利用高分辨率遙感影像進行DLG要素快速更新的方法

楊愛民，陳　峰，劉鵬珍，張　錦

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 山西省測繪工程院，山西

太原 030002； 3. 太原理工大學，山西 太原 030024)

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利用高分辨率遙感影像進行DLG要素快速更新的方法

楊愛民1，陳峰1，劉鵬珍2，張錦3

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 山西省測繪工程院，山西

太原 030002； 3. 太原理工大學，山西 太原 030024)

Research on Quick Updating Method of DLG by Using High Resolution Satellite Images

YANG Aimin，CHEN Feng，LIU Pengzhen，ZHANG Jin

摘要：基礎地理信息數據的更新是一項長期而重要的任務，本文針對DLG要素快速更新問題，利用高分辨率遙感影像，采用圖像代數方法對兩期影像進行了變化檢測，快速獲取了DLG要素的變化位置、變化范圍等信息，輔助DLG要素增量數據獲取。采用空間數據匹配的方法建立了現狀、歷史與增量數據間的關聯關系，并采用增量更新的方法對DLG要素進行了快速更新。利用該方法對太原市某城區居民地要素進行了更新試驗，并應用于山西省重點城市建設用地遙感監測系統項目中，取得了較好的應用效果。

關鍵詞：遙感影像；變化檢測；數據匹配；增量更新

基礎地理信息數據的更新是當前測繪部門面臨的主要問題。為確保基礎地理信息數據具有較高的現勢性、準確性和完整性，首先就要提高基礎地理信息數據更新作業的效率和對歷史數據的有效組織與管理。高分辨率航空航天影像包含豐富多樣的地理和地形信息，已成為非常重要的空間信息數據源之一。目前，基礎地理信息數據的更新主要是以新期航空航天影像為底圖，通過與舊矢量數據或舊影像數據配準后人機交互比對來發現變化的要素，按相應比例尺更新規范并采用內外業相結合的方法進行更新作業[1]，但由于人工干預較多而容易引起人為的漏判與錯判，且生產效率有待提高。針對修測的數據經過處理和整理后的更新成果數據，在目前的生產實際中主要通過兩種方式來完成基礎地理信息數據庫的更新：①版本式更新,即更新后以新版本存入現勢庫，而更新前的舊版本存入歷史庫[2]，這種方法對數據的存儲通常為靜態的，不同版本數據之間沒有形成關聯；②增量式更新,即只對通過變化檢測發現的變化部分數據進行更新操作[3],以達到減少數據冗余、提高更新效率的目的。

本文針對數據庫中特定要素的更新，以高分辨率遙感影像為基礎，通過影像變化檢測快速發現要素的變化區域和變化范圍，檢測結果可輔助增量更新數據的采集工作，減少人工比對和判讀的時間；采用空間數據匹配的方法建立要素之間的關聯關系，實現增量數據的快速更新和匹配關聯關系的統一組織管理。

一、利用變化檢測的增量要素獲取

目前大多數變化檢測方法主要檢測的是全部地物類型的變化，很多方法都是針對特定條件下的遙感影像提出來的，這些算法往往工作效率不高，而且難以針對基礎地理信息的特定要素進行快速檢測發現變化信息。本文主要針對居民地要素，采用圖像代數和閾值分割方法進行變化檢測，該方法簡單直接，快速有效。變化檢測的主要過程如下：①通過圖像代數運算獲取差異影像；②對差異影像的灰度值進行直方圖統計分析；③選取一定的閾值進行閾值分割，獲得變化檢測結果。

增量更新要素的采集工作以新期遙感影像為基礎底圖，將舊矢量數據和變化檢測結果圖疊加來輔助增量數據的獲取。主要工作方法如下：①根據變化檢測的結果確定待更新要素的更新圖幅及更新區域；②從基礎地理信息數據庫中提取出對應的數據，存放在臨時庫作為更新使用的數據；③結合舊矢量、舊影像數據及變化檢測結果數據進行標準增量更新采集作業，形成更新成果數據。利用變化檢測的增量數據采集方法流程如圖1所示。

二、采用格網匹配的增量更新

1. 格網索引匹配

在待匹配數據的空間范圍內，根據單位格網的平均要素數和單位要素占用的平均格網數之間的最佳關系，確定最佳的格網大小，然后利用網格索引方法，將待匹配要素按照統一的網格映射規則分別映射到一個M×N的網格索引，通過網格編碼的映射實現更新前后要素之間的對應關系，如圖2所示，以達到匹配效果[5]。

圖1　利用變化檢測的增量數據采集方法流程

圖2　更新前后要素之間的對應關系

2. 增量數據更新

建立增量數據庫，包括增量數據集和對應關系，根據增量數據采集模式的不同可以將增量更新分為增量數據采集模式和全要素數據采集模式，如圖3所示。增量數據采集模式通過變化檢測后只采集增量數據并與歷史數據匹配關聯建立對應關系即可；全要素數據采集模式需要先采集全要素數據，然后結合歷史數據進行變化檢測獲取增量數據集，并利用數據匹配完成對應關系的關聯。從這兩種模式上來看，第1種適合要素級更新，即對特定要素發生變化時的數據庫更新；第2種適合測區級更新，即由于地物地貌變化程度較大，局部個別要素的更新已無法滿足數據現勢性要求的情況[4]。無論哪種模式，在經過匹配關聯建立增量數據庫后，可以通過歷史庫和增量庫派生出現狀庫，從現狀庫通過關聯關系可以回溯歷史庫，實現歷史庫和現狀庫之間的轉換。

