一種基于PanTex和直線特征的高分辨率建設(shè)用地圖斑識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PanTex和直線特征的高分辨率建設(shè)用地圖斑識別方法，具體步驟包括：步驟一、對高分辨率遙感影像和對應(yīng)的土地利用圖斑進(jìn)行配準(zhǔn)；步驟二、對土地利用圖斑與高分辨率遙感影像進(jìn)行疊加掩模，獲取每個(gè)圖斑多邊形對應(yīng)的獨(dú)立圖斑影像；步驟三、計(jì)算處理后高分辨率遙感影像的PanTex特征圖像，統(tǒng)計(jì)每個(gè)圖斑內(nèi)PanTex指數(shù)的總和；步驟四、對處理后的獨(dú)立圖斑影像，提取圖斑影像內(nèi)的直線；步驟五、計(jì)算圖斑的直線特征；步驟六、利用SVM兩類分類器對圖斑進(jìn)行分類，提取建設(shè)用地圖斑。本發(fā)明解決了PanTex指數(shù)在高分辨率遙感影像中大廠房、大屋頂失效的問題，算法簡單高效，且結(jié)果為圖斑形式，易于GIS數(shù)據(jù)庫的更新。
【專利說明】一種基于PanTex和直線特征的高分辨率建設(shè)用地圖斑識 別方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感影像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及土地利用數(shù)據(jù)庫中建設(shè)用地圖斑識 別的方法，具體涉及一種基于PanTex和直線特征的高分辨率建設(shè)用地圖斑識別方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 利用衛(wèi)星遙感技術(shù)開展土地資源調(diào)查在我國有著迅猛的發(fā)展。早在二十世紀(jì)80 年代初期，我國就采用衛(wèi)星和航空影像圖在全國范圍內(nèi)開展農(nóng)區(qū)1 :1萬、林區(qū)I :2. 5萬、牧 區(qū)1 :5萬-1 :10萬土地資源調(diào)查。1996年，國家土地管理局組織應(yīng)用美國陸地資源衛(wèi)星TM 數(shù)據(jù)，對17個(gè)城市的建設(shè)用地規(guī)模進(jìn)行了監(jiān)測。在2007年開始的第二次全國土地調(diào)查中， 采用了高、中、低分辨率及宏觀與微觀相互結(jié)合的方法，國產(chǎn)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)也成為了主要 的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在國家每10年進(jìn)行的全國土地調(diào)查和每年進(jìn)行的土地變更調(diào)查業(yè)務(wù)的首要任 務(wù)便是獲取全國的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，制作調(diào)查底圖。隨著《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱 要（2006-2020年）》戰(zhàn)略部署的開展，高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)（簡稱高分專項(xiàng)） 列為國家重大科技專項(xiàng)之一，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量都將得到大幅的提升，國土調(diào)查 同時(shí)又是高分辨率遙感應(yīng)用的重大領(lǐng)域應(yīng)用之一。
[0003] "土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測"作為新一輪國土資源大調(diào)查的旗艦項(xiàng)目，是遙感技術(shù)在 國土應(yīng)用的集中體現(xiàn)，該業(yè)務(wù)依據(jù)土地資源管理的不同需求，采用現(xiàn)代遙感技術(shù)手段，對特 定時(shí)間段內(nèi)的土地資源和土地利用變化進(jìn)行連續(xù)、多目標(biāo)、多種分辨率的遙感監(jiān)測和調(diào)查， 快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)土地利用變化信息，重點(diǎn)是對新增建設(shè)用地占用耕地的數(shù)量與趨勢進(jìn)行 動態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)分析，為國土資源管理提供現(xiàn)勢性數(shù)據(jù)。因此利用高分辨率遙感影像提取 建設(shè)用地的需求是十分迫切的。
