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        利用無人機和面向?qū)ο蠹夹g(shù)快速提取田坎面積

        2022-04-02 08:06:38楊云輝趙魯全李新舉侯
        測繪地理信息 2022年2期
        關(guān)鍵詞:分類

        楊云輝趙魯全李新舉侯 樂

        1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東 泰安,271018

        2山東省土地調(diào)查規(guī)劃院,山東 濟南,250014

        田坎是土地整治的重點對象[1],統(tǒng)計田坎面積是土地整治工作的重要環(huán)節(jié)。目前,對田坎的統(tǒng)計方法主要有:實測法和系數(shù)扣除法[2]。實測法工作量大,測繪周期長,消耗成本高;系數(shù)扣除法準確度低,可靠性差。因此,需要尋找一種準確、快速、低成本的提取田坎面積的方法。

        近年來,高空間分辨率遙感影像的快速發(fā)展為較精細的影像分類提供了條件[3]。劉常娟等[4]運用高分辨率衛(wèi)星遙感影像,提出一種獲取田坎面積的方法。由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制,數(shù)據(jù)源選擇了2.5 m分辨率的SPOT-5衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),從結(jié)果可以看出,田坎面積的精確度與影像的分辨率有直接的關(guān)系。而近幾年飛速發(fā)展的無人機遙感技術(shù),在具有更高的分辨率、更細致的光譜、幾何、紋理等特征參量[5]的同時,還具備衛(wèi)星遙感所不具備的響應(yīng)快、周期短、易操作、成本低等特點[6],且已經(jīng)在耕地作物信息提?。?]等多方面取得了飛躍式的發(fā)展。但在已有研究中,航拍影像以高光譜和多光譜影像為主,拍攝成本高昂,嚴重限制了無人機遙感技術(shù)的快速發(fā)展[8]。

        僅含有可見光波段的無人機影像獲取簡便、成本低廉,實際使用也更為廣泛[9]。汪小欽等[10]通過對無人機可見光波段進行段運算,獲得了一種快速提取植被信息的方法,提取精度高達90%。因此,本文以僅含可見光波段的高分辨率無人機遙感影像作為數(shù)據(jù)源,探索一種準確、高效提取田坎面積的新方法。

        1 數(shù)據(jù)獲取與處理方法

        1.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)獲取

        研究區(qū)域位于山東省泰安市新泰禹村鎮(zhèn)西南部,占地826.02 hm2。影像獲取時間為2017年9月22日,使用瑞士進口的eBee plus航拍測繪無人機,飛行高度340 m,搭載Canon IXUS 220 HS相機,1 600萬像素,航攝比例尺選定為1∶40 000,獲取研究區(qū)航片后利用Pix4d mapper數(shù)據(jù)處理軟件進行校正、拼接處理,得到研究區(qū)的正射影像,影像包含了紅、綠、藍3個波段,此時影像的地面分辨率為0.48 m,如圖1所示。

        圖1 研究區(qū)數(shù)字正射影像Fig.1 Digital Orthophoto Map of the Research Area

        1.2 數(shù)據(jù)的處理方法

        在獲得研究區(qū)的航空影像后,對航空影像進行人工分幅處理,區(qū)分對待田坎、石堰。在分幅后,采用波段運算構(gòu)建新型指數(shù),增強石堰地物信息,提升分類精度。

        1.2.1根據(jù)坡度和剖面曲率進行影像分幅

        本文選擇坡度和剖面曲率作為對整幅影像的劃分依據(jù)。原因有兩點:①田坎系數(shù)和坡度之間存在關(guān)聯(lián);②研究區(qū)地處平原地區(qū),最大坡度為15°,土質(zhì)田坎系數(shù)與坡度之間的關(guān)系并不顯著,所以引入剖面曲率作為一個新的劃分標準。剖面曲率指的是地面上任意一點地表坡度的變化率,表示坡度的變化程度[11]。

        最終將影像根據(jù)《農(nóng)村土地調(diào)查規(guī)程》分類方法分為6幅,如圖2所示。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),按此劃分后,剖面曲率和坡度越高的影像土坎分布越為密集,與石堰關(guān)系不明顯。

        圖2 不同剖面曲率、坡度下土坎分布圖Fig.2 Different Profile Curvature,the Slope of the Ridge Profile

        1.2.2新型可見光波段指數(shù)的構(gòu)建

        影像分幅后,因石堰易被漏分,需要增強石堰的地物信息。如表1所示,對比耕地、石堰的像元值,用ρ1、ρ2分別代表耕地、石堰在可見光波段上的像元值,用e代表耕地、石堰在可見光波段上像元值的相對差異,計算方式如式(1)所示:

        表1 典型地物在藍、綠、紅波段的像元值平均值差異表Tab.1 Difference Pixels Value in Blue,Green,Red Band of Typical Land Cover Table

        結(jié)果表明,耕地、石堰在藍光波段上的相對差異最大,紅光、綠光波段相對差異較小。參考目前存在的可見光波段指數(shù)構(gòu)建后發(fā)現(xiàn),基于過綠指數(shù)EXG(excess green)[12]改進后的指數(shù)可以更好的增強石堰與耕地的區(qū)分度,如圖3所示,以EXB(excess blue)表示,計算方式如式(2)、式(3)所示:

        圖3 原影像與EXB指數(shù)結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison of Original Image and EXB Index Results

        式中,ρred、ρgreen、ρblue分別代表紅、綠、藍3色波段的像元值。

        2 面向?qū)ο蟮挠跋穹指詈喜⒑头诸惙椒?/h2>

        面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄔ诟叩孛娣直媛实挠跋穹诸愔杏兄鴱V泛應(yīng)用[13,14],因此將無人機影像和面向?qū)ο蠓诸惙椒ńY(jié)合,可以極大提高影像分類精度。

        2.1 面向?qū)ο蟮挠跋穹指詈喜?/h3>

        依據(jù)坡度和剖面曲率劃分成6幅圖后,由于每幅圖的數(shù)據(jù)量仍然很大,為了便于說明,選取影像中包含豐富土坎信息或石堰信息,且具有代表性的10幅影像。

        在分割合并過程中,如何確定最優(yōu)尺度,人工目視判別是目前最好的選擇,具體參數(shù)如表2所示。

        經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),剖面曲率和坡度越高的影像,參數(shù)設(shè)置的越低,才能更好地提取田坎的邊界信息,土坎的分割合并參數(shù)隨剖面曲率和坡度的變化趨勢明顯,石堰則符合此變化趨勢。

        2.2 基于規(guī)則的特征提取

        分割合并后的對象由同質(zhì)像元組成[15]。在提取對象為土坎時,以紅波段光譜值和空間特征中的Area、Minor Length作為主要劃分依據(jù),具體的規(guī)則選擇如表2所示。

        表2 影像分割及規(guī)則構(gòu)建表Tab.2 Image Segmentation and Rule Construction Table

        3 提取結(jié)果及精度評價

        3.1 提取結(jié)果

        確定分類規(guī)則輸出影像后,應(yīng)對分類圖進行過濾和平滑處理,過濾處理解決分類結(jié)果中出現(xiàn)的孤島問題,平滑處理使分類結(jié)果更符合實際地物情況。具體分類結(jié)果如圖4所示。

        圖4 田坎分類結(jié)果圖Fig.4 Field Ridge Classification Result

        3.2 精度評價

        在對精度的評價中,將基于規(guī)則的面向?qū)ο筇崛√锟驳慕Y(jié)果作為預(yù)測面積,目視解譯提取田坎的結(jié)果作為實測面積。具體精度評價公式如式(4)所示。

        式中,S1為基于規(guī)則的面向?qū)ο筇崛〉奶锟裁娣e;S2為目視解譯提取田坎的面積;e為面積的相對誤差。結(jié)果如表3所示。

        表3 田坎面積一致性精度評價表Tab.3 Field Ridge Area Consistency Accuracy Evaluation Table

        由表2分析可知,將無人機影像和基于規(guī)則的面向?qū)ο蠓诸惙椒☉?yīng)用在土坎、石堰的提取上,精度是可以保證的。10個樣本區(qū)域中,8個樣本的相對誤差在10%以下。分析不同分割區(qū)域的相對誤差可知,土坎的精確度與區(qū)域選擇有密切聯(lián)系,在低剖面曲率條件下,坡度2°~6°的區(qū)域范圍大,土坎、耕地相似度高,分界線模糊,地物特征基本趨于一致,判別難度較大,相對誤差高;0°~2°區(qū)域范圍雖大,但土坎與耕地分界線明顯,相對易于區(qū)分;6°以上的區(qū)域范圍小,地形以平緩山坡為主,且土坎、耕地差別明顯,區(qū)分度高。在高剖面曲率條件下,0°~2°區(qū)域范圍雖小,但實測面積偏小,相對誤差高;2°~6°區(qū)域由于剖面曲率的變化,土坎、耕地分界線明顯,區(qū)分度變高;6°以上區(qū)域以陡峭山地為主,地形參差不齊,耕地呈碎塊狀分布,使田坎區(qū)分難度變大。石堰在進行圖像增強處理后與耕地區(qū)分明顯,相對誤差較低,在剖面曲率高,坡度為2°~6°區(qū)域中,由于石堰較多,分布密集,規(guī)律性下降,造成相對誤差變高,其他區(qū)域石堰預(yù)測面積與實測面積較為接近,相對誤差普遍較低。

