基于边缘提取的第三次国土调查遥感影像处理方法.pdf

第25卷第1期2023年3月测绘技术装备Geo ma tic s Tec h n o l o yy a n d Eq u ipmen tVo l.25 No.1Ma o.2023基于边缘提取的第三次国上调查 遥感影像处理方法骆新文骆新文】，朝力门朝力门2(1.内蒙古自治区测绘地理信息中心，内蒙古呼和浩特010010；2.内蒙古自治区国土空间规划院，内蒙古呼和浩特010010)摘要摘要:传统的国土调查遥感影像处理方法周期较长，且处理结果的精度较低。为解决此问题，本 文提出了基于边缘提取的第三次国土调查遥感影像处理方法。首先，根据国土调查的区域结构与 地貌特征，布设像控点,进行遥感影像控制点测量，得出控制点的相关参数；其次，采用小波变换的 方式计算遥感影像边缘自适应阈值与自适应强度,获取遥感影像融合后的边缘信息；最后，基于边 缘提取的方式处理土地调查遥感影像。试验证明，该遥感影像处理方法的内业解译与外业调查结 果之间的差值较小，精确度较高，满足土地调查遥感影像的需求。关键词关键词：边缘提取;土地调查;遥感影像；区域结构;地貌特征中图分类号中图分类号:TP391.3DOI：10.20006/j.c n k i.61-1363/P.2023.01.006Remot e sensing image proc essing met hod of t he Third Nat ional Land Resourc e Survey basee on eege ext rac t ionLUOXinwen1,CHAO Limen2(1 FIn n eo Mo n yo.o a Au io n o mo u iReyo o n Su o eeyo n ya n d Ma ppo n yGeo yo a ph o eIn o o o ma io o n Cen ieo，Ho h h o i，In n eo Mo n yo.o a 010010，Ch o n a；2FIn n e o Mo n yo.o a Au io n o mo u iRe yo o n Teoo io o o a.Spa eeP.a n n o n yIn iio iu ie，Ho h h o i，In n eo Mo n yo l in 010010,Ch in a)Abst rac t:Th e tr a d itio n a i r emo te sen sin y ima ye pr o c essin y meth o d o f l a n d r eso u r c e su r v ey h a s a l o n y c yc ie a n d th e po o r a c c u r a c e.Fr o m th e per spec tiv e o f th m,th e d esiyn o f r emo te sen sin y ima ye pr o c essin y meth o d o f th e Th ir d Na tio n a i La n d Reso u r c e Su r v ey ba sed o n ed ye ex tr a c tio n is pr o po sed in th is pa peo Fir stiy,ima ye c o n Wo I po in d a r e pl a c ed,r emo te sen sin y ima ye c o n tr o i po in d a r e meo su r ed,a n d th e r el ev v n i pa r a meter s o f c o n tr o i po in ts a r e o bta in ed a c c o r d in y to th e r eyio n a i str u c tu r e a n d yeo mo r ph ie c h a r a c teo stic c o f l a n d r eso u r c e su r v ey.So o n d l y,wa v el d tr a n sfo r m is u sed to c a l c u l a te th e ed ye a d a ptiv e th r esh o l i a n d a d a ptiv e in Wn sity o f r emo te sen sin y ima yes to o bta in th e ed ye in fo r ma tio n a l er r emo te iMn io n yo ma yMo u io o n.Fo