基于HJ—1星CCD數據的面向對象人工表面信息提取研究

謝家麗　顏長珍　宋翔

摘要以2010年HJ1號衛星CCD數據為主要數據源，采用面向對象分類方法，提取關中平原人工表面信息。在eCognition軟件平臺的支持下，綜合影像光譜信息、紋理、形狀和地理空間關系等特征參數，并添加DEM、Slope、TM數據、樣本點數據以及特征指數等輔助信息，依據決策樹分類思想，進行多尺度分割逐級提取地物類型。結果表明：利用HJ1號衛星數據提取區域人工表面信息是可行的，采用面向對象的計算機自動分類方法提取人工表面信息的效率明顯提高，且精度達到85.90%。

關鍵詞HJ1號衛星；面向對象分類；關中平原；eCognition

中圖分類號S126；TP79文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）15-04897-04

Abstract Realtime extraction of the artificial surface is important for the management of land resources and the assessment of ecological environment.The objectoriented classification method based on HJ1 satellite CCD images was used to extract artificial surface information， and Guanzhong Plain， an important commodity grain base located in the middle of Shaanxi Province with intensive human activities， was chosen to test the adaptability of the extraction method.With the support of eCognition software， the image spectrum information， texture， shape index and geographical spatial relation together with other auxiliary information such as DEM， Slope， TM data， sample point data and some characteristic indices were synthesized， and then artificial surface information were extract hierarchically on the basis of the classification algorithm of decision tree.The classification accuracy was 85.90% and the results indicated that this method was feasible to extract artificial surface information using objectoriented method based on HJ1 satellite CCD data.Compared with the traditional visual interpretation method， the efficiency of computer automatic classification based on objectoriented technology has been significantly boosted.

Key words HJ1 satellite； Objectoriented classification； Guanzhong Plain； eCognition

在人類生產和生活活動對土地資源的空間分布、質量和數量的強烈影響下，人工表面具有極強的動態性[1]。實時提取人工表面信息，對土地資源管理以及生態環境評價具有重要意義。但是傳統的外業實地調查很難快速獲取大面積的實時信息。遙感技術憑借探測周期短、現時性強、可大面積同時觀測的優勢，已成為地物定性、定量探測的重要手段，為地球資源監測提供了大量的數據支持[2-3]。隨著遙感技術的進步及其應用的深入，遙感專題信息的提取方法也在不斷革新，經歷了目視解譯、自動分類、光譜特性的信息提取、光譜空間特征的專題信息提取、面向對象分類以及多尺度分類[4-8]等多個階段。目前除地物光譜特征外，人們越來越注重影像的空間特征如紋理和形狀與地學輔助數據等在信息提取中的作用[9]。Baatz等提出的面向對象的分類方法將影像基于不同波段的權重進行分割，以對象為處理單元，綜合紋理、上下文等特征信息，在分類精度和速度方面，與傳統方法相比都有顯著提高[10-11]。面向對象的分類方法在基于高分辨率影像的各種遙感信息提取中應用廣泛[12-13]，而在時間上連續性好、光譜信息比較豐富、獲取成本較低的中分辨率影像利用方面存在不足[14]。近年來，一些學者開始中分辨率影像信息提取的研究[15-16]。

人工表面信息的提取一直是影像分類中的難點，在大面積土地覆蓋信息提取中更是如此。目前對人工表面信息的提取研究多是基于高分辨率影像的城市信息提取，包括城市建筑物信息提取、城市綠地提取、道路和橋梁等重大工程信息的提取[17-20]。由于影像光譜信息和時相信息過于單一，人工表面信息的提取精度總是不理想[21]。2008年9月6日，我國發射了專門用于環境與災害監測的預報小衛星（HJA、HJB），可實現可見光探測在30 m分辨率下每2 d對國土進行全覆蓋觀測，同時具備大范圍、全天時、全天候環境與災害監測等方面的能力[22-23]，為人工表面信息的提取提供了豐富的信息源。為此，筆者將HJ1號衛星CCD數據作為主要數據源，以關中平原為例，發展面向對象的多尺度分類提取人工表面信息的方法，為大面積土地覆蓋分類中人工表面信息的提取提供成熟的方法。

1研究區概況

關中平原位于陜西省中部，西起隴山，東至潼關，南至秦嶺北麓，北至陜北黃土高原，總面積5.56萬km2，其地處溫帶大陸性季風氣候區，年平均降水量時間上呈波動變化，并由西南向東北遞減[24]。該區開發歷史久遠，人為活動強烈，土地覆蓋中人工表面信息類型多、分布廣，在西北地區極具代表性。

