浅析城市遥感影像地图分类制作方法_方焕焕.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：方焕焕（），女，安徽淮南人，助理工程师，学士，主要从事测绘与地理信息技术应用、数据库建设、摄影测量与遥感等工作。浅析城市遥感影像地图分类制作方法方焕焕（浙江省国土勘测规划有限公司，浙江 杭州）摘要：遥感技术对地图资料的来源、现势性以及制图工艺等方面产生了很大影响，促进了传统地图制图技术的变革。本文以某市 卫星影像及行政区划图为数据源，探讨了利用遥感影像制作城市影像地图的方法，用 软件制作城市影像地图的主要流程及其关键技术，重点研究了遥感影像地图的不同增强方法和监督分类方法，并通过实验结果的对比分析，得到最适合某市的增强方法为辐射增强，监督分类方法为最大似然估计法。最后根据监督分类结果制定出适合某市的影像地图制作方法，制作出一幅某市遥感影像地图。关键词：影像地图；图像增强；监督分类；软件；精度评定中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，；，：；引 言自 世纪 年代到 世纪末，航空影像从出现到作为影像地图的数据源不断普及，全球信息化的大数据时代已经到来。地球表层的各种特征、人们的行为和位置、环境等的每一点变化都成为可以被感知的数据，通过设备将其存储记录下来后，对其进行分析，最后供人类所利用。它具有丰富的地物信息，宏观性强，反映动态变化快。目前，越来越多的图形软件为城市影像地图制作提供了强有力的技术支撑。遥感影像的重要应用之一就是用于地图制作，并且制图的方法在不断更新。在影像地图制作方面，何宗宜等依据关中地区影像图的制作，就解决遥感影像制作地图所需要的软硬件、制作过程、生产过程中的问题，论述了遥感影像制作地图的工艺流程。徐兵等讨论了世界各国都已制作出了适用于本国的各种比例尺的影像地图，并且美国作为制作影像地图技术最成熟的国家之一，不仅可以利用地球资源卫星影像制作影像地图，而且研究了很多种类的影像地图。肖炜枝等基于对我国城市影像地图集所表达内容及其表现形式的分析，从地理要素和辨识效果方面，研究城市影像地图集表达的影响因素，通过分析比较，提出能够满足需求的地理要素和辨识效果的城市影像地图集的表达形式。本文以某市影像地图及行政区划图为数据源，详细探讨城市影像地图制作的主要流程及其关键技术，重点研究遥感影像地图的分类方法，并通过实验进行对比分析，最终制定出适合的影像地图制作方法，利用 软件制作某市遥感影像地图，主要内容包括：）影像预处理研究 系列卫星影像质量评定与下载，针对不同研究对象进行波段组合，并对多张波段组合后的遥感影像进行拼接，根据研究区域矢量边界进行裁剪。）影像增强与影像分类研究影像增强方法，减小影像噪声，对影像进行分类。）图幅整饰、影像地图制作研究在 软件中添加注记、矢量图层、比例尺、图例等基本制图信息，完成影像地图制作。影像预处理 波段组合波段组合原理是先将 个波段的图像分别分配给红、蓝、绿 个通道上叠合在一起而得到彩色图像。波段组合即将同一地区不同波段的影像以不同顺序组合，从而突出影像上不同目标对象，这样不仅结合了各个波段的不同特点，而且使不同类型的地物地貌可以在地图上有良好的表达效果。图像镶嵌当研究区域分布在多个遥感图像上时，就需要将多个不同的遥感图像拼接在一起。图像镶嵌是根据一定的数学原理，把几个相邻的遥感图像拼接成大范围图像的过程。图像配准遥感图像在成像时，由于地球曲率的变化、空气折射的变化以及地形的变化，或者由于传感器平台的高度、姿态等不稳定，从而使获得的遥感图像相对于地表目标存在一定的几何畸变，产生了几何形状或位置的失真，这种畸变使 得 像 元 相 对 于 地 表 目 标 的 实 际 位 置 发 生 了变化。图像裁剪经过配准的图像具有了坐标等地理属性，为了制作出某城市的影像地图还需要用配准好的具有地理坐标的图像作为模板对镶嵌好的图像进行裁剪，裁剪出固定区域的图像。遥感影像裁剪有规则裁剪、不规则裁剪、分块裁剪 种类型，规则裁剪的边界范围是矩形，矩形则根据自己的需要设定。图像增强图像增强是为了使分析者在分析图像时，能够更加清楚和准确，根据分析者的需求对图像进行处理的过程。