n a.y,ih MeMmo i iMn io n yo ma yMo o.a n d eio u eeMiu eeMyo ipeo eMiMd ba iMd o n ed ye ex tr a c tio n.Ex peo men ta i r esu l ts sh o w th a t th e d Ofer en c e between in d o o r ima ye in Wr pr eta tio n a n d fiel d su r v ey r esu l ts is sma l i,a n d th e a c c u r a c e is h igh,wh ic h c a n meet th e n eed s o f l a n d r eso u r c e su r v ey r emo te sen sin y ima yes.Keywords:ed ye ex tr a c tio n；l a n d r eso u r c e su r v ey;r emo te sen sin y ima ye;r eyio n a i str u c tu r e；yeo mo r ph ie fea tu r es收稿日期：2022-03-16第一作者简介:骆新文，工程师,研究方向为土地调查、土地利用等32测绘技术装备第25卷1引言国土调查工作范围较广泛,调查内容全面细致,对我国国土资源的发展具有重要意义1%国土调 查主要调查土地的数量、分布情况、权属状况与利用 状况，是促进国民经济发展的重要基础国土调 查是查实我国土地资源的重要组成部分，对质量与 精度具有较高的要求。通常情况下，国土调查工作 采用无人机作为影像信息采集设备，在操作技术水 平方面要求较高3。传统的国土调查卫星遥感技 术在基础测绘方面具有一定的优势。然而，随着 科学技术的不断发展，传统的卫星遥感影像处理方 法逐渐无法满足现代国土调查的需求，在国土调查 遥感影像处理中,需要消耗大量的人力、物力，且处 理周期较长，精度较低边缘提取算法作为图像 与影像分析处理的重要组成部分，广泛应用于图像 与影像处理、计算机视觉、模式识别等领域,能够有 效提高图像与影像处理的质量与精确度6%基于此，本文在设计第三次国土调查遥感影像 处理方法时,应用了边缘提取算法,全方位地提高图 像与影像处理的质量与精度,为我国国土调查工作 做出了贡献2第三次国土调查遥感影像处理方法 的设计2.1遥感影像控制点测量遥感影像控制点测量文在 第三次国土调查遥感影像处理方法 时,根据国土调查的区域结构特征与地貌特征，科学 合理地布设像控点,并根据图幅分布情况,结合成图 比例尺制定出像控点划分方案，方案中的区域网布 设图形主要以矩形为主7%为了提高影像控制点的测量精度，需要对区域 内的房屋、道路、河流等地物特征进行提取测量通 常情况下,根据形状大小提取物体的特征,操作过程 相对简单，然而误差率较高本文采用地物图像分 割的方式，对分割图像的形状进行特征描述，有效地 降低了特征提取的误差利用图像灰度信息，结合 无人机影像采集方式，采用多尺度分割方法分割地 物,将地物的形状特征转换为特征向量，为遥感影像 控制点测量提供了一定的保障除了地物的形状特 征外，地物的纹理特征也是重要的提取部分 般 来说，地物的纹理特征与遥感影像各个区域内像素 点的灰度值具有一定的关系,都是按照一定的规则 信息进行排列的，与像素点的空间分布呈正比例关 系本文采用概率统计法提取地物的纹理特征，进 而获取遥感影像区域内各类像素点的灰度值信息,为影像控 点测量提供 据%综合考虑调查区域网的大小，基于误差处理原 则，设置像控点之间的跨度及相关参数通常情况 下，无人机遥感技术的调查区域包括两条或两条以 上平行航线，航向相同时，区域内平面控制点间隔基 数的变化规律相同8。航向基线数的跨度受到地 面分辨率的影响，具有一定的波动性,结合控制点间 隔基数的变化，得出航向基线数跨度的估算规 律根据航线均匀布设原则布设航线高程点，控 制高程误差10打采用平板仪测量航线重叠度，在测量区域范围 内，当航线重叠部分的影像较不清晰时，增设1 2个高程点，覆盖影像阴影部分11打当影像控制点 的布设位置邻近水域时，采用落水像点野外布点的 方式，筛选水域重叠范围连接点12打在像控点的 选择方面，保证影像边界的地物交点小于联测交点 0.25 mm%分别标记像控点上的平高点与高程点，平高点标记为P,高程点标记为M,在整个测量区域 内标记的编号不能相同在获取影像时，选取与地 面高度不同的像控点位置，以高程点标记的刺孔为 中心进行像控圈绘制操作，保持各个刺孔影像的大 小及形状 致%当多台接收机同时使用时，应当采用单基线模 式接收像控点测量数据,闭合独立基线,结合三维基 线向量对像控点测量数据进行无约束平差计算，获 取遥感影像控制点的基线边长、点位及向量坐标差 等参数，控制影像约束点之间的距离,在测量区域内 进行二维约束平差测量，得出遥感影像控制点的测 量结果2.2边缘自适应阈值计算边缘自适应阈值计算文 用小 换的方式提取遥感影像的多 尺度边缘信息，得到边缘的大小结果与自适应强度；再根据边缘灰度的分布特征，过滤处理遥感影像的 噪声;最后基于边缘提取算法与自适应阈值边缘提 取算法原则，计算遥感影像边缘自适应阈值对第三次国土调查遥感影像的原始影像U K,.）