2數據與研究方法

2.1數據來源及其預處理環境減災衛星HJ數據來源于中國資源衛星中心，作為主要數據源，并輔以Aster 30m的DEM數據（http：//asterweb.jpl.nasa.gov/gdemwist.asp）以及由DEM經過空間分析生成的坡度數據和Landsat TM數據（http：//glovis.usgs.gov/）。HJ1號衛星CCD數據共有4個波段，分別為：①藍色波段，0.43～0.52 μm，對水體有透射能力；②綠色波段，0.52～0.60 μm，探測健康植被綠色反射峰；③紅色波段，0.63～0.69 μm，測量植物綠色素吸收率；④近紅外波段，0.76～0.90 μm，測定生物量和作物長勢。前3個波段可區分人造地物類型，而近紅外波段可區分植被類型。在數據選擇方面，采用多時相的數據源（HJ/CCD：20100721、20101103、20100316），根據地物在不同季節所表現的光譜特征進行信息提取。

采用WGS_1984_UTM投影坐標系，對幾何校正后的研究區TM影像數據進行投影轉換，將其作為校正HJ星數據控制點的參考影像。另外，對HJ星數據進行大氣校正、輻射校正、幾何精校正、波段合成等處理。由于HJ數據幅寬較大，為了提高工作效率，在進行幾何精校正時采用自動配準生成控制點，并人工檢查和修改匹配不準的控制點，模型選用Rubber Sheeting，誤差控制在1.5個像元內。

2.2信息提取方法面向對象分類方法是指通過對影像進行分割，使同質像元組成大小不同的對象[25]，以每個對象為處理單元，獲取對應地物的光譜信息，并綜合利用影像對象的紋理、形狀、空間拓撲關系等信息。影像的多尺度分割技術是一個局部優化過程，從任一個像元開始，采用自上而下的區域合并方法形成對象，每一個對象的大小調整都必須確保合并后的對象的異質性小于給定的閾值[25-26]。 對所有面向對象的信息提取方法來說，成功的影像分割是必要前提，影像分割本身不是目的，但其分割的尺度和精度對下一步分類的精度影響很大[8]。

在進行對象分割時，面向對象的分類方法通過集合鄰近像元作為一個對象來識別感興趣的光譜要素。影像分割應遵循兩條原則：①盡可能地將顏色因子的權重設大，因為光譜信息是影像數據中所包含的主要數據，形狀因子權重太高會導致光譜均質性的損失；②對于那些邊界不很光滑但聚集度較高的影像對象盡可能使用必要的形狀因子[18]。該研究主要是利用德國Definiens Imaging公司開發的面向對象的遙感分類軟件eCognition進行人工表面信息提取。基于面向對象的理論知識，利用多尺度分割技術，統計分析對象的光譜屬性，建立規則集對影像進行分類，并用野外樣本點對分類結果進行精度驗證。

根據項目需求制定的我國土地覆蓋分類系統，將人工表面分為3個Ⅰ級類型和6個Ⅱ級類型（圖1），并對研究區主要的人工表面信息進行對象DN值采樣（圖2）。影像對象DN值的差異、變化特征及相應人工表面的特征指數是建立分類規則集的依據。試驗采用的整個技術流程和選用的特征參數如圖3所示。

2.3云檢測與去除進行土地覆蓋分類時，選擇影像的要求包括：①選擇植被生長期的影像，以反映植被類型和現狀；②選擇云覆蓋量最少的影像。但實際上很難找到同時滿足圖3面向對象的人工表面信息提取流程兩個條件的數據，并且目前的去云技術只能消除薄云對定量遙感反演的影響，因此對土地覆蓋分類工作來說，獲取云覆蓋區域的地物類型的難度較大。為了提高土地覆蓋信息提取的精度，需要進行去云處理。采用許章華等[27]的替換法思路對影像中的云進行處理。該研究利用“（HJ1+HJ2+HJ3）/3”的值將研究區內被云覆蓋的區域全部提出，并將其定義為云指數（Cloud Index，簡稱CI），經過多次試驗，取CI>86.45的區域賦值為“云”，但是由于部分工業用地的光譜反射值較大，使其包含在“云”里面，因此對“云”需要再次設定閾值，采用DEM和Slope將這部分居住地提出，然后對“云”進行影像替換，重新分類。

4結論

（1）HJ1號衛星的CCD數據具有重訪周期短、覆蓋范圍大和空間分辨率較高的特點，在大區域人工地表信息分類提取應用中具有很大潛力，可為快速、準確地提取地物分類信息提供數據基礎。

（2）與傳統的目視解譯分類方法相比，面向對象的計算機自動分類方法的效率顯著提高，并且eCognition軟件可以充分利用分類之前采集的野外調查樣本點作為樣本專題層，在分類時加入多時相影像數據以及DEM、Slope、TM和特征指數等輔助數據。此外，面向對象的分類方法不僅利用地物本身的光譜特性，而且綜合紋理、形狀、地理空間關系等參數信息，提高了分類精度。

（3）受影像數據空間分辨率的限制和混合像元的影響，建設用地和園地的分類精度相對較低，后期需要手工修改以提高分類精度。此外，由于計算機自動分類圖斑的破碎化，經過手工整飾后才能用于專題制圖。

參考文獻

[1] 張銀輝，趙庚星.利用ENVI軟件衛星遙感耕地信息自動提取技術研究[J].四川農業大學學報，2000，18（2）：170-172.

