土地利用覆被變化自動(dòng)檢測(cè)方法的比較

土地利用覆被變化自動(dòng)檢測(cè)方法的比較

1多時(shí)相遙感影像自動(dòng)檢測(cè)lucc的研究土地使用變化是最直接反映人類活動(dòng)對(duì)全球變化的影響的因素之一。為此,1995年IGBP和IHDP共同擬定并發(fā)表了“土地利用/覆被變化科學(xué)研究計(jì)劃”;2002年,劉東生院士也曾撰文指出,LUCC是IGBP與IHDP研究計(jì)劃之一,是針對(duì)人類活動(dòng)和全球變化之間的人類驅(qū)動(dòng)機(jī)制而開展的。該研究計(jì)劃的基本目標(biāo)是提高對(duì)全球土地利用/覆被變化動(dòng)態(tài)過程的認(rèn)識(shí),并著重提高預(yù)測(cè)土地利用/覆被變化的能力。遙感技術(shù)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到全球尺度的LUCC研究之中。因此,如何利用遙感技術(shù)快速、準(zhǔn)確地獲取LUCC的空間分布信息已成為人們面對(duì)的新挑戰(zhàn),故多時(shí)相遙感影像自動(dòng)檢測(cè)分析成為亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以SPOT(Pan波段)影像和TM影像為例,對(duì)土地利用/覆被變化的檢測(cè)方法進(jìn)行深入的應(yīng)用分析。2土壤覆蓋變化的檢測(cè)方法和應(yīng)用分析2.1遙感影像的檢測(cè)方法(1)用于土地利用/覆被變化檢測(cè)的兩期(或者多期)遙感影像,需要進(jìn)行一系列的圖像準(zhǔn)備和處理,包括數(shù)據(jù)源的選擇、幾何配準(zhǔn)處理、輻射處理與歸一化等。其中,圖像的選擇是指如何根據(jù)檢測(cè)的需要以及環(huán)境要素來選擇遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率等;幾何配準(zhǔn)處理是指利用地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)不同時(shí)段的遙感圖像進(jìn)行精確的幾何校正以及圖像與圖像之間的配準(zhǔn)。另外,用于變化檢測(cè)的不同時(shí)相遙感圖像之間進(jìn)行了輻射度匹配與歸一化處理,旨在保證不同時(shí)段圖像上像元亮度值的可對(duì)比性[4~6]。經(jīng)過上述處理的遙感影像即可作為土地利用/覆被變化檢測(cè)的基礎(chǔ)影像。(2)土地利用/覆被變化的檢測(cè)方法總體上可以分為兩類,即人工目視解譯和自動(dòng)檢測(cè)。目視解譯的核心是在對(duì)兩期或多期土地利用/覆被分類的前提下發(fā)現(xiàn)變化信息,即首先運(yùn)用統(tǒng)一的分類體系對(duì)每一時(shí)相遙感影像進(jìn)行單獨(dú)分類,然后通過對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行比較來直接發(fā)現(xiàn)土地利用/覆被變化信息。如圖1所示,圖中“前時(shí)相土地利用分類”是利用前一時(shí)相的SPOT/TM融合影像的分類結(jié)果;“后時(shí)相土地利用分類”是利用后一時(shí)相的SPOT/TM融合影像的分類結(jié)果;“分類比較檢測(cè)結(jié)果”中圈定的部分即為經(jīng)過分類后比較發(fā)現(xiàn)的變化部分。分類后比較法的優(yōu)點(diǎn)是:①能回避所用多時(shí)相數(shù)據(jù)因獲取季節(jié)不同和傳感器不同所帶來的歸一化問題;②經(jīng)單獨(dú)分類后比較,可以直接獲取變化的類型、數(shù)量和位置,對(duì)研究區(qū)的土地覆被變化不需要有先驗(yàn)認(rèn)識(shí);③分類后比較法可進(jìn)行兩個(gè)時(shí)相以上遙感影像的變化探測(cè)分析。因?yàn)樗菍?duì)每一時(shí)相的影像單獨(dú)進(jìn)行分類,所以不受時(shí)相數(shù)的限制。分類后比較法的缺點(diǎn)是:①由于受到人眼睛生理結(jié)構(gòu)和機(jī)能的限制,無法探測(cè)土地利用/覆被內(nèi)部的細(xì)微變化;②必須進(jìn)行兩次(或多次)圖像分類,根據(jù)誤差傳播定律,每一次單獨(dú)分類的誤差會(huì)在空間比較過程中被進(jìn)一步放大,其精度只大致相當(dāng)于每期影像分類精度值的乘積。