水体遥感影像处理研究.doc

水体遥感影像处理研究 Computer Engineeringand Applications计算机工程与应用xx?46?21?1引言水体是非常重要的自然资源?水体的形状反映了一定的地质构造和地壳运动规律。 通过对水体形状的分析?能够推测地质构造与地壳运动的相关情况?有效地为地质构造研究、矿产资源勘查、区域地质调查、环境和灾害地质监测等工作服务。 根据水体各自的形状与生活中的事物相似情况而定的?将水体按照平面形态分成了树枝状水系、平行状水系、羽毛状水系、格子状水系、环状水系、放射状水系和扇状水系等类型。 树枝状水系一般在地势平坦、岩性比较均一的地区?如我国的黄土高原?格子状水系是褶皱构造地区常见的一种水系类型?平行状水系发育于受较大的构造控制的平行岭谷地区?如云南横断山脉地区的水系?放射状水系在火山锥或弯隆构造地区?辅合状水系由山岭向盆地中心集中?扇状水系发育在大型冲积扇上或三角洲上的水系?网状水系发育在大型冲积扇或冲击平原上1。 从遥感图像上提取水体主要有两种方式?一种是利用数字高程模型数据来提取水系。 另一种是遥感图像经过图像处理来提取水系。 基于数字高程模型数据DEM对水系的提取已有很多研究2-10?但是DEM获取成本高?很多地区没有DEM。 由于遥感图像精度和准确度相对较低?分析起来难度更大?国内外在这方面的研究较少。 从已发表的文献中很难找到相关的研究工作。 河水的特征光谱本质上包含水体自身、河底以及水体中的悬浮物质?泥沙和叶绿素?的光谱信息?因此不同河流的反射光谱会随着河流的深度、悬浮物质等的多少而不同。 利用遥感信息合成水体图像的方法可分为单波段法、多波段法和水体指数法。 单波段法是利用遥感影像中的短波红外波段提取水体11-12。 单波段法简便?难以消除影像中山体阴影的影响。 在此基础上发展出多波段法。 多光谱分析法是通过分析水体与背景地物的波谱曲线特征?建立逻辑判别表达式?进而水体遥感影像处理的研究徐鲁强1?2?刘静霞3?秦军2?朱军2XU Lu-qiang1?2?LIU Jing-xia3?QIN Jun2?ZHU Jun21.西南科技大学计算机学院?四川绵阳6210102.西南交通大学?成都6100313.成都电子机械高等专科学校?成都6100311.Computer School?Southwest Universityof Scienceand Technology?Mianyang?Sichuan621010?China2.Southwest JiaotongUniversity?Chengdu610031?China3.Chengdu ElectromechanicalCollege?Chengdu610031?ChinaE-mail?luqiangxuyahoo.XU Lu-qiang?LIU Jing-xia?QIN Jun?et al.Study ofwater systemremote sensingimage.Computer Engineeringand Ap-plications?xx?46?21?168-170.Abstract?A fuzzyclassification schemefor river channel image interpretation isproposed.Aurate extractionof riverchan-nel isvery importantfor riverchannel imageinterpretation ofpattern classification.Application-sensitive factorbinationmethod?region growingand mathematicalmorphology areintegrated toextract riverchannel.The featurevector isdeterminedand theselected featurevector iscalculated.Fuzzy recognition theory isused toidentify thepattern of riverchannel.Experi-ments showsatisfaction withthe resultsofriverchannel imageinterpretation ofpattern classification.Key words?imageinterpretation?sensitive factorbination method?seeds growing?water systempattern摘要?