[2] 童慶禧.遙感科學技術進展[J].地理學報，1994，49（S1）：616-623.

[3] 陳鵬飛，王卷樂，廖秀英，等.基于環境減災衛星遙感數據的呼倫貝爾草地地上生物量反演研究[J].自然資源學報， 2010，25（7）：1122-1131.

[4] 濮靜娟.遙感圖像目視解譯原理與方法[M].北京：中國科學技術出版社，1992.

[5] HARRlS A J L，VAUGHAN R A，ROTHERY D A.Volcano detection and monitoring using AVHRR data：the Krafla eruption[J].Remote Sensing，1995，16（6）：1001-1020.

[6] 陳偉榮，郭德方.比值合成和特征主成分選擇技術在提取油區信息中的應用[J].遙感技術與應用，1995，10（3）：33-39.

[7] 喻光明，王朝南，鐘儒剛，等.基于DEM的洪澇災害信息提取與損失估算[J].國土資源遙感，1996（1）：42-50.

[8] 錢巧靜，謝瑞，張磊，等.面向對象的土地覆蓋信息提取方法研究[J].遙感技術與應用，2005，20（3）：338-342.

[9] GONG P，MARCEAU D J，HOWARTH P J.A comparison of spatial feature extraction algorithms for landuse classification with SPOT HRV data[J].Remote Sensing of Environment，1992，40（2）：137-151.

[10] BAATZ M，SCHPE A.Objectoriented and multiscale image analysis in semantic networks[C]//2nd International Symposium：Operationalization of Remote Sensing.Netherlands，1999：16-20.

[11] GAO Y，MAS J F，MAATHUIS B H P，et al.Comparison of pixelbased and objectoriented image classification approachesa case study in a coal fire area，Wuda，Inner Mongolia，China [J].International Journal of Remote Sensing，2006，27（18）：4039-4055.

[12] YU Q，GONG P，CLINTON N，et al.Objectbased detailed vegetation classification with airborne high spatial resolution remote sensing imagery[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，2006，72（7）：799-811.

[13] 李斌兵，黃磊.基于面向對象技術的黃土丘陵溝壑區切溝遙感提取方法研究[J].水土保持研究，2013，20（3）：115-119.

[14] 林川，宮兆寧，趙文吉.基于中分辨率TM數據的濕地水生植物提取[J].生態學報，2010，30（23）：6460-6469.

[15] 崔一嬌，朱琳，趙力娟.基于面向對象及光譜特征的植被信息提取與分析[J].生態學報，2013，33（3）：867-875.

[16] 賈明明，劉殿偉，王宗明，等.面向對象方法和多源遙感數據的杭州灣海岸線提取分析[J].地球信息科學學報，2013，15（2）：262-269.

[17] 車風，林輝.城市建設用地遙感信息提取方法研究[J].測繪科學，2010，35（4）：97-99.

[18] HUANG H P，WU B F，LI M M，et al.Detecting urban vegetation efficiently with high resolution sensing data[J].Journal of Remote Sensing，2004，8（1）：68-74.

[19] 王波.基于面向對象的高分辨率遙感影像人工地物信息提取[D].贛州：江西理工大學，2011.

[20] 劉浩，胡卓瑋，趙文慧.基于面向對象的重大工程土地利用變化信息提取——以國家體育場（鳥巢）建設工程為例[J].國土資源遙感，2009（4）：86-89.

[21] 張峰，吳炳方，黃慧萍，等.泰國水稻種植區耕地信息提取研究[J].自然資源學報，2003，18（6）：766-772.

[22] 曲偉，路京選，李琳，等.環境減災小衛星影像水體和濕地自動提取方法研究[J].遙感信息，2011，4（7）：28-33.

[23] 劉睿，馮敏，孫九林，等.基于環境減災衛星 CCD 數據與決策樹技術的植被分類研究[J].地理科學，2012，32（12）：1488-1495.

[24] 張俊香，延軍平.關中平原小麥產量對氣候變化區域響應的評價模型研究[J].干旱區資源與環境，2003，17（1）：85-90.

[25] 陳云浩，馮通，史培軍，等.基于面向對象和規則的遙感影像分類研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2006，31（4）：316-320.

[26] BENZ U C，HOFMANN P，WILLHAUCK G，et al.Multiresolution，objectoriented fuzzy analysis of remote sensing data for GISready information[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2004，58（3）：239-258.

[27] 許章華，龔從宏，劉健，等.基于面向對象與替換法的遙感影像云檢測與去除技術[J].農業機械學報，2013，44（6）：210-214.

[28] 趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京：科學出版社，2003.

[29] 溫興平，胡光道，楊曉峰.基于C 5.0決策樹分類算法的ETM+影像信息提取[J].地理與地理信息科學，2008，23（6）：26-29.