地理国情监测自动化提取专题地类图斑要素的研究与应用

王开阳

(辽宁省地理国情监测中心，辽宁沈阳 110034)

近年来，随着高分辨率遥感影像与测绘信息化技术的飞速发展，以及地理国情监测工作的逐年推进，积累了各类信息丰富高分辨率遥感影像，如高分二号、北京二号等。传统的依靠人工提取地物信息的工作方式已经不能满足项目进度需求。

其中，在2020年辽宁省地理国情监测项目中，国家实施方案与技术方案进行调整与细化，除监测的地表覆盖变化和国情要素更新外，在此基础上，新增加了树冠与水体专题图层采集，按照要求，传统作业模式是人工提取地物信息，经过前期实验区试点，发现图斑形状不规则，人工采集工作量较大，无法按工期要求完成任务。因此，项目研究通过高分辨率遥感影像光谱特征、几何特征等指标对其自动化提取，解决实际工作量较大问题，确保项目按期完成。

一、研究的内容与要求

按照2020年辽宁省地理国情监测实施方案中要求，首先是对房屋建筑区内的（0521、0522、0511和0512）达到指标最少上图面积200平方米的树冠覆盖投影面进行采集，采集的图斑CC码采用绿化林地编码，存储在 V_LCRT 数据图层，(对小于100平方米的细碎图斑或细小空洞根据情况进行融合或删除)，然后是地表水的采集要求，按照符合时效性的影像实际水面覆盖范围采集，提取水面范围图斑，存储在 V_LCRW 数据图层。影像无法覆盖存在漏洞区域的可在地表覆盖基础数据库中提取水面图斑对其补充更新。

二、研究的路线和方法

1.数据准备

试验区使用的监测矢量数据是大连市地理国情监测数据中的地表覆盖中的房屋建筑区和水域数据，用来制作缓冲区数据。大连市范围内高分辨率影像数据及地理国情监测国情要素数据，用来空三纠正监测卫星遥感影像。高分二号0.8米分辨率卫星遥感影像，包含红、绿、蓝、近红外4个波段，每波段16比特，用来提取专题水体和树冠数据。

面向对象分类一般分影像分割、特征提取和分类。本文从生产实践的角度，逐步验证了面向对象的遥感影像分割技术的在地理国情监测专题数据提取中的显著优势。

采用简译软件进行遥感影像的自动化解译专题数据提取，其作业流程包括数据预处理、影像分割、对象特征计算、特征提取和对象分类等步骤。

2.预处理

采用常规的影像处理软件，加载影像控制源和地理国情监测矢量数据等，对获取的原始遥感影像进行几何校正、区域网平差、投影变换、影像增强等数据预处理工作。

在ArcGIS软件中，提取地理国情监测数据中的地表覆盖的水体和房屋建筑区矢量图斑数据，向外扩5-10米半径，用于制作区域缓冲区数据。

3.影像分割

影像分割是基于同质性或异质性准则将一幅图像划分为若干有意义的子区域的过程。一般采用多尺度分割方法，根据一定的规则，首先将位置相邻、属性相似的多个像素合并成一个小对象，然后增大尺度，将小对象合并成更大的对象，每次计算对象的异质度，相邻对象合并的原则是使异质度增长最小，直到超过了设置的阈值。

影像分割出的区域需要满足以下三个条件：一是区域中影像的所有像元类别需要满足其相似性，如灰度、色彩、纹理等，且任意两点之间连通；二是相邻影像区域的像元特征在区域边界处具有显著差异性或不连续性；三是区域边界规整且能够保证边缘的空间定位精度。

加载原始4波段16bit遥感影像和带缓冲区的水体和树冠矢量数据，只分割提取缓冲区内的影像数据，这样可以加快数据分割速度，同时又不影响水体和树冠的提取精度。

遥感影像分割的分割尺度和归并尺度范围均为0~100%，分割尺度值越大分割越细，对影像进行归并需选择合适的归并尺寸，要先确定归并尺度和分割尺度的范围。分割后影像破碎化程度越高;归并尺度值越大，归并后得到的对象数量越少，内部同质性越低。归并尺度一般依据归并的目视效果反复实验，以确定最佳组合。

4.对象特征计算

完成影像的分割和归并后，计算对象的光谱、纹理、色彩空间与波段比等空间属性，光谱属性可计算对象各波段上的像元灰度值的均值和标准差;空间属性可计算对象的几何特征(如长度、面积等);纹理计算像元灰度值变化范围，采用合适的计算对象和参数定义的特征空间，是面向对象分类的关键技术问题。

5.特征选取与对象分类

为了更好和有效地实现分类识别，对其通过计算影像对象特征，实现特征集构建，并对特征集进行特征提取，实现遥感影像的分类。采用对象训练样本选取方法提取经过定义和计算的属性特征，并以此来建立判别规则。与监督分类方法不同，面向对象提取的样本是一个个经过分割和重新定义的"对象"，对象与对象之间的形状、大小、数量相互差异很大。

利用卫星高分二号原始影像上经过取样和训练树冠、水域像素，区分非水域、非树冠像素，产生了含有水域和树冠像素值概率的影像实例。

提取水体和树冠专题图斑数据完成后，在软件中初步对结果进行平滑导出，消灭大量像素级锯齿状边界。

6.人工编辑

通过以上操作，专题图斑数据还存在部分不规则的锯齿状边界，以及超出指标范围的图斑数据，需要人工干预。在数据生产阶段，采用ArcGIS软件，叠加提取的水体、树冠专题图层数据，按中心城区100平方米的指标，下浮动到50平方米，参考遥感影像，对水体、树冠专题图斑进行面域的合并和删除，修改锯齿状的边界范围。

三、结束语

结果表明，提取的水体和树冠的一致性比率达90%以上，其在专题数据的自动化解译中的实际应用高效快捷，极大地减少了人工采集工作量，提高了日常生产效率，生产的数据成果能够满足地理国情监测中的数据指标要求。也将在大连市的实际生产中的技术路线和得到宝贵经验，逐步推广到抚顺、盘锦等多个水体、树冠覆盖度高的地级市区，高效提取工作提供了一定的技术和理论参考价值。