例如,若兩時(shí)相影像的分類精度分別為80%,變化信息提取結(jié)果的精讀可能只有64%左右。因此,圖像分類的可靠性,嚴(yán)重影響著變化檢測(cè)的準(zhǔn)確性。③該方法要求目視解譯人員具有豐富的目視判讀經(jīng)驗(yàn),得到的結(jié)果在很大程度上受到主觀因素的影響,有時(shí)難以保證前后的一致性甚至容易產(chǎn)生錯(cuò)誤,并且通常效率較低。因此,該法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。2.2變化檢測(cè)方法(1)光譜特征變異法對(duì)同一時(shí)相的TM和SPOT影像進(jìn)行融合后,地物光譜屬性可以如實(shí)正確地表現(xiàn)出來;相反,當(dāng)不同時(shí)相的TM和SPOT影像進(jìn)行交叉融合時(shí),如同一地物在兩者上的信息表現(xiàn)不一致,那么融合后影像中該地物就會(huì)表現(xiàn)出與其他地物明顯的光譜差別,此時(shí)稱該地物發(fā)生了光譜特征變異。據(jù)此發(fā)生變異的光譜特征可檢測(cè)土地利用/覆被的變化。如圖2所示,將前一時(shí)相的TM數(shù)據(jù)與后一時(shí)相的全色SPOT數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)后融合。由于后一時(shí)相的SPOT全色波段數(shù)據(jù)相對(duì)與前一時(shí)相的TM多光譜數(shù)據(jù)發(fā)生了變化,其在融合后的影像上表現(xiàn)為含有紋理特征的亮綠色,有別于周圍植被地物的綠色特征和正常的居民地信息。光譜特征變異法具有物理意義明顯、操作簡(jiǎn)捷等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是發(fā)生光譜特征變異的圖斑有時(shí)在色彩和亮度等方面與背景值反差不明顯,造成尺寸較小的變化地物的發(fā)現(xiàn)困難。(2)假彩色合成法對(duì)地表的變化進(jìn)行檢測(cè)時(shí),將前、后兩時(shí)相的全色SPOT數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn),再利用假彩色合成用以土地利用/覆被發(fā)生變化的區(qū)域分析判定變化信息。如圖3所示,在后一時(shí)相影像中所標(biāo)出的區(qū)域,紋理和灰度都不同于在前一時(shí)相影像中的相同區(qū)域,說明地表覆被發(fā)生了變化。通過影像判讀可以得知,該區(qū)域是新增的居民地道路。(3)主成分分析法在盡量不丟失主要信息的前提下,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮和特征選取的多變量分析。以TM5、4、3波段組合并與SPOT融合的影像為例:把兩時(shí)相的SPOT/TM影像進(jìn)行波段合成,新產(chǎn)生的影像將有6個(gè)波段的信息。對(duì)該影像做6分量主成分變換,則前1、2分量便包含了原始影像的主要信息,而后幾個(gè)分量則反映了兩時(shí)相影像的變化信息。實(shí)踐證明,在上述多波段主成分變換之后,采用6、4、3分量進(jìn)行波段組合能較好地反映出前后時(shí)相影像的變化部分(如圖4所示)。主成分分析法的優(yōu)點(diǎn)是能夠分離信息、減少相關(guān),從而突出不同的地物目標(biāo)。其不足之處在于它是基于純粹的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,因此它產(chǎn)生的分量的物理意義并不明確,并且操作過程較復(fù)雜,數(shù)據(jù)量和計(jì)算量較大;另外主分量的選擇也會(huì)造成部分有用信息的丟失。(4)圖像代數(shù)法是一種較簡(jiǎn)單的變化區(qū)域及變化量識(shí)別的方法,基本原理就是壓制背景信息,突出變化信息。(5)波段替換法是用后一時(shí)相影像中的某一波段(可以是不同傳感器影像)替換前一時(shí)相影像(可以是融合影像)中的某一波段,生成新的融合影像,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變化信息的檢測(cè)。該方法具體操作方式很多,在此仍以TM和SPOT影像為例進(jìn)行說明。