        4 討論與分析

        在研究中可以看出,成本低、適用性強的可見光相機獲取的航空影像雖然只有紅綠藍3個波段的光譜信息,但田坎在高空間分辨率影像上仍與其他地物有著明顯的區(qū)別。通過對整幅影像田坎的特征劃分、對石堰光譜信息的重新構(gòu)建,結(jié)合基于規(guī)則的面向?qū)ο筇崛》椒?,從光譜和空間特征上對田坎信息進行規(guī)則構(gòu)建,進而提取田坎面積的方法,可以逐步代替實測法和系數(shù)扣除法對田坎面積的提取方式,解決了傳統(tǒng)方法工作量大、提取精確度低,難以快速獲取田坎面積的不足,對于準確把握土地整治區(qū)田坎整治情況與耕地實際面積具有重要的現(xiàn)實意義。

        在研究中發(fā)現(xiàn),基于可見光波段的無人機遙感和面向?qū)ο蟮奶崛》椒ㄒ泊嬖谝欢ǖ木窒扌裕?/p>

        1)無人機遙感所獲得的影像地面分辨率相較于其他遙感方式更高,這雖然對田坎的精細分類提供了可靠的條件,但地面分辨率越高并不意味著分類結(jié)果越精確,Bruzzone等[16]就曾指出,過高的地面分辨率會導(dǎo)致類內(nèi)方差變大,類間方差變小。在實驗中發(fā)現(xiàn),通過降低分辨率的方式對高分辨率影像進行處理,可以有效地增強地物邊界的識別,但由于本文目的是提取田坎的面積,降低分辨率的濾波處理方式會改變田坎邊界,對田坎的面積精度造成影響,所以未進行深入研究。但能否通過其他方式,消除降低分辨率后對提取地物面積造成的影響,仍有待研究。

        2)影像基于坡度和剖面曲率進行分幅,對剖面曲率高低的劃定,在于盡可能地將影像分為面積相同的兩部分,分幅后,分割合并參數(shù)的設(shè)定,隨坡度和剖面曲率的升高而下降,坡度和剖面曲率的劃定可以作為一個分割合并參數(shù)設(shè)定的標準,但二者之間是否有更明顯的關(guān)系,剖面曲率和坡度之間是否有更好的結(jié)合方式,仍需要大量實驗數(shù)據(jù)作為研究依據(jù)。

        3)在提取田坎面積時,土坎面積的精度要略低于石堰面積的精度,這證明了對石堰光譜信息進行重新構(gòu)建是可行的,而對土坎地物信息的增強、構(gòu)建將會是下一步研究的重點。

        4)分類完成后,對整個影像進行精度評價,與目視解譯實測面積對比時總體精度高,但不能排除個別地物面積偏大,又存在某些漏分現(xiàn)象,一加一減反而影響了總體精度的驗證。而混淆矩陣的精度評價方法,適合評價多個類別的分類結(jié)果,且人為影響因素大。最精確的驗證方法是實測法,驗證每一條土坎、石堰的具體面積,再與分類結(jié)果作對比,進行評價。但在缺乏實測條件下,用目視解譯的分類結(jié)果進行精度評價仍是最可靠的方法。

        5 結(jié)束語

        本文以僅含可見光波段的高分辨率無人機遙感影像作為數(shù)據(jù)源,運用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄌ崛√锟裁娣e,經(jīng)過相關(guān)研究與討論,結(jié)論如下:

        1)石堰作為田坎的重要組成部分,通過比較與耕地在可見光三波段上的反射率特征后發(fā)現(xiàn),石堰與耕地相對差異率在藍波段上最高,基于EXG指數(shù)改進后的EXB指數(shù),可以增強石堰與耕地的區(qū)分,實現(xiàn)石堰的精確提取。

        2)土坎作為田坎的重要組成部分,與坡度、剖面曲率存在分布關(guān)系,坡度和剖面曲率越高,土坎分布越密集,影像上需要分割的越細致,可以作為判定分割合并參數(shù)設(shè)置的一個標準。

        3)以目視解譯提取田坎的面積作為實測值,通過對比基于規(guī)則的面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛〉奶锟裁娣e,確定基于規(guī)則的面向?qū)ο蠓诸惙椒梢杂行У靥崛√锟?,精確度高。

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