[0004] 從技術(shù)層面來看，現(xiàn)有的建設(shè)用地提取方法可以分為兩類研究方向：一類通 常把建設(shè)用地分為具體的研究目標(biāo)，如道路、機(jī)場、建筑物、港口等，然后進(jìn)行目標(biāo)提 取或者分類；另一類將建設(shè)用地作為整體去挖掘其結(jié)構(gòu)或者紋理方面的特征，或者將 建設(shè)用地作為人造地物（man-made objects)的集合進(jìn)行研究，這類研究的代表性成 果是 Martino Pesaresi 提出的 PanTex 指數(shù)（詳細(xì)參考：A.G. Martino Pesaresi， Francois Kayitakire, " A robust built-up area presence index by anisotropic rotation-invariant textural measure, " IEEE Journal of selected topics in applied earth observations an dr emote sensing, vol. I, pp. 180-192, 2008),但該指數(shù) 提取建設(shè)用地的最佳分辨率為5米，在高空間分辨率遙感影像特別是分辨率優(yōu)于I米的高 分辨率影像中，尤其是影像中存在的大廠房、大屋頂?shù)葏^(qū)域時(shí)，PanTex幾乎指示不出這些區(qū) 域。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對高分辨率遙感影像中基于PanTex指數(shù)建設(shè)用地自動提取存在的問 題，提供一種基于PanTex和直線特征的高分辨率建設(shè)用地圖斑識別方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種基于PanTex和直線特征的高分辨率建 設(shè)用地圖斑識別方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、對高分辨率遙感影像和對應(yīng)的土地利用圖斑進(jìn)行影像與矢量配準(zhǔn)；
[0008] 步驟二、對步驟一處理后的土地利用圖斑矢量文件與高分辨率遙感影像進(jìn)行疊加 掩模操作，獲取每個(gè)圖斑多邊形對應(yīng)的影像區(qū)域，得到獨(dú)立圖斑影像；
[0009] 步驟三、計(jì)算步驟一處理后高分辨率遙感影像的PanTex特征圖像，統(tǒng)計(jì)每個(gè)圖斑 內(nèi)PanTex指數(shù)的總和；
[0010] 步驟四、對經(jīng)過所述步驟二處理后的獨(dú)立圖斑影像，提取圖斑影像內(nèi)的直線；
[0011] 步驟五、對經(jīng)過所述步驟四處理后的直線計(jì)算圖斑的直線特征；
[0012] 步驟六、基于步驟三和步驟五得到的PanTex指數(shù)特征和直線特征，利用SVM兩類 分類器對所述步驟二得到的圖斑進(jìn)行分類，提取建設(shè)用地圖斑。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟一中的高分辨率遙感影像與矢量文件配準(zhǔn)的方法是利用ArcGIS 軟件的空間校準(zhǔn)工具，通過仿射模型校正矢量文件，將矢量文件與基期影像配準(zhǔn)對齊。
[0014] 進(jìn)一步地，步驟二中疊加掩模操作是將步驟一處理后土地利用圖斑矢量文件疊加 至高分辨率遙感影像，通過矢量文件中每個(gè)多邊形的邊界，將邊界內(nèi)的影像區(qū)域裁剪出來， 存為獨(dú)立的圖斑影像。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟三中的PanTex特征圖像的計(jì)算步驟如下：
[0016] 1、選取如下10個(gè)方向
[0017] (shiftX, shiftY)=
[0018] {(1，-2)，（1，-1)，（2,-1)，（1，0)，（2,0)，（0，1)，（1，1)，（2，1)，（0,2)，（1，2)}
[0019] 其中，ShiftX為像素間的X方向偏移量，shiftY為像素間的Y方向偏移量；
[0020] 2、計(jì)算灰度共生矩陣
