第三次全國土地調查遙感影像質量評價方法研究

李天

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110000)

1 引 言

土地調查是一項重大的國情國力調查，是查實查清土地資源的重要手段。開展第三次全國土地調查(以下簡稱三調)，目的是在全國范圍內利用遙感、測繪、地理信息、互聯網等技術，統籌利用現有資料，以正射影像圖為基礎，全面查清當前全國土地利用狀況，掌握真實準確的土地基礎數據，滿足經濟社會發展和國土資源管理工作需要[1]。

遙感影像是三調工作重要的基礎數據和成果。因此，根據三調工作內容來綜合評價遙感影像質量，一方面可以在數據處理過程中有針對性地對其進行改善和控制，以提高影像質量；另一方面，可以根據三調工作需要選擇高質量數據源，減少不必要的數據處理工作量，這對提高三調的工作效率和成果質量水平具有相當重要的意義。

2 遙感影像質量綜合評價

對于遙感影像而言，大多數影響影像質量的因素或多或少都具有模糊性，因此采用模糊綜合評價法可以得到較為合理的評價結果。

2.1 模糊綜合評價結構

以對圖像的評價為例，可以從亮度、對比度、清晰度等因素進行考慮，在評判時，對每個因素可以分幾個等級進行判斷，如好、一般、不好等。可記為：

U={亮度(u1)，對比度(u2)，清晰度(u3)}；

V={很好(v1)，一般(v2)，不好(v3)}；

這里，稱U為評價因素論域，V為評語等級。設U={u1，u2，…，um}，V={v1，v2，…，vn}，則有m個模糊評價向量，構成一個m×n階的模糊評價矩陣[2]：

(1)

設評價指標的模糊權向量為W={w1，w2，…，wm}，則經式(2)的合成運算可得模糊綜合評價結果：

W×R=B

(2)

式中，B={b1，b2，…，bm}是某一個參評單位的模糊合成向量，它的各個元素是各指標對于評價等級的隸屬度，“·”是合成算子。

從上例可以看出，模糊綜合評價包含6個基本要素[3]：①評價因素論域U。U代表綜合評價中各評價因素所組成的集合；②評語等級論域V。V代表綜合評價中評語所組成的集合。它實際是對被評事物變化區間的一個劃分；③模糊關系矩陣R，R是單因素評價的，模糊綜合評價所綜合的對象正是R；④評價因素權向量W。W代表評價因素在被評事物中的相對重要程度，它在綜合評價中用來對R作加權處理；⑤合成算子。合成算子指W與R所用的計算方法；⑥評價結果向量B，它是對每個被評價對象綜合狀況分等級的程度描述。

2.2 遙感影像質量評價模型

(1)指標體系分析

根據《第三次全國土地調查實施方案》(國土調查辦發〔2018〕3號)可以得知，遙感影像主要用于土地利用現狀調查，包括用于內業圖斑分類判讀、圖斑邊界勾繪，這些圖像解譯[4]方法的本質都是基于影像的光譜特征(也就是灰度特征)。

遙感影像在傳輸的過程中由于各種外界因素或傳感器的影響會造成灰度特征的失真。通常，遙感影像的失真主要變現為噪聲和模糊。噪聲計算采用基于邊緣塊剔出的局部均值與局部標準差法[5]，可以降低地物覆蓋復雜性對算法的影響。模糊度采用一種改進的基于邊緣銳度的模糊測度方法[6]，該算法基本不受圖像內容的影響，檢測精度較高，而且運算速度較快。當影像不存在失真的時候，即噪聲和模糊度可以忽略時，影像灰度的反差便成為影響目標提取的重要因素。這里選用方差[7]作為描述影像反差的指標。灰度方差反映了影像灰度的層次信息，計算公式為：

(3)

其中，m、n為影像高度和寬度，f(i，j)為影像某點的灰度值，μ為影像的灰度均值。

綜上分析，本文采用噪聲、模糊度和方差一起構成綜合評價模型的評價因素集。

(2)評語等級論域的組成

確定評語等級論域的方法比較簡單，主要是解決兩個問題，一是劃分多少個等級，二是如何設置這些等級。本文根據遙感影像在三調工作中的適用水平設為三個等級：①“好”，表示影像用于三調目標提取工作的效果好；②“適用”，表示影像用于三調目標提取工作的效果一般，但通過相應的處理可能得到較好的效果；③“較差”，表示影像質量較差，不適于用來三調的目標提取工作。

