基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，獲取不同年份的燈光衛(wèi)星影像并進行數據預處理，選取其中3個年份的影像，設置城市不同演變類型的顏色，根據顏色判別實現城市不同演變區(qū)域的快速提取，在不同演變類型區(qū)域構建偽光譜曲線并建立城市演變類型光譜庫，實現城市變化區(qū)域與演變類型的快速提取，并繪制城市演變類型圖。本發(fā)明實現了大范圍內城市變化區(qū)域的快速提取和個體城市演變類型的判別，具有快速高效的優(yōu)點；能為政府城市化宏觀規(guī)劃、咨詢公司、跨國公司進行市場布局等提供科學依據，具有很好的市場前景。
【專利說明】基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，屬于遙感圖像處理與模式識別領域。
【背景技術】
[0002]目前對城市變化區(qū)域與演變類型的分析方法基本為應用常規(guī)的陸地資源衛(wèi)星，先提取城市，后變化檢測的復雜流程?；跓艄庑l(wèi)星影像的城市研究也局限于城市擴張的簡單分析，或者通過一些變化檢測的方法來提取城市變化區(qū)域，算法復雜，效率低，沒有研究城市變化區(qū)域的快速提取和個體城市演變類型的判別分析。

【發(fā)明內容】

[0003]為了解決現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，通過假彩色合成、提取偽光譜曲線、構建城市演變類型光譜庫等手段，實現了大范圍內城市變化區(qū)域的快速提取和個體城市演變類型的判別，具有快速高效的優(yōu)點。
[0004]本發(fā)明為解決其技術問題所采用的技術方案是:提供了一種基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，具體包括以下步驟:
[0005](I)獲取相同檢測區(qū)域內不同年份的燈光衛(wèi)星影像；所述年份至少包括Y1年份、Y2年份和Y3年份；
[0006](2)對燈光衛(wèi)星影像進行數據預處理:
[0007](201)輻射定標:對城市燈光衛(wèi)星影像進行相對輻射校正；
[0008](202)去負值:經步驟(201)輻射定標后的影像進行去負值處理，將小于O的值舍棄；
[0009](203)影像配準:將經步驟(202)去負值處理后的燈光衛(wèi)星影像根據地理坐標，對年份數據進行配準；
[0010](204)波段合成:對于每一張不同年份的影像視為一個波段，按照時間先后順序對影像進行波段合成，得到一景多波段影像；
[0011](3)設置演變類型的顏色，用不同顏色表示不同演變類型；
[0012](4)假彩色合成:從經步驟(204)處理后的城市燈光衛(wèi)星影像中選取Y1年份、Y2年份和Y3年份的影像，其中，Yi〈Y2〈Y3 ;對3個年份的影像進行假彩色合成顯示，其中，Y1年份影像設置為紅色通道，Y2年份影像設置為綠色通道，Y2年份影像設置為藍色通道；
[0013](5)根據步驟(3)建立的判別標準，對步驟(4)的假彩色合成圖像通過目視解譯初步判定演變類型，以將檢測區(qū)域劃分為未發(fā)展區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、發(fā)展區(qū)和衰退區(qū)；
[0014](6)構建偽光譜曲線:分別選取檢測區(qū)域中各演變類型區(qū)域的一個像元，提取該像元歷年的DN值，以時間為橫軸、DN值為縱軸構造DN值變化曲線，得到各演變類型的偽光譜曲線；[0015](7)建立演變類型光譜庫:根據步驟(3)設置的不同演變類型的顏色，分別選取各演變類型區(qū)域的單一像元和/或2個以上像元，分別針對各演變類型區(qū)域求平均值，并構造各演變類型的偽光譜曲線，建立由偽光譜曲線構成的演變類型光譜庫；
[0016](8)城市變化區(qū)域的快速提取:根據步驟(7)建立的演變類型光譜庫，采用光譜匹配算法，對演變類型進行快速識別，為不同演變類型賦予相應的色彩，生成演變類型圖，從而使城市變化區(qū)域與演變類型在圖中得到顯示。
[0017]進一步地，步驟(201)中，利用以下公式進行相對輻射校正:
[0018]y = Co+C^+Cax2......(I)
[0019]其中，C0^C1和C2是相對輻射校正參數，由遙感器生產單位或用戶單位提供，X表示DN值，y表示相對輻射校正后的DN值。
[0020]步驟(202)中，利用以下公式去負值:
[0021]yDN>0 一 (xradiat1n〉0) X Xradiat1n......0