圖3　增量數據采集模式和全要素數據采集模式

三、試驗分析及應用

1. 試驗數據

本次試驗數據包括：①太原市某區域1999年0.5 m分辨率黑白航空影像，如圖4所示，可以看出影像范圍內大部分為耕地，只有少數城鎮及農村居民地，城市化水平還比較低；②相同區域2013年0.5 m分辨率全色衛星遙感影像，如圖5所示，隨著城市的不斷建設和擴張，新建起了許多城市居民小區，還有不少正在建設的施工用地，城市化水平相對較高；③太原市某區域1999年1∶5萬標準圖幅DLG居民地要素數據，如圖6所示。

圖4　1999年0.5 m分辨率黑白航空影像

圖5　2013年0.5 m分辨率全色衛星遙感影像

圖6　某區域1999年1∶5萬標準圖幅DLG居民地要素

2. 變化檢測

根據數據源的實際情況，在變化檢測前對兩期影像進行了影像直方圖匹配和幾何配準的預處理工作。直方圖匹配可使兩幅影像具有相似色調和反差，以便作進一步的圖像代數運算；精確幾何配準能有效減少因相同位置像元之間錯位而檢測出的偽變化區域[6]。變化檢測方法選擇快速直接的圖像差分法[7]，閾值分割方法采用Otsu法[8]。變化檢測的結果以二值化圖的形式輸出，如圖7所示，變化的部分像素值是0，沒有變化的部分像素值是225，變化的部分在圖中突出顯示，如圖8所示。

圖7　二值化圖形式輸出

圖8　變化的部分在圖中突出顯示

3. 增量更新

將變化檢測結果與舊矢量圖疊加，并結合新舊影像進行增量數據的采集、編輯與處理，形成增量數據集；建立格網索引映射，通過相同位置格網的統一編碼完成對應關系的建立，經過進一步的篩選、區分關聯類型，獲得居民地要素的精確匹配關聯表，可以實現要素的歷史查詢、統計及變化信息提取等，并且可以直觀地區分出何種要素在何處發生了何種變化，為更新作業提供先驗知識；結合增量數據集和對應關系在數據庫中完成相應的增量更新操作，從而完成現勢數據的更新。增量數據匹配和關聯過程如圖9所示，增量數據采集結果如圖10所示，更新后DLG居民地要素數據如圖11所示。

圖9　增量數據匹配和關聯過程

4. 建設用地監測應用

本文研究的部分成果已在山西省重點城市建設用地監測系統項目中得到實際應用。經過格網索引匹配形成的增量數據庫已成為該系統的數據庫構成內容之一，通過歷史庫和現狀庫之間建立的關聯關系，可實現歷史與現狀數據的對比分析，結合城市土地利用總體規劃中心城區的發展控制規模，實現城市管理部門對各類建設用地的變化情況分析，如圖12所示，城市內部結構重組與外圍地域擴展情況分析及土地利用規律探尋如圖13所示，三維可視化分析如圖14所示；同時，采用遙感影像變化檢測和匹配關聯的增量更新方法為該監測系統建成后的數據庫更新工作提供了一種簡便、可行的方法，為實現全省11個重點城市建設用地變化情況的常態化、動態化遙感監測提供了技術支撐。

圖12　各類建設用地的變化情況分析

圖13　城市內部結構重組與外圍地域擴展情況分析及土地利用規律探尋

圖14　三維可視化分析

四、結束語

本文針對DLG要素快速更新問題，對遙感影像的變化檢測、數據匹配關聯和要素增量更新相結合的方法進行了研究，初步建立了利用高分辨率遙感影像對DLG要素快速更新的方法。該方法首先采用圖像代數對高分辨率遙感影像進行變化檢測來快速界定更新要素的變化位置和變化范圍；然后疊加舊矢量、舊影像數據，輔助完成增量數據的快速獲取；最后采用增量更新模式對DLG要素數據完成更新。研究成果在山西省重點城市建設用地遙感監測系統項目實施應用中取得了較好的效果。

參考文獻：

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[10]鐘家強.基于多時相遙感圖像的變化檢測[D].長沙:國防科學技術大學,2005.

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0073-04

作者簡介：楊愛民(1974—)，男，高級工程師，研究方向為遙感與地理信息系統。E-mail: yam888@126.com

基金項目：山西省測繪地理信息科技項目(2013-K5)；山西省重點城市建設用地遙感監測系統項目

收稿日期：2015-03-05

引文格式：楊愛民，陳峰，劉鵬珍,等. 利用高分辨率遙感影像進行DLG要素快速更新的方法[J].測繪通報，2016(3)：73-76.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0090.