[0021] 設(shè)f (x，y)為一幅二維數(shù)字圖象，其大小為MXN，灰度級別為Z，則滿足一定空間關(guān) 系的灰度共生矩陣公式為：
[0022] P(i, j) = #{(Xi，Y1), (x2, y2) G MXN|f (X1, Y1) = i, f (x2, y2) = j}
[0023] 其中，P為ZXZ的矩陣，#{x}表示集合x中的元素個(gè)數(shù)，i、j、Xl、 yi、xdP y2的取 值范圍均為[0, Z-l];
[0024] 利用步驟1的10個(gè)方向計(jì)算各個(gè)方向的灰度共生矩陣P(i，j I shiftX, shiftY);
[0025] 3、計(jì)算PanTex特征圖像
[0026] 3. 1、利用步驟2中的10個(gè)方向的灰度共生矩陣計(jì)算10個(gè)對比度測度
[0027] 對比度測度計(jì)算公式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于PanTex和直線特征的高分辨率建設(shè)用地圖斑識別方法，其特征在于：包括 以下步驟： 步驟一、對高分辨率遙感影像和對應(yīng)的土地利用圖斑進(jìn)行影像與矢量配準(zhǔn)； 步驟二、對步驟一處理后的土地利用圖斑矢量文件與高分辨率遙感影像進(jìn)行疊加掩模 操作，獲取每個(gè)圖斑多邊形對應(yīng)的影像區(qū)域，得到獨(dú)立圖斑影像； 步驟三、計(jì)算步驟一處理后高分辨率遙感影像的PanTex特征圖像，統(tǒng)計(jì)每個(gè)圖斑內(nèi)PanTex指數(shù)的總和； 步驟四、對經(jīng)過所述步驟二處理后的獨(dú)立圖斑影像，提取圖斑影像內(nèi)的直線； 步驟五、對經(jīng)過所述步驟四處理后的直線計(jì)算圖斑的直線特征； 步驟六、基于步驟三和步驟五得到的PanTex指數(shù)特征和直線特征，利用SVM兩類分類 器對所述步驟二得到的圖斑進(jìn)行分類，提取建設(shè)用地圖斑。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于PanTex和直線特征的高分辨率遙感影像建設(shè)用地圖斑識 別方法，其特征在于：步驟一中的高分辨率遙感影像與矢量文件配準(zhǔn)的方法是利用ArcGIS 軟件的空間校準(zhǔn)工具，通過仿射模型校正矢量文件，將矢量文件與基期影像配準(zhǔn)對齊。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于PanTex和直線特征的高分辨率遙感影像建設(shè)用地圖斑識 別方法，其特征在于：步驟二中疊加掩模操作是將步驟一處理后土地利用圖斑矢量文件疊 加至高分辨率遙感影像，通過矢量文件中每個(gè)多邊形的邊界，將邊界內(nèi)的影像區(qū)域裁剪出 來，存為獨(dú)立的圖斑影像。
4.如權(quán)利要求1所述的基于PanTex和直線特征的高分辨率遙感影像建設(shè)用地圖斑識 別方法，其特征在于：步驟三中PanTex特征圖像的計(jì)算步驟如下： 1、 選取如下10個(gè)方向
其中，shiftX為像素間的X方向偏移量，shiftY為像素間的Y方向偏移量； 2、 計(jì)算灰度共生矩陣 設(shè)f(x，y)為一幅二維數(shù)字圖象，其大小為MXN，灰度級別為Z，則滿足一定空間關(guān)系的 灰度共生矩陣公式為： P(i? j) = #{(Xi，, (x2, y2) G MXN|f (xj, = i, f (x2, y2) = j} 其中，P為ZXZ的矩陣，# {x}表示集合x中的元素個(gè)數(shù)，i、j、Xl、yi、x2和y2的取值范 圍均為[〇,Z-l]; 利用步驟1的10個(gè)方向計(jì)算各個(gè)方向的灰度共生矩陣p(i，jIshiftX,shiftY); 3、計(jì)算PanTex特征圖像 3. 1、利用步驟2中的10個(gè)方向的灰度共生矩陣計(jì)算10個(gè)對比度測度； 對比度測度計(jì)算公式如下：
