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顧及多尺度分割參數(shù)的FNEA面向?qū)ο蠓诸?/h1>
2018-04-08 01:45魯鐵定
測(cè)繪通報(bào) 2018年3期
關(guān)鍵詞:面向?qū)ο?/a>分類器尺度

孫 坤,魯鐵定

(1. 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院,江西 南昌 330013; 2. 流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013)

隨著遙感技術(shù)不斷進(jìn)步,目前商用高分辨率遙感影像能夠提供越來越豐富的幾何、光譜、時(shí)相、紋理等特征,如何利用遙感影像的特征對(duì)影像進(jìn)行解譯是研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)影像分類最基本、最概括的兩種方法監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類具備各自特點(diǎn)[1],但基于像元分類精度較難達(dá)到生產(chǎn)應(yīng)用的需求,而面向?qū)ο筮b感影像分析(geo-object-based image analysis,GeOBIA)能較好地解決此類問題,因此該方法被譽(yù)為遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)之間的橋梁[2]。

面向?qū)ο髨D像處理的必要先決條件是成功的圖像分割,隨著多尺度特征在影像分析中的凸顯,多尺度概念于21世紀(jì)初在影像分割處理中得到了較好的應(yīng)用,如分水嶺算法(Watersheds)[3]、均值漂移算法(Mean shift)[4-5]、自適應(yīng)四叉樹分割算法[6]、對(duì)象級(jí)的保邊緣影像平滑算法[7]、基于圖的分割算法[8]、分形網(wǎng)絡(luò)演化方法(FNEA)[9]。此外,黃昕從紋理、形狀和對(duì)象的角度來提取和分析影像的特征,研究了這些空間信息的多尺度特性[10];王文杰等利用分割后圖像對(duì)象的光譜特征、紋理特征、形狀特征分別進(jìn)行了變化檢測(cè)[11]。為了高效地進(jìn)行分水嶺變換,盧官明提出了一種計(jì)算圖像形態(tài)梯度的多尺度算法[12]。丁月平采用“對(duì)象完整面積個(gè)數(shù)最多法”的分割方法,研究得出不同地物的分割尺度[13]。賈春陽根據(jù)不同影像對(duì)象的空間和光譜特征,自適應(yīng)地計(jì)算空間判據(jù)權(quán)值和緊湊度判據(jù)權(quán)值,改進(jìn)了FNEA方法,并將不同光譜分量對(duì)光譜判據(jù)的貢獻(xiàn)引入到影像對(duì)象之間異質(zhì)性的計(jì)算中[14]。

實(shí)際上,無論是何種方法,其實(shí)質(zhì)都是通過改進(jìn)多尺度分割算法去實(shí)現(xiàn)遙感影像有效分割處理,然而由于處理尺度方法的復(fù)雜性及其概念本身的復(fù)雜性,尺度參數(shù)如何選取一直是困擾遙感影像處理的難題。本文基于FNEA多尺度分割算法,在簡(jiǎn)單介紹其特征的基礎(chǔ)上,通過實(shí)例設(shè)置12組不同的分割參數(shù)對(duì)QuickBird多光譜影像進(jìn)行分割處理,得出不同多尺度分割參數(shù)在時(shí)效方面的比較,利用CART分類器對(duì)其進(jìn)行面向?qū)ο蠓诸愄幚?,總結(jié)尺度參數(shù)對(duì)影像分類效果、分類精度的影響,為后續(xù)研究提供參考依據(jù)。

1 FNEA算法

1.1 FNEA算法介紹

分形網(wǎng)絡(luò)演化方法(fractal net evolution approach,F(xiàn)NEA)是Baatz M和Schape A在2000年提出的一種面向?qū)ο蟾叻直媛蔬b感影像多尺度圖像分割算法[9],以分割對(duì)象的平均異質(zhì)度最小化作為分割根本原則,在分割前確定異質(zhì)度的分割參數(shù)(光譜因子和形狀因子),通過調(diào)節(jié)影像分割的尺度參數(shù),并通過從下而上(bottom-up)對(duì)象信息來進(jìn)行合并,最后獲取對(duì)象層次結(jié)構(gòu)結(jié)果。綜合考慮對(duì)象的光譜特征和空間特征結(jié)合使用,這樣才能使整幅影像所有分割對(duì)象優(yōu)于其他的多尺度分割算法,避免了傳統(tǒng)分割算法分割對(duì)象邊界比較破碎的問題。

FNEA是目前使用較多的面向?qū)ο笥跋穹治黾夹g(shù)的一種多尺度分割算法。該方法的依據(jù)為對(duì)象單元的異質(zhì)度在合并前后變化最小,在eCognition中的異質(zhì)度主要被認(rèn)為是對(duì)象的顏色和形狀,異質(zhì)度f的增加必須小于某一閾值[15]。表達(dá)式如下

(1)