研究了遥感图片的水体类型解译识别问题。 水体图形的准确提取是遥感图片解译识别的关键问题。 综合应用敏感因子组合法、种子点增长法和数学形态学的方法提取水体?在对提取的水体图像分析基础上?进一步确定了特征向量和采用模糊识别理论进行识别?并对识别结果进行了分析?实验结果显示提取的水体获得较满意的识别效果。 关键词?图像解译?敏感因子组合法?种子点增长法?水体类型DOI?10.3778/j.issn.1002-8331.xx.21.048?1002-8331?xx?21-0168-03?TP391.41基金项目?国家自然科学基金?the NationalNatural ScienceFoundation ofChina underGrant No.50848053?国家高技术研究发展计划?863?the NationalHigh-Tech Researchand DevelopmentPlan ofChina underGrant No.xxAA12Z207?。 作者简介?徐鲁强?1968-?男?在职博士生?副教授?主要研究方向为智能信息系统。 ?xx-03-12修回日期?xx-05-17168?xx?46?21?从影像中分离出水体13-15。 多波段组合法是通过不同波段的优势组合?从而达到抑制植被和土壤信息?增强水体信息的效果16。 通过实验研究发现区域中对提取水体敏感的光谱构造敏感因子?再利用敏感因子组合条件来提取含水河段。 敏感因子是人为构造为了专门研究目的组合而成的新波段?其使用方法与单波段完全一样。 从数字图像处理的角度来说?它实际上是其他波段信息的线性组合。 常用的组合方法是波段之间的加法、减法和比值法。 它虽然不是一个新的波段?但它能够使图像的某种特征表现得更加清楚。 归一化差异水体指数17-18的提出有效地削弱植被土壤等非水体因素的影响。 从波段得到的水体图像进一步处理需要用到图像处理方面的技术?这方面的技术包括?阈值法、色度判别法、比率测算法、差值法、比值法、密度分割法、谱间关系法等各种方法。 使用这些方法基本能有效地提取成像效果好的图像中的水体?但在处理一些阴影较重的图像中阴影与深水水体的光谱特征难以有效区分。 针对这一问题?众多学者从不同角度、不同应用领域?针对不同数据源都提出了自己的方法和研究成果。 区域生长和分裂合并把图像分解成若干个子区域?它结合水系知识利用人工智能的方法找出水系种子点信息?然后再联结成水系网信息?尽管这种方法目前还不是很成熟?它却代表了技术发展的方向18。 2区域生长提取水系区域生长首先要选定初始种子?在专家目视解译经验指导下选定初始种子?以期获得较完整的水系网。 比如在河流内部像素点、河流分岔口、转弯处、河流间灰度较上下游暗的河段等处?尽量多选择种子点。 种子点的选择要全面?保证主干、支流都要有种子点?较细的支流更要提高种子点的密度?这是因为主流到支流的过渡处往往噪声影响严重、灰度较干流相差容易超出给定阈值?种子点算法很可能因此无法搜索到?从而中断水系网的生长提取?影像整体效果。 确定作为搜索起点的种子点很重要?根据影像的不同?可以是选取的一个点或多个种子点。 根据选取的样本区的空间性质?纹理、形状?以及灰度级?均值、方差统计特征?等?确定水系生长准则。 灰度均值表现了区域灰度变化的基点?目标区域的灰度在此基础上变化。 而灰度方差系数?定义为标准方差和灰度均值之比?是区域同质性的表征指标?反映了区域灰度变化的动态范围。 在影像中?部分岩石、阴影有与水系相近的灰度值?很容易提取出岩石等背景地物。 一般地?河道内灰度值变化相对平缓?被分割成面积较大的条带区域?而部分灰度值相近的岩石成片状分布。 合理的生长准则必须结合有关地物的知识或者是结合有经验的视觉表示的先验知识。 