方丹娜 黃國航 馮振儉 馮博超 高 睿

基于地理信息系統(tǒng)的無人機(jī)航飛影像地物識(shí)別樣本庫建設(shè)技術(shù)研究

方丹娜1黃國航2馮振儉1馮博超2高 睿2

（1.南寧市自然資源信息集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西寧繪空間規(guī)劃信息技術(shù)有限公司，廣西 南寧 530000）

為解決航飛影像地物識(shí)別樣本庫建設(shè)復(fù)用性低導(dǎo)致航飛影像分析和利用受阻的問題，提出了一種基于矢量圖斑的航飛影像地物識(shí)別樣本庫技術(shù)方案。該方案利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對耕地、建構(gòu)筑物、林地等要素進(jìn)行數(shù)據(jù)樣本制作、質(zhì)量控制和成果建庫等研究，為航飛影像的數(shù)據(jù)管理和建庫提供了一種新的思路。

地理信息系統(tǒng)；地物識(shí)別；深度學(xué)習(xí)；樣本建庫

引言

無人機(jī)航飛影像是指無人機(jī)搭載的傳感器從空中對地表進(jìn)行拍攝的影像數(shù)據(jù)，它具有覆蓋范圍廣、更新周期短、信息量大等特點(diǎn)[1]。無人機(jī)航飛影像作為一種重要的地理信息數(shù)據(jù)源，被廣泛應(yīng)用于土地利用變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)管理等多個(gè)領(lǐng)域[2]。然而，航飛影像的分析和利用還存在一些困難，如數(shù)據(jù)量大、格式復(fù)雜、質(zhì)量不一、獲取難等[3]。這些困難限制了航飛影像的可用性、復(fù)用性和有效性，也影響了航飛影像在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。為了克服這些困難，提高航飛影像的可用性和有效性，有必要建立一個(gè)系統(tǒng)的航飛影像樣本庫，為航飛影像的研究和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

航飛影像地物識(shí)別樣本庫是指對已知類型的地物進(jìn)行標(biāo)注和保存的樣本數(shù)據(jù)集[4]，它可以用于訓(xùn)練和驗(yàn)證地物識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)對地表覆蓋物的信息提取和分析[5]。樣本庫的建設(shè)是航飛影像地物識(shí)別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是當(dāng)前地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)（RS）領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一[6]。本文提出了一種基于矢量圖斑的航飛影像地物識(shí)別樣本庫技術(shù)方案，為航飛影像的數(shù)據(jù)管理提供了一種新的思路和方法。

GIS是一種可以對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、分析和顯示的技術(shù)，可以對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度處理和展示。本文將地物目標(biāo)以點(diǎn)、線、面等幾何元素的形式進(jìn)行描述和表示，并利用GIS技術(shù)進(jìn)行精確繪制和標(biāo)注。

本文方法主要包括以下三個(gè)步驟：一是根據(jù)實(shí)際影像信息，為矢量圖斑的屬性信息賦予相應(yīng)的類別標(biāo)簽，或者利用現(xiàn)有已知類型的矢量圖斑與無人機(jī)航飛影像進(jìn)行空間疊加分析，初步提取與矢量圖斑相對應(yīng)的影像塊；二是利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將經(jīng)過質(zhì)量控制后的影像塊存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)建一個(gè)基于矢量圖斑的無人機(jī)航飛影像地物識(shí)別樣本庫；三是根據(jù)不同的深度學(xué)習(xí)模型類型，按需將存儲(chǔ)在地理信息數(shù)據(jù)庫里的樣本轉(zhuǎn)換成合適的樣本數(shù)據(jù)格式。

1 技術(shù)路線

基于地理信息系統(tǒng)的無人機(jī)航飛影像地物識(shí)別樣本庫建設(shè)步驟如下：首先，對采集的無人機(jī)航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；其次，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件（一款地理信息系統(tǒng)軟件）進(jìn)行樣本圖斑勾畫，其中原有的地理分類圖斑可以輔助樣本圖斑的勾畫；最后根據(jù)深度學(xué)習(xí)項(xiàng)目模型的需要，對基于地理信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理。基于地理信息系統(tǒng)的無人機(jī)航飛影像地物識(shí)別樣本庫技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 樣本庫技術(shù)路線圖

