利用高分辨率遥感影像进行DLG要素快速更新的方法

杨爱民，陈　峰，刘鹏珍，张　锦

(1. 山西省遥感中心，山西 太原 030001； 2. 山西省测绘工程院，山西

太原 030002； 3. 太原理工大学，山西 太原 030024)



利用高分辨率遥感影像进行DLG要素快速更新的方法

杨爱民1，陈峰1，刘鹏珍2，张锦3

(1. 山西省遥感中心，山西 太原 030001； 2. 山西省测绘工程院，山西

太原 030002； 3. 太原理工大学，山西 太原 030024)

Research on Quick Updating Method of DLG by Using High Resolution Satellite Images

YANG Aimin，CHEN Feng，LIU Pengzhen，ZHANG Jin

摘要：基础地理信息数据的更新是一项长期而重要的任务，本文针对DLG要素快速更新问题，利用高分辨率遥感影像，采用图像代数方法对两期影像进行了变化检测，快速获取了DLG要素的变化位置、变化范围等信息，辅助DLG要素增量数据获取。采用空间数据匹配的方法建立了现状、历史与增量数据间的关联关系，并采用增量更新的方法对DLG要素进行了快速更新。利用该方法对太原市某城区居民地要素进行了更新试验，并应用于山西省重点城市建设用地遥感监测系统项目中，取得了较好的应用效果。

关键词：遥感影像；变化检测；数据匹配；增量更新

基础地理信息数据的更新是当前测绘部门面临的主要问题。为确保基础地理信息数据具有较高的现势性、准确性和完整性，首先就要提高基础地理信息数据更新作业的效率和对历史数据的有效组织与管理。高分辨率航空航天影像包含丰富多样的地理和地形信息，已成为非常重要的空间信息数据源之一。目前，基础地理信息数据的更新主要是以新期航空航天影像为底图，通过与旧矢量数据或旧影像数据配准后人机交互比对来发现变化的要素，按相应比例尺更新规范并采用内外业相结合的方法进行更新作业[1]，但由于人工干预较多而容易引起人为的漏判与错判，且生产效率有待提高。针对修测的数据经过处理和整理后的更新成果数据，在目前的生产实际中主要通过两种方式来完成基础地理信息数据库的更新：①版本式更新,即更新后以新版本存入现势库，而更新前的旧版本存入历史库[2]，这种方法对数据的存储通常为静态的，不同版本数据之间没有形成关联；②增量式更新,即只对通过变化检测发现的变化部分数据进行更新操作[3],以达到减少数据冗余、提高更新效率的目的。

本文针对数据库中特定要素的更新，以高分辨率遥感影像为基础，通过影像变化检测快速发现要素的变化区域和变化范围，检测结果可辅助增量更新数据的采集工作，减少人工比对和判读的时间；采用空间数据匹配的方法建立要素之间的关联关系，实现增量数据的快速更新和匹配关联关系的统一组织管理。

一、利用变化检测的增量要素获取

目前大多数变化检测方法主要检测的是全部地物类型的变化，很多方法都是针对特定条件下的遥感影像提出来的，这些算法往往工作效率不高，而且难以针对基础地理信息的特定要素进行快速检测发现变化信息。本文主要针对居民地要素，采用图像代数和阈值分割方法进行变化检测，该方法简单直接，快速有效。变化检测的主要过程如下：①通过图像代数运算获取差异影像；②对差异影像的灰度值进行直方图统计分析；③选取一定的阈值进行阈值分割，获得变化检测结果。

增量更新要素的采集工作以新期遥感影像为基础底图，将旧矢量数据和变化检测结果图叠加来辅助增量数据的获取。主要工作方法如下：①根据变化检测的结果确定待更新要素的更新图幅及更新区域；②从基础地理信息数据库中提取出对应的数据，存放在临时库作为更新使用的数据；③结合旧矢量、旧影像数据及变化检测结果数据进行标准增量更新采集作业，形成更新成果数据。利用变化检测的增量数据采集方法流程如图1所示。

二、采用格网匹配的增量更新

1. 格网索引匹配

在待匹配数据的空间范围内，根据单位格网的平均要素数和单位要素占用的平均格网数之间的最佳关系，确定最佳的格网大小，然后利用网格索引方法，将待匹配要素按照统一的网格映射规则分别映射到一个M×N的网格索引，通过网格编码的映射实现更新前后要素之间的对应关系，如图2所示，以达到匹配效果[5]。

图1　利用变化检测的增量数据采集方法流程

图2　更新前后要素之间的对应关系

2. 增量数据更新

建立增量数据库，包括增量数据集和对应关系，根据增量数据采集模式的不同可以将增量更新分为增量数据采集模式和全要素数据采集模式，如图3所示。增量数据采集模式通过变化检测后只采集增量数据并与历史数据匹配关联建立对应关系即可；全要素数据采集模式需要先采集全要素数据，然后结合历史数据进行变化检测获取增量数据集，并利用数据匹配完成对应关系的关联。从这两种模式上来看，第1种适合要素级更新，即对特定要素发生变化时的数据库更新；第2种适合测区级更新，即由于地物地貌变化程度较大，局部个别要素的更新已无法满足数据现势性要求的情况[4]。无论哪种模式，在经过匹配关联建立增量数据库后，可以通过历史库和增量库派生出现状库，从现状库通过关联关系可以回溯历史库，实现历史库和现状库之间的转换。