式中,Δhcolor為光譜異質(zhì)度增量,wcolor為權(quán)重;Δhshape為形狀異質(zhì)度增量,wshape為權(quán)重。Δhshape由緊致度增量Δhcompt和光滑度增量Δhsmooth兩部分組成,權(quán)重分別為wcompt和wsmooth,計(jì)算公式為

(2)

式(2)中Δhcompt、Δhsmooth計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中,nobj_1、nobj_2、σc,obj_1、σc,obj_2、lobj_1、lobj_2、bobj_1、bobj_2分別為要合并前兩個(gè)對(duì)象的像素個(gè)數(shù)、方差、周長(zhǎng)及最小外接矩形邊界周長(zhǎng);nmerge、σc,merge、lmerge、bmerge分別為合并后對(duì)象的像素個(gè)數(shù)、方差、周長(zhǎng)和最小外接矩形邊界周長(zhǎng)。因此,平滑度異質(zhì)度等于事實(shí)上的邊界長(zhǎng)度lmerge和由平行于光柵的圖像對(duì)象的邊界框給出的邊界長(zhǎng)度bmerge的比值。

緊湊度異質(zhì)度等于實(shí)際邊界長(zhǎng)度與構(gòu)成該圖像對(duì)象像素?cái)?shù)的平方根比值。權(quán)重wc、wcolor、wshape、wsmooth、wcompt是可以選擇的參數(shù),以便為某些圖像數(shù)據(jù)堆棧和考慮的應(yīng)用程序獲得合適的分割結(jié)果。

1.2 FNEA算法流程

多尺度分割是一種自下而上(bottom-up)的方法,通過合并相鄰的像素或影像中小對(duì)象,在確保對(duì)象與對(duì)象之間平均異質(zhì)度最小、對(duì)象內(nèi)部像元之間同質(zhì)度最大的前提下,基于區(qū)域合并技術(shù)實(shí)現(xiàn)影像分割。FNEA是通過迭代的方式進(jìn)行對(duì)象的合并,在每一次的迭代過程中,若該對(duì)象與其鄰域?qū)ο笞钚‘愘|(zhì)度增量小于閾值,則將它與該鄰域?qū)ο蠛喜樾碌膶?duì)象,否則不進(jìn)行合并操作。終止迭代的條件是在這次迭代過程中所有對(duì)象都沒有與其鄰域?qū)ο筮M(jìn)行合并,即該次迭代過程中異質(zhì)度的增加量超出了閾值[16]。具體分割流程如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文通過eCognition Developer 8.7分析軟件對(duì)影像進(jìn)行分割分類處理,試驗(yàn)環(huán)境為:Intel(R)Pentium(R)CPU P6200 @ 2.13 GHz,RAM為2.00 GB。

2.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)為經(jīng)過裁剪的美國(guó)地區(qū)QuickBird 300×300多光譜影像(分辨率為2.4 m)。影像已經(jīng)過幾何糾正、大氣校正等處理,參與分類的波段為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)和近紅外(NIR)。該區(qū)域典型的地物有水體、建筑、道路、草地、林地及建筑用地六大類,如圖2所示。

圖2 QuickBird多光譜影像

2.2 不同分割方法對(duì)QuickBird影像分割效果對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)采用棋盤分割、四叉樹分割、多尺度分割、多尺度分割+光譜差異4種分割方法得到分割效果圖,如圖3所示。

棋盤分割算法產(chǎn)生簡(jiǎn)單的正方形對(duì)象;四叉樹分割[6]與棋盤分割類似,在裁剪出一個(gè)初始的正方形網(wǎng)格后,繼續(xù)進(jìn)行四叉樹分割,并將不符合同質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)的正方形裁剪成4個(gè)較小的正方形;多尺度影像分割[7]從任一個(gè)像元開始,采用自下而上(bottom-up)的區(qū)域合并方法形成對(duì)象;光譜差異分割基于上面3種分割算法所得到的分割結(jié)果,通過分析相鄰分割對(duì)象的亮度差異是否滿足給定的閾值,來決定是否將對(duì)象進(jìn)行合并。

圖3 不同分割方法對(duì)QuickBird影像分割效果對(duì)比試驗(yàn)

由于影像分割后的效果直接關(guān)系分類效果及精度,通過目視解譯方式對(duì)4種不同的分割方法得到分割效果圖進(jìn)行對(duì)比可知,多尺度分割算法能最大限度地保留分割后影像的真實(shí)性,分割邊界較好地反映了各地物之間的差異,因此本文最終選取多尺度分割為本文的分割方法。

