城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测

本科毕业设计(论文)材料GRADUATIONDESIGN(THESIS)MATERIAL题目城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测学生姓名王兴平指导教师陶超学院地球科学与信息物理学院专业班级测绘1103班2015年6月城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测摘要当今，高分辨率遥感卫星已经从上世纪90年代的主要为军事服务，逐渐向产品商业化的趋势发展，许多基于高分辨率遥感影像的应用问题亟待研究。本文根据房屋的亮度、面积、形状以及各向同性的光谱特征与几何特征，运用顶帽变化和差分等数学形态学运算，对对多组不同时相的高分辨率遥感影像进行房屋提取，运用图像差分法与连通域重合度变化监测，并对发生变化的部分，提出了形态学边缘提取法与连通域角点法进行标记的方法。本文通过大量实验证明了形态学房屋指数（MBI,MorphologicalBuildingIndex）法在高分辨遥感影像的房屋自动提取的可行性与精度，并且对比了多种变化监测标记方法各自的优缺点。高分辨率遥感影像信息自动提取的研究与应用，发展前景广泛。关键词：高分辨率遥感影像形态学房屋指数房屋提取变化监测城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测BuildingExtractionandChangeDetectionFromHigh-ResolutionImageryOverUrbanAreasAbstractNowadays,thehigh-resolutionsatellite’sproducthaschangeditsmainservicefieldfromthemilitarytothecommercialfieldsince1990s.Manyappliedissuesbasedonhigh-resolutionimageryneedtobesolvedurgently.Byconsideringthespectralfeatureandgeometricfeature,E.G.brightness,areaandisotropic,thispaperusethemathematicalmorphologyalgorithmsuchastop-hattransformanddifferentialmorphologicalprofilestoextractbuildingsfromasetofmultitimehigh-resolutionimageries,anddetectthechangesbetweenthesetwodifferentmoments’imageriesofasameplacebyusingtheimagedifferentialmethodandtheconnectingthecornersofaconnectedregionmethod.Thispaperproposedanapproachonmarkingthechangeareasoncurrenthigh-resolutionimagery.Basedonlargeamountofexperiment,itsatedthatit’spossibletousetheMBIAlgorithmtoextractbuildings,andpromisedasomeaccuracy,wecontrasttwodifferentmethods’advantagesanddisadvantages.Researchongettinginformationautomaticallyfromhigh-resolutionimageryhasdeepdevelopments.KeyWords:High-resolutionRemoteSensing,MorphologicalBuildingIndex,BuildingExtraction,ChangeDetection.城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测目录第1章绪论..............................................................11.1课题研究的背景和意义..............................................11.2遥感技术的特点....................................................21.3基于数学形态学的遥感数字图像处理技术研究进展......................3第2章遥感影像数据预处理................................................52.1实验数据..........................................................52.2几何纠正..........................................................62.3影像配准..........................................................72.3灰度拉伸与亮度重建................................................8第3章遥感图像的形态学处理.............................................103.1形态学基本运算及其作用...........................................103.2形态学图像处理...................................................123.3精度评定.........................................