遥感影像变化检测在地形图更新维护中的应用初探

1遥感影像变化检测在地形图更新维护中的应用初探付树林，吴正鹏（天津市测绘院，天津300381）摘要：城市建设的飞速发展使测绘资料现势性差、地形图更新手段落后的问题变得日益突出。本文首先概略介绍了遥感影像变化检测技术，然后结合天津市测绘院组织的滨海新区1:2000地形图变化检测项目，从技术流程、作业周期及变化检测效率影响因素等几个方面对遥感影像变化检测技术在地形图更新维护中的应用进行了分析、展望。关键词：遥感地形图变化检测SPOT51.引言随着城市建设的飞速发展，城市变化日新月异，基础比例尺地形图的更新成为困扰城市测绘部门和规划管理部门的重要问题之一。由于资金缺乏、更新机制不健全等因素，致使基本比例尺地形图的更新速度和周期远远满足不了城市规划、管理工作需要，给规划、管理决策造成困难。因此，如何快速、有效、准确地获取地形、地物变化信息，并及时准确地反映在基础比例尺地形图上就成为我们当前思考的一个重要问题。为了给国民经济建设各部门做好测绘保障和服务工作，及时提供测绘技术支持，解决测绘资料现势性差、地形图更新手段落后的问题，天津市测绘院于2007年专门组建课题组对遥感影像变化检测在地形图更新维护中的应用展开研究。2007年底，第一版遥感影像变化检测程序开发工作完成，2008年天津市测绘院遥感工程院利用该程序先后完成了天津市区、环外环及滨海新区1:2000地形图变化检测工作，经过外业核实，该程序在准确率等方面还存在问题。因此，2009年初遥感工程院开始实施该程序的升级工作，于2009年11月完成。2.遥感影像变化检测概述遥感图像变化检测是一门根据遥感图像和参考数据不同时相的观测来提取、描述感兴趣物体或现象随时间变化的特征，并定量分析、确定其变化的理论和方法。遥感影像变化检测的基本原理是依据地物在遥感影像中所反映出的灰度信息和边缘特征的个性差异，给定同一地区的多个时相的单波段或多波段遥感图像（在条件可能的情况下，可以配备一定的辅助数据以提高检测精度），采用图像处理和分析的方法，检测出该地区的地物或目标有无变化，并对变化做出定性或定量的分析。随着地球信息科学的发展和应用需求的多样化，遥感影像变化检测的研究内容得到了极大的丰富，参考数据不再局限于遥感图像，也可以是GIS数据、地形图以及其它地球空间信息产品。变化检测技术的特点具体体现在：参考数据必须要能够表现、描述待研究地物或现象的时态特征，也就是说参考数据的信息约束着变化检测结果；地物或现象的时态特征的变化必须能够从其他干扰因素中分离出来。这些干扰因素包括：大气、物候、日照以及传感器等变化引起的图像灰度值的变化。根据变化检测技术的原理、特点将其应用于地形图更新维护中以计算机视觉代替人眼观测，自动判读出地物地貌发生变化的区域，减少人工判读工作量，是值得研究的一种新的地形图更新维护方法。23.项目简介3.1滨海新区1:2000地形图变化检测项目概述2009年6月天津市测绘院业务处指定遥感工程院利用2008年4季度、2009年1季度SPOT52.5米正射影像图及2008年底修测完成的1:2000地形图数据对整个滨海新区进行了地形图变化检测工作。在项目实施过程中，由于程序升级尚未完成，故采用第一版程序进行遥感影像变化检测，同时结合最新时相遥感影像与地形图套合，经人工判读提取变化图斑的方式进行。3.2数据源情况简介卫星影像数据2008年4季度SPOT52.5米真彩色正射影像图，其中大港、汉沽存在约50幅图没有影像覆盖（覆盖情况如图1所示）；2009年1季度SPOT52.5米真彩色正射影像图，其中大港、汉沽存在约70幅图没有影像覆盖（覆盖情况如图2所示）。图1：2008年4季度SPOT5覆盖示意图图2：2009年1季度SPOT5覆盖示意图航空摄影资料滨海新区3351幅1:2000真彩色正射影像图（DOM）。地形图数据滨海新区3351幅1:2000地形图。34.