shù)能為土地利用規(guī)劃工作提供數(shù)據(jù)來源,同時為土地利用規(guī)劃的正確實(shí)施提供技術(shù)支持[3-16]。
高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田是指土地平整、集中連片、設(shè)施完善、農(nóng)電配套、土壤肥沃、生態(tài)良好、抗災(zāi)能力強(qiáng),與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營方式相適應(yīng)的旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),劃定為永久基本農(nóng)田的耕地。目前全國高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積已經(jīng)達(dá)到5.8億畝,高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后利用過程中出現(xiàn)了“占、毀、調(diào)、退、荒”等情況。針對這些情況,開展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后利用情況遙感監(jiān)測勢在必行。如何實(shí)現(xiàn)對高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后的遙感實(shí)時、精準(zhǔn)監(jiān)測成為亟待解決的問題,迫切需要針對高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后的遙感影像分類方法進(jìn)行研究,對國家高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田實(shí)行適時監(jiān)測,為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建成后的實(shí)時監(jiān)管提供高效、精準(zhǔn)的決策信息。
根據(jù)國土遙感的實(shí)際需求設(shè)計的高分二號,可以為我國國土土地利用調(diào)查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。高分二號衛(wèi)星影像全色波段空間分辨率達(dá)到0.81 m,多光譜波段分辨率達(dá)到3.24 m[4]。其波段和空間分辨率設(shè)置比較適合國內(nèi)國土遙感監(jiān)測,這為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后利用情況監(jiān)測提供了實(shí)用、可靠的數(shù)據(jù)來源。
由于監(jiān)測面積大,人工解譯不能滿足工作需求,遙感自動監(jiān)測技術(shù)最終的落腳點(diǎn)在于遙感自動分類技術(shù)。進(jìn)行遙感影像自動分類的方法有很多,如常用的監(jiān)督分類方法、非監(jiān)督分類方法。在圖像自動分割方面,由于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田具有自相似的分形分布特征,因此在本研究中采用基于分形理論的圖像分割方法比較貼合實(shí)際。在監(jiān)督分類法中,最大似然法以及BP人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波變換等方法比較常用[5]。其中的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是由大量結(jié)構(gòu)簡單的數(shù)據(jù)處理單元廣泛連接而成的復(fù)雜、龐大的網(wǎng)絡(luò),用來模擬人腦的工作機(jī)制,自1989 年首次用于遙感圖像分類以來,陸續(xù)得到推廣應(yīng)用[6]。目前具有分析光譜特征功能的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遙感影像分類技術(shù)是針對高分辨
率影像的比較實(shí)用的分類技術(shù)[7]。
本文以廣東省東莞地區(qū)為研究區(qū),選取2017年2 月15 日高分二號遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。首先對影像進(jìn)行人工解譯,然后實(shí)地驗(yàn)證;選取部分驗(yàn)證樣本作為測試樣本,利用分形理論分割圖像,采用MATALAB 2016a軟件自動選取訓(xùn)練樣本;最后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對遙感影像進(jìn)行自動分類。本文的研究結(jié)果證明,分形圖像分割結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遙感分類方法精度較高,能較好地滿足高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后利用情況遙感監(jiān)測的工作需求。
廣東省東莞市位于中國華南地區(qū),廣東省的南端,位于珠江口東岸、東江下游的珠江三角洲。地勢東南較高、西北較低。地貌以東南丘陵臺地、西北沖積平原為主。東南部多山,尤以東部為最,山體面積龐大,切割強(qiáng)烈,集中成片,起伏較大;西北部是東江下游沖積而成的三角洲平原,是地勢平坦、河網(wǎng)縱橫的圍田區(qū);西南部為濱臨珠江口的沖積平原,地勢平緩而略低陷,是受海水潮汐影響較大的沙咸田地區(qū)。該地區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候,雨量充足,光照充分,氣候暖和,風(fēng)景宜人,適宜熱帶農(nóng)作物生長。研究區(qū)地理位置如圖1所示。
本研究選用國產(chǎn)高分二號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)參數(shù)為:全色波段,0.45~0.90 μm。多光譜波段,波段1,0.45~0.52 μm;波段 2,0.52~0.59 μm;波段 3,0.63~0.69 μm;波段4,0.77~0.89 μm??臻g分辨率:全色,1 m;多光譜,4 m。重訪周期(側(cè)擺時)5天。覆蓋周期(不側(cè)擺)69天。幅寬為45 km。
圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area
東莞地區(qū)每年3月到11月陰雨天氣較多,云層較多、較厚,不便于遙感監(jiān)測,所以本研究選擇2017年2月15日的高分二號遙感影像作為數(shù)據(jù)源。
采用高斯—克呂格投影,3°分帶,平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系;高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn),IUG1975橢球體。
