基于遙感影像變化檢測(cè)的土地調(diào)查監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

劉彥 鄧瀟瀟 吳安

摘 要：遙感影像變化檢測(cè)是遙感應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。針對(duì)土地調(diào)查監(jiān)測(cè)工作，運(yùn)用遙感影像變化檢測(cè)方法，基于不同源衛(wèi)星數(shù)據(jù)（Worldview-2、天繪）和同源衛(wèi)星數(shù)據(jù)（高分一號(hào)），分別對(duì)湖南省兩區(qū)片地表覆蓋物進(jìn)行了不同時(shí)點(diǎn)地類(lèi)變化的檢測(cè)，完成了面積合計(jì)34平方千米范圍內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)變化分析，并通過(guò)外業(yè)實(shí)地考察核準(zhǔn)了變化檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)果顯示遙感影像變化檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)的地類(lèi)變化識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)80%以上，從而證明了該方法在土地監(jiān)測(cè)調(diào)查工作中的可行性。

關(guān)鍵詞：遙感影像 變化檢測(cè) 地類(lèi)變化 土地調(diào)查監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

遙感圖像的變化檢測(cè)是指對(duì)同一地區(qū)、不同時(shí)間所獲取的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行其差異性的提取和分析的過(guò)程，包括分析其地表發(fā)生變化的表現(xiàn)以及產(chǎn)生的差異等。遙感圖像變化檢測(cè)技術(shù)涵蓋相關(guān)的知識(shí)理論面極廣，其圖像處理的過(guò)程比較復(fù)雜繁瑣。

在第二次全國(guó)土地調(diào)查過(guò)去將近八年之后，第三次全國(guó)土地調(diào)查工作已經(jīng)日趨臨近。遙感影像變化檢測(cè)方法很好地符合了土地調(diào)查監(jiān)測(cè)的工作要求。利用普查時(shí)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)兩個(gè)時(shí)期的影像完成變化檢測(cè)，基于自動(dòng)變化檢測(cè)結(jié)果開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，將能夠提高內(nèi)業(yè)判讀效率，尤其是針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)地類(lèi)的核準(zhǔn)；并且遙感影像變化檢測(cè)的介入可以有效指導(dǎo)外業(yè)核查工作，內(nèi)外業(yè)結(jié)合大大減少工作量，提升土地調(diào)查監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。本文運(yùn)用遙感影像變化檢測(cè)方法對(duì)湖南某區(qū)片進(jìn)行了地類(lèi)變化分析，并輔以外業(yè)實(shí)地核準(zhǔn)，評(píng)估了該方法用于土地調(diào)查監(jiān)測(cè)工作的可行性。

1 基本原理

從數(shù)據(jù)的輸入到輸出結(jié)果，完整的變化檢測(cè)處理過(guò)程的主要是由遙感圖像的選取、預(yù)處理、提取差異信息、差異評(píng)定等一些方面內(nèi)容組成，結(jié)合普查與監(jiān)測(cè)兩個(gè)時(shí)點(diǎn)的遙感影像變化檢測(cè)方法流程如圖1所示。首先，利用前期普查成果和同時(shí)期的影像數(shù)據(jù)，以及獲取的監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)的后時(shí)相影像數(shù)據(jù)，利用遙感影像處理和分析軟件，進(jìn)行前后兩時(shí)相影像預(yù)處理、影像分割、變化檢測(cè)、合并圖斑、剔除噪聲等處理流程，并輸出變化檢測(cè)結(jié)果；然后，利用前期普查成果和變化檢測(cè)結(jié)果文件，同時(shí)結(jié)合收集、整理的多行業(yè)專(zhuān)題數(shù)據(jù)，對(duì)變化情況進(jìn)行總體分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)的實(shí)施方案提出的技術(shù)路線，確定需要更新的區(qū)域和更新內(nèi)容，對(duì)不能確定的變化類(lèi)型，進(jìn)行外業(yè)核查，對(duì)內(nèi)業(yè)判讀確定的圖斑，按照一定比例進(jìn)行外業(yè)核查；最終結(jié)合外業(yè)調(diào)查與核查結(jié)果，進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)編輯及整理，形成符合入庫(kù)要求的監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括影像增強(qiáng)、幾何較正、輻射較正、影像鑲嵌等。