当被分割的两类地物十分相似时?简单的阈值化难以实现噪声去除?需要增加附加信息。 基于图像属性的分割法、区域增长方法、分开-合并方法等。 确定终止规则是水系提取效果的关键问题。 基本上?在没有像素满足加入某个区域的条件时?区域生长就会停止。 从种子点的集合开始?从这些点的区域增长是通过将与每个种子点有相似属性像强度、灰度级、纹理颜色等的相邻像素合并到此区域。 在灰度级中观察在两个空间邻接像素之间或像素集合的平均灰度级间的最小差分?如果这个差分比相似度阈值小?则标记该像素。 灰度级、纹理和颜色准则都是局部性质?考虑到区域生长的过程可以增强了区域生长算法处理能力的准则。 由于在图像成像过程中的各种因素如噪声、阴影等很难保证所形成的目标轮廓是完整的?因此在实际的线特征提取中种子点生长算法不能独立完成水体提取任务。 可以进一步采取数学形态学操作进行处理。 数学形态学的基本理论和方法在视觉检测、机器人视觉、医学图像分析等诸多领域都得到了很好的应用。 在遥感影像处理中数学形态学的研究还有很大的潜力?如地物的分割、特征的提取?图像细化、图像重建等都可以用数学形态学的方法来实现9。 数学形态学的基本运算有4个?腐蚀、膨胀、开、闭。 基于这些基本运算可以推导和组合成各种形态学的算法。 如利用膨胀和腐蚀组合成的算子提取出来的边缘与经典算子相比?虽同样对噪声敏感但不会加强或放大噪声?利用开闭运算可以去除噪声?利用击中击不中运算可以对图像进行细化、修剪、区域分割等。 应用数学形态学击中击不中变换?HMT?也称塞拉变换?在一次运算中同时可以捕获到内外标记。 击中击不中变换需要两个结构基元E和F?这两个基元被作为一个结构元素对B=?E?F?一个探测图像内部?另一个探测图像外部?其定义为?A*B=?A?E?A C?F?当且仅当E平移到某一点时可填入A的内部?F平移到该点时可填入A的外部时?该点才在击中击不中变换的输出中。 对于结构对B=?E?F?利用B细化S定义为?S?B=S?S*B?即S?B为S*B与S的差集。 利用结构对序列B1?B2?Bk?迭代的产生输出序列?S1=S?B1?Sk=Sk-1?Bk随着迭代的进行?得到的集合也不断地细化。 应用以上方法对水体遥感图像进行处理?可以得到较理想的效果。 3水体形状的识别有了提取出来的水体图?可以进一步完成水体形状的识别工作?水体的判别要确定水系基元?选取支流以及支流之间的空间关系作为水系基元?水系基元中发现对识别水系类型的敏感参量。 提取有效的敏感参量作为水系类型的特征向量图1敏感因子提取水体组合判断条件?a?波段1?b?波段2?c?波段3?d?波段4?e?波段5?f?波段7?g?波段1+波段2+波段3波段4波段5波段7?h?波段1/波段7c50&15100&h2.8自动提取河流结果图2轨道号138/36淮海流域的格子状水系的部分原始影像和处理影像徐鲁强?刘静霞?秦军?等?水体遥感影像处理的研究169Computer Engineeringand Applications计算机工程与应用xx?46?21?有利于水系类型的识别。 在经过预处理的遥感水系图像基础上?应用道格拉斯普克法?DouglasPeucker?算法对水系基元进行处理。 选取水系基元的线性度、支流的角度、支流的长度、支流的曲率、支流汇入的夹角和支流汇入的条数进行计算。 获得支流的线性度?均值、中值、标准差、最小值、最大值、最小最大值比率?、支流的角度?均值、中值、标准差、最小值、最大值、最小最大值比率?、支流的长度?均值、中值、标准差、最小值、最大值、最小最大值比率?、支流的曲率?均值、中值、标准差、最小值、最大值、最小最大值比率?、支流汇入的夹角?均值、中值、标准差、最小值、最大值、最小最大值比率?和支流汇入的条数?均值、中值、标准差、最小值、最大值、最小最大值比率?等36个特征值。 从计算结果中选取特征向量。 水系形状多种多样?不同形状的水系之间界限较模糊比如树枝状水系、扇形状水系和平行状水系等?为此采用模糊理论?按照“最大隶属原则”对水系进行归类识别。 最大隶属原则是一种在决策和评价方面有着广泛应用的分析方法19。 按照模糊综合评价方法20-21?用Matlab工具对水系样本实现模糊识别计算?