图像增强包括辐射增强、空间增强和光谱增强这三大类方法。本文运用的是辐射增强中的直方图均衡，直方图均衡结果如图 所示。图 直方图均衡结果 由图 可知，直方图均衡后的影像像是蒙上了一层雾，颜色明显没有均衡前的颜色亮，但是均衡后的影像房屋即品红色区域更加明显，各种颜色间的差异变大，这有利于后期监督分类样本的选择。本文空间增强选择的是卷积滤波和波段 的锐化，卷积滤波的加回值设为；锐化处理时选择波段。空间增强结果如图 所示。图 空间增强结果 由图 可知，卷积滤波的增强结果有一定的立体性，但是颜色分布比较琐碎，不利于后期的分类处理；波段 的锐化增强结果使得整幅影像的色调更加鲜亮，但是增强后的颜色更加复杂，这对后期的分类处理也是不利的。光谱增强选用的是主成分分析的方法。主成分分析的最大特点是背景颜色也会随着变化，地物的颜色也会变成与原来对立的颜色，很多小的像元都被归到邻近的主要颜色里，这有利于后期的分类处理。监督分类监督分类是在图像上选取部分清晰可辨识的地物作为样本，计算机根据选取地物的特征，确定提取特征参数和判别规则，对所有选取样本的像元进行分类，再根据判别规则对非样本像元进行归类的过程。监督分类实验 平行六面体分类对基于辐射增强结果、基于空间增强结果、基于光谱增强结果进行平行六面体分类。由目视解译的方法可知，基于辐射增强结果的平行六面体分类能清楚地表现水系、建筑物、农作物、林地等地物，可以很好地用于影像 测绘与空间地理信息 年地图制作。最小距离法对基于辐射增强结果、基于空间增强结果、基于光谱增强结果进行最小距离法分类。由目视解译的方法可知，基于辐射增强结果、基于空间增强结果和基于光谱增强结果的最小距离法分类都能清楚地表现水系、建筑物、农作物、林地、道路等地物，但是因为影像分辨率不高，有些颜色与道路相近的建筑物或农作物也被分为道路，分类结果也可以用于影像地图制作。最大似然估计对基于辐射增强结果、基于空间增强结果、基于光谱增强结果进行最大似然估计法分类。由目视解译的方法可知，基于辐射增强结果、基于空间增强结果和基于光谱增强结果的最大似然估计法分类结果都能清楚地表现水系、建筑物、农作物、林地、道路等地物，但是因为影像分辨率不高，有些颜色与道路相近的建筑物或农作物也被分为道路，分类结果可以用于影像地图制作。监督分类结果精度评定受到分类算法的局限性、影像数据的复杂性和不确定性、主观操作因素等的影响，不可避免地会出现分类结果与实际地物及分布范围不一致的情况，从而存在一定程度的分类错误。因此，对分类结果的可靠性与精度的检查是必不可少的环节。软件精度评定有 种方法，分别是混淆矩阵和 曲线，本文采取最常用的方法混淆矩阵，本文主要分析混淆矩阵中的总体精度和 系数来评定监督分类结果的精度。总体分类精度等于被正确分类的像元总数除以总像元数，被正确分类的像元数目分布在混淆矩阵对角线上，总像元数等于所有真实参考源的像元总数。系数是通过所有地表真实分类中像元总数（）乘以混淆矩阵对角线的和，再减去一类中地表真实参考像元的总和（）与这一类中被分类的像元总数（）的积，再除以总的像元数的平方减去这一类中地表真实像元与这一类被分类像元总数的积得到的，即公式（）：（）监督分类结果的总体精度和 系数评定结果见表、表、表。表 平行六面体法的精度评定 图像增强方法总体精度（）系数辐射增强 空间增强 光谱增强 表 最小距离法的精度评定 图像增强方法总体精度（）系数辐射增强 空间增强 光谱增强 表 最大似然估计法的精度评定 图像增强方法总体精度（）系数辐射增强 空间增强 光谱增强 由表、表、表 可知，平行六面体法的分类精度最低，不可用于城市影像地图的制作；最小距离法基于辐射增强结果的精度最低，不可用于城市影像地图的制作，基于光谱增强的结果分类精度最高，可用于城市影像地图的制作；最大似然估计法基于每种强结果的分类结果精度都很高，都可用于城市影像地图的制作。分类后处理监督分类得到的结果只是初步的，无法直接用于影像地图的制作，为了能得到更好的影像效果，还需要对监督分类的结果做进一步处理，这些进一步处理就是分类后处理。监督分类后的结果中通常会存在许多面积很小的图斑，从整个图面的美观和使用方便的角度，都需要把这些小图斑重分类或消除，分析、聚类分析和过滤处理等是现在最常用的小斑块去除后方法。