2.3 基于FNEA面向?qū)ο蟾叻直媛蔬b感影像提取方法

本文通過ArcGIS軟件結(jié)合目視解譯的輔助辦法對(duì)QuickBird多光譜影像進(jìn)行點(diǎn)矢量選取,選取水體、建筑、道路、草地、林地、建筑用地六大類地物,導(dǎo)入eCognition Developer8.7面向?qū)ο蠓治鲕浖校瑥?開始,以5為單位向上遞增,共選取12組參數(shù)進(jìn)行分割試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分割時(shí)間。利用CART分類器對(duì)多尺度分割參數(shù)Scale設(shè)置為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60的12組不同分割尺度參數(shù)下分割影像進(jìn)行分類,采取與訓(xùn)練樣本相同的方式隨機(jī)選取190個(gè)矢量地物點(diǎn)對(duì)面向?qū)ο驝ART分類器方法的地物分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。具體流程如圖4所示。

2.4 面向?qū)ο蠓指罘诸愄幚?/h3>

對(duì)影像進(jìn)行分割試驗(yàn),每組分割參數(shù)進(jìn)行3次分割試驗(yàn),選取試驗(yàn)平均值。從5開始,以5為單位向上遞增,共選取12組參數(shù)進(jìn)行分割試驗(yàn)。通過分割時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比可知,隨著分割參數(shù)的增大,影像分割時(shí)間遞減,并在后期趨于穩(wěn)定。分割參數(shù)與影像分割時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表1。

圖5顯示了不同分割參數(shù)下CART分類器分類效果。表2顯示了12組不同分割尺度參數(shù)下CART分類器分類總體精度及Kappa系數(shù)情況。

隨著分割尺度的增大,錯(cuò)分類現(xiàn)象隨之出現(xiàn),不同地物之間的關(guān)系也模糊不清,因此在進(jìn)行多尺度分割參數(shù)選擇時(shí),應(yīng)選擇小尺度分割參數(shù),這樣能最大可能地保留地物的準(zhǔn)確性,并在后期的精度驗(yàn)證中具有優(yōu)勢(shì)。

表2 12組分割尺度參數(shù)對(duì)應(yīng)的總體精度和Kappa系數(shù)

圖6顯示了CART樹分類器在不同分割參數(shù)下所得到的總體精度及Kappa系數(shù)變化趨勢(shì),由圖中可以看出,隨著分割尺度參數(shù)的增加,精度呈下滑趨勢(shì)。因此,小尺度分割參數(shù)比大尺度分割參數(shù)在地物精度驗(yàn)證結(jié)果中具有相對(duì)較好的優(yōu)勢(shì),且當(dāng)分割參數(shù)Scale=10時(shí),分類精度達(dá)到最好的級(jí)別。綜合考慮分類時(shí)效與分類精度情況,小尺度分割參數(shù)能占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)。

表3給出了CART分類器面向?qū)ο笞罡叻诸惥?分割尺度Scale=10)對(duì)應(yīng)的混淆矩陣。由于道路與建筑用地之間光譜特征本身就比較相似,導(dǎo)致一定程度上的分類錯(cuò)誤,在后續(xù)工作中將對(duì)此部分內(nèi)容作具體研究。通過其分類后影像(如圖7(a)所示)、總體精度及Kappa系數(shù)可知,當(dāng)選取較小的分割參數(shù)時(shí),分類效果的破碎性在一定程度上得到了改善,地物圖斑的完整性相對(duì)較好,而且分類精度也高。

圖5 不同分割參數(shù)CART分類器分類效果

3 結(jié) 語

本文通過試驗(yàn)對(duì)比研究4種遙感影像分割方法,選擇分割效果較好的多尺度分割方法對(duì)QuickBird多光譜影像進(jìn)行分割預(yù)處理,隨著分割參數(shù)的增大,影像分割時(shí)間遞減,并在后期趨于穩(wěn)定。對(duì)比CART分類器分類效果圖可知,小尺度分割參數(shù)對(duì)分類效果能有較好的提升;由混淆矩陣可知,小尺度分割參數(shù)分類精度優(yōu)于大尺度分割參數(shù)分類精度,且當(dāng)分割參數(shù)Scale=10時(shí),分類精度達(dá)到最好的級(jí)別。綜合考慮分割時(shí)效及分類精度,在進(jìn)行面向?qū)ο蠓诸愄幚磉^程中,小尺度分割參數(shù)比大尺度分割參數(shù)在面向?qū)ο蠓诸愄幚碇芯哂邢鄬?duì)較好的優(yōu)勢(shì)。

表3 CART分類器面向?qū)ο蠓诸惢煜仃?Scale=10)

圖6 12組分割尺度對(duì)應(yīng)的總體精度和Kappa系數(shù)比較

此外,由于道路與建筑用地、建筑與建筑用地之間光譜特征本身就比較相似,導(dǎo)致一定程度上的分類錯(cuò)誤,在后續(xù)工作中將對(duì)此部分內(nèi)容作具體研究。而如何實(shí)現(xiàn)分割參數(shù)的自動(dòng)選取,也將是研究的重點(diǎn)。

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