遙感影像融合在變化監測中的應用研究

鄧潔+劉艷豐

摘 要 本文以現階段開展的地理國情普查和年度土地利用變更調查影像為研究數據，以土地利用數據和林業資源普查等其他專題資料為輔助資料，綜合現有技術，進行地理國情普查地表覆蓋數據和變更調查的動態監測研究、分析可行性研究。并通過項目實踐，總結技術方法和工藝流程，精度評定方法，適用性分析，提出地表覆蓋動態監測規模化生產作業流程，為開展變更調查和常態化地理國情監測奠定基礎。

關鍵詞 地理國情監測；遙感影像融合；變化信息提取；精度評定

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A

Abstract： In this essay， the current research is based on satellite images on national geography investigation and l land use change survey， assisted by the data gained from earth application forestry resources etc.， and this research seeks out feasibility based on current technologies on national geographical earth surface monitoring and land use change survey. Also this research will lay on foundation for carrying out commonality on national geographical monitoring and land use change survey through practice on projects， summarizes on technological methods and processes with precise evaluation and adaptable analyze.

Keywords： geographical condition monitoring；remote sensing image fusion；change information extraction；accuracy evaluation

0 背景和意義

地理國情是重要的基本國情，監測地理國情就是對地理國情進行動態測繪、統計和分析研究，通過監測地理國情動態變化，分析評估地理國情時空特征及其變化發展趨勢，形成權威、標準的地理國情信息產品，為各級政府和全社會服務。

遙感影像融合是一種通過高級影像處理融合多源遙感影像的技術，通過兩個時段的交叉融合會突出變異，有助于監測出變化信息，最大限度利用了多種數據的不同特征。地表覆蓋的監測作為地理國情監測的最重要方面，研究如何利用遙感影像融合技術快速監測并提取變化信息，對于地理國情監測具有重要意義。

1 技術路線

地理國情監測主要涉及到前、后時相影像數據、行業專題數據準備，數據預處理，地表覆蓋變化信息提取，自動與人工結合解譯，調查底圖制作，外業調查，數據編輯，數據入庫，數據檢查，數據庫運行，統計分析等過程，技術流程如圖1所示。

2 試驗及結果分析

2.1 數據概況

本文實驗依托2015年地理國情普查標準時點核準項目，實驗區域選擇湖南省邵陽市武岡市，位于東經110°25′26″～111°01′58″與北緯25°32′42″～25°27′02″之間。境域地形三面環山、中部低平、北向敞口，大體呈南高北低傾斜地勢，地貌以山地、丘陵為主，山、丘、崗、平、水俱全。地貌成因分構造、侵蝕（溶蝕）和堆積地貌等。

前時相影像：資源3號（ZY3），全色影像分辨率為2 m，多光譜分辨率為5 m，現勢性為2013年3月。后時相影像：高分1號（GF1），全色影像分辨率為2 m，多光譜分辨率為8 m，現勢性為2014年12月。

2.2 影像預處理

2.2.1 預處理技術

由于傳感器自身的成像機理以及成像時的環境條件變化（如地形起伏、地球曲率、天氣變化、大氣散射反射等），使所得的圖像數據存在著不同程度的模糊、失真、扭曲變形、斑點噪聲等現象，嚴重降低了影像質量，為以后的處理工作帶來很多的不便。圖像預處理就是在正式融合之前，利用一定的技術手段，消除或削弱不良因素，改善圖像的視覺效果，或將圖像轉變為一種更適合于人或機器分析的形式。圖像預處理主要包括圖像的去噪、圖像的幾何糾正、配準、輻射增強等。

2.2.2 圖像的增強

圖像增強就是采用一定方法對圖像的某些特征（如邊緣、輪廓、對比度等）進行調整，以突出圖像中的某些感興趣的信息，同時抑制或去除某些不需要的信息來提高遙感圖像質量的處理方法[1]。圖像增強可以有選擇地突出感興趣信息，改善圖像質量、提高圖像使用價值，使之更適合人的視覺或機器識別系統[2]。

如圖2是在MATLAB下對影像灰度均衡化增強的直方圖效果對比。

2.2.3 圖像的糾正和配準

幾何糾正包括兩個環節：一是像素坐標的變換，即將圖像坐標轉換為地圖或地面坐標；二是對坐標變換后的像素亮度值進行重采樣。遙感圖像幾何糾正的主要處理過程如圖3所示。

多傳感器遙感影像融合首先要解決配準問題。圖像配準可定義為兩相鄰圖像之間的空間變換和灰度變換，即先將一圖像象素的坐標映射到一個新坐標系中的某一坐標，再對其象素進行重采樣，配準的流程如圖4。

