基于超像素的高分遙感影像分割算法

向澤君，蔡怤晟，楚 恒，黃 磊

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.重慶郵電大學(xué) 重慶高校市級(jí)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；3.重慶郵電大學(xué) 泛在感知與互聯(lián)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；4.重慶市規(guī)劃局，重慶 401121；5.重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

0 引 言

影像分割在面向?qū)ο笮畔⑻崛『头治鲋衅鹬P(guān)鍵作用，也是遙感影像處理中極為重要的預(yù)處理步驟。其技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，其分割結(jié)果的好壞將直接影響后續(xù)的面向?qū)ο筇崛『头治鯷1,2]。超像素分割是近年來(lái)快速發(fā)展的一種圖像分割方法。目前常用的超像素分割方法有：基于熵率[3]、SEEDS(superpixels extracted via energy-driven sampling)[4]、LSC(linear spectral clustering)[5]、MS(mean shift)[6]和SLIC[7](simple linear iterative clustering)等。董志鵬等[8]通過(guò)超像素與最小生成樹(shù)結(jié)合，以克服影像噪聲對(duì)分割結(jié)果的影響，并平衡影像分割中的過(guò)分割與欠分割現(xiàn)象，從而獲得整體良好的影像分割結(jié)果。肖明虹等[9]對(duì)影像進(jìn)行分割，通過(guò)改變對(duì)象數(shù)目來(lái)獲取多個(gè)不同尺寸大小的超像素區(qū)域，再與多種方法融合疊加，能夠得到較好的檢測(cè)效果，但其只采用了單一的光譜特征。文獻(xiàn)[10]在初始超像素分割后，先通過(guò)光譜特征進(jìn)行局部合并后，再結(jié)合形狀特征進(jìn)一步合并分割區(qū)域，能夠得到不錯(cuò)的分割效果，但是逐步的區(qū)域合并，仍然是通過(guò)單一特征信息單獨(dú)判斷，在單階段過(guò)程中存在誤差。文獻(xiàn)[11]結(jié)合了光譜和形狀特征對(duì)超像素分割圖像進(jìn)行合并，但需要人工設(shè)定初始邊界值，自動(dòng)化程度較低且易受到初始分割圖斑大小影響。

本文提出一種基于超像素的分割算法，通過(guò)計(jì)算初始分割圖斑的同質(zhì)性和異質(zhì)性，并結(jié)合紋理特征和光譜、形狀特征來(lái)對(duì)初始分割結(jié)果進(jìn)行合并，以達(dá)到提高影像分割精度并保持穩(wěn)定性的目的。

1 超像素分割

遙感影像有時(shí)存在顏色偏暗、對(duì)比度不高的問(wèn)題，所以在圖像分割之前，先對(duì)獲取的影像進(jìn)行預(yù)處理。

1.1 對(duì)比度拉伸

線性拉伸是比較常用的調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度的方法，其通過(guò)計(jì)算圖像的像素值然后按照既定的比例變化來(lái)拉伸圖像，達(dá)到調(diào)整對(duì)比度的目的。先得到圖像的直方圖，然后將圖像亮度的閾值設(shè)定為2%，這樣就將圖像低于2%和高于98%的部分去掉以后再進(jìn)行線性拉伸，絕大多數(shù)的異常值都能去除。

1.2 SLIC算法

SLIC具有運(yùn)行速度快，像素塊緊湊整齊，輪廓保持良好，鄰域特征比較容易表達(dá)等特點(diǎn)。本文選用此方法進(jìn)行超像素分割。其通過(guò)計(jì)算像素間的空間距離和色彩距離來(lái)進(jìn)行聚類(lèi)。

距離相似度根據(jù)lab空間和二維坐標(biāo)計(jì)算，定義如下

(1)

(2)

(3)

其中，dc表示lab顏色空間中像素點(diǎn)之間的差異，dij表示兩點(diǎn)之間的位置差異。S是兩個(gè)種子點(diǎn)之間的距離。D表示像素之間的相似程度，其中m是一個(gè)常數(shù)，表示顏色和位置之間的重要程度，m越大，則超像素的分塊效果越均勻緊湊。