首先融合前一時(shí)相的TM多光譜影像與SPOT全色影像,將融合影像分解為紅、綠、藍(lán)三個(gè)波段。然后將融合影像與后一時(shí)相的SPOT全色影像進(jìn)行精確配準(zhǔn),用后一時(shí)相的全色波段影像代替融合影像的紅色波段,生成新的影像(如圖5所示)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)背景值選擇替代融合影像中的紅、綠、藍(lán)三波段中的相應(yīng)波段,從而使變化信息凸現(xiàn)出來。缺點(diǎn)是在實(shí)際應(yīng)用中,需要對(duì)各種具體操作方式進(jìn)行系統(tǒng)比較和選擇,有時(shí)需要不同的操作方式組合使用,計(jì)算量相對(duì)較大。隨著遙感變化檢測(cè)研究的深入,一些新的方法不斷涌現(xiàn)。例如應(yīng)用小波、傅立葉變換和自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)、變化向量分析法、馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型等方法對(duì)遙感影像變化進(jìn)行檢測(cè)[10~12]。這些新方法在變化檢測(cè)精度方面有所提高,但在變化檢測(cè)的效率方面卻表現(xiàn)一般。如今土地利用/土地覆被遙感變化檢測(cè)常常會(huì)有大面積、大數(shù)據(jù)量的操作,一般要求變化檢測(cè)方法應(yīng)該是精度與效率并重,這在某種程度上影響了這些方法的推廣和使用。但這些方法大多從對(duì)遙感數(shù)據(jù)在光譜空間內(nèi)的分布形態(tài)分析入手,避免了過于簡(jiǎn)化的假設(shè),或具備更強(qiáng)的分析能力,使得土地利用/土地覆被遙感變化檢測(cè)的精度得以提高。3在例證分析中為了進(jìn)一步檢驗(yàn)上述方法的精度與效率,本文選取河北省萬全縣為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。(1)信息源和數(shù)據(jù)處理萬全縣介于東經(jīng)114°20′、北緯41°30′到東經(jīng)115°00′、北緯40°40′之間,地處河北省西北部,西北以明長(zhǎng)城為界與張北、尚義兩縣接壤。該縣地形總趨勢(shì)是自西北向東南傾斜,自然分為北部山區(qū)、中部低山丘陵區(qū)、南部河川區(qū)三個(gè)不同的區(qū)域(如圖6所示)。屬大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,常年積溫1900℃~3300℃,年均降水量300~500mm之間,無霜期116~135天。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和檢測(cè)需要,本文選用美國(guó)陸地資源衛(wèi)星LANDSATTM和ETM+影像、法國(guó)空間局發(fā)射的SPOT4衛(wèi)星的10m分辨率全色波段影像以及該地區(qū)1∶50000DEM(數(shù)字高程模型)作為主要的信息源(見表1),所選影像數(shù)據(jù)含云量均在10%以下,并且云、霧未覆蓋地貌和土地利用類型過渡地帶;成像時(shí)間均為2002年8月,正值夏末秋初時(shí)期,此時(shí)植被生長(zhǎng)旺盛,有利于增強(qiáng)各種不同地物在影像上的對(duì)比度。另外,選用已有的通過人工目視解譯方法提取的萬全縣1992~2002年LUCC成果作為精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)均由2002年國(guó)土資源部“環(huán)北京地區(qū)資源與生態(tài)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目”提供(如圖7)。(2)cc信息的自動(dòng)檢測(cè)和提取首先,利用已有的遙感數(shù)據(jù),逐一應(yīng)用光譜特征變異法、假彩色合成法等方法對(duì)研究區(qū)的LUCC信息進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)分析,并根據(jù)相應(yīng)的光譜變異特征完成對(duì)萬全縣1992~2002年LUCC信息的提取。