地理國(guó)情普查與道路信息提取技術(shù)研究

肖遠(yuǎn)煥+陳強(qiáng)

摘 要：本文以地理國(guó)情普查中的道路信息提取為研究對(duì)象，探討了基于高分辨率遙感影像的道路信息提取方法，包括基于監(jiān)督分類的道路提取、基于道路特征指數(shù)構(gòu)建規(guī)則的道路提取、基于ArcGIS緩沖功能得道路提取和基于先驗(yàn)值的道路提取等4種方法，結(jié)果表明，相比較之下，4種方法各有千秋，使用情況各異，因此在實(shí)際作業(yè)中不能拘泥于一類方法，應(yīng)相互結(jié)合才能達(dá)到事半功倍的效果。

關(guān)鍵詞：地理國(guó)情普查 道路信息提取 監(jiān)督分類 ArcGIS

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（b）-0001-02

開展地理國(guó)情普查是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段的必然要求，也是測(cè)繪地理信息部門順應(yīng)時(shí)代需求、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。按照相關(guān)規(guī)定與方案，地理國(guó)情普查要求以覆蓋全國(guó)陸地國(guó)土的、分辨率優(yōu)于1m的多源航空航天遙感影像數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源進(jìn)行信息提取。顯然，基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地理國(guó)情普查有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，比如宏觀、動(dòng)態(tài)、便捷、可重復(fù)和成本低等。

遙感影像中道路是非常重要的基礎(chǔ)地理信息，它的識(shí)別和精確定位對(duì)GIS數(shù)據(jù)獲取、影像理解、制圖，以及作為其他目標(biāo)的參照體都有深遠(yuǎn)的意義。在地理國(guó)情普查中，道路作為地表覆蓋數(shù)據(jù)的重要要素，其提取方法與技術(shù)流程成為眾多作業(yè)單位研究的重點(diǎn)，在以往的相關(guān)項(xiàng)目中，經(jīng)常會(huì)遇到類似道路預(yù)判困難等諸類問題，這些問題不僅干擾了內(nèi)業(yè)工作的有序進(jìn)行，而且也為外業(yè)施測(cè)帶來了諸多不便，因此，基于地理國(guó)情普查的高分辨率遙感影像的道路提取方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 道路基本特征獲取與模型構(gòu)建

從道路在遙感影像上的形態(tài)特征以及光譜特征可以看出：地理國(guó)情普查所應(yīng)用的高分辨率影像的道路表現(xiàn)為灰度及幾何特征變化緩慢的狹長(zhǎng)區(qū)域，其幾何特征、輻射特征主要從其長(zhǎng)寬比、彎曲度、亮度、拓?fù)潢P(guān)系等方面有所體現(xiàn)。

通常選取以下幾個(gè)特征構(gòu)建提取道路的指標(biāo)規(guī)則：灰度均值、NDVI、不對(duì)稱性、密度、長(zhǎng)寬比等。

其中影像的分割是上述各指標(biāo)進(jìn)行分類的關(guān)鍵，在實(shí)際國(guó)情普查作業(yè)中利用eCognition的多尺度分割可以為分類起到事半功倍的效果。

不同的遙感影像道路提取方法，由于側(cè)重不同，其提取流程也存在著差異。多數(shù)情況下，遙感影像道路信息提取框架模型可分為5個(gè)過程（如圖1所示）。

2 基于地理國(guó)情普查高分辨率遙感影像的道路提取方法研究與實(shí)踐

在地理國(guó)情普查中，地表覆蓋數(shù)據(jù)是表達(dá)與自然資源環(huán)境相關(guān)的地形地貌、植被覆蓋、水域、荒漠與裸露地表等地理要素的類別、位置、范圍等特征，并掌握其空間分布狀態(tài)。道路作為與人類活動(dòng)息息相關(guān)的要素，既體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，又能為分析統(tǒng)計(jì)其他要素的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力提供參考。筆者在國(guó)情普查作業(yè)中，進(jìn)行了一系列的研究與實(shí)驗(yàn)，歸結(jié)出以下基于地理國(guó)情普查高分辨率遙感影像的道路提取方法。

2.1 基于監(jiān)督分類的道路提取

監(jiān)督分類方法是國(guó)情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)制作中針對(duì)地類情況較為簡(jiǎn)單的特殊情況采取的分類方法，其依賴于分割尺度的選取與采集樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)與特征，具有分類速度快的特點(diǎn)，但針對(duì)地類復(fù)雜的情況，其分類精度一般，易出現(xiàn)錯(cuò)分的情況。在國(guó)情普查任務(wù)中，新疆戈壁區(qū)域采取此方法提取道路取得了良好的效果。

2.2 基于道路特征指數(shù)構(gòu)建規(guī)則的道路提取

基于道路特征指數(shù)構(gòu)建規(guī)則的道路提取是利用道路基本特征、指數(shù)信息，以及輔助信息，構(gòu)建道路信息的評(píng)定規(guī)則，設(shè)置各規(guī)則的參數(shù)閾值，進(jìn)行道路信息提取，主要包括：灰度平均值、NDVI、密度、長(zhǎng)寬比、面積等。