1.3 對(duì)象間的一致性

文獻(xiàn)[12]綜合對(duì)象間的同質(zhì)性和異質(zhì)性，通過(guò)光譜均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)計(jì)算其分割質(zhì)量，以達(dá)到最優(yōu)分割效果。

同質(zhì)性：通過(guò)計(jì)算各個(gè)超像素內(nèi)部的光譜標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表達(dá)其同質(zhì)性

(4)

其中，Nk表示超像素k的內(nèi)部所含像元個(gè)數(shù)；vk表示第k個(gè)超像素的標(biāo)準(zhǔn)差；n為初始影像分割時(shí)超像素的總個(gè)數(shù)，f表示超像素內(nèi)部的同質(zhì)性。

異質(zhì)性：Moran’s 指數(shù)[13]是一種能夠表示超像素之間異質(zhì)性的指數(shù)。通過(guò)計(jì)算鄰接超像素之間的光譜均值來(lái)判斷其相關(guān)性，計(jì)算公式如下

(5)

2 本文算法

2.1 特征提取

針對(duì)不同地物光譜具有很大的相似性，存在“同譜異物”和“同物異譜”的問(wèn)題，本文在原一致性算法僅考慮光譜特征的基礎(chǔ)上，再加入紋理均值、標(biāo)準(zhǔn)差、形狀的長(zhǎng)寬比和面積等4個(gè)特征信息作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.1 紋理特征

灰度共生矩陣(grey level co-occurrence matrix，GLCM)是通過(guò)計(jì)算圖像灰度的空間相關(guān)性來(lái)描述紋理特征的。標(biāo)準(zhǔn)差是對(duì)影像的像素值和全局均值偏差的度量，能夠在一定程度上類(lèi)似于對(duì)比度和非相似性。建立一個(gè)正方形矩陣P，公式如下

(6)

(7)

其中，Mi,j表示紋理特征的均值，S表示標(biāo)準(zhǔn)差；n表示影像的最大灰度級(jí)數(shù)；Pi,j表示在矩陣中的位置；m為影像的總像素個(gè)數(shù)。

2.1.2 形狀特征

長(zhǎng)寬比：影像中道路表現(xiàn)具有明顯的形狀特征，使用長(zhǎng)寬比能較好的描述道路與建筑之間的差異。通過(guò)計(jì)算區(qū)域?qū)ο蟮淖钚⊥饨泳匦蔚拈L(zhǎng)度與寬度比R來(lái)近似區(qū)域?qū)ο蟮拈L(zhǎng)寬比

(8)

其中，L為外接矩形的長(zhǎng)；W為外接矩形的寬。

面積：不同超像素中包含的地物類(lèi)別不同，像元個(gè)數(shù)也不同。在一幅影像圖中，默認(rèn)一個(gè)像素的面積為1。越大的超像素所占比例越大，在合并時(shí)加入面積特征能夠增強(qiáng)不同超像素之間的穩(wěn)定性

(9)

2.2 多特征綜合

將以上4種特征結(jié)合光譜均值和標(biāo)準(zhǔn)差，組成一個(gè)特征向量空間：CT=(v,y,S,M,R,A)。 為避免不同特征向量之間數(shù)值大小的影響，方便對(duì)比計(jì)算，對(duì)各特征分配相同的權(quán)重并進(jìn)行歸一化處理，使結(jié)果位于 (0,100) 之間

(10)

其中，XN表示歸一化后的特征向量；x表示單一特征值；xmax為該類(lèi)特征值的最大值，xmin為最小值。

2.3 改進(jìn)對(duì)象一致性算法

將融合后的特征向量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)加入到式(4)和式(5)中

(11)

(12)

2.4 對(duì)象合并策略

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，采用式(13)為分割質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算公式如下

F(f,I)=υF(f)+(1-υ)F(I)

(13)

其中，F(xiàn)(f) 表示超像素的同質(zhì)性，F(xiàn)(I) 表示異質(zhì)性。υ表示同質(zhì)性所占權(quán)重，1-υ表示異質(zhì)性所占權(quán)重，范圍在0到1之間。