本文采用 分析方法去除小斑块。分析法是取 或 的像元大小，将这 个或 个像元中相同的类别赋予相同的值，将中间像元赋值为另外 个或 个像元中数量最多的那个值。平行六面体法对基于辐射增强结果、基于空间增强结果、基于光谱增强结果进行平行六面体分类。由目视解译的方法可知，经过分类后处理，消除了很多原来的小斑块，图像看起来没有原来零碎。用平行六面体法分类后，基于辐射增强结果依然能清楚地表现水系、建筑物、农作物、林地等地物，可以很好地用于影像地图制作；基于空间增强结果、基于光谱增强结果的影像还是都只能表现水系、建筑物、农作物，不能用于影像地图制作。最小距离法对基于辐射增强结果、基于空间增强结果、基于光谱增强结果进行最小距离法分类。由目视解译的方法可知，由于经过分类后处理消除了小斑块，基于辐射增强结果、基于空间增强结果和基于光谱增强结果的最小距离法分类不仅仍能清楚地表现水系、建筑物、农作物、林地、道路等地物，而且使各种地物看上去都是连续的，但是因为影像分辨率不高，所以有些颜色与道路相近的建筑物或农作物也被分为道路，道路出现成块的现象，分类结果也可以用于影像地图制作。最大似然估计法对基于辐射增强结果、基于空间增强结果、基于光谱第 期方焕焕：浅析城市遥感影像地图分类制作方法增强结果进最大似然估计法分类。由目视解译的方法可知，经过分类后处理的影像各种主要地物更加清晰，几乎不存在河流中有少量地物的情况。基于辐射增强结果、基于空间增强结果和于光谱增强结果的最大似然估计法分类经过后处理仍能清楚地表现水系、建筑物、农作物、林地、道路等地物，但是因为影像影响分辨率不高，有些部分也出现了道路成块的现象，分类结果还是可以用于影像地图制作。分类后处理结果精度评定分类后处理结果的总体精度和 系数评定结果见表、表、表。表 平行六面体法的精度评定 图像增强方法总体精度（）系数基于辐射增强 基于空间增强 基于光谱增强 表 最小距离法的精度评定 图像增强方法总体精度（）系数基于辐射增强 基于空间增强 基于光谱增强 表 最大似然估计法的精度评定 图像增强方法总体精度（）系数基于辐射增强 基于空间增强 基于光谱增强 由表、表、表 可知，分类后处理后平行六面体法的精度仍然是最低，不可用于城市影像地图的制作；分类后处理后最小距离法基于辐射增强结果的精度仍然是低，不可用于城市影像地图的制作，基于光谱增强的结果的分类精度最高，可用于城市影像地图的制作；最大似然估计法基于每种增强结果的分类结果精度都很高，都可用于城市影像地图的制作。由表、表、表、表、表、表 对比分析可知，所有基于辐射增强结果的分类后处理的精度都比未分类后处理精度低，而基于空间增强结果和基于光谱增强结果的精度在分类后处理后都有所提高。图幅整饰 制图要求遥感影像地图与普通地图相比，具有遥感图像和地图的双重特性，在地图设计、表示内容、制图工艺等方面有其独特之处。道路的表达道路是城市的骨架，现有的城市影像地图对道路处理的手段各种各样，有的将矢量化的道路透明或半透明叠加在影像图上，有的影像分辨率较高，能较好地反映道路的车道、立交桥等地物信息，这类影像只需要在道路上添加注记标志即可表示道路信息。本文由于影像的分辨率不高，所以道路的表达采用的是添加矢量的方法。文字注记的表达根据规范要求，图名横向标注在北图廓外中间位置，格式为图幅名加影像地图。比例尺、指北针、图例、公里网的表达根据规范要求，比例尺标注在南图廓外中间位置，且应同时具有直线比例尺和数字比例尺。矢量图层某市的遥感影像图经过预处理和监督分类等步骤影像处理已经初步处理完成，为了方便使用还需要添加县界以及包括铁路、高速、国道和省道等的交通矢量。县界的矢量数据来源和用于裁剪的边界一样，根据某市行政区划图，绘制出县区界限和公路等矢量文件，矢量文件效果如图 所示。图 矢量文件效果图 成果展示根据精度评定结果，采用基于辐射增强结果的最大似然估计分类结果制作城市影像地图。结束语本文虽然以某市遥感影像和某市行政区划图为数据源，用 软件对影像进行处理并制作出某市影像地图，但因影像分辨率和 软件版本的限制，本文仍有以下不足之处：）在影像处理过程中，仅对 卫星影像进行了波段组合、图像镶嵌、图像配准、图像裁剪、图像增强等预处理，影像上还有少量的云存在，并未做出处理，且在监督分类过程中将其归类为其他用地。）