2.3 基于影像融合的地理國情監測圖斑提取

地理國情監測中的影像融合是對監測區內多時相的多光譜影像和全色影像進行融合，提高影像的空間分辨率和光譜分辨率，增強影像的視覺效果；而不同時相影像的交叉融合又會突出影像的變異斑塊，從而方便地監測出變化的區域。目前地理國情監測主要可以分為兩大類，一類是利用不同時相遙感影像變化信息進行監測，另一類是利用單一時相遙感影像和土地利用基礎圖件進行變化信息監測。本文采用的是前一類。

光譜特征變異法是運用多源數據的融合技術，將來自不同傳感器的遙感數據進行融合，變化區域呈現特殊的影像特征的一種方法[3]。同一地物環境在前時相ZY3影像上的光譜信息與其在后時相GF1影像上的光譜信息是一一對應的，影像融合時，可以顯示出地物的正確光譜屬性，但如果兩者信息表現為不一致時，融合后影像的光譜就表現得與正常地物有所差別，此時就稱地物發生了光譜特征變異。

案例1：如圖為武岡市2013年3月ZY3影像和2014年12月GF1多光譜影像，運用ERDAS9.1的IHS變換融合，從影像中很容易看到變異的圖斑。

2.4 基于影像融合的年度變更調查監測圖斑提取

年度土地利用變更調查對于我國國土資源的科學利用和管理具有十分重要的意義，利用遙感影像融合監測技術發現和提取土地利用變更源是保證土地調查數據精確性和現勢性的有效手段。

案例2：如圖為岳陽市君山區2015年12月GF2影像和2016年12月SP6部分影像，運用ERDAS9.1的小波變換融合，融合后的結果如圖10所示。

2.5 變化精度評定

土地利用變更調查由于只監測建設用地的變化，從圖10經過融合后新增的建設用地用肉眼還是很容易辨別出來的，本文重點針對地理國情監測中基礎地表覆蓋各地類分類面積的正確性進行評價。

變化面積精度是指分類圖像中變化的像元和正確變化的像元接近程度。各融合方法的優劣是用變化面積誤差率來評定的，面積誤差率用式1計算[4]。各類的變化面積和實際變化面積和誤差率如表1所示。

×100

（式1）

為了能直觀的看到變化面積的誤差率，用散點圖表示如圖11所示。

2.6 遙感影像融合變化監測適應性分析

地理國情監測是在地理國情普查成果的基礎上，按照地理國情監測的內容與指標，對全國范圍內的地表覆蓋和地理國情要素開展基礎性變化監測，并對變化內容進行數量統計和空間分析，形成地理國情監測報告。其中地表覆蓋尤其重要，綜合表1及圖11可以得出，對于地表覆蓋分類中，水域、道路、建筑區、構筑物等遙感影像融合方法能監測區內的地物特征變化，國情變化監測誤差率相對較小，而地理國情覆蓋年度變化監測中，水域、道路、建筑區、構筑物占變化監測的絕大部分，因此本文研究對于地理國情監測具有重要的意義。

年度土地利用變更調查是國土資源部自2010年后每年利用兩時相（兩個變化年度）的影像，利用影像處理技術并結合目視判讀解譯，獲取年度變化圖斑，提取變化信息。隨著模式識別、計算機的發展，遙感影像融合技術將在變更圖斑提取中發揮越來越重要的作用。

3 結論

隨著遙感技術的發展，遙感影像融合技術作為遙感影像分析的一種有效工具，成為遙感研究的前沿，并得以迅速發展。本文對地理國情監測和年度變更調查中的遙感影像預處理，基于影像融合的地理國情監測圖斑、年度變更調查監測圖斑提取，進行了總結；提出了基于影像融合的地理國情監測方法流程，變化精度評定，并對國情監測和土地變更調查的適用性做了分析總結，為開展常態化地理國情監測和年度變更調查奠定基礎。

參考文獻/References

[1] 陸冬華，趙英俊. 基于改進型Brovey算法的高光譜數據融合技術[J]. 世界核地質科學， 2006， 9（23）：177-178.

[2] F.Sunar and N.Musaoglu. Merging multi-resolution SPOT P and Landsat TM data： the effects and advantages [J]. International Joumal of Remote Sensing， 1998， vol.19，220-223.

[3] 丁軍，王丹，王超鵬等. 利用高分辨率衛星遙感數據進行土地利用動態遙感監測的實踐與認識[J]. 工程勘察， 2005（3）：59-61.

[4] 鄧潔. 遙感影像融合在土地利用變化監測中的應用研究. 碩士論文[D]. 阜新：遼寧工程技術大學， 2009.