李 強(qiáng)，張景發(fā)

（1.中國(guó)地震局 地殼應(yīng)力研究所，北京 100085；

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

變化檢測(cè)技術(shù)在震害信息提取中的應(yīng)用

李 強(qiáng)1,2，張景發(fā)1

（1.中國(guó)地震局 地殼應(yīng)力研究所，北京 100085；

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

根據(jù)處理的信息層次將變化檢測(cè)方法分為3類(lèi)，總結(jié)了3類(lèi)方法在震害信息提取中的優(yōu)缺點(diǎn)，并找出目前變化檢測(cè)存在的不足，展望了變化檢測(cè)在震害信息提取中的發(fā)展趨勢(shì)。

變化檢測(cè)技術(shù)；信息提取；震害

目前，震后調(diào)查和評(píng)估主要依靠人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，需要耗費(fèi)大量的人力、物力，且周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)大[1]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，可充分利用遙感對(duì)地觀測(cè)的實(shí)時(shí)、快速、覆蓋范圍廣、多光譜、周期性等特點(diǎn)，快速得到震害區(qū)信息。利用震前震后同一地區(qū)的遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)，快速獲取地面地物變化，可為抗震救災(zāi)提供更全面準(zhǔn)確的災(zāi)情信息。

變化檢測(cè)能定量和定性地提供地物變化信息，已成功應(yīng)用到土地類(lèi)型變化檢測(cè)、城市建筑變化檢測(cè)等領(lǐng)域。我國(guó)較早將變化檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到震害信息提取的是張景發(fā)[2]，他對(duì)張北地震區(qū)地震前后的SAR圖像進(jìn)行了變化檢測(cè)處理，確定了村莊建筑物的地震破壞及震害程度。近年來(lái)，變化檢測(cè)在震害信息提取中的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。

對(duì)于地震區(qū)域的震害檢測(cè)，采取什么樣的處理方法與流程能提取到較高精度的變化信息是一個(gè)棘手的問(wèn)題。本文對(duì)各種變化檢測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)，按照處理信息層次分類(lèi)方法進(jìn)行了介紹，分析了現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，為以后變化檢測(cè)方法的選擇及研究提供參考。

1 變化檢測(cè)基本流程

影像變化檢測(cè)是從不同時(shí)期的遙感數(shù)據(jù)中，定量分析和確定地表變化特征的過(guò)程[3]，即將同一地區(qū)不同時(shí)相的遙感影像信息進(jìn)行對(duì)比分析，獲取2個(gè)時(shí)相之間的差異，其技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

影像的預(yù)處理主要有影像配準(zhǔn)和大氣校正，不同時(shí)相的遙感影像中，地物的變化會(huì)引起圖像輻射值的變化，因此要進(jìn)行輻射校正。輻射校正是消除非地物變化引起的輻射值差異的有效方法，在變化檢測(cè)的預(yù)處理中，一般采用相對(duì)輻射校正，將一幅影像作為基準(zhǔn)，調(diào)整另一幅影像的輻射值，使得兩時(shí)相影像上相同地物具有相同的輻射值。變化信息的提取主要有監(jiān)督、非監(jiān)督分類(lèi)及面向?qū)ο筇卣魈崛〉确椒ā?/p>

圖1 變化檢測(cè)技術(shù)流程圖

2 變化檢測(cè)方法

隨著遙感圖像處理及圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)學(xué)者提出了多種變化檢測(cè)方法[4-6]，主要有：按處理的信息層次將變化檢測(cè)劃分為像元級(jí)、特征級(jí)與決策級(jí)3個(gè)層次；按是否經(jīng)過(guò)分類(lèi)將其分為直接比較法和分類(lèi)后比較法2類(lèi)；還有專(zhuān)家歸結(jié)為算術(shù)運(yùn)算法、變換法、分類(lèi)比較法、高級(jí)模型法、GIS集成法、視覺(jué)分析法和其他方法等7類(lèi)[7]。本文按處理信息層次類(lèi)別劃分進(jìn)行介紹。

2.1 基于像元級(jí)的方法

基于像元級(jí)的方法主要有影像差值法、影像比值法、影像回歸法、假彩色合成法、交叉相關(guān)分析法等。此類(lèi)方法快捷簡(jiǎn)單，能快速得到變化區(qū)域位置，但不能確定發(fā)生變化的類(lèi)別，且難以克服傳感器噪聲和大氣輻射帶來(lái)的差異，對(duì)預(yù)處理結(jié)果敏感[8]。