本研究遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理總體流程:所有處理都在ENVI5.3軟件環(huán)境下進(jìn)行;經(jīng)過大氣校正、正射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)、融合、坐標(biāo)變換等預(yù)處理工作,消除了大氣散射、幾何畸變等誤差;采用Gram-Schmidt融合方法,坐標(biāo)系從WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成了西安1980坐標(biāo)系;最后增加了NDVI植被指數(shù)、K-Means非監(jiān)督分類結(jié)果兩個波段,增加了數(shù)據(jù)的維度,有利于提高高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后利用分類的精度。
在圖像增強(qiáng)處理中,彩色合成是通過高分二號數(shù)據(jù)各波段相關(guān)性分析將其各波段分組劃分,高分二號(多光譜)各波段間相關(guān)系數(shù)矩陣如表1所示;然后按照劃分結(jié)果進(jìn)行波段組合,波段組合方案及OIF值如表2所示。
在對高分二號數(shù)據(jù)相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,計算3組波段組合的最佳指數(shù),可知波段1/3/4組合最佳指數(shù)最大。選取這3個波段組合作為人工解譯信息提取的最佳波段組合,該組合包含最大的信息量。而在高分二號波段3、4、1彩色合成影像上,水體、植被與建筑物的界線明顯,為人工解譯、提取測試、驗(yàn)證樣本提供了方便,進(jìn)而為遙感自動分類奠定基礎(chǔ)。
表1高分二號(多光譜)各波段間相關(guān)系數(shù)矩陣
Table1MatrixofcorrelationcoefficientsamongmultispectralbandsfromGF-2satelliteimagery
波段波段1波段2波段3波段4波段11.000 0000.950 8180.904 3730.336 042波段20.950 8181.000 0000.966 9290.430 137波段30.904 3730.963 9291.000 0000.408 729波段40.336 0420.430 1370.408 7291.000 000
表2 波段組合方案及OIF值
本研究首先對高分二號數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正、正射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)、融合、坐標(biāo)變換等預(yù)處理工作,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工解譯,對疑似圖斑進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證,選取部分驗(yàn)證樣本作為測試樣本,然后利用MATALAB 2016a軟件編程實(shí)現(xiàn)分形圖像分割、自動選取訓(xùn)練樣本,結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對遙感影像進(jìn)行自動分類。根據(jù)人工解譯工作的經(jīng)驗(yàn),正常生長的農(nóng)作物在遙感影像上一般呈均勻的淺綠色、綠色、深綠色、墨綠色等色調(diào)特征,并顯示出條帶狀、斑雜狀、片狀等形狀特征。而雜草在遙感影像上一般呈色調(diào)不均勻的綠色、淺綠色,片狀且紋理粗糙。樹木則呈深綠色或墨綠色色調(diào)特征以及斑點(diǎn)狀紋理特征。農(nóng)村房屋一般為規(guī)則的長方形,在遙感影像上一般呈邊界齊整藍(lán)色或紅色的長方形。該地區(qū)土壤在遙感影像上一般呈土黃色,色調(diào)均勻,線狀紋理。水泥道路在遙感影像上一般呈灰白色色調(diào)特征和線狀特征。沙石堆在遙感影像上一般呈白色、灰白色和灰色色調(diào)特征,斑點(diǎn)狀紋理,斑點(diǎn)大小不均勻。裸地在遙感影像上一般呈白色色調(diào),耀眼,和相鄰地塊的反差強(qiáng)烈。
高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田監(jiān)測工作中發(fā)現(xiàn)違規(guī)情況有“建設(shè)占用(占)、調(diào)整用途(調(diào))、荒蕪(荒)”三種情況。“占、調(diào)、荒”三種情況中,“占”和“調(diào)”兩種情況較難區(qū)分,根據(jù)“三調(diào)”項(xiàng)目新規(guī)定,耕作層被破壞的判定為“占”,耕作層沒被破壞且不為農(nóng)田的地塊判定為調(diào)整用途地塊。該地區(qū)解譯標(biāo)志和實(shí)地驗(yàn)證照片如表3所示。
圖像分形分割法是根據(jù)圖像的特征(如灰度特征、顏色特征、紋理特征或形狀特征等)將圖像空間分割成不同的區(qū)域。本研究應(yīng)用的算法優(yōu)點(diǎn)是充分應(yīng)用了圖像的空間位置、排列信息,分割后的圖像是連續(xù)的。這類方法有很多種,如區(qū)域生長算法、分裂和合并算法、聚類法等。除了以上傳統(tǒng)的分割算法外,還有一些基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波分析和變化等的分割方法等。分形理論是在非線性數(shù)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的一門數(shù)理統(tǒng)計學(xué)科,它在圖像分割領(lǐng)域中也獲得了較好的分類效果[8]。
分形理論進(jìn)行圖像分割的原理是用圖像的灰度值分布的分形維數(shù)特征進(jìn)行分割[9]。分形維數(shù)直觀上與農(nóng)田的紋理相關(guān)聯(lián),因此可用分形維數(shù)作為區(qū)分不同類別農(nóng)田地物的有效因子。計算圖像維度數(shù)的常用算法有Keller的盒維數(shù)算法、差分盒維數(shù)算法、Peleg的ε-毯子算法等[10]。分形維數(shù)可以用來描述自然界的自相似性。本研究利用高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田自身的分形維數(shù)特性,來實(shí)現(xiàn)對高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田遙感圖像的分割。
表3高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建后利用情況監(jiān)測遙感解譯標(biāo)志
Table3Remotesensinginterpretationsignsabouthighstandardfarmland
本研究圖像分形分割采用Peleg的ε-毯子方法,在此方法中,采用Richardson定律來估計分形維數(shù)[12]:
M(ε)=Kεd-D
(1)
式中:ε=1,2,3,…,為尺度因子;M(ε)是當(dāng)尺度為ε時的度量特征值;K是分形系數(shù);D是分形維數(shù);d是拓?fù)渚S數(shù)。
對于二維灰度圖像,M(ε)的取值就是圖像的表面積測度A(ε):
A(ε)=Kε2-D
(2)
如果把遙感圖像的灰度值看成高程值,那么遙感圖像就是由灰度值形成的山丘,這個曲面的上、下兩個ε構(gòu)成厚度為2ε的“毯子”。對于取值不同的ε,可以用“毯子”的體積除以2ε獲得“毯子”的表面積,即圖像的表面積A(ε)。