航空遙感影像的變化檢測

徐小芹，沈佳潔，吳友鳳，何 雯

（湖北省航測遙感院，湖北武漢 430071）

航空遙感影像的變化檢測

徐小芹，沈佳潔，吳友鳳，何 雯

（湖北省航測遙感院，湖北武漢 430071）

針對以農田為主的某地區的航空影像，利用圖像差值和比值法分析比較了取不同閾值時的變化檢測效果；最后采用實際的航空影像進行實驗比較，證明使用兩種方法集成的檢測結果比單獨使用其中一種更準確。

圖像差值；圖像比值；變化檢測；航空影像

變化檢測是攝影測量與遙感技術的主要應用之一，可以通過對同一地區不同時期的圖像進行比較分析，根據圖像之間灰度值或局部紋理的差異，來得到我們所需的地理變化信息。現有的變化檢測主要可以分為兩類：直接檢測法和基于分類的檢測方法。直接檢測是利用像素之間的灰度差異，具體方法有差值法、比值法、相關法、回歸法等；而基于分類的檢測方法是利用像素之間結構特征的差異，分類的方法有監督分類和非監督分類。本文以新舊航空影像作為變化檢測的數據源，對以農田為主的四川某地區地面目標的變化情況進行檢測。對進行影像配準后的正射影像進行灰度差分和灰度相除運算，將其結果作為變化檢測的依據，主要針對以農田為主的航空影像變化情況，討論基于圖像灰度差分和灰度相除的最佳變化檢測閾值，并提取其公共區域，希望能夠做到變化地物的自動檢測。

1 變化檢測方法

本文選擇同一地區不同時段的 2幅航空正射影像進行配準后，選擇了 2種不同的方法檢測農田的變化情況。

一種方法是以灰度差值作為變化檢測的量度，逐像素的計算 2幅正射影像間對應像素的灰度差值，根據閾值對差分結果二值化，以白色表示變化區域；另一種方法是以灰度比值為量度，計算對應像素之間灰度的比值，設置上限和下限，判斷變化情況，并進行二值化。

然后對這兩種方法得到的檢測結果進行后期處理，將小的孤立區域作為噪聲去除。最后，以 2種變化檢測方法提取的公共變化區域作為最終結果，流程圖如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

1.1 圖像差值法

圖像差值法是對配準后不同時相的圖像對應像素的灰度值相減，生成一幅差值圖像，用差值圖像的灰度值來表示 2幅圖像間的變化程度，并通過對差值圖像灰度選取合適的閾值來確定變化區域和不變區域。

圖像差值法的計算公式為：

式中，Xij(t1)、Xij(t2)分別表示在不同時間t1、t2對地面同一地區獲取的圖像；X(t1)、X(t2)中坐標為 (i, j)的像素灰度值。

如不考慮其他因素（如攝影的光線、大氣條件等）的影響，即在理想的情況下，地面目標的灰度變化表現為ij，即Xij(t1)和Xij(t2)之間差值的絕對值。

圖像差值法的概念很直觀，容易理解，并且在算法上很容易實現，在變化檢測中被廣泛應用。在差值圖像生成后，需要選取一個適當的閾值來區分變化區域和不變區域，而閾值的確定是復雜的，需要不斷的實驗挑選出最合適的一個，并且這一閾值不具有通用性，因為每次變化檢測使用的圖像所反映的地面目標以及變化情況都不盡相同，所以要得到正確的變化檢測結果選取的閾值也是不同的。

在本文的實驗中，先對讀入的 2 幅圖像逐像素的計算對應像素間的灰度差值ij。理論上如果地物沒有發生變化，ij的值應該為0。考慮到攝影的時間、光線和角度等條件的影響，當ij小于某一個閾值時，認為地物沒有發生變化；反之，則認為發生變化。根據閾值獲得差分的二值影像，以白色表示出變化區域。調整閾值，設置不同的閾值將得到不同的結果影像。

1.2圖像比值法

圖像比值法是將配準后不同時相的圖像對應像素的灰度值相除，并對計算結果選取合適的閾值進行二值化，確定變化區域和不變區域。其計算公式為：

式中，Xij(t1)、 Xij(t2)分別表示在不同時間t1，t2對地面同一地區獲取的圖像中，像素坐標值為 (i,j)的像素灰度值。地面目標的變化表現為Xij(t1)和Xij(t2)之間比值。

