陳佳 來平軍 陳適 成曉英 楊紅艷

（1.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；2.自然資源部第一地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

1 引言

隨著“一帶一路”、“走出去”、可持續(xù)發(fā)展、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展等國家重大戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國對(duì)全球范圍內(nèi)多尺度地理數(shù)據(jù)產(chǎn)品和覆蓋全球的高精度自主位置服務(wù)的需求日益迫切[1]。根據(jù)地理國情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，由于高空間分辨率遙感影像自身存在的高度細(xì)節(jié)化、數(shù)據(jù)量大、類內(nèi)差異大等原因，影像自動(dòng)解譯的難度增加，通過易康等自動(dòng)分類軟件處理后的邊界及屬性錯(cuò)分較多，修改工作量大，難以滿足生產(chǎn)要求。同時(shí)，目前大多數(shù)有關(guān)地類采集和變化發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目，還是以全人工方式進(jìn)行，因此，開展自動(dòng)化或半自動(dòng)化地表覆蓋生產(chǎn)工藝的研究顯得尤為重要。

當(dāng)前，以深度學(xué)習(xí)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)是最接近人類大腦的智能學(xué)習(xí)方法和認(rèn)知過程，通過多分層結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元的連接交互，分布式稀疏存儲(chǔ)和表征，信息的逐層分析處理機(jī)制，自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的強(qiáng)大并行信息處理能力，在圖像識(shí)別等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。近年來，高校和科研單位在引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法解決自動(dòng)分類問題上進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的科研成果，其中武漢漢達(dá)瑞科技有限責(zé)任公司開發(fā)的EasyFeature 軟件作為一款人機(jī)交互式智能采集和更新軟件，把先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖像處理算法和作業(yè)員對(duì)影像的判讀經(jīng)驗(yàn)充分結(jié)合起來，通過必要的人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像特征進(jìn)行快速可靠的解譯提取。

對(duì)于地表覆蓋分類信息的提取，不同的遙感影像的解譯方法，提取效率不同，地表覆蓋分類信息提取的精度也大相徑庭[2]。本試驗(yàn)在深入分析10 米地表覆蓋項(xiàng)目的前提下，采用人工目視判讀和EasyFeature軟件半自動(dòng)提取模塊進(jìn)行地物分類，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估軟件功能的準(zhǔn)確度和效率，為項(xiàng)目生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步確定更高效的生產(chǎn)方式，為后期地表覆蓋類項(xiàng)目數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供必要的技術(shù)服務(wù)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及軟件

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)綜合地形、地物等因素，選取全球項(xiàng)目10 米地表覆蓋子項(xiàng)目中的越南寧平省1∶50000 標(biāo)準(zhǔn)分幅大小的面積進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所使用的影像為融合后影像。

試驗(yàn)區(qū)域影像為ZY3 影像，空間分辨率為2 米，影像質(zhì)量較好，無云雪覆蓋，影像地形特征為山地+平原，同時(shí)具有城市、城鎮(zhèn)和自然環(huán)境，要素覆蓋種類較全。具體信息如表1 所示，試驗(yàn)區(qū)影像如圖1 所示。

表1 試驗(yàn)樣區(qū)ZY3影像分析

圖1 試驗(yàn)區(qū)ZY3影像

2.2 試驗(yàn)軟件

本次試驗(yàn)主要采用人工目視解譯和半自動(dòng)解譯的方法進(jìn)行，試驗(yàn)軟件主要有Arcgis10.2 以及EasyFeature 軟件。

EasyFeature 軟件的半自動(dòng)提取模塊可以準(zhǔn)確快速地從遙感影像上采集地理空間數(shù)據(jù)，適用于從航空、航天或地面遙感影像中提取特征信息的各種應(yīng)用，其特點(diǎn)是利用作業(yè)員在影像上繪制的少量點(diǎn)、線信息作為采樣信息，應(yīng)用基于人工智能的遙感影像處理與解譯技術(shù)，快速自動(dòng)地提取目標(biāo)地物，包括各類圖斑、地塊、水域、房屋和道路。該軟件充分結(jié)合了作業(yè)員的目標(biāo)識(shí)別能力和計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算能力，保證識(shí)別結(jié)果可靠性的同時(shí)，大大減少特征提取時(shí)間，有效提高了采集效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 研究方法及分析指標(biāo)