技术流程图3：基于卫星遥感影像数据的1:2000地形图更新流程5.基于遥感影像的地形图变化检测结果分析5.12008年4季度至2009年1季度地形图变化检测情况统计通过统计利用2008年4季度、2009年1季度SPOT52.5米正射影像图与2008年底修测完成的1:2000地形图数据，对整个滨海新区进行地形图变化检测、提取变化图斑的情况，可以得到如下结果（表中ImageChanges为2008年4季度与2009年1季度SPOT5影像变化检测结果，DLGChanges为2008年1:2000地形图与2009年1季度SPOT5影像1:2000DLG数据卫星影像数据及参数像控点数据DEM数据控制点选择与量测正射纠正影像融合影像镶嵌影像处理影像图幅裁切否是否满足要求是最新时相DOM数据变化图斑准确性检查DOM与DLG套合提取变化图斑是否满足要求提交外业部门调绘、修测是不同时相遥感影像变化图斑提取1:2000地形图成果4变化检测结果）。表1：2008年4季度至2009年1季度地形图变化检测情况统计表变化面积（平方米）检测面积（平方米）变化率ImageChanges36714661.0625874511891.42%DLGChanges115398911.225874511894.46%ALL152113572.325874511895.88%说明：检测面积（S）计算方法如下：S=3458*800*1000-178948811=2587451189；其中：3458为实际检测的图幅数（滨海合计3511幅，其中53幅没有影像覆盖）；178948811为北大港水库、东丽湖等大面积水域的面积概略统计数。图4：不同时相遥感影像变化图斑示意图图5：RSDOM与DLG套合检测变化图斑示意图（2008年4季度与2009年1季度SPOT5）（2009年1季度SPOT5影像与1:2000DLG）5.2作业周期遥感影像预处理（影像纠正及分幅裁剪）：2天（1人）；不同时相遥感影像变化检测：10天（3人）；最新时相遥感影像套合地形图提取变化图斑：5天（5人）；地形图变化图斑分院检查：4天（3人）。5.3影响变化检测准确率及效率因素分析将遥感影像变化检测技术应用于地形图更新维护，其目的是以计算机视觉代替人眼观测，自动判断出变化区域，给人工判读指引判读方向，依据变化检测结果再以人机交互的方法对修测源数据加以修编，其效率是显而易见的。但是遥感影像获取途径的多样化，几何配准精度、辐射校正精度以及变化检测方法的选取等对变化检测结果的影响都很大，检测结果的精度又直接影响判读速度，从而影响地形图更新维护效率。检测结果的精度高，可以有效提高判读速度，反之降低判读速度，影响更新维护效率。因此，对影响变化检测准确率及效率的因素进行分析是必不可少的环节，它表明了检测结果的可靠性。5.3.1影像空间分辨率影像数据的选择直接影响到地形图更新的精度和质量，为此需选择合理空间分辨率5的清晰遥感影像作为数据源。立足天津实际情况，可供遥感影像变化检测的稳定数据源只有SPOT5，分辨率较低，用于1/10000地形图更新尚可，对1/2000地形图更新则显放大倍数过大，容易造成小图斑的遗漏，不能满足更新需要。目前，对于天津市1/2000地形图更新，我们仅利用遥感影像提取变化图斑，从而指导外业修测工作。因此，影像的空间分辨率可适当放宽。这里，笔者通过综合对比分析分别利用2008年9～11月航空摄影资料（0.2米）、2008年4季度SPOT5影像资料（2.5米）与2008年底修测完成的1:2000地形图数据进行检测所提取的变化图斑，如果忽略二者在数据获取时间上的差异，发现其检测结果存在近2%的偏差，尤其是小图斑存在严重的漏判（如图6所示，图中绿色图斑为利用2008年9～11月航摄资料提取，红色图斑为利用2008年4季度SPOT5影像资料提取）。因此，可以判定影像的空间分辨率对变化检测准确率有很大影响。