2 樣本庫設(shè)計(jì)

2.1 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

本文對生成的影像塊進(jìn)行了質(zhì)量控制，篩選出符合要求且無誤的影像塊。質(zhì)量控制方法主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）檢查影像的大小和形狀，排除過小或過大、過于復(fù)雜或不規(guī)則的影像塊。保證影像塊的可識(shí)別性和可分割性，避免因?yàn)橛跋駢K的尺寸或形態(tài)不合適而導(dǎo)致的地物識(shí)別模型的誤差和失效。

（2）檢查影像塊的清晰度和完整度，排除模糊或缺失的影像塊。保證影像塊的可辨識(shí)性和可比較性，避免因?yàn)橛跋駢K的質(zhì)量過低或完整性不足而導(dǎo)致的地物識(shí)別模型的準(zhǔn)確率和魯棒性降低。

（3）檢查影像塊的類別標(biāo)簽，排除錯(cuò)誤或不一致的影像塊。保證影像塊的可分類性和可匹配性，避免因?yàn)橛跋駢K的標(biāo)簽或?qū)傩圆徽_而導(dǎo)致的地物識(shí)別模型的分類能力和泛化能力下降。

（4）檢查影像塊的分布和平衡，排除重復(fù)或過于集中的影像塊，保證樣本庫的多樣性、代表性、可擴(kuò)展性和可適應(yīng)性，避免因?yàn)橛跋駢K的分布不合理而導(dǎo)致地物識(shí)別模型的覆蓋范圍和適應(yīng)范圍受限。

上述質(zhì)量控制方法旨在提高樣本庫的準(zhǔn)確性和有效性，為后續(xù)地物識(shí)別模型的構(gòu)建提供高質(zhì)量的訓(xùn)練和驗(yàn)證數(shù)據(jù)；篩選符合要求和標(biāo)準(zhǔn)的影像塊，從而提升地物識(shí)別模型的性能和效果；可幫助發(fā)現(xiàn)和解決樣本庫中存在的問題，從而優(yōu)化地物識(shí)別模型的設(shè)計(jì)。

2.2 樣本標(biāo)注質(zhì)量原則

樣本標(biāo)注質(zhì)量原則包括以下特性。

（1）準(zhǔn)確性。標(biāo)注數(shù)據(jù)應(yīng)該準(zhǔn)確地反映地物的真實(shí)情況，避免出現(xiàn)標(biāo)注錯(cuò)誤或遺漏。為此，需對標(biāo)注人員進(jìn)行培訓(xùn)和指導(dǎo)，使其能夠準(zhǔn)確地識(shí)別不同類型的地物，并進(jìn)行正確的標(biāo)注；采取有效的質(zhì)量控制措施，如抽樣檢查、交叉驗(yàn)證等，以確保標(biāo)注數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）一致性。標(biāo)注數(shù)據(jù)應(yīng)該具有一致性，即對同一類地物的標(biāo)注應(yīng)該保持一致，避免出現(xiàn)標(biāo)注不一致的情況；設(shè)置統(tǒng)一的標(biāo)注規(guī)范和流程，確保不同標(biāo)注人員在進(jìn)行標(biāo)注時(shí)能夠遵循相同的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，標(biāo)注人員需要通過定期培訓(xùn)和交流來提高標(biāo)注數(shù)據(jù)的一致性。

（3）完整性。標(biāo)注數(shù)據(jù)應(yīng)該盡可能完整，覆蓋所有需要識(shí)別的地物類別。對研究區(qū)域內(nèi)所有可能出現(xiàn)的地物類別進(jìn)行全面調(diào)查和分析，并根據(jù)實(shí)際情況確定需要標(biāo)注的地物類別。同時(shí)，需要采取有效的數(shù)據(jù)采集和管理措施，以確保標(biāo)注數(shù)據(jù)的完整性。

（4）可靠性。標(biāo)注數(shù)據(jù)應(yīng)該來自可靠的數(shù)據(jù)源，經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和審核。選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠的數(shù)據(jù)源，并建立嚴(yán)格的數(shù)據(jù)審核和質(zhì)量控制流程，以確保標(biāo)注數(shù)據(jù)的可靠性。