將改進(jìn)后的異質(zhì)性和同質(zhì)性評(píng)價(jià)函數(shù)代入式(13)中，作為全局評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。并對(duì)F(f) 和F(I) 進(jìn)行歸一化處理，公式如下

(14)

(15)

其中，fmax和fmin表示超像素同質(zhì)性的最大值和最小值；Imax和Imin表示異質(zhì)性的最大值和最小值。

為了得到最優(yōu)分割效果，理想情況下最優(yōu)效果即對(duì)象間異質(zhì)性較大，且對(duì)象內(nèi)部同質(zhì)性較大；以此為目標(biāo)建立如下算法流程：①設(shè)置分割種子數(shù)，得到初始分割結(jié)果；②按照異質(zhì)性最大的原則，計(jì)算相鄰超像素之間的異質(zhì)性，合并異質(zhì)性最小的兩個(gè)超像素；③每次合并后，計(jì)算合并后區(qū)域異質(zhì)性與其內(nèi)部同質(zhì)性，得到新的F1(f,I)，若小于原始的F(f,I)，則保留合并區(qū)域，形成新的分割區(qū)域，反之返回步驟②；④第t+1次的合并是在第t次合并的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，直至合并后所有的全局最優(yōu)尺度函數(shù)達(dá)到最大值，或者所有的區(qū)域都合并完畢，則停止合并。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文采用重慶某地的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行分割實(shí)驗(yàn)，分辨率為1.0 m，像素為644×413，由R(630 nm-690 nm)、B(450 nm-510 nm)、G(510 nm-580 nm)組成的顏色空間表示。

本次實(shí)驗(yàn)在CPU：Inter i7，內(nèi)存：16 GB，操作系統(tǒng)：Window10，Matlab R2014a平臺(tái)上操作。在進(jìn)行圖像預(yù)處理后，對(duì)影像進(jìn)行SLIC超像素分割,得到初始分割結(jié)果如圖1所示。

圖1 SLIC超像素分割

該分割算法能夠較好的分割影像，形成邊緣清晰，同質(zhì)性高的均勻像素塊，直觀體現(xiàn)了較為清晰的紋理特點(diǎn)。通過(guò)改進(jìn)的策略對(duì)初始分割結(jié)果進(jìn)行合并，調(diào)整υ的權(quán)重得到最優(yōu)分割效果如圖2～圖4所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)一υ=0.5分割效果

圖3 實(shí)驗(yàn)一υ=0.6分割效果

圖4 實(shí)驗(yàn)一υ=0.7分割效果

圖1地物細(xì)節(jié)較少，且地物分布均勻規(guī)則。通過(guò)調(diào)整υ權(quán)重：如圖2所示，當(dāng)異質(zhì)性權(quán)重較大時(shí)，則分割尺度較小，地圖類(lèi)別較為突顯，同類(lèi)別地物易出現(xiàn)過(guò)分割現(xiàn)象；如圖4所示，當(dāng)同質(zhì)性占權(quán)重大時(shí)，異質(zhì)性權(quán)重小，則影像分割尺度較大，不易產(chǎn)生過(guò)分割現(xiàn)象，類(lèi)別區(qū)分較為清晰。

將本文算法與其它3種方法進(jìn)行對(duì)比分析：圖5(b)多尺度分割方法；圖5(c)最優(yōu)尺度算法；圖5(d)本文算法。其中圖5(b)中多尺度分割通過(guò)eCognition軟件實(shí)現(xiàn)，分割尺度=100，形狀因子=0.2，光譜因子=0.7。圖5(c)中最優(yōu)分割數(shù)為64；本文算法權(quán)重參數(shù)υ為0.6。

圖5 不同方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果(一)