與圖像差值法的不同之處在于比值法在通過比值結果判斷變化區域時，由于變化方向的不同，判斷ij值的大小需要設置一個容忍區間，即確定2個閾值，因此其難點也在于閾值的選取上。

具體做法是計算要進行變化檢測地區的早期和晚期影像對應像素之間灰度的比值△，當 遠 小于1或者遠大于1時，認為地物發生了變化，否則當ij的值在某一個容忍區間內的時候，則沒有發生變化。設置容忍區間的上限和下限，灰度比值在上、下限所規定的區間以外的地方以白色表示，其余灰度值設置為0，由此得到二值影像。

2 實驗與分析

本次實驗數據所用的影像為用 VirtuoZo軟件糾正過的正射影像，圖像的比例尺為1:10 000。先后采用圖像差值和圖像比值的方法進行試驗，反復比較選取不同的閾值后得到的結果，選擇最佳的閾值作為后面分析的依據。

最終圖像結果的顯示，采用的是二值化的方式顯示，使得變化的結果更加直觀，認為變化的區域用白色表示，剩下的為黑色的背景色。

圖2 四川某地區不同時期的圖像

圖2（a）、圖2（b）的大小均為1 101×1 701像素，是2幅經過幾何配準后的正射影像，圖2（a）原始影像的獲取時間為1996年，圖2（b）原始影像的獲取時間為2004年。

先對圖2（a）和圖2（b）進行圖像差值法的變化檢測，對選取不同的閾值的檢測結果反復進行比較。圖3（a）為未經過二值化的中間結果，圖 3（b）為經過比較得到的取最佳閾值40時的檢測結果。考察圖3（a）的直方圖，發現其直方圖有雙峰且有明顯的谷，而谷所對應的灰度值正好就在40附近，所以從圖像分割的角度也說明最佳閾值取40是合理的。

圖3 圖像差值法的檢測結果

然后對圖2（a）和圖2（b）進行圖像比值法的變化檢測，對選取不同的容忍區間時的檢測結果反復進行比較，選取最佳閾值。

圖4 圖像比值法的檢測結果

圖 4（a）為圖像比值法取最佳閾值時的變化檢測結果圖像，容忍區間取 [0.65，1.54]；

圖4（b）為對圖像差值法和比值法的最佳結果圖像提取公共區域后的結果。可見圖像差值法和比值法最后得到效果最好的檢測結果近似，統計圖像差值法最后得到的變化區域占整個圖幅面積的56.5%，圖像比值法檢測出的變化區域占55.8%，而最后提取的公共的變化區域占55.2%，圖像差值法的變化區域幾乎已經將比值法檢測出來的變化區域包括在內。

3 結 語

圖像差值法和圖像比值法的概念直觀、易于理解，用差值圖像或比值圖像的像素灰度值表示 2幅圖像的對應像素的差異，并且2種方法在實驗操作上容易實現。

但是利用圖像差值法和圖像比值法檢測地物變化，需要選取閾值來區分變化與不變化像素，而閾值的選取較為困難，要經過不斷地試驗和比較，才能最后得到最恰當的閾值。并且在這兩種方法中，所用到的都只是圖像的灰度信息，程序所依賴的判斷標準僅僅只是單個像素的灰度信息，而將大量像素之間所表示出來的幾何信息損失掉了。

所以可以考慮在圖像差值法和比值法的變化檢測方法中，引入紋理、形狀等特征作為測度，與差值和比值的方法相結合，計算上述測度的差值或比值，綜合起來判斷地物的變化情況。

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Change Detection Based on Aviation Remote Sensing Image

by XV Xiaoqin

In this paper,the change detection methode of utilizing aviation images' grey leveldifferenceand ratiowasmainly studied.In order to analyse this two kindsof methods,a group of aviation images taking farm land asmain landscapeof thewhole view wasmeasured.According to the resultof experiments presented by the form of black-and-white pictures,while relatively choosing different threshold value,these two kinds ofmethods were compared,especially in the use of detecting the result through the change of this specific goal of farm land,and the combination of the two methodswasapplied asa final result.

grey leveldifference,grey level ratio,change detection,aviation image（Page:67）

P237.3

B

1672-4623(2011)02-0067-02

2010-03-25

徐小芹，助理工程師，研究方向為航測。