3.1 研究方法

目視解譯是遙感影像解譯的一種，是通過綜合多種非遙感數(shù)據(jù)的資源信息，利用專業(yè)人士的技術(shù)和知識(shí)進(jìn)行對(duì)照和分析，判斷解譯提取遙感影像信息，效率和靈活性較差，受人為因素影響通用性差[3]。本次試驗(yàn)解譯人員為生產(chǎn)中經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)人員。

與傳統(tǒng)的人工目視解譯、全自動(dòng)地物提取方法相比，半自動(dòng)信息提取方法既充分利用人的認(rèn)知、識(shí)別、檢測(cè)能力，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性，又發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，在目前的生產(chǎn)應(yīng)用中被廣泛推廣。

本次試驗(yàn)采用EasyFeature 軟件中的半自動(dòng)提取功能進(jìn)行地表覆蓋信息的提取。作業(yè)人員利用該軟件的矢量采集工具在影像上繪制提供少量點(diǎn)、線等樣本信息，在計(jì)算機(jī)的快速處理下反饋目標(biāo)地物圖斑，該過程充分利用作業(yè)人員的判讀經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)處理優(yōu)勢(shì)，提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率[4]。整體流程如圖2 所示。

圖2 EasyFeature軟件中半自動(dòng)提取流程

3.2 地表覆蓋分類定義及分析指標(biāo)

10 米地表覆蓋數(shù)據(jù)包括10 個(gè)一級(jí)類和21 個(gè)二級(jí)類，一級(jí)類包括耕地、林地、灌木地、草地、人造地表、荒漠與裸露地表、水域、冰川與常年積雪、濕地、苔原。其中，荒漠與裸露地表、濕地的采集指標(biāo)為50000 平方米；耕地、人造地表、水域的采集指標(biāo)為10000 平方米；其余地類的采集指標(biāo)均為25000 平方米。具體定義如表2 所示。

表2 地表覆蓋數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)定義

解譯結(jié)果的分析指標(biāo)有如下三個(gè)：

（1）圖斑總量：依據(jù)全球測(cè)圖分類體系和技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，樣區(qū)內(nèi)包含的圖斑總量，由人工解譯獲取。

（2）提取圖斑數(shù)量：利用EasyFeature 軟件提取的圖斑數(shù)量，該指標(biāo)與圖斑總量的比例，表示軟件為全球測(cè)圖項(xiàng)目地表覆蓋提取提供服務(wù)的程度，比例越大服務(wù)程度越高。

（3）效益指標(biāo)：為了體現(xiàn)EasyFeature 軟件提取的圖斑中人工邊界修改的工作量，利用圖斑成果邊界修改程度表示，分為提取正確、較少修改、大量修改三項(xiàng)，按每條邊界進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4 研究步驟

使用最新版本的EasyFeature 軟件開展地表覆蓋提取試驗(yàn)，提取方法為軟件輔助下的人工半自動(dòng)解譯，提取類別包括耕地、林地、草地、人造地表等類別，利用提取成果開展對(duì)比試驗(yàn)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括圖斑總量、提取圖斑數(shù)量。主要步驟如下：

（1）參考遙感影像，利用EasyFeature 軟件的半自動(dòng)輔助提取功能與人工干預(yù)相結(jié)合的方式進(jìn)行地表覆蓋信息提取，獲取地表覆蓋結(jié)果（軟件結(jié)果）。

（2）參考遙感影像，利用人工目視解譯方式進(jìn)行地表覆蓋信息提取，獲取地表覆蓋結(jié)果（參考結(jié)果）。

（3）將地表覆蓋信息提取的軟件結(jié)果和參考結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算分析指標(biāo)，分析指標(biāo)包括圖斑總量、提取圖斑數(shù)量、效益指標(biāo)三項(xiàng)。