图3　增量数据采集模式和全要素数据采集模式

三、试验分析及应用

1. 试验数据

本次试验数据包括：①太原市某区域1999年0.5 m分辨率黑白航空影像，如图4所示，可以看出影像范围内大部分为耕地，只有少数城镇及农村居民地，城市化水平还比较低；②相同区域2013年0.5 m分辨率全色卫星遥感影像，如图5所示，随着城市的不断建设和扩张，新建起了许多城市居民小区，还有不少正在建设的施工用地，城市化水平相对较高；③太原市某区域1999年1∶5万标准图幅DLG居民地要素数据，如图6所示。

图4　1999年0.5 m分辨率黑白航空影像

图5　2013年0.5 m分辨率全色卫星遥感影像

图6　某区域1999年1∶5万标准图幅DLG居民地要素

2. 变化检测

根据数据源的实际情况，在变化检测前对两期影像进行了影像直方图匹配和几何配准的预处理工作。直方图匹配可使两幅影像具有相似色调和反差，以便作进一步的图像代数运算；精确几何配准能有效减少因相同位置像元之间错位而检测出的伪变化区域[6]。变化检测方法选择快速直接的图像差分法[7]，阈值分割方法采用Otsu法[8]。变化检测的结果以二值化图的形式输出，如图7所示，变化的部分像素值是0，没有变化的部分像素值是225，变化的部分在图中突出显示，如图8所示。

图7　二值化图形式输出

图8　变化的部分在图中突出显示

3. 增量更新

将变化检测结果与旧矢量图叠加，并结合新旧影像进行增量数据的采集、编辑与处理，形成增量数据集；建立格网索引映射，通过相同位置格网的统一编码完成对应关系的建立，经过进一步的筛选、区分关联类型，获得居民地要素的精确匹配关联表，可以实现要素的历史查询、统计及变化信息提取等，并且可以直观地区分出何种要素在何处发生了何种变化，为更新作业提供先验知识；结合增量数据集和对应关系在数据库中完成相应的增量更新操作，从而完成现势数据的更新。增量数据匹配和关联过程如图9所示，增量数据采集结果如图10所示，更新后DLG居民地要素数据如图11所示。

图9　增量数据匹配和关联过程

4. 建设用地监测应用

本文研究的部分成果已在山西省重点城市建设用地监测系统项目中得到实际应用。经过格网索引匹配形成的增量数据库已成为该系统的数据库构成内容之一，通过历史库和现状库之间建立的关联关系，可实现历史与现状数据的对比分析，结合城市土地利用总体规划中心城区的发展控制规模，实现城市管理部门对各类建设用地的变化情况分析，如图12所示，城市内部结构重组与外围地域扩展情况分析及土地利用规律探寻如图13所示，三维可视化分析如图14所示；同时，采用遥感影像变化检测和匹配关联的增量更新方法为该监测系统建成后的数据库更新工作提供了一种简便、可行的方法，为实现全省11个重点城市建设用地变化情况的常态化、动态化遥感监测提供了技术支撑。

图12　各类建设用地的变化情况分析

图13　城市内部结构重组与外围地域扩展情况分析及土地利用规律探寻

图14　三维可视化分析

四、结束语

本文针对DLG要素快速更新问题，对遥感影像的变化检测、数据匹配关联和要素增量更新相结合的方法进行了研究，初步建立了利用高分辨率遥感影像对DLG要素快速更新的方法。该方法首先采用图像代数对高分辨率遥感影像进行变化检测来快速界定更新要素的变化位置和变化范围；然后叠加旧矢量、旧影像数据，辅助完成增量数据的快速获取；最后采用增量更新模式对DLG要素数据完成更新。研究成果在山西省重点城市建设用地遥感监测系统项目实施应用中取得了较好的效果。

参考文献：

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[2]卫东.地理空间数据一体化更新发布系统的技术研究[J].测绘通报,2013(7):77-81.

[3]周晓光,陈军,朱建军,等.基于事件的时空数据库增量更新[J].中国图象图形学报,2006,11(10):1431-1438.

[4]朱宏斌,陆海英,盛琦,等.城市基础地理信息数据库更新方案研究[J].测绘通报,2011(1):25-27.

[5]刘鹏珍.基本地理市情监测数据组织管理和应用系统开发[D].太原：太原理工大学,2013.

[6]陈峰.基于图像代数的居民地变化检测方法研究[D].太原：太原理工大学,2014.

[7]BRUZZONE L, PRIETO D F. Automatic Analysis of the Difference Image for Unsupervised Change Detection[J]. IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sen-sing,2000,38(3): 1024-1030.

[8]OTSU N. A Threshold Selection Method from Gray-Level Histograms[J].IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics,1979, 9(1):62-66.

[9]陈峰,张锦,曾波.基于图像代数的资源三号卫星居民地要素变化检测方法及其有效性评价[J].测绘通报,2015(5):38-41.

[10]钟家强.基于多时相遥感图像的变化检测[D].长沙:国防科学技术大学,2005.

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)03-0073-04

作者简介：杨爱民(1974—)，男，高级工程师，研究方向为遥感与地理信息系统。E-mail: yam888@126.com

基金项目：山西省测绘地理信息科技项目(2013-K5)；山西省重点城市建设用地遥感监测系统项目

收稿日期：2015-03-05

引文格式：杨爱民，陈峰，刘鹏珍,等. 利用高分辨率遥感影像进行DLG要素快速更新的方法[J].测绘通报，2016(3)：73-76.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0090.