（5）代表性。標(biāo)注數(shù)據(jù)應(yīng)該具有代表性，能夠反映不同地區(qū)、不同時(shí)間、不同條件下的地物特征。在不同地區(qū)、不同時(shí)間、不同條件下進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集和分析，并根據(jù)實(shí)際情況選擇具有代表性的樣本進(jìn)行標(biāo)注。

2.3 地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)

2.3.1 屬性設(shè)計(jì)

根據(jù)無人機(jī)航飛影像的特點(diǎn)及地物分類的數(shù)據(jù)表（見表1），通過ArcGIS軟件建立地理信息數(shù)據(jù)庫。

表1 地物分類數(shù)據(jù)表

表1是一個(gè)地物分類數(shù)據(jù)庫表，包含了12個(gè)字段，目的在于存儲(chǔ)和管理不同類型地物的樣本數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行地物識(shí)別和分類的研究和應(yīng)用。

2.3.2 樣本分類編碼

本文依據(jù)自然資源行業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合南寧市實(shí)際，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）、《地理信息興趣點(diǎn)分類與編碼》（GB/T 35648—2017）等國家標(biāo)準(zhǔn)，制定地物分類樣本類型。地物分類類別表如表2所示。

表2 地物分類類別表

表2提供了清晰的分類方法來組織和描述不同類型的地物。每個(gè)一級(jí)類別對應(yīng)一個(gè)類別編碼，如一級(jí)類別編碼耕地是01，園地是02。每個(gè)二級(jí)類別也有一個(gè)對應(yīng)的樣本分類編碼，如水稻是0101，玉米是0102。

3 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)建庫

在ArcGIS軟件中，新建文件地理數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建要素類并填寫相關(guān)項(xiàng)目信息，選擇適當(dāng)?shù)耐队白鴺?biāo)系和數(shù)據(jù)類型。按照表1的地物分類設(shè)置數(shù)據(jù)庫屬性。

3.2 航飛影像處理

利用Inpho軟件（一款航空攝影測量與遙感處理軟件）對采集的航飛影像進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、影像校準(zhǔn)和正射糾正等步驟。這些步驟旨在消除拍攝誤差和畸變，提升影像精度和可靠性。

輻射定標(biāo)：將無人機(jī)影像轉(zhuǎn)換為地面反射率或輻射亮度的真實(shí)值，從而消除不同影像之間的輻射差異和非均勻性。本文使用基于統(tǒng)計(jì)分析的相對定標(biāo)方法，該方法無需標(biāo)定板或標(biāo)準(zhǔn)物體，只需利用重疊區(qū)域或同名點(diǎn)，獲取不同影像之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

影像校準(zhǔn)：將無人機(jī)影像轉(zhuǎn)換為具有一致坐標(biāo)系和投影方式的地理影像，從而消除位置偏差和角度變化。本文使用基于特征匹配的自動(dòng)校準(zhǔn)方法，該方法無需控制點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)，只需利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)自動(dòng)提取和匹配特征點(diǎn)，獲取不同影像之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

正射糾正：將無人機(jī)影像轉(zhuǎn)換為垂直于地面方向觀測的正射影像，從而消除地形起伏和建筑物等引起的視差和變形。本文使用基于數(shù)字高程模型（DEM）的正射糾正方法，該方法保持了地面物體的形狀和位置不變。

3.3 樣本制作

3.3.1 建立參考網(wǎng)格

為保證精度，應(yīng)選擇包含兩類及以上地物的網(wǎng)格進(jìn)行勾畫。因此，在ArcGIS軟件中使用漁網(wǎng)工具建立參考網(wǎng)格，并根據(jù)“樣本尺寸”確定像元高度和寬度。