[0022]其中，yDNXl表示去處負值后的影像，xMdiatim表示相對輻射校正后的影像。 [0023]進一步地，步驟(3)所述城市演變類型判定標準為:用黑色表示演變類型I ;用白色表示演變類型2 ;用藍色、青色和綠色表示演變類型3 ;用黃色、紅色和粉色表示演變類型4。
[0024]進一步地，步驟(8)中利用以下步驟對演變類型進行快速識別:
[0025](801)獲取將要進行演變類型判別的燈光衛(wèi)星合成影像；
[0026](802)獲取影像的大小，設其像元的列數和行數分別為nSample和nLine，波段數為nBand，定義行列變化的自變量i = 0，j = O ;
[0027](803)行數判斷，行數在小于nLine時，進入步驟804，否則進入步驟810 ；
[0028](804)列數判斷,列數在小于nSample時,進入步驟805,否則進入步驟806 ；
[0029](805)列數清零j = 0，行數i增加1，返回步驟803 ；
[0030](806)獲取影像(i，j)處的偽光譜曲線；
[0031](807)對步驟806獲取的偽光譜曲線，利用光譜匹配算法實現與演變類型光譜庫中的偽光譜的匹配；
[0032](808)對步驟807光譜匹配結果進行判別，獲得步驟806 (i，j)位置處的演變類型，并將該類型賦予對應的色彩；
[0033](809)列數累加 I ;
[0034](810)遍歷完所有行和列，結束快速識別以生成基于演變類型光譜庫的光譜匹配判別演變類型圖。
[0035]本發(fā)明基于其技術方案所具有的有益效果在于:
[0036](I)本發(fā)明避免了 “先提取，后變化檢測”的復雜流程，可以節(jié)省大量時間，符合數據處理高效的要求；
[0037](2)本發(fā)明通過假彩色合成、提取偽光譜曲線、構建城市演變類型光譜庫的手段，實現了大范圍內城市變化區(qū)域的快速提取和個體城市演變類型的判別，具有快速高效的優(yōu)
占.[0038](3)本發(fā)明能為政府城市化宏觀規(guī)劃、咨詢公司、跨國公司進行市場布局等提供科學依據，具有很好的市場前景?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0039]圖1是基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法流程圖。
[0040]圖2是數據預處理流程圖。
[0041]圖3是利用三原色定義的城市演變類型示意圖，其中，A、B、C、D、E、F和G分別表示白色穩(wěn)定區(qū)、藍色發(fā)展區(qū)、青色發(fā)展區(qū)、綠色發(fā)展區(qū)、黃色衰退區(qū)、紅色衰退區(qū)和粉色衰退區(qū)。
[0042]圖4是城市演變類型光譜庫中的偽光譜曲線圖。
[0043]圖5是城市演變類型進行快速識別流程圖。
[0044]圖6是城市演變類型圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0046]本發(fā)明提供了一種基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，參照圖1，具體包括以下步驟:
[0047](I)獲取相同檢測區(qū)域內不同年份的燈光衛(wèi)星影像；所述年份至少包括Y1年份、Y2年份和Y3年份；
[0048](2)參照圖2，通過以下步驟對燈光衛(wèi)星影像進行數據預處理:
[0049](201)利用以下公式對城市燈光衛(wèi)星影像進行相對輻射校正:
[0050]y = Co+C^+Cax2......(I)
[0051]其中，C0^C1和C2是相對輻射校正參數，由遙感器生產單位或用戶單位提供，X表示DN值，y表示相對輻射校正后的DN值；
[0052](202)利用以下公式對經步驟(201)輻射定標后的影像進行去負值處理:
[0053]yDN>0 — (xradiat1n〉0) 乂 Xradiat1n......(2)
[0054]其中，yDNXl表示去處負值后的影像，xMdiatim表示相對輻射校正后的影像；
[0055](203)影像配準:將經步驟(202)去負值處理后的燈光衛(wèi)星影像根據地理坐標，對年份數據進行配準；
[0056](204)波段合成:對于每一張不同年份的影像視為一個波段，按照時間先后順序對影像進行波段合成，得到一景多波段影像；
[0057](3)參照圖3，設置演變類型的顏色，利用三原色表示不同演變類型，其中:
[0058]演變類型I為未發(fā)展區(qū)，設置為黑色，表示燈光衛(wèi)星DN值接近0，多年沒有發(fā)生任何變化的城市區(qū)域；