图6：航摄影像与卫星影像地形图变化图斑对比示意图5.3.2几何纠正精度变化检测过程需要对同一地物的不同时相数据进行综合分析，从某种意义上讲需要“叠合”同一地物不同时相的数据，显然这种处理是需要一致的位臵做参照的。由于飞行器平台和传感器姿态、大气传输、地形起伏以及传感器成像几何性能等因素的变化常常会引起影像几何的线性和非线性畸变，使得不同时相获取的影像在同一坐标位臵上对应地物不一致。因此，变化检测之前要对检测数据进行几何纠正。目前，纠正方式有两种：一种是遥感影像相对T1时相参考数据进行相对几何校正；另一种是遥感影像和T1时相参考数据都相对其他的参考坐标系统进行纠正，纳入到同一几何基准下。在实际工作中可根据具体的资料情况选择采用。几何纠正的精度对变化检测结果的精度影响非常大，精度低的几何纠正结果会导致大量的伪变化，影响修测过程中的判读效率。因此，在变化检测前的数据预处理中，几何纠正精度要根据修测精度做出相应的要求。5.3.3作业人员素质在地形图修测过程中，判断地形是否发生变化，确定发生变化区域是进行地形图修6测工作的关键环节。当修测数据源选定之后，采用什么样的方法确定变化区域是修测工作必须考虑的问题，通常可以采用以下两种方式进行。①依照旧影像与新影像或旧地形图与新影像进行对比，人工目视判读确定变化区域；②将遥感影像变化检测技术应用于地形图更新维护，以计算机视觉代替人眼观测，自动判断出变化区域，给人工判读指引判读方向，依据变化检测结果再以人机交互的方式对修测源数据加以修编。显然，无论采用何种方法，人工目视判读、修编变化区域还是依赖于判读人员的作业经验，且判读速度较慢、具有主观性。从目前的情况看，作业人员素质对变化检测准确率的影响主要表现为以下两个方面：①遥感影像目视判读能力差；②对1/2000地形图制图（综合、取舍）缺乏理解。因此，必须加强作业人员在这两方面的素质培训，才有可能提高变化检测的准确率。5.3.4生产组织执行情况具体分析目前我院地形图更新的生产组织形式，大致分以下四步：①通过比较分析不同时相遥感影像，提取影像变化图斑；②将地形图与最新时相遥感影像图套合提取地形地貌变化图斑；③对上述两步所提供的图斑进行外业实地核查并修测正确变化图斑；④依据外业核实情况对判读人员进行针对性培训，以助其提高作业水平。总的来看，这是一个很完善、合理的流程。但在实际操作中，由于地形图的外业修测工作相对滞后，地形图很难与最新时相遥感影像在现势性上保持一致，从而影响变化检测准确率。总的来说，影响变化检测结果精度的因素很多，不同时相的遥感影像对同一种变化检测方法都会有不同的检测结果，每种变化检测方法的适应性各不相同，每一次阈值的设定都会有不同的检测结果，几何纠正和辐射校正的精度则直接影响着变化检测精度。因此，客观分析变化检测技术在地形图修测过程中带来的效益也很重要。6.展望目前普遍使用的变化检测技术尚缺少理论评价标准；同时，检测方法还未充分利用新旧影像间的许多关联信息，也没有采用空间数据挖掘方法从旧的空间数据库中提取变化检测可用的知识，变化检测中较少利用多光谱和高光谱信息，而几何信息的利用也仅仅通过对少量控制点的配准，未将所有未变化目标的几何信息加以利用，也没有成熟的方法来处理不同时相数据中由于大气条件、传感器噪声和大气辐射的差异性带来的干扰。这些都是变化检测中的关键性问题，需要加紧研究和解决。但是，变化检测技术在地形图修测中的应用前景是显而易见的。用计算机视觉代替人眼的目视判读本身就是一种进步，随着计算机技术、图像处理技术、模式识别技术的不断发展，变化检测技术将在未来的地形图更新维护工作中带来显著的经济效益。参考文献：[1]李德仁《利用遥感影像进行变化检测》，武汉大学学报：信息科学版，2003；[2]王汉英、张占睦等《遥感影像变化检测在地形图快速修测中的应用》，测绘工程，2009；[3]王惊鸿《大比例尺地形图更新技术方法研究和认识》，城市勘测，2009；[4]刘德刚《基于多时相遥感影像的变化检测与分析》，2005。