基于EasyFeature軟件的地表覆蓋采集研究與評價

陳佳 來平軍 陳適 成曉英 楊紅艷

（1.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；2.自然資源部第一地形測量隊，陜西 西安 710054）

1 引言

隨著“一帶一路”、“走出去”、可持續發展、創新驅動發展等國家重大戰略的推進，我國對全球范圍內多尺度地理數據產品和覆蓋全球的高精度自主位置服務的需求日益迫切[1]。根據地理國情監測項目生產經驗，由于高空間分辨率遙感影像自身存在的高度細節化、數據量大、類內差異大等原因，影像自動解譯的難度增加，通過易康等自動分類軟件處理后的邊界及屬性錯分較多，修改工作量大，難以滿足生產要求。同時，目前大多數有關地類采集和變化發現項目，還是以全人工方式進行，因此，開展自動化或半自動化地表覆蓋生產工藝的研究顯得尤為重要。

當前，以深度學習為代表的機器學習是最接近人類大腦的智能學習方法和認知過程，通過多分層結構、神經元的連接交互，分布式稀疏存儲和表征，信息的逐層分析處理機制，自適應、自學習的強大并行信息處理能力，在圖像識別等領域取得了突破性進展。近年來，高校和科研單位在引入機器學習方法解決自動分類問題上進行了大量研究，取得了豐富的科研成果，其中武漢漢達瑞科技有限責任公司開發的EasyFeature 軟件作為一款人機交互式智能采集和更新軟件，把先進的計算機圖像處理算法和作業員對影像的判讀經驗充分結合起來，通過必要的人工干預，實現對遙感影像特征進行快速可靠的解譯提取。

對于地表覆蓋分類信息的提取，不同的遙感影像的解譯方法，提取效率不同，地表覆蓋分類信息提取的精度也大相徑庭[2]。本試驗在深入分析10 米地表覆蓋項目的前提下，采用人工目視判讀和EasyFeature軟件半自動提取模塊進行地物分類，對分類結果進行對比分析，評估軟件功能的準確度和效率，為項目生產提供技術支撐，進一步確定更高效的生產方式，為后期地表覆蓋類項目數據生產提供必要的技術服務。

2 試驗數據及軟件

2.1 試驗數據

本次試驗綜合地形、地物等因素，選取全球項目10 米地表覆蓋子項目中的越南寧平省1∶50000 標準分幅大小的面積進行試驗。試驗所使用的影像為融合后影像。

試驗區域影像為ZY3 影像，空間分辨率為2 米，影像質量較好，無云雪覆蓋，影像地形特征為山地+平原，同時具有城市、城鎮和自然環境，要素覆蓋種類較全。具體信息如表1 所示，試驗區影像如圖1 所示。

表1 試驗樣區ZY3影像分析

圖1 試驗區ZY3影像

2.2 試驗軟件

本次試驗主要采用人工目視解譯和半自動解譯的方法進行，試驗軟件主要有Arcgis10.2 以及EasyFeature 軟件。

EasyFeature 軟件的半自動提取模塊可以準確快速地從遙感影像上采集地理空間數據，適用于從航空、航天或地面遙感影像中提取特征信息的各種應用，其特點是利用作業員在影像上繪制的少量點、線信息作為采樣信息，應用基于人工智能的遙感影像處理與解譯技術，快速自動地提取目標地物，包括各類圖斑、地塊、水域、房屋和道路。該軟件充分結合了作業員的目標識別能力和計算機的快速計算能力，保證識別結果可靠性的同時，大大減少特征提取時間，有效提高了采集效率，降低了勞動強度。

3 研究方法及分析指標

3.1 研究方法

目視解譯是遙感影像解譯的一種，是通過綜合多種非遙感數據的資源信息，利用專業人士的技術和知識進行對照和分析，判斷解譯提取遙感影像信息，效率和靈活性較差，受人為因素影響通用性差[3]。本次試驗解譯人員為生產中經驗豐富的作業人員。

與傳統的人工目視解譯、全自動地物提取方法相比，半自動信息提取方法既充分利用人的認知、識別、檢測能力，提高了識別的準確性，又發揮了計算機強大的運算能力，在目前的生產應用中被廣泛推廣。

本次試驗采用EasyFeature 軟件中的半自動提取功能進行地表覆蓋信息的提取。作業人員利用該軟件的矢量采集工具在影像上繪制提供少量點、線等樣本信息，在計算機的快速處理下反饋目標地物圖斑，該過程充分利用作業人員的判讀經驗和計算機處理優勢，提高數據生產效率[4]。整體流程如圖2 所示。