(3)隸屬函數的確定

在模糊評價中，隸屬函數[8]是因素集中元素對各評語等級“隸屬”程度的分布情況，隸屬度是利用隸屬函數計算得出的，選擇適當的隸屬函數，是模糊綜合評價的基礎[9]。

在研究遙感影像質量評價模型中，噪聲、模糊度指標都是與影像質量成反比關系的，即它們的增大都會造成影像質量的下降，反之亦然。各等級隸屬度函數均采用梯形函數的形式，設計各等級隸屬函數如下：

(4)

其中，a、b、c分別為相應的等級分界值，x為評價指標值。但方差不同于噪聲和模糊度對圖像解譯的影響：方差越大，圖像解譯精度越高，方差越小，圖像解譯精度越低，因而方差的隸屬函數如式(4)～(7)所示。

(5)

本文首先收集大量不同質量的遙感影像，然后對每一幅影像針對某一指標進行不同程度的降質處理，將處理后的影像劃分成一組，再對每一組影像進行質量評價，逐個分析各項指標對影像質量的影響(如圖1、圖2、圖3所示)，最后通過統計分析確定各項指標等級分界值(即隸屬函數參數)為：①噪聲：a=7，b=12，c=20；②模糊度：a=3，b=5，c=9；③方差：a=2500，b=800，c=230。

圖1噪聲對影像質量的影響統計

圖2 模糊度對影像質量的影響統計

圖3 方差對影像質量的影響統計

(4)權數的確定

遙感影像與環境問題類似，當任何一項評價指標值嚴重超標時，即使其他評價指標值處于很好的范圍，影像總體質量還是會很差，所以對于遙感影像，要根據各項指標值的變化而自動調整權數，也就是“變權方法”[10]。噪聲和模糊度的權數采用式(6)的形式來計算。

(6)

式中，xi為第i項指標的估計值，ci為第i項指標在“較差”等級上的分界值。

另外，方差的權數計算方法與噪聲和模糊度正好相反，公式為：

(7)

式中，xj為第j項指標的估計值，cj為第j項指標在“較差”等級上的分界值。

用上式計算出各項指標的權數以后，再進行歸一化式(8)，即為比重權數。

wj=rj/∑ri，(i=1，2，……，K)

(8)

i為指標序號，K為指標個數。

權數確定后，就要確定合成算子。為了保證綜合評價隸屬度與分項指標等級隸屬度的偏差平方和最小，本文采用加權算術平均合成法，即M(?，+)型合成算子[11]。

最后，對計算出的合成結果，按照最大隸屬原則(式8)確定最終質量等級。

Q=MAX(B1，B2，B3)

(8)

式中：Bi為不同等級隸屬度所對應的評語等級。

3 實例分析

采用上面建立的遙感影像質量評價模型設計開發了評價程序，以驗證評價模型的合理性。本文收集了8幅準備用于三調工作的遙感影像進行綜合評價實驗，實驗影像為高分二號衛星影像，地面分辨率為 0.8 m，部分影像如圖4所示，將這些影像逐一用評價程序進行質量評價，然后與3名質量檢查人員主觀評價的結果進行對比分析，對比結果如表1所示。

圖4方差對影像質量的影響統計結果

三調影像質量評價實驗 表1

從表中可以看出，評價程序的評價結果與檢查員的評價結果基本一致，因而所建立的影像評價模型比較合理，對遙感影像在三調工作中的評價比較適宜。

4 結 語

本文針對遙感影像在三調工作中的應用目的來建立質量評價模型，綜合考慮并量化了多種因素的影響，具有一定的合理性和適用性，可以認為是提高三調的工作效率和成果質量水平的一種新思路。同時，利用軟件程序進行評價，量化程度較高，檢測標準客觀，操作使用簡便。

本文建立的模型可認為是半經驗模型，如何建立應用性強、準確性高的分析模型是今后對遙感影像綜合評價研究的重點和難點。