在监督分类过程中，影像上有少量水田的颜色与河流湖泊的颜色接近，不容易分类，因此，只能将其归类为水系。）本文使用了平行六面体法、最小距离法和最大似然估计法等 种常用的监督分类方法。平行六面体法对水系、居民地、农作物和森林分类效果较好，但是道路都被分到其他类别中去了。最小距离法和最大似然估计法对道路的分类结果较好，其他地物的分类结果不如平行六面体法。今后可以尝试将各种方法的优点结合，提出更好的分类方法。）分类后处理的方法还需要进一步改进才能使分类 测绘与空间地理信息 年后处理的精度有更大的提高。参考文献：基于航空影像和 数据集成处理的城市道路网络自动提取武汉：武汉大学，李明江基于数字地球平台的城市地下空间信息管理与可视化上海：华东师范大学，尹言军，郭礼珍 技术和遥感影像在编制重点文物地图中的应用：以制作武汉大学校园重点文物图为例测绘与空间地理信息，（）：肖炜枝，肖海威，何华贵，等城市影像地图集的内容表达形式浅析测绘与空间地理信息，（）：，戴昌达，雷莉萍 图像的光谱信息特征与最佳波段组合环境遥感，（）：顾明明，黑文艳，李长春，等大区域 影像数据的一体化镶嵌处理方法与研究测绘地理信息，（）：王增军，曾丽红，韦江玲基于遥感影像的北部湾金滩变化研究 测绘与空间地理信息，（）：姜青涛，刘恒泉，戴希贝基于无姿态参数影像数据的融合与发布系统设计与实现科学技术创新，（）：宋秀莲利用 输出不规则影像图测绘技术装备，（）：白冰基于优化改进的图像模糊增强算法研究银川：宁夏大学，王小攀基于图的高光谱遥感数据半监督分类算法研究武汉：中国地质大学，编辑：刘莉鑫（上接第 页）省了植被覆盖度监测的比例尺地形图数据整合的时间。本文由于篇幅的原因，在实验过程中仅测试本文设计的系统和传统系统的整合时间，对于其他方面例如整合数据的范围大小、效用程度尚未展开研究，因此还存在一些不足。在未来植被覆盖度监测的比例尺地形图数据整合上，可以参考本文设计的系统以实现更快速整合数据的目的。参考文献：刘孙发，林志兴 基于虚拟化技术的服务器端数据整合系统设计研究 现代电子技术，（）：范高兴 不动产数据整合系统的设计与实现 中小企业管理与科技（下旬刊），（）：李思谕 新疆 基础地理信息数据库整合升级工程设计与实现 测绘与空间地理信息，（）：赵祎敏 基于数据整合的测绘成果管理系统设计与实现 经纬天地，（）：杨荣荣 计算机软件数据整合虚拟数据库体系研究分析 电子测试，（）：，于延菊 炼化企业 系统数据集成设计与实现网络安全和信息化，（）：梁琴琴，何东林，王振飞，等 三维数字化矿山地质信息整合系统设计及应用 中国金属通报，（）：刘璐 辽宁省森林资源数据整合系统的研制 辽宁林业科技，（）：，冷顺绿，洪涛，郑朝治 林权不动产数据整合系统的设计与实现 湖北农业科学，（）：，刘丹 浅析自然资源数据整合方法 价值工程，（）：编辑：张 曦（上接第 页）品标准等差异，尤其在基础地理信息要素分类与编码、地理信息数据格式等方面的不一致，成为地理信息数据共享与融合的瓶颈。在加快军事测绘成果向战斗力转换的过程中，打破壁垒，建立军地统一的测绘标准，推动军地测绘地理信息的共享，实现深度军民融合是进行地理信息高效服务国防与经济建设的必然要求。参考文献：罗宾逊，赛尔，莫里逊，等地图学原理 南京：测绘出版社，王东华地理数据库驱动的地形图制图表达技术研究及集成应用武汉：武汉大学 王东华，刘建军国家基础地理信息数据库动态更新总体技术测绘学报，（）：叶华斌，高松梅，程志强测绘地理信息数据标准化改造入库探讨江西测绘，（）：彭春晖，郝思宝，杨秋菊基于基础地理信息地形要素数据规范的 自动入库方法研究测绘与空间地理信息，（）：肖强，赵国成 与军用交换格式数据转换的研究与实现海洋测绘，（）：岳志兰基于地理信息本体的语义转换济南：山东大学 党元军，刘小强军民测绘标准融合浅议测绘技术装备，（）：吕玉霞，史曙光，刘平芝，等军民测绘标准融合方法研究测绘标准化，（）：殷小庆，严竞新，罗红斌，等军民基础地理信息要素分类与代码标准融合的探讨测绘标准化，（）：国家测绘局测绘标准化研究所基础地理信息要素分类与代码：北京：中国标准出版社，编辑：张 曦第 期方焕焕：浅析城市遥感影像地图分类制作方法