幾何校正：在獲取衛(wèi)星影像時(shí)，由于衛(wèi)星影像覆蓋范圍大，所以受到地球曲率、傳感器高度等一些因素的影響產(chǎn)生幾何畸變，因而進(jìn)行變化檢測(cè)處理與分析時(shí)就需要對(duì)選取的目標(biāo)遙感圖像展開(kāi)幾何校正，也就是把發(fā)生幾何畸變的圖像進(jìn)行處理更正使之成為合適的，并且也要找到處理后此合適圖像中的每個(gè)像元的亮度值。

幾何配準(zhǔn)：是利用同一地區(qū)的一幅圖像對(duì)該地區(qū)的另外一幅圖像的校準(zhǔn)，以求使得 2 幅圖像中的相同空間位置處的像素能夠配準(zhǔn)。通常遙感圖像變化檢測(cè)在進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí)往往把為變化區(qū)域作為配準(zhǔn)依據(jù)，配準(zhǔn)和檢測(cè)同步進(jìn)行，這樣可以減少誤差的累計(jì)，使檢測(cè)精度得到相對(duì)提高。

輻射校正：通常我們?cè)谶M(jìn)行變化檢測(cè)之前，首先要對(duì)遙感圖像實(shí)行輻射的預(yù)處理，在雷達(dá)成像時(shí)由于大氣狀況、太陽(yáng)高度角、傳感器參數(shù)和地形的不同等，會(huì)使同一地區(qū)、不同時(shí)相的影像形成在輻射方面的有所差異。

圖像增強(qiáng)：由于圖像的獲取與傳輸過(guò)程易受到外界因素的影響，往往使得圖像不甚理想，給后續(xù)的處理造成一定不便，因此圖像預(yù)處理階段是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)便是圖像增強(qiáng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)的就是為了某種特性的應(yīng)用對(duì)圖像進(jìn)行加工，如濾除噪聲，增強(qiáng)邊緣和細(xì)節(jié)，改善視覺(jué)效果等。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果處理與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析方法

為合理評(píng)價(jià)遙感影像變化檢測(cè)方法的適用性，本文分別選取了兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析：（1）以分辨率0.5米的Worldview-2衛(wèi)星影像為前時(shí)相測(cè)試數(shù)據(jù)（2012年9月），以分辨率為2米的天繪衛(wèi)星影像為后時(shí)相驗(yàn)證數(shù)據(jù)（2015年4月）；（2）以分辨率為2米的高分一號(hào)衛(wèi)星影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，前時(shí)相測(cè)試數(shù)據(jù)為2014年10月，后時(shí)相驗(yàn)證數(shù)據(jù)為2015年3月。衛(wèi)星影像區(qū)域均為湖南省某市縣區(qū)域，前一組影像數(shù)據(jù)屬城鄉(xiāng)結(jié)合部，面積約為24平方千米；后一組影像數(shù)據(jù)屬連片開(kāi)發(fā)建設(shè)區(qū)域，面積為10平方千米。運(yùn)用遙感影像變化檢測(cè)方法前，所有的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)均統(tǒng)一為2米分辨率和3波段的RGB真彩色。