[0059]演變類型2為穩(wěn)定區(qū)，設置為白色，表示前期、中期、后期燈光衛(wèi)星DN值都接近60，沒有發(fā)生較大變化的區(qū)域，在這里代表Yp Y2和Y3年都存在的城市區(qū)域；
[0060]演變類型3為發(fā)展區(qū)，用以下三種顏色設置:
[0061]藍色表示前期到中期這個時間段內沒有發(fā)生變化，中期到后期城市區(qū)域的DN值在不斷增加，在這里表示為Y1到Y2年基本沒有變化，在Y2到Y3年擴張為城市的區(qū)域；
[0062]青色表示前期到中期處于發(fā)展狀態(tài)，中期到后期處于穩(wěn)定狀態(tài)，在這里表示為Y1到Y2年擴張的城市區(qū)域，但是在Y2到Y3年保持穩(wěn)定的城市區(qū)域；[0063]綠色表示從前期到中期擴張、且在中期到后期衰退的城市區(qū)域，在這里表示SY1到Y2年擴張的城市區(qū)域，Y3年以后逐漸衰退的城區(qū)。
[0064]演變類型4表示衰退區(qū)，用以下三種顏色設置:
[0065]黃色表示從前期到中期處于穩(wěn)定狀態(tài)，中期以后逐漸消亡的區(qū)域，在這里表示為Y1到Y2年城市區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，Y2到Y3年該城區(qū)開始消亡；
[0066]紅色表示從前期到后期一直處于衰退的城市區(qū)域，在這里表示為Y1年存在的城市區(qū)域，在Y1到Y2年以后逐漸消亡；
[0067]粉色表示從前期到中期處于衰退狀態(tài)，中期到后期處于發(fā)展狀態(tài)，在這里表示為從Y1到Y2年城區(qū)開始消亡，Y2到Y3年城區(qū)又處于發(fā)展狀態(tài)；
[0068](4)假彩色合成:從經步驟(204)處理后的城市燈光衛(wèi)星影像中選取Y1年份、Y2年份和Y3年份的影像，其中，Yi〈Y2〈Y3 ;對3個年份的影像進行假彩色合成顯示，其中，Y1年份影像設置為紅色通道，Y2年份影像設置為綠色通道，Y2年份影像設置為藍色通道；
[0069](5)根據步驟(3)設置的不同演變類型的顏色，對步驟⑷的假彩色合成圖像通過目視解譯初步判定演變類型，以將檢測區(qū)域劃分為演變類型1、演變類型2、演變類型3和演變類型4，即未發(fā)展區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、發(fā)展區(qū)和衰退區(qū)；
[0070](6)構建偽光譜曲線:分別選取檢測區(qū)域中各演變類型區(qū)域的一個像元，提取該像元歷年的DN值，以時間為橫軸、DN值為縱軸構造DN值變化曲線，得到各演變類型的偽光譜曲線；
[0071](7)建立演變類型光譜庫:根據步驟⑶設置的不同演變類型的顏色，分別選取各演變類型區(qū)域的單一像元和/或2個以上像元，分別針對各演變類型區(qū)域求平均值，并構造各演變類型的偽光譜曲線，建立由偽光譜曲線構成的演變類型光譜庫；城市演變類型光譜庫中的偽光譜曲線如圖4所示；
[0072](8)城市變化區(qū)域的快速提取:根據步驟(7)建立的演變類型光譜庫，采用光譜匹配算法，對演變類型進行快速識別，為不同演變類型賦予相應的色彩，生成演變類型圖，從而使城市變化區(qū)域與演變類型在圖中得到顯示；參照圖5，具體采用以下步驟:
[0073](801)獲取將要進行演變類型判別的燈光衛(wèi)星合成影像；
[0074](802)獲取影像的大小，設其像元的列數和行數分別為nSample和nLine，波段數為nBand，定義行列變化的自變量i = 0，j = O ;
[0075](803)行數判斷，行數在小于nLine時，進入步驟804，否則進入步驟810 ；
[0076](804)列數判斷,列數在小于nSample時,進入步驟805,否則進入步驟806 ；
[0077](805)列數清零j = 0，行數i增加1，返回步驟803 ；
[0078](806)根據演變類型光譜庫，利用光譜匹配算法，獲取影像(i，j)處的偽光譜曲線.[0079](807)對步驟806獲取的偽光譜曲線，利用光譜匹配算法實現與演變類型光譜庫中的偽光譜的匹配；
[0080](808)對步驟807光譜匹配結果進行判別，獲得步驟806 (i，j)位置處的演變類型，并將該類型賦予對應的色彩；
[0081](809)列數累加 I ;
[0082](810)遍歷完所有行和列，結束快速識別以生成基于演變類型光譜庫的光譜匹配判別演變類型圖，效果如圖6所示。
【權利要求】