1）影像差值法。它是利用地震前后地物光譜信息的變化來(lái)探測(cè)地物的變化情況。將預(yù)處理后的圖像進(jìn)行差值運(yùn)算，計(jì)算出差值結(jié)果，設(shè)定某個(gè)控制閾值，大于控制閾值的結(jié)果就認(rèn)為是變化的，反之則反。然后統(tǒng)計(jì)變化的像元數(shù)，計(jì)算震害分布[9]。翟永梅[10]等對(duì)差值法提取倒塌建筑物技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出基于區(qū)域的差值分割提取技術(shù)，并應(yīng)用到震害信息提取中，對(duì)汶川地震中都江堰市某個(gè)街道進(jìn)行了檢測(cè)，能較快速準(zhǔn)確地提取建筑物受損情況。

2）影像比值法。它與差值法相似，將預(yù)處理后的圖像進(jìn)行熵值運(yùn)算，計(jì)算出熵值結(jié)果，設(shè)定某個(gè)控制閾值，大于控制閾值的結(jié)果就認(rèn)為是變化的，而小于閾值的結(jié)果則認(rèn)為是不變的。確定閾值時(shí)多使用經(jīng)驗(yàn)判定及目視解譯的方法，缺乏一套成熟有效的變化閾值確定方法[11]。

3）影像回歸法。首先假定前一時(shí)相的像元值是后一時(shí)相像元值的一個(gè)線性函數(shù)，通過(guò)最小二乘法來(lái)進(jìn)行回歸，然后用回歸方程計(jì)算出的預(yù)測(cè)值減去前一時(shí)相的原始像元值，從而獲得兩時(shí)相的回歸殘差圖像。通過(guò)設(shè)定閾值來(lái)劃分變化與未變化區(qū)域分布。經(jīng)處理的遙感影像類(lèi)似于對(duì)影像進(jìn)行了相對(duì)輻射校正，能減弱不同時(shí)相影像由于大氣條件和太陽(yáng)高度角不同帶來(lái)的影響。

4）假彩色合成法。由于地表的變化，相同傳感器對(duì)同一地點(diǎn)所獲取的不同時(shí)相的影像在灰度上有較大的區(qū)別。將不同時(shí)相同一波段的數(shù)據(jù)分別賦以紅、綠、藍(lán)3種顏色，通過(guò)假彩色合成來(lái)突出顯示變化。此種方法簡(jiǎn)單快捷，但需要不斷嘗試才能找到合適的組合顯示震害信息的變化。

5）交叉相關(guān)分析法。首先將遙感影像同舊期利用現(xiàn)狀圖配準(zhǔn)疊置，用現(xiàn)狀圖的邊界將遙感圖像劃分為不同的圖斑單元，統(tǒng)計(jì)各個(gè)圖斑單元的光譜響應(yīng)均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到“期望值”，然后比較每個(gè)像元期望值與光譜實(shí)際值之差。如果差值比較大，說(shuō)明是可能發(fā)生變化的區(qū)域。此種方法對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理中的輻射校正精度要求較高。

2.2 基于特征級(jí)的方法

基于特征級(jí)的方法主要有紋理邊緣特征分析、光譜特征變異法、主成分分析法等。此類(lèi)方法的算法稍復(fù)雜，能得到變化區(qū)域的位置，不能得到發(fā)生變化的類(lèi)型，對(duì)特征檢測(cè)算子及變換方法敏感。

1）光譜特征變異法。同一地物反映在一時(shí)相影像上的信息與其反映在另一時(shí)相影像上的光譜信息是一一對(duì)應(yīng)的，如果兩者信息表現(xiàn)不一致，融合之后影像的光譜信息與正常地物表現(xiàn)就有差別，此時(shí)就認(rèn)為地物發(fā)生了光譜特征變異。光譜特征變異通過(guò)兩時(shí)相數(shù)據(jù)直接融合運(yùn)算發(fā)現(xiàn)變化信息，變化區(qū)域反映在融合后影像中光譜發(fā)生突變的位置。此種方法要在發(fā)生光譜特征變異的地物的幾何尺寸足夠大的基礎(chǔ)上才能被識(shí)別，且此種方法的效率受研究區(qū)地物光譜特征的限制。

2）主成分分析法。地物屬性發(fā)生變化時(shí)，影像某幾個(gè)波段上的灰度值發(fā)生變化。將兩時(shí)相的影像各波段組合成一個(gè)2倍于原影像波段數(shù)的新影像，并對(duì)新影像作主成分分析變換。后幾個(gè)分量反映出兩影像的差別信息，抽取后幾個(gè)分量進(jìn)行波段組合來(lái)發(fā)現(xiàn)變化信息。Estrada[12]等利用Landsat影像基于主成分分析法快速提取了地震災(zāi)情信息。

3）基于邊緣特征的變化檢測(cè)。遙感圖像的邊緣特征提取是對(duì)遙感圖像上明顯地物邊緣進(jìn)行提取與識(shí)別的處理過(guò)程[13]。常用的邊緣檢測(cè)算子有：Sobel算子、Canny算子、Log算子及小波變換。由于存在配準(zhǔn)誤差及圖像邊緣提取誤差，可能導(dǎo)致影像上未發(fā)生變化的地物在實(shí)際情況中空間位置或幾何形狀發(fā)生變化，因此該方法對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理精度尤其是配準(zhǔn)精度要求較高。