进行多尺度小波变换，生成模图像族根据遥感 影像相角方向的小波变换模的局部极大值点，得出 第1期骆新文，等:基于边缘提取的第三次国土调查遥感影像处理方法33边缘遥感影像P2(X,.),进而获取遥感影像的梯度 变化方向与矢量。根据遥感影像边缘尺度的不同，求取各个尺度下遥感影像的局部模极大值。选取 n xn大小的自适应窗口，扫描边缘遥感影像P2(x,.),基于自适应窗口内小波变换系数的变化，计算 遥感影像边缘自适应阈值,公式如式(1)所示:T=丁0+0 S Ci(1)%式中:L为原始遥感影像的局部模糊初始值,C 为自 适应窗口内小波变换系数,为小波变换比例系数,与小波变换系数具有一定的关联利用人工蜂群优 化的原始遥感影像分量增强方式，分解遥感影像中的 低频分量，获取较多原始遥感影像的主体信息。在遥 感影像的局部区域内，设定遥感影像/与滤波输出遥 感影像Q之间存在线性输出关系，遥感影像中心像素 点为V遥感影像像素点为,在遥感影像的矩形窗口 中，/与N之间的关系表达式如式所示:Qi=aJ,+Gk(2)式中：5与G分别为遥感影像输出的线性系数，均为 定值;Q,为引导遥感影像像素点i的对应值;+为滤 波输出遥感影像像素点i的对应值。通过关系表达 式获取滤波前后遥感影像之间的差异变化,并通过 遥感影像边缘 自 适应阈值为国土调查遥感影 像处理提供边缘信息。将不同尺度的遥感影像边缘 信息进行融合,控制相邻尺度间的边缘位移与边缘 像素,搜索边缘遥感影像对应的匹配区域，确定区域 的边缘点与非边缘点，排除遥感影像中的孤立点，获 取国土调查遥感影像融合后形成的边缘信息。2.3基于边缘提取的遥感影像处理首先，通过上述计算获取遥感影像边缘自适应 阈值融合处理后形成边缘信息;其次,基于边缘提取 的方式处理国土调查遥感影像。1)遥感影像预处理。综合考虑影像的拍摄时 间、角度及光照等因素的影响，对遥感影像进行预处 理。采用色彩调节软件，对影像内色彩的分布进行 调整,降低色彩分布不均匀对影像质量的影响。经 过NSST分解处理，增强影像中的有用信息,实现自 适应参数的调整。搜索遥感影像中滤波参数的最佳 值,采用群智能优化算法,在影像目标函数的可行域 中任意取值,调整影像的色阶与色相饱和度,当遥感 影像色彩融合后,调整影像的对比度,增强影像的清 晰度与局部对比度。2)调整遥感影像特征线的距离与方向。不同 结构类型国土调查遥感影像的处理方式不同，在地 形高差较大的情况下，应当及时调整特征线的距离 与方向，避免影像重复点数量过多，降低边缘信息。选取遥感影像中颜色相近，且质量较好的影像作为 调色模板，调整模板的色彩，采集影像中的所有特征 点，同时使遥感影像信息直方图呈正态分布，避免边 缘信息缺失。3)影像融合与像元亮度值校正。利用滤波器提 取遥感影像多光谱信息和高频细节信息数据,并提取 第三次国土调查中高分辨率特征的全色影像;结合低 通滤波器过滤影像噪声,对过滤后的影像进行配准,针对其中的多光谱影像，进行直方图配准，获取影像 的低频近似分量与高频细节分量;结合边缘提取的方 式，融合两种分量，得出融合后的分量,对遥感影像的 像元亮度值进行校正处理。设置边缘提取范围内光 谱影像像元亮度值上限，参考多光谱像机亮度值标准 建立表达式，如式(3)所示:=#x J2+%x J+(3)式中:J为国土调查遥感影像校正后的像元亮度 值,J为国土调查遥感影像校正前的像元亮度值,#、%、分别为影像处理回归参数。通过式(3)消除国 土调查遥感影像中变化状况较不稳定的像元，获取 符合影像变化规律的像元亮度值。经 遥感影像 处理调 遥感影像 的 距离与方向及影像融合与像元亮度值校正(上述3 个步骤)之后，基于图割理论,结合最小代价切割原 则,分割多源遥感影像,获取遥感影像地类边界最优 图块,并通过反转换生成遥感影像处理后的影像，完 成基于边缘提取的遥感影像处理。3试验分析3.1试验准备为了对本文提出的基于边缘提取的第三次国土 调查遥感影像处理方法的应用效果作出进一步分 析,进行了如下试验测试。本次试验选取黔南市依 族苗族自治州独山县的某镇作为试验区,该地区总 面积约为141 k m2，位于城乡结合部,辖区内的地貌 特征较全面，地理位置更具代表性。