遙感影像變化檢測(cè)一般分為兩種方式：（1）直接法，同一區(qū)域不同時(shí)相遙感影像的光譜信息進(jìn)行處理比較，進(jìn)而確定變化的位置與范圍，優(yōu)點(diǎn)在于直接確定變化的位置，避免大范圍分類(lèi)，提高了檢測(cè)效率[3]；（2）一種是先分類(lèi)再進(jìn)行變化檢測(cè)，該方法的檢測(cè)結(jié)果為兩個(gè)時(shí)相分類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后生成的變化圖，其精度只大致相當(dāng)于每個(gè)時(shí)相分類(lèi)精度值的乘積，每一單獨(dú)分類(lèi)中的誤差會(huì)在空間比較過(guò)程中被進(jìn)一步放大[3]。因此，本文采用直接法進(jìn)行兩時(shí)相遙感影像的變化檢測(cè)，所有的影像處理分析均采用ENVI 5.0軟件，檢測(cè)操作包括波段差計(jì)算、聚類(lèi)小圖斑、平滑核心圖斑、剔除噪聲圖斑等，具體結(jié)果如圖2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖2可以看出，對(duì)于不同影像數(shù)據(jù)源的檢測(cè)，其主要為建筑物變化，其次為構(gòu)筑物、植被等少量變化；而對(duì)于同一影像數(shù)據(jù)源的檢測(cè)，主要變化為建筑物和灘涂。為更準(zhǔn)確地驗(yàn)證變化檢測(cè)精度，我們對(duì)檢測(cè)區(qū)域重要地物進(jìn)行了全野外實(shí)地核查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，基于衛(wèi)星遙感影像變化檢測(cè)的識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)80%以上，基本能夠達(dá)到土地調(diào)查監(jiān)測(cè)更新要求。對(duì)于自然地物、水系與人工地物發(fā)生的變化，變化檢測(cè)結(jié)果較為理想；但對(duì)于裸地和建筑物之間發(fā)生的變化，不易區(qū)分，這是由于二者在影像特征上表現(xiàn)出的極高相似度；對(duì)于構(gòu)筑物的變化，存在邊界提取不完整的現(xiàn)象，一定程度上造成了識(shí)別上的困難。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)同源與非同源的影像數(shù)據(jù)，在變化檢測(cè)識(shí)別的準(zhǔn)確度上差別不大，而且共同表現(xiàn)為構(gòu)筑物識(shí)別上的困難。雖然在計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯過(guò)程中，結(jié)合了目視解譯輔助（如圖1流程圖），但由于人工操作經(jīng)驗(yàn)的差異，仍然會(huì)不可避免地出現(xiàn)一定數(shù)量的誤判，這也是影像準(zhǔn)確率的一個(gè)重要原因。除此以外，遙感影像變化檢測(cè)識(shí)別準(zhǔn)確度還取決于影像的精度、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量等因素，采用相同數(shù)據(jù)源及優(yōu)化預(yù)處理過(guò)程將有可能提高檢測(cè)精度。

3 結(jié)論

在圖像處理領(lǐng)域中，常常涉及到的熱點(diǎn)問(wèn)題之一便是遙感圖像的處理技術(shù)問(wèn)題。遙感圖像含有非常豐富的信息，為人類(lèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等多種現(xiàn)象和問(wèn)題可以提供很大的信息，然而遙感圖像卻容易受到傳感器性能、光照條件和外界噪聲的影響，存在對(duì)比度低，清晰度差，細(xì)節(jié)信息不明顯等問(wèn)題。因此廣大研究學(xué)者對(duì)圖像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究。如今，圖像變化檢測(cè)技術(shù)早就被廣泛地應(yīng)用到了國(guó)計(jì)民生的各個(gè)不同領(lǐng)域中去，因此關(guān)于變化檢測(cè)的研究具有極為重要的意義。

本文研究結(jié)果顯示，采用遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)對(duì)普查區(qū)域進(jìn)行變化檢測(cè)，根據(jù)變化檢測(cè)結(jié)果確定監(jiān)測(cè)工作方案，更新地表覆蓋和土地利用要素的技術(shù)流程是可行的。與常規(guī)的通過(guò)人工過(guò)屏比對(duì)、毫無(wú)目的性的全面檢測(cè)變化區(qū)域的方式相比，基于遙感影像變化檢測(cè)技術(shù)的變化更新方法，為監(jiān)測(cè)工作提供了具有針對(duì)性的指導(dǎo)作用，即在影像變化檢測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行更新發(fā)現(xiàn)，確定更新方式及更新內(nèi)容。這種監(jiān)測(cè)更新方法可以有效避免人工逐屏比對(duì)產(chǎn)生的遺漏，幫助發(fā)現(xiàn)一定量尚未被識(shí)別的變化區(qū)域，減少人工判讀造成的丟漏，在一定程度上保證了匯交成果的可靠性、準(zhǔn)確性；同時(shí)，節(jié)省了人工比對(duì)發(fā)現(xiàn)變化的時(shí)間，提高了工作效率。

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