其中土地利用/覆被分類標(biāo)準(zhǔn)與“環(huán)北京地區(qū)資源與生態(tài)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目”的分類標(biāo)準(zhǔn)一致,即分為耕地、草地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6種。4遙感變化檢測(cè)方法中需要注意的幾個(gè)問題(1)研究表明,綜合應(yīng)用遙感自動(dòng)檢測(cè)方法,使各種方法進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),能夠高效、準(zhǔn)確地自動(dòng)檢測(cè)出LUCC信息,具有傳統(tǒng)目視解譯方法無法比擬的優(yōu)勢(shì),并且變化區(qū)域可以應(yīng)用閾值、動(dòng)態(tài)聚類等方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取;相反,由于LUCC檢測(cè)情況相對(duì)比較復(fù)雜,如果單純應(yīng)用自動(dòng)檢測(cè)方法中的一種方法,檢測(cè)結(jié)果往往無法令人滿意。另外,現(xiàn)有的方法絕大多數(shù)都是針對(duì)光學(xué)遙感影像設(shè)計(jì)的,一般不能直接應(yīng)用與諸如雷達(dá)影像等新型傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)。(2)在變化檢測(cè)之前,需要對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的主要問題進(jìn)行調(diào)查與分析,其目的是為檢測(cè)任務(wù)選擇合適的遙感數(shù)據(jù)以及掌握檢測(cè)對(duì)象的空間分布特點(diǎn)、光譜特征及時(shí)相變化等基本情況。不同遙感系統(tǒng)的時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率不同,選擇合適的遙感數(shù)據(jù)是變化檢測(cè)能否成功的前提;另外,如果不能很好地理解各種環(huán)境因子對(duì)變化檢測(cè)的影響,往往也會(huì)得出錯(cuò)誤的分析結(jié)論。(3)圖像處理是變化檢測(cè)成功與否的關(guān)鍵。實(shí)踐證明圖像之間的輻射配準(zhǔn)和幾何配準(zhǔn)十分重要,即使對(duì)于那些已分別做過輻射校正處理的圖像,圖像之間的輻射匹配與歸一化處理仍然是必要的;圖像之間的幾何配準(zhǔn)誤差(均方差)應(yīng)嚴(yán)格控制在半個(gè)像元以內(nèi)。(4)上述自動(dòng)檢測(cè)方法雖然可以自動(dòng)探測(cè)出變化區(qū)域,但是只能反映變化的分布和大小,難以自動(dòng)獲取變化的性質(zhì),變化性質(zhì)的確定仍需人工參與,從某種意義講,還沒有達(dá)到完全自動(dòng)的程度。因此,當(dāng)前遙感變化檢測(cè)研究除了要注重新的檢測(cè)方法的研究以外,還要注重理解變化過程和機(jī)理,加強(qiáng)對(duì)不同檢測(cè)工作和不同方法匹配的研究?？傊?人類社會(huì)的加速發(fā)展同時(shí)也在加速改變著自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng),這就要求土地利用/土地覆被遙感變化檢測(cè)的精度與效率也必須得到相應(yīng)的發(fā)展;而土地利用/土地覆被遙感變化檢測(cè)精度與效率的提高則需要多源、多分辨率的遙感數(shù)據(jù)和與之相匹配的更先進(jìn)的變化檢測(cè)方法。隨著人工智能、模式識(shí)別等新技術(shù)新方法的發(fā)展與完善,我們相信對(duì)LUCC信息的科學(xué)高效的定量和定性檢測(cè)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。其次,以人工目視解譯方法提取的萬全縣1992~2002年LUCC成果(該成果2003年已經(jīng)通過項(xiàng)目驗(yàn)收,經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證屬性精度和位置精度均大于90%)為驗(yàn)證數(shù)據(jù),對(duì)自動(dòng)檢測(cè)提取的LUCC結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)