5 結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)各階段的生產(chǎn)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從穩(wěn)定性、實(shí)用性、功能性及效率等方面對(duì)EasyFeature 軟件進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成生產(chǎn)試驗(yàn)報(bào)告。

5.1 軟件穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

以項(xiàng)目開展常用的操作系統(tǒng)windows XP 和windows7 為基礎(chǔ)，完成軟件安裝，測(cè)試軟件兼容性，試驗(yàn)過程中通過對(duì)軟件輸入、輸出、處理、編輯等功能的使用，發(fā)現(xiàn)測(cè)試軟件均能穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 軟件實(shí)用性評(píng)價(jià)

實(shí)用性測(cè)試包含兩個(gè)內(nèi)容：數(shù)據(jù)編輯模塊和軟件上手難易程度。數(shù)據(jù)編輯模塊的測(cè)試針對(duì)數(shù)據(jù)采集對(duì)功能的需求開展，如針對(duì)清晰影像的邊緣吸附功能、房屋采集的直角功能、初分邊界不準(zhǔn)確需要修改的面拓展/消減借邊修繪功能等，數(shù)據(jù)編輯模塊評(píng)價(jià)如表3 所示；軟件上手難易程度的測(cè)試主要針對(duì)地表覆蓋表數(shù)據(jù)采集人員學(xué)習(xí)軟件的時(shí)間成本進(jìn)行評(píng)估，軟件學(xué)習(xí)難度評(píng)價(jià)如表4 所示，表中的1d（1 天）按照工作制8 小時(shí)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表3 數(shù)據(jù)編輯模塊評(píng)價(jià)

表4 軟件學(xué)習(xí)難度評(píng)價(jià)

5.3 軟件功能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)區(qū)域地表覆蓋提取分析結(jié)果如表5 和表6 所示，表中的1d（1 天）按照工作制8 小時(shí)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)沒有的地物類別不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表5 軟件功能評(píng)價(jià)

表6 地表覆蓋提取效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

6 結(jié)論與建議

通過對(duì)綜合評(píng)價(jià)表及地物提取結(jié)果分析得出，EasyFeature 軟件半自動(dòng)提取模塊對(duì)水系、道路、突出房屋、林地、灌木地等要素矢量采集結(jié)果較好，但對(duì)單棟房屋、街區(qū)及植被等紋理復(fù)雜、色彩偏差較大的地物要素采集精度較差。具體類別總結(jié)及建議如下：

（1）水域：水域采集結(jié)果準(zhǔn)確，少量修改的圖斑占總圖斑的90%，此地類可以用半自動(dòng)提取分類采集。

（2）人造地表：人造地表中采集比較多的主要有道路和房屋建筑區(qū)。軟件中道路采集是采集道路中心線，實(shí)時(shí)根據(jù)道路寬度進(jìn)行緩沖采集道路邊線，道路采集結(jié)果準(zhǔn)確率為100%，對(duì)于道路較多的區(qū)域，此軟件完全適用。

（3）林地和灌木地：此軟件對(duì)于此類植被指數(shù)特征高的地類，提取效果較好，可以用此軟件提取，然后進(jìn)行少量的人工修改。

（4）耕地：對(duì)于比較規(guī)整的旱地，此軟件提取結(jié)果較準(zhǔn)確；對(duì)于形狀較復(fù)雜的耕地，在軟件提取結(jié)果上需要少量的人工修改。

通過此次試驗(yàn)，得出了某幾類地物在EasyFeature軟件中進(jìn)行半自動(dòng)提取結(jié)果符合項(xiàng)目精度要求，修改量較少，對(duì)項(xiàng)目生產(chǎn)質(zhì)量和效率有一定的促進(jìn)作用。在后期類似的地表覆蓋圖斑提取項(xiàng)目中，可考慮采用此軟件進(jìn)行生產(chǎn)來提高生產(chǎn)效率。