3. 2、分別對步驟3. 1中的10個(gè)對比度測度進(jìn)行歸一化處理； 3. 3、將步驟3. 2歸一化處理后的10幅紋理測度圖像進(jìn)行逐像素取最小值，得到PanTex 特征圖像。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于PanTex和直線特征的高分辨率遙感影像建設(shè)用地圖斑識 別方法，其特征在于：步驟三中統(tǒng)計(jì)每個(gè)圖斑內(nèi)PanTex指數(shù)的總和是將PanTex特征圖像與 土地利用圖斑疊加，統(tǒng)計(jì)每個(gè)多邊形內(nèi)部PanTex特征值的總和。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于PanTex和直線特征的高分辨率遙感影像建設(shè)用地圖斑識 別方法，其特征在于：步驟四中提取圖斑影像內(nèi)的直線的步驟如下： 1、將影像中的像素按照梯度方向分割為直線備選區(qū)域 1. 1、選擇梯度算子計(jì)算x和y方向的梯度，再計(jì)算梯度的方向； 梯度方向計(jì)算公式如下： 0 =tarT1(Gv(i,j)/GH(i,j)) 其中，Gv(i，j)表示垂直方向的梯度，GH(i，j)表示水平方向的梯度； 1. 2、利用重疊間隔的區(qū)間對梯度角度結(jié)果進(jìn)行分割； 首先以〇度為起點(diǎn)，45度的間隔進(jìn)行一次分割，再以22. 5度為起點(diǎn)，45度的間隔進(jìn)行 第二次分割； 1.3、獲取最長線； 分別從步驟1. 2中得到的分割結(jié)果中提取直線，將兩個(gè)分割結(jié)果中的直線進(jìn)行合并獲 取最長線，具體步驟是： (1) 先獲取每個(gè)直線備選區(qū)域的長度； (2) 如果某個(gè)像素包含在兩個(gè)不同的直線備選區(qū)域中，則投票給長度長的那個(gè)直線備 選區(qū)域； (3) 選取投票數(shù)在50%以上的作為最長線的直線備選區(qū)域； 1. 4、利用兩平面橫切的方法獲取直線備選區(qū)域中直線的精確位置； 兩平面中的第一個(gè)平面是利用最小二乘法擬合直線備選區(qū)域中像素點(diǎn)的梯度大小得 到的平面，第二個(gè)平面是直線備選區(qū)域中像素點(diǎn)灰度值的平均得到的水平平面，兩平面相 交就獲得了最終的直線位置。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于PanTex和直線特征的高分辨率遙感影像建設(shè)用地圖斑識 別方法，其特征在于：步驟五中圖斑的直線特征包括平均長度、長度熵、平均對比度和對比 度熵。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于PanTex和直線特征的高分辨率遙感影像建設(shè)用地圖斑識 別方法，其特征在于：步驟五中計(jì)算圖斑的直線特征的方法如下： (1) 平均長度 統(tǒng)計(jì)圖斑內(nèi)部直線的平均長度。 (2) 長度熵 首先設(shè)圖斑中直線總數(shù)為M，其中直線的最短長度設(shè)為Lmin個(gè)像元，最長長度設(shè)為1^_ 個(gè)像元，以間隔為10像元設(shè)置長度直方圖，共分為N個(gè)長度區(qū)間，將圖斑內(nèi)的直線按照長度 歸入相應(yīng)的長度區(qū)間中，統(tǒng)計(jì)第q個(gè)區(qū)間中的直線數(shù)量為％，然后計(jì)算第q個(gè)區(qū)間中直線數(shù) 量占圖斑內(nèi)所有直線數(shù)量的概率h(q) =Nq/M，最后根據(jù)公式^
計(jì)算 該圖斑內(nèi)部的直線長度熵。 (3) 平均對比度 設(shè)（x，y)是直線SL中的任意一個(gè)點(diǎn)，按照如下公式計(jì)算直線的對比度：
其中CLSR表示該直線的對比度，Gd(x，y)表示點(diǎn)（X，y)的方向?qū)?shù)，d表示計(jì)算方向 導(dǎo)數(shù)考慮的X和Y方向。 將圖斑內(nèi)部所有直線對比度求平均值即可獲得平均對比度。 (4) 對比度熵 首先設(shè)圖斑中直線總數(shù)為M，其中直線的最小對比度設(shè)為CLSRmin，最大對比度設(shè) 為CLSR_，以間隔為50設(shè)置對比度直方圖，共分為N個(gè)對比度區(qū)間，將圖斑內(nèi)的直線 按照對比度的值歸入相應(yīng)的對比度區(qū)間中，統(tǒng)計(jì)第q個(gè)區(qū)間中的直線數(shù)量為&，然后計(jì) 算第q個(gè)區(qū)間中直線數(shù)量占圖斑內(nèi)所有直線數(shù)量的概率為h(q) =Nq/M，最后根據(jù)公式
丨計(jì)算該圖斑內(nèi)部的直線對比度熵。
【文檔編號】G06K9/62GK104408463SQ201410573134
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】尤淑撐, 孟瑜, 武斌, 劉順喜, 岳安志, 陳靜波, 王忠武, 袁媛, 沈均平 申請人:中國土地勘測規(guī)劃院