根据试验区地 理概况及地貌特征，选取EBEE微型无人机进行影 34测绘技术装备第25卷像采集工作,无人机在采集影像时，主要技术参数如 表1所示。表1试验无人机技术参数设置Tab.1 Tec hnic al paramet ers of t he VAV used in t he t est编号技数13D可视化飞行是2操作方式全自动3地面采样间隔$4 c m4无 范围3 4 k m5抗风能力5级风以内6最大飞行时间40 min7速度35 56 k m/h8陆方式盘旋着陆作为固定翼无人机,ebee采集功能较完善，能 够对试验区内的国土调查遥感影像作出全方位的采，对于试验后期影像处理 的帮助根据试验区的,影像,在完试验区的影像信息后，获取试验区影像数据。结中三角测量 理,测量试验区的外业像控,作出国土调查影像数字 基于边缘提取技,对国土调查遥感影像进行正射校正处理,保证遥 感影像的，生成匀色的正射影像图,本次试验的国土调查遥感影像处理流程 1所 从图1可以看出，通 场状况，无人机 路线，土地影像数据，生成初始影像等步骤后，对初始影像进行质量检查，质量检查通过后，成 正合格的影像。根据影像的实际参数变化，调 拔高度与地形 同 影像的旁向重叠度指标，将平地的旁向重叠度控制在45%60%之间，丘陵的旁向重叠度控制在45%75%之间，山地的旁向重叠度控制在45%85%之间，城 市地区的旁向重叠度控制在10%85%之间，采集 试验区内数字测量工作站的特征线。根据 结果,结合地面分辨率与成 尺,布设像控点之间的跨度，获取国土调查遥感影像数据。最后，采用正 正，对遥感影像数据进行处理,获取影像的配准精度。图2为部分原始遥感影像与处理后遥感 影像的对比 图1试验区国土调查遥感影像处理流程Fig.1 Remot e seesing image proc essing of l and resourc c survey in t he t esS area图2原始遥感影像与处理后遥感影像的对比Fig.2 Comparison of original remot e sensing image and proc essed remot e seesing image第1期骆新文，等:基于边缘提取的第三次国土调查遥感影像处理方法35从图2可以看出，经过遥感影像预处理,调整遥 感影像特征线的距离与方向,影像融合与像元亮度 值校正之后，原始遥感影像的清晰度与对比度有所 增强，同时遥感影像的边缘信息较为完整。再通过 对遥感影像进行分割,获取清晰的地类边界，为后续 国土调查分析提供良好的基础3.2试验分析试验分析本次试验结合遥感影像外业实地调查与内业解 译的方式，在试验区中选取8个一级类和15个二 级类，满足本次试验影像处理精度评价的需求。采 用0.25 m分辨率的影像进行内业解译处理，与外 业实地调查结果对比,以一级类作为评估单位,获取 国土调查遥感影像处理精度结果，如表2所示使用本文设计的基于边缘提取的第三次国土调 查遥感影像处理方法之后,处理后的遥感影像较为 清晰。从表2可以看出，针对不同结构与地貌特征 的土地区域，处理后的影像解译结果与外业调查结 果之间的差值较小，相应的误差率较低，说明本文设 计方法的影像处理精度较高，生成的遥感影像正射 校正精度符合国土调查的要求。表2国土调查遥感影像处理结果Tab.2 Resdt s from remot e sensing image proc essing in l and resourc c suvey编号影像解外业调查影像解 结果 外业调查结果之间差值/k m2误差率/%1地地0.0150.1042地地0.0040.2083地地0.0270.0374地地0.0050.0145地交通用地0.0130.0306交通用地用地0.0410.1277水域地0.0520.1368用地水域0.0370.0584结束语综上所述,本文设计的基于边缘提取的第三次 国土调查遥感影像处理方法能够全方位地提高影像 处理结果的精度，在分辨率上对遥感影像处理更具 优势，国土调查中应用的可行性较高,有效地解决了 传统国土调查影像数据获取困难的问题，提高了国 土调查工作的效率。此外，本文设计的遥感影像处 理方法较传统方法在成像分辨率、建设成本、成像精 度方面都具有显著优势。参考文献1 薛民.遥感影像处理技术在第三次国土调查中的应用 研究J.江西测绘,2021(4):30-31,35.2 周恒,张春雷，张欣，等.基于相干特征的岩石薄片序 列图像边缘提取及颗粒分割J.吉林大学学报(地球 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