從直觀的視覺(jué)效果來(lái)分析，圖5(b)多尺度分割的方法的邊緣破碎較為嚴(yán)重，道路提取不完整，部分植被被錯(cuò)分成了道路，部分房屋和土地相混淆，存在誤分錯(cuò)分和過(guò)分割的現(xiàn)象。圖5(c)中通過(guò)計(jì)算對(duì)象的同質(zhì)性和異質(zhì)性，得到最優(yōu)分割個(gè)數(shù)算法雖然取得的分割效果稍好，形狀基本完整但是在背景影像中存在一些過(guò)分割的現(xiàn)象，受光照因素影響，道路和土地中一些個(gè)體對(duì)象類(lèi)別被突出表示，且道路和建筑存在過(guò)分割和誤分情況。而在圖5(d)本文方法中，分割效果明顯優(yōu)于前兩項(xiàng)，分割邊緣較為清晰，細(xì)節(jié)丟失較少，將同一類(lèi)別中因光譜異變點(diǎn)剔除，區(qū)域之間類(lèi)別能夠明顯區(qū)分。且因加入紋理特征，對(duì)陰影和建筑接觸的位置也能達(dá)到較好的分割效果。

客觀評(píng)價(jià)：本文通過(guò)將分割圖像得到的圖斑進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比，將分割區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)實(shí)際分割所含像元個(gè)數(shù)與實(shí)驗(yàn)分割圖中所含像素個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，求其混淆矩，計(jì)算其分類(lèi)精度和Kappa系數(shù)來(lái)客觀地評(píng)估不同方法的優(yōu)劣，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。本文算法總體分割精度達(dá)到95.8%，相比于多尺度分割算法和文獻(xiàn)[13]中最優(yōu)尺度算法體分割精度分別提高7.13%和2.2%。

表1 實(shí)驗(yàn)一分割方法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表1為3種不同方法對(duì)兩幅影像的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)兩種評(píng)價(jià)可以得出：改進(jìn)的超像素分割合并算法的分割效果要優(yōu)于其它算法的，不但分割精度得到了提高，分割后損失的細(xì)節(jié)較少，邊緣更清晰，地物類(lèi)別分割較為明確，直觀效果好。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的合理性和正確性，另選用重慶某城鄉(xiāng)區(qū)域像素為424×560的航天遙感影像作為實(shí)驗(yàn)圖。相較于實(shí)驗(yàn)一，實(shí)驗(yàn)二影像所包含地物細(xì)節(jié)更多，受光照影響更嚴(yán)重，地物特點(diǎn)變化更大，實(shí)驗(yàn)二SLIC分割效果如圖6所示。

圖6 SLIC超像素分割

本文算法不同尺度效果如圖7～圖9所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)二υ=0.4分割效果

圖8 實(shí)驗(yàn)二υ=0.5分割效果

圖9 實(shí)驗(yàn)二υ=0.6分割效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10所示。

圖10 不同方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果(二)

從分割結(jié)果和表2的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以看出：本文方法比實(shí)驗(yàn)中所用到的最優(yōu)尺度評(píng)價(jià)方法和多尺度分割方法，分割精度分別提高了2.37%和6.88%，Kappa值也明顯高于其它兩種算法。由此可知，本文算法有較好的分割效果。

表2 實(shí)驗(yàn)二分割方法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)超像素分割后的像斑合并問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，基于SLIC的超像素分割通過(guò)計(jì)算空間距離抑制了噪聲的影像，增加其分割的穩(wěn)定性；并在考慮光譜信息的前提下加入紋理和形狀信息進(jìn)行聯(lián)合判別，使其受光譜影響問(wèn)題降低，算法更精確，分割區(qū)域之間的邊緣更清晰；相對(duì)于最優(yōu)尺度分割算法的不可更改性，本文算法能夠通過(guò)調(diào)整少量參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求和影像達(dá)到不同的分割效果。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，本文方法分割效果更好，精度更高。但本文方法還存在一些問(wèn)題，分割過(guò)程中易受小物體干擾，例如道路中的汽車(chē)或者樓頂?shù)男〗ㄖ龋辉谟?jì)算中考慮光譜和紋理、形狀信息仍然不夠完善，某些道路和建筑因?yàn)榭臻g位置關(guān)系存在錯(cuò)分誤分的情況。如何解決這些問(wèn)題還需要繼續(xù)研究。