3.3.2 勾畫樣本圖斑

在ArcGIS軟件中加載航飛影像數(shù)據(jù)和3.1節(jié)建立的文件地理數(shù)據(jù)庫，在工具欄中選擇“要素構(gòu)建工具”和“多邊形工具”，在航飛影像上單擊樣本圖斑的第一個(gè)角，并拖動(dòng)鼠標(biāo)創(chuàng)建多邊形，在創(chuàng)建完成一個(gè)多邊形后，繼續(xù)單擊其他角創(chuàng)建更多多邊形，以勾畫整個(gè)樣本圖斑。在勾畫完成后，可以使用“要素修改工具”對樣本圖斑進(jìn)行微調(diào)和修改，再根據(jù)表2的地物分類類別對勾畫的圖斑進(jìn)行屬性設(shè)置。

3.4 數(shù)據(jù)入庫

將所有項(xiàng)目成員勾畫的圖斑樣本數(shù)據(jù)入庫，并按照前述2.1節(jié)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法、2.2節(jié)樣本標(biāo)注質(zhì)量原則進(jìn)行檢查，最后合并地理信息數(shù)據(jù)庫。

3.5 深度學(xué)習(xí)樣本庫建設(shè)

3.5.1 樣本建庫

選擇網(wǎng)格、勾畫的樣本地理信息數(shù)據(jù)庫，對無人機(jī)航飛影像數(shù)據(jù)進(jìn)行剪裁，以滿足深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練的需求。

3.5.2 樣本數(shù)據(jù)增強(qiáng)

幾何變換：增加遙感影像的多樣性和魯棒性，對其進(jìn)行幾何變換，包括旋轉(zhuǎn)、縮放、裁剪、翻轉(zhuǎn)等。這些操作可以改變影像的視角和尺寸，使模型能夠適應(yīng)不同的地物目標(biāo)和特征。一是對影像進(jìn)行水平或垂直翻轉(zhuǎn)，讓模型能夠?qū)ΨQ地處理左右或上下的差異；二是對影像進(jìn)行隨機(jī)裁剪，讓模型能夠關(guān)注不同的區(qū)域特征；三是對影像進(jìn)行隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，讓模型能夠適應(yīng)不同的方向特征。

顏色變換：增加遙感影像的光照和噪聲抵抗能力，可對其進(jìn)行顏色變換，包括調(diào)整亮度、對比度、飽和度、色調(diào)等。這些操作可以改變影像的色彩特征，使模型能夠適應(yīng)不同的色彩條件。一是對影像進(jìn)行隨機(jī)色調(diào)調(diào)整，使模型能夠保持或改變影像的色彩平衡；二是對影像進(jìn)行隨機(jī)飽和度調(diào)整，讓模型能夠調(diào)節(jié)影像的色彩鮮艷程度；三是對影像進(jìn)行隨機(jī)亮度和對比度調(diào)整，使模型能夠適應(yīng)不同的光照條件和明暗差異。

圖像縮放：增加遙感影像中地物目標(biāo)的尺度多樣性，可以對其進(jìn)行圖像縮放，包括縮小0.5倍或放大0.5倍。這些操作可以改變影像的分辨率和細(xì)節(jié)程度，使模型能夠?qū)W習(xí)不同尺度的地物特征。一是對影像進(jìn)行隨機(jī)放大，讓模型能夠?qū)W習(xí)更細(xì)節(jié)的地物特征；二是對影像進(jìn)行隨機(jī)縮小，讓模型能夠?qū)W習(xí)更大范圍的地物分布。

4 研究結(jié)果

本文采用ArcGIS軟件，結(jié)合GIS技術(shù)，對無人機(jī)航飛影像進(jìn)行了矢量圖斑的繪制和屬性信息的獲取，并對矢量圖斑和屬性信息進(jìn)行了數(shù)據(jù)建庫的工作，建立了一個(gè)完整的航飛影像深度學(xué)習(xí)樣本庫。

4.1 樣本庫優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的基于柵格的方案相比，本文提出的基于矢量圖斑的航飛影像地物識(shí)別樣本庫技術(shù)方案具有以下優(yōu)勢。

（1）精度高。本方案能夠利用GIS技術(shù)，對地物目標(biāo)進(jìn)行精確繪制和標(biāo)注，保證了地物目標(biāo)的位置、形狀、大小等信息的精確性，避免了柵格或點(diǎn)云方案中可能出現(xiàn)的誤差和模糊現(xiàn)象。