1.基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，其特征在于具體包括以下步驟: (1)獲取相同檢測區(qū)域內不同年份的燈光衛(wèi)星影像；所述年份至少包括Y1年份、Y2年份和Y3年份； (2)通過以下步驟對燈光衛(wèi)星影像進行數據預處理: (201)輻射定標:對城市燈光衛(wèi)星影像進行相對輻射校正； (202)去負值:對經步驟(201)輻射定標后的影像進行去負值處理，將小于O的值舍棄； (203)影像配準:將經步驟(202)去負值處理后的燈光衛(wèi)星影像根據地理坐標，對年份數據進行配準； (204)波段合成:每一張不同年份的影像視為一個波段，按照時間先后順序對影像進行波段合成，得到一景多波段影像； (3)設置演變類型的顏色，用不同顏色表示不同演變類型； (4)假彩色合成:從經步驟(204)處理后的城市燈光衛(wèi)星影像中選取Y1年份、Y2年份和Y3年份的影像，其中，Yi〈Y2〈Y3 ;對3個年份的影像進行假彩色合成顯示，其中，Y1年份影像設置為紅色通道，Y2年份影像設置為綠色通道，Y2年份影像設置為藍色通道； (5)根據步驟(3)設置的不同演變類型的顏色，對步驟(4)的假彩色合成圖像通過目視解譯初步判定演變類型，以將檢測區(qū)域劃分為不同演變類型的區(qū)域； (6)構建偽光譜曲線:分別選取檢測區(qū)域中各演變類型區(qū)域的一個像元，提取該像元歷年的DN值，以時間為橫軸、DN值為縱軸構造DN值變化曲線，得到各演變類型的偽光譜曲線.(7)建立演變類型光譜庫:根據步驟(3)設置的不同演變類型的顏色，分別選取各演變類型區(qū)域的單一像元和/或2個以上像元，分別針對各演變類型區(qū)域求平均值，并構造各演變類型的偽光譜曲線，建立由偽光譜曲線構成的演變類型光譜庫； (8)城市變化區(qū)域的快速提取:根據步驟(7)建立的演變類型光譜庫，采用光譜匹配算法，對演變類型進行快速識別，為不同演變類型賦予相應的色彩，生成演變類型圖，從而使城市變化區(qū)域與演變類型在圖中得到顯示。
2.根據權利要求1所述的基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，其特征在于:步驟(201)中，利用以下公式進行相對輻射校正:
y = c0+c1x+c2x2......(I) 其中，C0, C1和C2是相對輻射校正參數，由遙感器生產單位或用戶單位提供，X表示DN值，I表示相對輻射校正后的DN值。
3.根據權利要求1所述的基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，其特征在于:步驟(202)中，利用以下公式去負值:
Υ?Ν>0(Xradiat1n〉。)X Xradiat1n(2) 其中，yDN>0表示去處負值后的影像，Xradiatim表示相對輻射校正后的影像。
4.根據權利要求1所述的基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，其特征在于:步驟(3)所述用不同顏色表示不同演變類型具體為: 用黑色表示演變類型I ;用白色表示演變類型2 ;用藍色、青色和綠色表示演變類型3 ；用黃色、紅色和粉色表示演變類型4。
5.根據權利要求1所述的基于燈光衛(wèi)星的城市變化區(qū)域與演變類型快速提取方法，其特征在于:步驟(8)中利用以下步驟對演變類型進行快速識別: (801)獲取將要進行演變類型判別的燈光衛(wèi)星合成影像； (802)獲取影像的大小，設其像元的列數和行數分別為nSample和nLine，波段數為nBand,定義行列變化的自變量i = O, j = O ; (803)行數判斷，行數在小于nLine時，進入步驟804，否則進入步驟810； (804)列數判斷，列數在小于nSample時，進入步驟805，否則進入步驟806； (805)列數清零j= 0，行數i增加I，返回步驟803 ； (806)獲取影像(i，j)處的偽光譜曲線； (807)對步驟806獲取的偽光譜曲線，利用光譜匹配算法實現與演變類型光譜庫中的偽光譜的匹配； (808)對步驟807光譜匹配結果進行判別，獲得步驟806(i，j)位置處的演變類型，并將該類型賦予對應的色彩； (809)列數累加I； (810)遍歷完所有行和列，結束快速識別以生成基于演變類型光譜庫的光譜匹配判別演變類型圖。
【文檔編號】G06T7/00GK104036507SQ201410262168
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權日:2014年6月13日
【發(fā)明者】田玉剛, 楊曉楠, 徐韻, 鄧雪彬 申請人:中國地質大學（武漢）