首先，進(jìn)行多尺度分割，設(shè)置合理的分割尺度、形狀因子及緊致度，保證道路形狀與邊緣的連續(xù)與清晰；其次，進(jìn)行“潛在道路”的粗提取，主要利用灰度值及長(zhǎng)寬比因子，而后根據(jù)NDVI指數(shù)進(jìn)行植被的剔除，并將不相鄰要素去除；再次，對(duì)“潛在道路”進(jìn)行優(yōu)化，可對(duì)目標(biāo)影像進(jìn)行二次分割，根據(jù)DN值去除陰影，同時(shí)根據(jù)邊界指數(shù)、長(zhǎng)寬比等去除建筑物；最后，對(duì)上述成果進(jìn)行形狀修補(bǔ)與再次優(yōu)化。

此類方法在實(shí)際操作中對(duì)編寫規(guī)則集的開發(fā)人員要求較高，需具備較強(qiáng)的遙感理論知識(shí)與豐富的解譯經(jīng)驗(yàn)，在操作中解譯規(guī)則集的制定至關(guān)重要。此類方法適用于影像光譜差異明顯、實(shí)地地類較復(fù)雜的情況，此外，此類方法對(duì)道路提取存在較多內(nèi)點(diǎn)，不宜進(jìn)行編輯整理。

2.3 基于ArcGIS緩沖功能的道路提取

ArcGIS以其強(qiáng)大的編輯功能與實(shí)用性，已經(jīng)在地理信息產(chǎn)業(yè)中起到舉足輕重的作用，在地理國(guó)情普查中，國(guó)情要素的采集便依靠此軟件。

在實(shí)際作業(yè)中，作者活學(xué)活用地結(jié)合了地理國(guó)情普查要素中已經(jīng)采集好的公路、鐵路線劃，利用ArcGIS緩沖功能自動(dòng)生成地表覆蓋數(shù)據(jù)所需要的路面要素，由于公路、鐵路具有等寬的特性，此功能的運(yùn)用大大提高了生產(chǎn)效率，僅需對(duì)特殊路段進(jìn)行處理便可達(dá)到預(yù)期目的，圖2為實(shí)際操作的案例。

2.4 基于先驗(yàn)值的道路提取方法

道路是在地理國(guó)情普查中較難區(qū)分的要素，因?yàn)榕c之相近的要素較多，比如硬化平地、狹長(zhǎng)分布的房屋等，均會(huì)出現(xiàn)“同譜異物”或“同物異譜”的現(xiàn)象，因此在實(shí)際作業(yè)中通過建立先驗(yàn)值的方式進(jìn)行了道路的提取實(shí)驗(yàn)，此方法避免了大量的編輯工作，已在地理國(guó)情普查試點(diǎn)工作中得以推廣。具體規(guī)則制定可參照以下3條：（1）邊線緩沖，采集邊線進(jìn)行分割，兩邊線間地類較狹長(zhǎng)，按長(zhǎng)寬比分類0.7左右進(jìn)行提取；（2）中線緩沖且周邊明亮度較高的為道路；（3）ArcGIS中采集中線利用緩沖生成面之后直接參與分割分類。

這里采取道路參與分割后根據(jù)矢量專題層對(duì)道路賦類及利用道路在遙感影像上細(xì)長(zhǎng)的特征進(jìn)行提取，提取結(jié)果如圖3所示。

可以看出此類方法進(jìn)行道路的提取更適用于地理國(guó)情普查中地表覆蓋制作的要求。

3 結(jié)語

本文結(jié)合作者在地理國(guó)情普查中地表覆蓋道路提取的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)道路的提取方法進(jìn)行了歸納及總結(jié)，并提出了適用于地理國(guó)情普查任務(wù)中道路提取的方法。相比較之下，4種方法各有千秋，使用情況各異，因此在實(shí)際作業(yè)中不能拘泥于一類方法，應(yīng)相互結(jié)合才能達(dá)到事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫雅思.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)地表覆蓋數(shù)據(jù)易混淆地物區(qū)分 [J].科技資訊，2014（30）：26-27.

[2] 雷德容.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)與基礎(chǔ)測(cè)繪等關(guān)系的再思考[J]. 中國(guó)測(cè)繪，2014（1）：34-37.

[3] 天曉.全力推動(dòng)地理國(guó)情普查取得初步成效[J].中國(guó)測(cè) 繪，2014（4）：6-7.

[4] 馬春靜，任曉燁.地理國(guó)情普查在路上[J].中國(guó)測(cè)繪，2014（4）：8-13.

[5] 趙文郁.鮮花再度盛開的山崗——無人機(jī)外業(yè)巡檢系統(tǒng)首次應(yīng)用于地理國(guó)情專項(xiàng)監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)測(cè)繪，2014（4）：18-21.

[6] 馬紅.順勢(shì)而為，廣闊天空有所作為——地理國(guó)情監(jiān)測(cè)助推重慶兩江新區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)[J].中國(guó)測(cè)繪，2014（4）：24-27.endprint