测量了各种水系对应的各自类别的数据?每个类别10个样本?总共有60个样本。 采用“leave-one-class-out”交叉验证方法进行识别?得到各种水系图形的识别结果如表2所示。 分析Matlab实验结果可以发现?对不同的水系类型有不同的识别准确度?其中羽毛状水系和格子状水系的准确度较高?平行水系和扇形水系的准确度较低?这说明这两种水系的特征选取还有待进一步提高。 对于水系类型分析问题?模糊综合评判的方法是一种有效的识别手段?采用模糊熵的理论?针对水系类型识别选择特征参数?可以取得较好的水系类型效率。 参考文献?1都金康?黄永胜?冯学智?等.SPOT卫星影像的水体提取方法及分类研究J.遥感学报?xx?3?.2王加虎?郝振纯?李丽.由DEM和栅格化河网自动提取虚拟水系研究C/中国水文科学与技术研究进展?xx.3孔凡哲?丙孝芳.处理DEM中闭合洼地和平坦区域的一种新方法J.水科学进展?xx?14?3?.4陈永良?刘大有?虞强源.从DEM中自动提取自然水系J.中国图象图形学报?xx?7?l?91-96.5叶爱中?夏军.基于数字高程模型的河网提取及子流域生成J.水利学报?xx?5?.6郝振纯?李丽.基于DEM的数字水系的生成J.水文?xx?22?4?8-10.7秦承志?朱阿兴.基于栅格DEM的多流向算法述评J.地学前缘?xx?13?3?.8熊立华?郭生练.利用DEM提取地貌指数的方法述评J.水科学进展?xx?13?6?775-780.9张坷?郭毅.基于DEM的流域信息提取方法及应用实例J.水力发电?xx?31?2?.10唐从国?刘丛强.基于DEM提取流域河网研究J.辽宁工程技术大学学报?xx?25?B06?.11史文中?朱长青?王昱.从遥感影像提取道路特征的方法综述与展望J.测绘学报?xx?3?.12曹荣龙?李存军?刘良云?等.基于水体指数的密云水库面积提取及变化监测J.测绘科学?xx?2?.13刘建波?戴昌达.TM影像在大型水库库情监测管理中的应用J.环境遥感?1996?11?1?54-58.14王国兴?李士鸿.应用遥感资料获取库区水下地形的方法研究J.河海大学学报?1998?26?6?91-94.15颜梅春.基于TM数据的水域变化信息提取研究J.水资源保护?xx?6?31-33.16杨存建?徐美.遥感信息机理的水体提取方法的探讨J.地理研究?1998?17?增刊?86-89.17杜云艳?周成虎.水体的遥感信息自动提取方法J.遥感学报?1998?2?4?264-269.18孔俊?王佳男?谷文祥?等.基于区域的自动种子区域生长法的彩色图像分割算法J.东北师范大学学报?自然科学版?xx?4?47-51.19Trauwaert E?Kaufman L?Rousseeuw P.Fuzzy clusteringalgo-rithms basedon themaximum likelihoodprincipleJ.FuzzySets 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analysisEB/OL.?xx?.?/.cs.otago.ac.nz/cosc453/student_tutorials/princi-pal_ponents.pdf.170水体遥感影像处理的研究作者?徐鲁强?刘静霞?秦军?朱军?XU Lu-qiang?LIU Jing-xia?QIN Jun?ZHU Jun?徐鲁强,XU Lu-qiang(西南科技大学,计算机学院,四川,绵阳,621010;西南交通大学,成都,610031)?刘静霞,LIU Jing-xia(成都电子机械高等专科学校,成都,610031)?秦军,朱军,QIN Jun,ZHU Jun(西南交通大学,成都,610031)刊名?计算机工程与应用英文刊名?PUTER ENGINEERINGAND APPLICATIONS年?卷(期)?xx,46 (21)参考文献(21条)1.孔凡哲;丙孝芳处理DEM中闭合洼地和平坦区域的一种新方法期刊论文-水科学进展xx (03)2.李昕;刘建辉基于模糊综合评判的电子商务系统安全评估期刊论文-计算机工程与设计xx (17)3.胡宝清模糊理论基础xx4.张坷;郭毅基于DEM的