2.3 基于決策級(jí)的方法

基于決策級(jí)的方法主要是分類(lèi)后比較法。分類(lèi)后比較法是一種較簡(jiǎn)單清晰的發(fā)現(xiàn)變化類(lèi)型的方法。該方法將前后時(shí)相的影像進(jìn)行單獨(dú)分類(lèi)，然后將分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行比較得到變化信息。Mitomi[14]利用航空遙感數(shù)據(jù)，采用最大似然分類(lèi)法對(duì)震后建筑物的破壞進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和檢測(cè)。Rathje[15]等對(duì)2003年阿爾及利亞北部里氏6.9級(jí)地震后QuickBird衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取震害信息，分別利用光譜值的最大似然分類(lèi)及考慮紋理結(jié)構(gòu)和光譜值的最大似然分類(lèi)進(jìn)行了對(duì)比分析。該方法可直接得到變化信息的位置、數(shù)量及類(lèi)型，但受分類(lèi)精度影響，每一單獨(dú)分類(lèi)中的誤差會(huì)在空間比較過(guò)程中被放大。

3 變化檢測(cè)存在的不足

面對(duì)大量的變化檢測(cè)方法，針對(duì)不同的應(yīng)用，選擇不同的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得到以下結(jié)論：沒(méi)有一種方法適應(yīng)于所有的應(yīng)用，沒(méi)有哪種方法是最優(yōu)的，且變化檢測(cè)的精度受數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)預(yù)處理、地面環(huán)境等因素影響，沒(méi)有形成系統(tǒng)理論，缺乏知識(shí)引導(dǎo)的特征級(jí)的變化檢測(cè)，只是依靠專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)。震害信息復(fù)雜多樣，如何選取一種快速準(zhǔn)確的方法是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。研究以上方法發(fā)現(xiàn)，除了基于邊緣特征的變化檢測(cè)和交叉相關(guān)分析之外，其余方法都只是基于像元的灰度值進(jìn)行運(yùn)算，沒(méi)有考慮地物的幾何信息、紋理信息、結(jié)構(gòu)等因素，從而制約了變化檢測(cè)精度。

4 變化檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)變化檢測(cè)存在的不足，要充分挖掘新舊影像之間存在的聯(lián)系，結(jié)合多元特征信息，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取數(shù)據(jù)庫(kù)中可用于變化檢測(cè)的數(shù)據(jù)，如GIS矢量數(shù)據(jù)。杜培軍等將影像的光譜特征、紋理特征、幾何特征、特征因子數(shù)據(jù)融合起來(lái)分析，提高了變化檢測(cè)的精度[16]。趙福軍[17]等以汶川地震為例，針對(duì)建筑物震害破壞情況，采用傳統(tǒng)基于像元的分類(lèi)方法和面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，面向?qū)ο笮畔⑻崛》椒ㄓ行岣吡苏鸷ψR(shí)別的分類(lèi)精度，能提取震害建筑物信息及滑坡等次生災(zāi)害信息。面向?qū)ο蠹夹g(shù)是近幾年來(lái)針對(duì)高分辨率影像分類(lèi)而引進(jìn)的分類(lèi)技術(shù)，基于面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)后處理的變化檢測(cè)方法能夠克服不同數(shù)據(jù)源的遙感影像在分辨率、色差等方面對(duì)檢測(cè)精度的影響，同時(shí)能充分利用影像的光譜信息和形狀、紋理、相互關(guān)系、上下關(guān)系等信息，改善了單純基于像元的分類(lèi)后處理難以區(qū)分光譜特征相似的地物類(lèi)別，從而影響分類(lèi)后的變化檢測(cè)精度。面向?qū)ο笞兓瘷z測(cè)方法已成為變化檢測(cè)方法研究的主要方向，如果結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建知識(shí)規(guī)則，快速得到規(guī)則集，則面向?qū)ο笞兓瘷z測(cè)在震后信息快速評(píng)估中會(huì)有更大的利用空間。

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Application of Change Detection Technology in Earthquake Damage Information Extraction

byLI Qiang

According to the processing of information, this paper divided change detection method into three categories. And then it summarized advantages and disadvantages of three kinds of methods, and found out the deficiency existing in current change detection. Finally, this paper prospected the development trend of the change detection in the earthquake damage information extraction.

change detection technology,information extraction,earthquake damage

P237.9

B

1672-4623（2014）02-0009-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.004

2013-04-08。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2012AA121304）；高分計(jì)劃資助項(xiàng)目（E0205/1112/9）。

李強(qiáng)，碩士，主要從事遙感信息提取研究。