圖2 EasyFeature軟件中半自動提取流程

3.2 地表覆蓋分類定義及分析指標

10 米地表覆蓋數據包括10 個一級類和21 個二級類，一級類包括耕地、林地、灌木地、草地、人造地表、荒漠與裸露地表、水域、冰川與常年積雪、濕地、苔原。其中，荒漠與裸露地表、濕地的采集指標為50000 平方米；耕地、人造地表、水域的采集指標為10000 平方米；其余地類的采集指標均為25000 平方米。具體定義如表2 所示。

表2 地表覆蓋數據分類系統定義

解譯結果的分析指標有如下三個：

（1）圖斑總量：依據全球測圖分類體系和技術指標規定，樣區內包含的圖斑總量，由人工解譯獲取。

（2）提取圖斑數量：利用EasyFeature 軟件提取的圖斑數量，該指標與圖斑總量的比例，表示軟件為全球測圖項目地表覆蓋提取提供服務的程度，比例越大服務程度越高。

（3）效益指標：為了體現EasyFeature 軟件提取的圖斑中人工邊界修改的工作量，利用圖斑成果邊界修改程度表示，分為提取正確、較少修改、大量修改三項，按每條邊界進行統計。

4 研究步驟

使用最新版本的EasyFeature 軟件開展地表覆蓋提取試驗，提取方法為軟件輔助下的人工半自動解譯，提取類別包括耕地、林地、草地、人造地表等類別，利用提取成果開展對比試驗并進行統計，統計指標包括圖斑總量、提取圖斑數量。主要步驟如下：

（1）參考遙感影像，利用EasyFeature 軟件的半自動輔助提取功能與人工干預相結合的方式進行地表覆蓋信息提取，獲取地表覆蓋結果（軟件結果）。

（2）參考遙感影像，利用人工目視解譯方式進行地表覆蓋信息提取，獲取地表覆蓋結果（參考結果）。

（3）將地表覆蓋信息提取的軟件結果和參考結果進行對比，計算分析指標，分析指標包括圖斑總量、提取圖斑數量、效益指標三項。

5 結果評價

根據各階段的生產試驗統計結果，從穩定性、實用性、功能性及效率等方面對EasyFeature 軟件進行評價，形成生產試驗報告。

5.1 軟件穩定性評價

以項目開展常用的操作系統windows XP 和windows7 為基礎，完成軟件安裝，測試軟件兼容性，試驗過程中通過對軟件輸入、輸出、處理、編輯等功能的使用，發現測試軟件均能穩定運行。

5.2 軟件實用性評價

實用性測試包含兩個內容：數據編輯模塊和軟件上手難易程度。數據編輯模塊的測試針對數據采集對功能的需求開展，如針對清晰影像的邊緣吸附功能、房屋采集的直角功能、初分邊界不準確需要修改的面拓展/消減借邊修繪功能等，數據編輯模塊評價如表3 所示；軟件上手難易程度的測試主要針對地表覆蓋表數據采集人員學習軟件的時間成本進行評估，軟件學習難度評價如表4 所示，表中的1d（1 天）按照工作制8 小時為單位進行統計。

表3 數據編輯模塊評價

表4 軟件學習難度評價

5.3 軟件功能評價

試驗區域地表覆蓋提取分析結果如表5 和表6 所示，表中的1d（1 天）按照工作制8 小時為單位進行統計，試驗區沒有的地物類別不進行統計。

表5 軟件功能評價

表6 地表覆蓋提取效率評價指標

6 結論與建議

通過對綜合評價表及地物提取結果分析得出，EasyFeature 軟件半自動提取模塊對水系、道路、突出房屋、林地、灌木地等要素矢量采集結果較好，但對單棟房屋、街區及植被等紋理復雜、色彩偏差較大的地物要素采集精度較差。具體類別總結及建議如下：

（1）水域：水域采集結果準確，少量修改的圖斑占總圖斑的90%，此地類可以用半自動提取分類采集。

（2）人造地表：人造地表中采集比較多的主要有道路和房屋建筑區。軟件中道路采集是采集道路中心線，實時根據道路寬度進行緩沖采集道路邊線，道路采集結果準確率為100%，對于道路較多的區域，此軟件完全適用。

（3）林地和灌木地：此軟件對于此類植被指數特征高的地類，提取效果較好，可以用此軟件提取，然后進行少量的人工修改。

（4）耕地：對于比較規整的旱地，此軟件提取結果較準確；對于形狀較復雜的耕地，在軟件提取結果上需要少量的人工修改。

通過此次試驗，得出了某幾類地物在EasyFeature軟件中進行半自動提取結果符合項目精度要求，修改量較少，對項目生產質量和效率有一定的促進作用。在后期類似的地表覆蓋圖斑提取項目中，可考慮采用此軟件進行生產來提高生產效率。