................163.4变化监测.........................................................23第4章结论与展望.......................................................294.1结论.............................................................294.2展望.............................................................29致谢....................................................................31参考文献................................................................32城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测第1页共32页第1章绪论1.1课题研究的背景和意义土地在人类的生产生活中扮演着极其重要的角色，是一种不可再生的资源。当前，我们赖以生存的家园——地球，已经变得越来越狭窄，人口环境容量受到了土地面积因素的限制，人类生产发展也深受影响。全球性的地价上涨便反映了这一个事实。但是地球的总土地面积是有限的，并且还有很大一部分的土地不适宜作为耕作或栖息场所。海平面以上的土地，约有20%的地区温度太低，20%的地区降水量不足，20%的地区坡度太高，10%的地区没有土壤，总共有70%的地区属于恶劣环境，为无人区或人烟稀少，人类很难在这些地区长期居住[1]。其余地区，尤其是海拔低、地势平缓，温带或亚热带气候、自然条件适宜这四方面条件具备的地区，是人类的主要栖息地。世界上超过一半的人口集中在5%的土地上，这些地区主要包括河流冲积平原和沿海平原。在人类发展的史上，自然生态系统和生物栖息地的面积在不断地缩小，农、林、牧业的土地占用面积也在逐渐减少，伴随着发生的，是城市交通网占地和工业占地的日益扩大。但是，为了维持全球生态平衡稳定，人类必须保留一定的自然生态系统用地。这就使得土地资源越来越紧张。我国的人口总数约为世界总人口的22%，而耕地面积仅占世界的7%，虽然耕地总面积排在世界第三位，仅次于印度和美国，但是我国的人均耕地面积约0.1hm2，仅占世界人均耕地面积的1/3，排在世界126名以后[2]。据国家统计局统计数据显示，截至2013年底，我国的城镇化率已经越过50%大关，达到了53.73%[3]。在城市化的进程中，很多地方将城市化理解得单纯片面化，认为城市化就是城市在地域在面积上的扩张和建筑物在空间上的膨胀，从而盲目地扩大城市规模，对城市土地利用类型不加以规划，出现大量土地被盲目地占用等问题[4]。在城区向外围一圈圈扩大的同时，旧城区的建筑在覆盖率、容积率、土地利用率、基础设施水平等方面都不高，提高城市土地利用率成了当务之急。所以，保护土地资源，规范土地利用审批程序，使土地利用率提高，遏制土地非法、盲目利用成了迫在眉睫的问题。城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测第2页共32页1.2遥感技术的特点遥感（RemoteSense），就是“遥远的感知”，是一种利用非接触的方式，用各类传感器对物体进行远距离探测的技术。（1）探测范围广。遥感所用的搭载平台之一，——航拍飞机，其飞行高度通常为10km左右，而距离地面更高的陆地资源卫星，其运行轨道高度可达910km，从而，在传感器视场角一定的条件下，可以比在地表直接拍摄的方式能够得到更大范围的信息。（2）获取数据快，重访周期短。遥感卫星围绕着地球高速飞行，从而能够快速地获取卫星途经地区的地物地貌实时的状况，更新历史影像资料，或是依据现有当前获取的资料与历史影响资料对比，对所发生的变化进行动态监测，这是人工外业测量和航空摄影测量无法比拟的。（3）获取信息受条件限制少。在地球上，有许多地方，自然条件极其恶劣，人迹罕至，如荒芜人烟的沙漠，泥泞不堪的沼泽、高寒缺氧的雪峰、陡峭嶙峋的石峰、烟火弥漫的火山等。利用遥感技术（尤其是航天遥感）不受地面条件限制的特点，可以便捷地获取各类宝贵资料。（4）获取信息的方法多样，所得到的信息量大。我们根据任务需求的不同，可以选择利用不同物体对不同波长的电磁波具有不同反射率的特点，选择使用不同的波段和遥感传感器，进行影像的采集。例如利用红、绿、蓝三个可见光波段来探测地面，获取直观的真彩色遥感影像，也可采用紫外线、红外线和微波来探测物体，从而可以获取肉眼看不到的信息。利用不同波段穿透物体的能力不同的特点，还可获取地物的内部隐含。例如，地表植被的高度、地面深层、水的下层、冰层下的水体、沙漠下层的地质构造等，由于不受可见光光照条件的影像，我们还可以使微波波段的遥感传感器进行全天候地工作。以上所述的遥感技术，其宏观、综合、动态、快速、灵活的特点[5]，为地球资源的调查与开发、环境监测等领域的研究提供了一种新的便捷高效的探测手段。遥感技术能够地理信息系统解决获取和更新数据的问题；另一方面，我们也可以利用GIS中的数据来帮助遥感图像的处理。目前的“3S”（GPS、GIS、RS）综合领域的研究，便是集城市高分辨率遥感影像房屋提取与变化监测第3页共32页中了各领域的优势，使得数据处理系统拥有更加广泛的实用功能。“3S”的两两结合[6]，即GPS-RS，GPS-GIS，以及RS-GIS，其中，RS与GIS的结合是核心，它为地理信息数据处理与管理、运营提供了一个功能强大的平台，增强了其直观性，也为高效实现土地利用类型进行高精度的定量变化监测研究提供了可行性保证。1.3基于数学形态学的遥感数字图像处理技术研究进展数学形态学，是一门基于集合论的二值形态学科学，这门学科历史，要赘述到上世纪的1964年，当时法国的Matheron[7]和他的学生Serra[8]，他们以积分几何的研究成果为基础，将数学形态学的基本理论引入到了数字图像处理领域中，他们的工作为数学形态学这么科学奠定了理论基础。目前，数学形态学已经在图像分析、机器视觉