（2）效率高。本方案能夠利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將樣本以表格或文檔等形式進(jìn)行組織和分類，對樣本進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理，保證了樣本的完整性、一致性和安全性，避免了柵格或點(diǎn)云方案中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)冗余和混亂。數(shù)據(jù)庫是一種按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效檢索和更新。

（3）靈活性高。本方案能夠利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，根據(jù)不同的深度學(xué)習(xí)模型類型，按需將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里的樣本轉(zhuǎn)換為合適的數(shù)據(jù)格式，保證了樣本與模型之間的匹配性和適應(yīng)性，避免了柵格或點(diǎn)云方案中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不兼容和不適應(yīng)。

（4）可擴(kuò)展性高?；谑噶繄D斑的方案需要針對不同的地物類別和影像特征進(jìn)行定制化的標(biāo)注和轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)的通用性和適應(yīng)性高。

本文所提的方法為航飛影像地物識(shí)別提供了一種新的數(shù)據(jù)支持，為航飛影像的分析和利用提供了一種新的技術(shù)手段，為航飛影像在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值提供了一種新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。此方法還可以與其他相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高航飛影像地物識(shí)別的效率和精度。

4.2 樣本庫局限性

基于矢量圖斑的航飛影像地物識(shí)別樣本庫技術(shù)方案也有一些局限，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）成本高。由于矢量圖斑的方案需要大量人工參與，對標(biāo)注人員的專業(yè)水平和質(zhì)量控制要求較高，因此需要花費(fèi)更多的時(shí)間和資源。

（2）難度大?；谑噶繄D斑的方案需要處理復(fù)雜多變的航飛影像數(shù)據(jù)，對影像預(yù)處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)要求較高。

（3）準(zhǔn)確性依賴人工?；谑噶繄D斑的方案依賴于人工標(biāo)注的準(zhǔn)確性，標(biāo)注人員的專業(yè)水平不夠高，或者對質(zhì)量控制不夠嚴(yán)格，可能會(huì)導(dǎo)致標(biāo)注結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響。

5 結(jié)論

本文利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，針對航飛影像地物識(shí)別樣本庫建設(shè)技術(shù)存在的復(fù)雜問題，提出了一種基于矢量圖斑的航飛影像地物識(shí)別樣本庫技術(shù)方案，對耕地、建構(gòu)筑物、林地等要素進(jìn)行數(shù)據(jù)樣本制作、質(zhì)量控制和成果建庫等研究，為航飛影像數(shù)據(jù)管理和建庫提供了一種新思路和方法。

[1] 陳俊杰，李德仁，王秀紅. 航空攝影測量與遙感[M]. 北京: 測繪出版社，2019.

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[3] 張曉燕，李曉文，劉曉波. 航飛影像地物識(shí)別的研究進(jìn)展與展望[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展，2018，37(9): 1205-1216.

[4] 李娜，張亞東，王鵬. 基于深度學(xué)習(xí)的航飛影像地物識(shí)別樣本庫構(gòu)建方法[J]. 測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，36(6): 715-721.

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Research on the Construction Technology of a Sample Library for UAV Aerial Image Ground-Object Recognition Based on Geographic Information System

In order to solve the problem of low reusability in the construction of aerial imagery ground object recognition sample library, which hinders the analysis and utilization of aerial imagery, a technical solution for aerial imagery ground object recognition sample library based on vector speckle is proposed. This plan utilizes geographic information system technology to conduct research on data sample production, quality control, and achievement database construction for elements such as farmland, buildings, and forests, providing a new idea for data management and database construction of aerial imagery.

geographic information system; ground-object recognition; deep learning; sample libarary building

P23

A

1008-1151(2023)11-0001-04

2023-08-25

方丹娜（1978－），女，南寧市自然資源信息集團(tuán)有限公司工程師，從事國土空間規(guī)劃、測繪與地理信息應(yīng)用及技術(shù)研究工作。

黃國航（1993－），男，廣西寧繪空間規(guī)劃信息技術(shù)有限公司助理研究員，從事自然資源大數(shù)據(jù)分析工作。